ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ «ΥΒΡΙΔΙΚΟΙ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΧΑΜΗΛΟΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΣΗΣ» ΚΑΤΣΙΑΟΥΝΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ Α.Μ. 57 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ κ. ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ ΤΟΠΟΓΛΙΔΗΣ (Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης των Υλικών) ΠΑΤΡΑ, Ιανουάριος 2014

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ «ΥΒΡΙΔΙΚΟΙ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΧΑΜΗΛΟΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΣΗΣ» ΚΑΤΣΙΑΟΥΝΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ Α.Μ. 57 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ κ. ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ ΤΟΠΟΓΛΙΔΗΣ (Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης των Υλικών) ΠΑΤΡΑ, Ιανουάριος 2014 1

Αφιερωμένο στους Καθηγητές, τους Γονείς και τ Αδέλφια μου 2

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου τον επιβλέπων μου Δρ. Εμμανουήλ Τοπογλίδη (Λέκτορα του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών Πανεπιστημίου Πατρών) για την εξαιρετική συνεργασία, τη σημαντικότατη βοήθεια και την καθοδήγηση που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας, κάτι που είχε σαν αποτέλεσμα να κατανοήσω σε βάθος το θέμα της ανάπτυξης βιοαισθητήρων καθώς και γενικά του τρόπου με τον οποίο οφείλει να γίνεται η έρευνα. Ευχαριστώ πολύ τον Καθηγητή κ. Ιωάννη Κούτσελα (Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών Πανεπιστημίου Πατρών) για την καθοριστική συνδρομή του σε αυτή την εργασία με τη σύνθεση των χαμηλοδιάστατων υλικών και για την καθοδήγηση που μου παρείχε σε πολλές περιπτώσεις, ώστε να κατανοήσω το δυνατόν καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματα. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Ευάγγελο Καρούτσο (Ειδικό Τεχνικό Εργαστηριακό Προσωπικό του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών Πανεπιστημίου Πατρών) για τις πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποίησε (SEM), οι οποίες αποτελούν περιεχόμενο της παρούσας εργασίας. Ευχαριστώ πολύ την Χριστίνα Τιφλίδου (Φοιτήτρια του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών Πανεπιστημίου Πατρών) η οποία εκπονούσε τη διπλωματική της εργασία στο ίδιο εργαστήριο με εμένα και με βοήθησε, ιδίως στην αρχή, να εξοικειωθώ με το χώρο του εργαστηρίου και με τα μηχανήματα που έπρεπε να χρησιμοποιήσω για την ερευνά μου. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου Νίκο και Άννα, γιατί χωρίς τη σημαντικότατη στήριξη που μου παρείχαν δε θα είχα τη δυνατότητα να φτάσω μέχρι το τέλος. 3

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση τριών διαφορετικών ειδών λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO 2 ) ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με σκοπό την ανάπτυξη και σύγκριση αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H 2 O 2 ). Το πρώτο είδος των λεπτών υμενίων TiO 2 είναι από την εμπορική πάστα της Dyesol η οποία παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel, το δεύτερο είδος είναι από μία πάστα δικής μας παραγωγής με τη μέθοδο sol-gel και το τρίτο είδος είναι από μία πάστα που παρασκευάσαμε χρησιμοποιώντας την έτοιμη νανοδομημένη σκόνη TiO 2, Degussa P 25. Τα υμένια TiO 2 που έχουν παρασκευαστεί από την εμπορική πάστα της Dyesol χρησιμοποιήθηκαν και για τη δημιουργία υβριδικού υποστρώματος με νανοσωματίδια Αργύρου το οποίο μπορεί να βρει εφαρμογή τόσο στη φωτοκατάλυση όσο και στην ανάπτυξη πιο ευαίσθητων αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υμένια TiO 2 ) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύονται οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου και οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται περιγραφή του φαινομένου της φωτοκατάλυσης, ενώ αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του TiO 2 για την εφαρμογή αυτή. Στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου γίνεται αναφορά και στα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και στους λόγους που βοηθούν στην αύξηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του TiO 2. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων TiO 2 όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c και των νανοσωματιδίων αργύρου πάνω σε αυτά. Περιγράφεται επίσης, η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και οι τεχνικές της κυκλικής βολταμμετρίας και της φασματοηλεκτροχημείας που επιλέχθηκαν για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO 2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη, των υμενίων TiO 2 με ακινητοποιημένα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και για την ανάπτυξη των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο H 2 O 2. 4

Τέλος, περιγράφεται η σύνθεση των τριών διαφορετικών παστών TiO 2, η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO 2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου και κατόπιν, ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. 5

