Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες Μάμαντος Προδρομίδης Αναπληρωτής καθηγητής Αναλυτικής Χημείας, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Δουρούτη 45 110, Ιωάννινα
Αμπερομετρικοί Βιοαισθητήρες
Ορισμός Βιοαισθητήρας ονομάζεται το σύστημα δύο μεταλλακτών, ενός χημικού και ενός φυσικού, οι οποίοι βρίσκονται σε επαφή και μετατρέπουν τη συγκέντρωση του αναλύτη σε μετρούμενο σήμα.. (Yacynych A.M., Select. Electr. Rev., 1990) ΑΝΑΛΥΤΗΣ Η 2 Ο 2 ΑΝΑΛΥΤΗΣ NADH ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΕΝΕΡΓΗ ΟΥΣΙΑ Χημικός Μεταλλάκτης Ένζυμο Αντίσωμα Αντιγόνο Βακτήριο Ιστός Διαμεσολαβητής Φυσικός Μεταλλάκτης Ηλεκτρόδιο
ΔΙΑΧΥΣΗ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΕΝΖΥΜΑΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΕΝΖΥΜΟ ΠΡΟΪΟΝ Υποκαταστάτης ΡΕΥΜΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΗΣ ΑΚΙΝΗΤ/ΝΟ ΕΝΖΥΜΟ
Τι προσφέρουν οι βιοαισθητήρες ΜΙΚΡΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΥΨΗΛΗ ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Ευαισθησία, Ακρίβεια Επαναληψιμότητα ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΟΙ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΙΑΣ ΧΡΗΣΗΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΧΡΗΣΕΩΝ ΓΡΗΓΟΡΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΝΕΧΗΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ (ΕΜΦΥΤΕΥΣΗ)
Κατάταξη βιοαισθητήρων ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΙΚΟΙ....μέτρηση ρεύματος ΟΠΤΙΚΟΙ....μέτρηση απορρόφησης, φθορισμού, φωταύγειας ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ..μέτρηση συχνότητας (ΔF=-2,3x10-6 F 2 ΔΜ/Α) ΕΜΠΕΔΗΣΙΟΜΕΤΡΙΚΟΙ...μέτρηση εμπέδησης ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΠΛΑΣΜΟΝΙΩΝ. μέτρηση δείκτη διάθλασης
Βασικοί τύποι αμπερομετρικών βιοαισθητήρων Υπόστρωμα + Ο 2 Οξειδάση Προϊόν + Η 2 O Οξειδάση Υπόστρωμα + Ο 2 Προϊόν + Η 2 O 2 Δεϋδρογονάση Υπόστρωμα + NAD + Προϊόν + NADH + H +
Βασικοί τύποι αμπερομετρικών βιοαισθητήρων Ηλεκτροχημική οξείδωση / αναγωγή Η 2 Ο 2 H 2 O 2 O 2 + 2H + + 2e -, H 2 O 2 + 2H + + 2e - 2H 2 O, E > 600 mv E < -400 mv Ηλεκτροχημική οξείδωση NADH NADH NAD + + H + + 2e -, E > 600 mv Ηλεκτροχημική αναγωγή Ο 2 O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O, E ~ -0,6 0,9 V
Προβλήματα στη χρήση βιοαισθητήρων Εφαρμογή υψηλών δυναμικών (υπέρταση) Εμφάνιση ηλεκτροχημικών παρεμποδίσεων (Ο 2, ασκορβικό οξύ, ουρικό, φαινόλες ) Στόμωση (fouling) των ηλεκτροδίων (δημιουργία ελευθέρων ριζών) Εξάρτηση της απόκρισης του αισθητήρα από την ποσότητα διαλυμένου Ο 2
Βιοαισθητήρες με mediators Η 2 Ο 2 + [Med] red Μη ενζυμικά ή Υπεροξειδάση [Med] ox + Η 2 Ο Μη ενζυμικά ή NADH + [Med] ox + H + [Med] red + NAD + Διαφοράση Υπόστρωμα + [Med] ox Ένζυμο FADH 2 - FAD Προϊόν + [Med] red
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Οξειδάση της γλυκόζης (GOx) και δεϋδρογονάση της γλυκόζης (GDH). Το συνένζυμο της GOx, το φλαβινοαδενιδο δινουκλεοτίδιο (FAD, η οξειδωμένη μορφή και FADH 2, η ανηγμένη μορφή) βρίσκεται ισχυρά συνδεδεμένο με το αποένζυμο της GOx, Το συνένζυμο της GDH, το νικοτιναμιδοαδενιδο δινουκλεοτίδιο (ΝAD +, η οξειδωμένη μορφή και NADH, η ανηγμένη μορφή) δεν εμπεριέχεται στο ενζυμικό μόριο και προστίθεται εξωγενώς. GOx Γλυκόζη + Ο 2 Γλυκονολακτόνη + Η 2 Ο 2 Γλυκόζη + NAD + GDH Γλυκονολακτόνη + NADH
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Α) Βιοαισθητήρες γλυκόζης με GOx Ι) Άμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός Ο 2 ή Η 2 Ο 2
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙ) Ηλεκτροχημικός προσδιορισμός Η 2 Ο 2 παρουσία διαμεσολαβητή.
