Χημικοί αισθητήρες & Βιοαισθητήρες Μάμαντος Προδρομίδης Αναπληρωτής καθηγητής Αναλυτικής Χημείας, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Δουρούτη 45 110, Ιωάννινα
Ακινητοποίηση (Βιο)μορίων
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 Οπτικές ίνες Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος
Introduction of some biochemical transducers (biorecognition elements) Enzyme A protein with catalytic properties. A sequence of aminoacids Enzymes exhibits a high selectivity for their substrates Antibody A protein with affinity properties. A sequence of aminoacids Antibodies (Ab) exhibit a high selectivity for a specific antigen (Ag). They form a Ab-Ag complex DNA A long polymer made from repeating units called nucleotides It consisted of two complementary chains, which uniquely matched each other, and they hold together very tightly by means of hydrogen bonds
Μηχανισμός ενζυμικής δράσης
Πιθανές διαμορφώσεις ακινητοποιημένου ενζύμου Βιομόριο Θέσεις σύνδεσης Φορέας ακινητοποίησης Προσανατολισμός Ακαμψία σύνδεσης
Antibodies Substrate Enzyme Electroactive compound Cysteine Aspartic acid Glutamic acid Lysine Threonine
Antibodies Theoretically, there is a specific antibody for each (bio)molecule Development of an antibody Target analyte (antigen or hapten) Hapten is first attached to a protein carrier Immunization of mice or rabbits Development of a tumor Purification Isolation of the desired antibody
DNA Matching between the two strands is unique (A-T & G-C). Strands are held together very tightly by means of hydrogen bonds ( ) A long polymer with repeating units called nucleotides (Base +sugar+phosphate) A strong negative charge
Μέθοδοι ακινητοποίησης ενζύμων Μέθοδοι Φυσικές Χημικές Προσρόφηση (adsorption) Ενθυλάκωση (encapsulation) Παγίδευση (entrapment) Διασταυρούμενη σύνδεση (cross-linking) Ομοιοπολική σύνδεση (covalent bonding) Χαλαρή σύνδεση με το φορέα Διατήρηση ενζυμικής δραστικότητας Ισχυρή σύνδεση με το φορέα Μερική απώλεια της ενζυμικής δραστικότητας
Προσρόφηση Ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ ΦΟΡΕΑ / ΒΙΟΜΟΡΙΟΥ ΦΟΡΕΑΣ : Οξείδια των μετάλλων, Nylon Biodyne B (R 4 N + ), Nafion (R-S 3- ) ΒΙΟΜΟΡΙΟ : Ισοηλεκτρικό σημείο, pi Η σύνδεση είναι αντιστρεπτή σε αλλαγές ph, ιοντικής ισχύς Αβιδίνη Ισοηλεκτρικό σημείο pi=10,5 Ti 2 Σημείο μηδενικού φορτίου pzc= 4,8-6,1 ph 8,0 Αβιδίνη (+), Οξείδιο τιτανίου (-)
Ενθυλάκωση βιομορίων σε ημιπερατά υλικά Φυσική προσρόφηση / διάχυση του ΒΙΟΜΟΡΙΟΥ σε μικροπορώδη ΦΟΡΕΑ ΦΟΡΕΑΣ : νανοσωματίδια CaCΟ 3, sol-gel, μεμβράνες μεικτών εστέρων κυτταρίνης, πολυ-βινυλαλκοόλη ΒΙΟΜΟΡΙΟ : Μοριακό βάρος Διατήρηση βιολογικής δράσης / προβλήματα εκρόφησης Ενθυλάκωση κυττάρων σε ίνες οξικής κυτταρίνης
Παγίδευση βιομορίων σε πηκτή πολυμερούς Μονομερές + Βιομόριο Πολυμερές (βιομόριο) Υλικό ακινητοποίησης: Πολυακρυλαμίδιο Σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου Πολυπυρρόλιο
Χημικές μέθοδοι ακινητοποίησης Αμινοξέα 1 αγής δομή πρωτεϊνών Κυστείνη Ασπαρτικό οξύ Αμινοξύ Γλουταμινικό οξύ ΝΗ 2 H Φορέας SH Λυσίνη CH Θρεονίνη
Χημικές μέθοδοι ακινητοποίησης Μέθοδος καρβοδιϊμιδίων Μέθοδος Διαζώτωσης Μέθοδος γλουταραλδεύδης ΝΗ 2 Μέθοδος βρωμοκυανίου Μέθοδος χλωροκυανουριδίου H Φορέας SH Μέσω δισουλφιδικών δεσμών CH Μέθοδος καρβοδιϊμιδίων
Μέθοδος καρβοδιϊμιδίων / -CH/NH 2 CH 2 CH 3 N C C N (CH 2 ) 3 N + H(CH 3 ) 2 Cl - H EDC C CH 2 CH 3 N H C N H N (CH 2 ) 3 N + H(CH 3 ) 2 Cl - C C H 2 C C H 2 NHS C N C C H 2 C C H 2 -ΝΗ 2 C N H N Ε Ε H C EDC/NHS C NH 2 NH C
Μέθοδος καρβοδιϊμιδίων / -SH H C EDC/NHS N C PDEA N S S NH C E SH E S S NH C Καθορισμένος προσανατολισμός (μικρότερος πληθυσμός SH) Όταν ΝΗ 2 είναι κοντά στο ενεργό κέντρο 2-(2-pyrdinyldithio) ethaneamine (PDEA)
Μέθοδος γλουταραλδεύδης - NH2/ΝΗ2
Αποφυγή στερεοχημικών παρεμποδίσεων
Επιφάνειες με ΟΗ (Κυτταρίνη, οξείδια μετάλλων) Μέθοδος βρωμοκυανίου / -ΟΗ Μέθοδος χλωροκυανουριδίου / -ΟΗ
Μέθοδος διαζώτωσης
Σύνδεση χρυσού θειολών (R-SH) Οι θειόλες (R-SH) συνδέονται με το χρυσό με εξαιρετική ευκολία ΔG > -150 kj/mol HS (CH 2 )n CH 3, n = 1-20 - NH 2, -CH, -H, -HS n < 6, αγώγιμες επικαλύψεις 6 < n < 10 ημιαγώγιμες επικαλύψεις n > 11 μη αγώγιμες επικαλύψεις
Διάφοροι τύποι θειολών (R-SH) Au Au
Έλεγχος προσανατολισμού
Εφαρμογές σε νανοσωλήνες άνθρακα
Εφαρμογές σε αγώγιμα πολυμερή
Στιβάδες σιλανίων [ΦΑ]-ΟΗ + (R) 3 Si H [ΦΑ]-(Ο) 3 Si H + 3R-H
Στιβάδες σιλανίων (C 2 H 5 ) 3 Si (CH 2 ) 3 NH 2 ] (CH 3 ) 3 Si (CH 2 ) 3 -SH] (CH 3 Ο) 3 Si (CH 2 ) 3 CH 2 CH()CH 2 ]
Σύμπλοκο αβιδίνης - βιοτίνης 4 x Βιοτίνη K f ~ 10 15 M Αβιδίνη Βιοτίνη
Σύμπλοκο Ni-NTA με Ιστιδίνη ΝΤΑ : Νιτριλοτριοξικό οξύ
Ακινητοποίηση μέσω βορονικών οξέων Αμινοφαινυλο βορονικό οξύ
Ακινητοποίηση μέσω βορονικών οξέων