ABSTRACT In this report 3 different types of TiO 2 films were used as solid substrates for the immobilization of proteins in order to be used for the development and evaluation of amperometric biosensors for hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The first type of thin TiO 2 films were made using a Dyesol sol gel commercial TiO 2 paste, the second type was produced from a TiO 2 paste produced in our lab following a standard sol-gel procedure and the third type of films were produced from a paste prepared using Degusa P25 TiO 2 powder. In addition, the thin TiO 2 films produced from the Dyesol paste were modified with Ag nanoparticles in order to examine their electrochemical behavior which could lead to enhanced photcatalytic and/or biosensing performance. In the first chapter, a general decription of the different types of biosensors developed so far is presented and emphasis is given to their function and applications. In order to develop a successful biosensor, the choice of the material to be used as the solid substrate is very important as well as the type of the biomolecule used as the recognition element. The sensitivity and response of the biosensor is greatly enhanced by the method used to immobilize the biomolecule on the solid support in a stable and functional way. Therefore in this work both the material, TiO 2 films, and the biomolecule of choice, Cytochrome-c, are presented in detail and in particular their physicochemical properties, their functions and applications. Moreover the different methods that have been used for the successful immobilization of biomolecules on solid surfaces are well documented. Furthermore, the photocatalytic properties of the TiO 2 films are discussed and how they are enhanced by the deposition of silver nanoparticles on their surfaces that could also lead to the development of more sensitive and accurate amperometric biosensors. In the second chapter, the experimental techniques and procedures used for the characterization of the resulting TiO 2 films and for the adsorption process of protein and/or silver nanoparticles on their surfaces are well presented. Furthermore, details are given of the electrochemical techniques (cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry) used to evaluate the electrochemical performance of the resulting films with or without protein or silver nanoparticles. A detailed description of the 3 electrode electrochemical used to perform these experiments is also presented. Finally emphasis is given to the procedures used for the development of the electrochemical biosensors for H 2 O 2. Finally, a description of the procedures used for the synthesis of the 3 different TiO 2 pastes and of the method used for the production of thin TiO 2 films on conducting 6

glass is given followed by the presentation, analysis and discussion of the data collected. 7

Περιεχόμενα Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 Εισαγωγή στους βιοαισθητήρες... 11 1.1.1 Αρχή Λειτουργίας Βιοαισθητήρων... 12 1.1.2 Ταξινόμηση Βιοαισθητήρων... 13 1.1.3 Ποιοτικά Χαρακτηριστικά Βιοαισθητήρων... 20 1.1.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα βιοαισθητήρων... 23 1.1.5 Εφαρμογές των βιοαισθητήρων... 23 1.2 Ημιαγωγοί... 25 1.2.1 Θεωρία ενεργειακών ζωνών... 26 1.2.2 Ενέργεια Fermi... 28 1.2.3 Ενδογενείς ημιαγωγοί... 29 1.2.4 Ημιαγωγοί n και p τύπου... 31 1.3 Διοξείδιο του Τιτανίου... 34 1.3.1 Κρυσταλλική δομή... 34 1.3.2 Ηλεκτρονιακή δομή... 36 1.3.3 Υμένια διοξειδίου του τιτανίου... 37 1.3.4 Παρασκευή ηλεκτροδίων διοξειδίου του τιτανίου... 37 1.3.5. Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα χρήσης TiO 2... 40 1.4 Πρωτεΐνες... 41 1.4.1. Κυτόχρωμα c (Cyt c)... 42 1.5. Υπεροξείδιο του Υδρογόνου... 45 1.5.1. Βιοαισθητήρας Υπεροξειδίου του Υδρογόνου... 47 1.6 Φωτοκατάλυση... 49 1.6.1 Κριτήρια επιλογής ημιαγώγιμου υλικού για φωτοκατάλυση... 50 1.6.2 Το TiO 2 ως φωτοκαταλύτης... 51 1.6.3 Φωτοκαταλυτικές εφαρμογές TiO 2... 54 1.7 Μεταλλικά νανοσωματίδια... 55 1.7.1 Νανοσωματίδια αργύρου... 55 8