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙΙ) Ηλεκτροχημική αναγωγή Η 2 Ο 2 παρουσία του ενζύμου υπεροξειδάση. Η 2 Ο 2 + [HRP] red H 2 O + [HRP] ox [Med] red + [HRP] ox [HRP] red + [Med] ox [Med] ox + e- [Med] red
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης VΙ) Οξείδωση του συνενζύμου FAD παρουσία ενός διαμεσολαβητή.
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης «ηλεκτρική καλωδίωση» του ενζύμου με το διαμεσολαβητή στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, μέσω μιας ηλεκτρονιακά αγώγιμης, οξειδοαναγωγικής υδροπηκτής (κολλοειδής πηκτής, στην οποία το νερό αποτελεί το μέσο διασποράς), στην οποία έχει ακινητοποιηθεί το ένζυμο.
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης V) Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών
Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών O - ring Περατοεκλεκτική μεμβράνη Ενζυμική μεμβράνη Προστατευτική μεμβράνη
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης V) Αρχιτεκτονική πολλαπλών μεμβρανών
Μεμβράνες με διαφορετικό μηχανισμό αποκλεισμού μορίων Ηλεκτρόδιο Οξική κυτταρίνη Αρνητικά φορτισμένη μεμβράνη Nafion Πολυκαρβονυλική μεμβράνη
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης Β) Βιοαισθητήρες γλυκόζης με GDH Ι) Άμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH ΙΙ) Έμμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία διαμεσολαβητή
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης ΙΙΙ) Έμμεσος ηλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία του ενζύμου διαφοράση
Βιοαισθητήρες Γλυκόζης VΙ) Hλεκτροχημικός προσδιορισμός NADH παρουσία του ενζύμου οξειδάση του NADH
Πλεονεκτήματα από την μέτρηση H 2 O 2 σε ενζυμικά συστήματα δεϋδρογονασών Προσδιορισμός Τριγλυκεριδίων
Προσδιορισμός κιτρικού οξέος ΚΙΤΡΙΚΟ ΟΞΥ CL ΟΞΑΛΟΞΙΚΟ ΟΞΥ + ΟΞΙΚΟ ΟΞΥ OACD ΟΞΑΛΟΞΙΚΟ ΟΞΥ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ ΟΞΥ + CO 2 POD, TPP, Mg 2+ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ ΟΞΥ + HPO 2-4 + O 2 ΑΚΕΤΥΛΟΦΩΣΦΟΡΙΚΑ + CO 2 + H 2 O 2 Φορέας Αντλία. Δείγμα POD/OACD Ανιχνευτής Απόβλητα TPP. Η/Υ................ 4e-008 4nA 2min 2e-008 0 0 200 400 600 800100012001400160018002000
Βιοαισθητήρας κιτρικού οξέος ΜΓ ΑΝ ΠΑ ΠΟΛΥΚΑΡΒΟΝΥΛΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ POD OACD POD OACD ΤΥΧΑΙΑ ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ POD POD OACD OACD ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ H 2 O 2 ΟΞΙΚΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ H 2 O 2 OACD OACD OACD OACD POD POD POD POD ΑΣΥΜΜΕΤΡΗ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ Pt
Βιοαισθητήρας μηλικού οξέος MDH ΜΗΛΙΚΟ ΟΞΥ + NAD + Οξαλικό οξύ + NADH + H + NADH + [Fe(CN) 6 ] 3- Διαφοράση NAD + + [Fe(CN) 6 ] 4, Εο = +300 mv Αντλία Φορέας NAD + Δείγμα MDH/DI Η/Υ Ανιχνευτής................ Απόβλητα 1,8e-008 1,6e-008 60nA 1,4e-008 2min 1,2e-008 1e-008 8e-009 6e-009 4e-009 2e-009 0 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Προσδιορισμός Όζοντος
Προσδιορισμός Όζοντος
Εμπορικά διαθέσιμοι αναλυτές που βασίζονται σε αμπερομετρικούς βιοαισθητήρες
Οικονομικά στοιχεία Sectors US$ (million) % Comments Medical: glucose 456 90 Diabetics control Medical: other 11 2 Lactate, urea, etc. Environmental 10 2 Mainly BOD indicators Other 31 6 Fermentation monitoring, food analysis, alcohol Total 508 Source: Cranfield Biotechnology center (1996) This study estimates that the market size for worldwide biosensors at yearend 2003 was about $7.3 billion. The market is projected to improve and grow to about $10.8 billion in 2007 with a growth rate of about 10.4%.
Glucose (Dextrose) Sucrose Lactose L-Lactate Galactose L-Glutamate Choline L-Glutamine Ethanol Hydrogen Peroxide Starch
SensAlyse
ProcessMonitor On-line monitoring of glucose in biotech production and pilot plants
Βιοαισθητήρες για ατομική χρήση