1.7.2 Νανοσωματίδια αργύρου σε υπόστρωμα TiO 2... 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο - ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ 2.1 Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (SEM)... 58 2.2 Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης (TEM)... 63 2.3 Περίθλαση Ακτίνων X (XRD)... 67 2.4 Οργανολογία Βολταμμετρικών Τεχνικών Τεχνική της Κυκλικής Βολταμμετρίας... 70 2.5 Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατόυ (UV-Visible)... 74 2.6 Φασματοηλεκτροχημεία... 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο - ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.1 Αντιδραστήρια υλικά... 78 3.2 Προετοιμασία λεπτών υμενίων TiO 2... 78 3.3 Ακινητοποίηση πρωτεΐνης στα υμένια TiO 2... 82 3.4 Προετοιμασία δειγμάτων για χαρακτηρισμό SEM, TEM και XRD... 83 3.5 Μετρήσεις απορρόφησης πρωτεΐνης στα υμένια TiO 2... 83 3.6 Διάταξη ηλεκτροχημικής κυψελίδας τριών ηλεκτροδίων για τις μετρήσεις κυκλικής βολταμμετρίας... 84 3.7 Φασματοηλεκτροχημικές μετρήσεις... 85 3.8 Ανάπτυξη βιοαισθητήρα με ευαισθησία στο H 2 O 2... 86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο - ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 4.1. Χαρακτηρισμός υμενίων TiO 2... 87 4.1.1. Χαρακτηρισμός SEM... 87 4.1.2. Χαρακτηρισμός TEM... 89 4.1.3 Χαρακτηρισμός XRD... 91 4.1.4. Σύνοψη χαρακτηρισμού υμενίων TiO 2... 95 4.2 Μελέτη προσρόφησης κυτοχρώματος C σε υμένια TiO 2... 95 4.3 Ηλεκτροχημική μελέτη του κυτοχρώματος c στα υμένια TiO 2... 101 4.3.1. Φασματοηλεκτροχημική μελέτη της αναγωγής του κυτοχρώματος c στα ηλεκτρόδια TiO 2.... 103 4.3.2. Φασματοηλεκτροχημική κινητική μελέτη της οξειδοαναγωγής του κυτοχρώματος c στα ηλεκτρόδια TiO 2.... 109 4.4 Αμπερομετρικοί βιοαισθητήρες με ευαισθησία στο H 2 O 2... 113 9

4.5 Υβριδικό υμένιο TiO 2 AgNPs για αισθητήρες και εφαρμογές φωτοκατάλυσης... 126 4.5.1 Χαρακτηρισμός XRD... 127 4.5.2 Φασματοηλεκτροχημικές μελέτες του υβριδικού υμενίου Dyesol / AgNPs129 4.5.3 Μελέτη του υβριδικού υμενίου Dyesol / AgNPs με τη μέθοδο της κυκλικής βολταμμετρίας... 133 ΣΗΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...139 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ...142 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..144 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 Εισαγωγή στους βιοαισθητήρες Ο βιοαισθητήρας, ως έννοια στη βιοτεχνολογία αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε κατά το δεύτερο μισό του 20 ου αιώνα. Η πρώτη περιγραφή βιοαισθητήρα, ο οποίος είναι βασισμένος σε ακινητοποιημένο ένζυμο, παρουσιάζεται το 1962 από τους Clark και Lyons, δίνοντας το έναυσμα για εκτεταμένη μελέτη, σχεδιασμό και εξέλιξη εφαρμογών για τη χρήση βιοαισθητήρων. Οι πολλές και διαφορετικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν έναν βιοαισθητήρα έδωσαν τη δυνατότητα για πολλαπλούς ορισμούς του. [1] Σύμφωνα με έναν γενικά αποδεκτό ορισμό, «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». Ο χημικός μεταλλάκτης μπορεί να είναι ένζυμο, αντιγόνο/αντίσωμα, DNA, βακτήριο, μύκητας ή ακόμη και ολόκληρος ιστός. Οι φυσικοί μεταλλάκτες είναι συνήθως ηλεκτρόδια στερεής κατάστασης, οπτικές ίνες, πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι ή θερμίστορς. Η χρησιμοποίηση βιολογικών ουσιών, βιολογικών παραγώγων ή βιομιμητικών υλικών ως στοιχείων αναγνώρισης, παρέχει τη δυνατότητα εκλεκτικής αλληλεπίδρασης του βιοαισθητήρα με τον αναλύτη-στόχο παρουσία μεγάλου αριθμού άλλων ενώσεων με παρόμοια δομή. [2] Η τεχνολογία των βιοαισθητήρων προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους ανάλυσης. Κατά κανόνα, οι βιοαισθητήρες είναι μεταλλάκτες ή συσκευές μικρού μεγέθους, παρουσιάζουν υψηλή εκλεκτικότητα και γρήγορη απόκριση, είναι απλοί στη χρήση, δηλαδή χρησιμοποιούνται άμεσα χωρίς να απαιτείται κάποια ιδιαίτερη προκατεργασία του δείγματος και σε συνδυασμό με μία φορητή τεχνολογία χαμηλού κόστους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αναλύσεις πεδίου, in vivo αναλύσεις ή ως εμφυτεύματα για τη συνεχή παρακολούθηση διαφόρων αναλυτών. Επιπρόσθετα, στους περισσότερους βιοαισθητήρες η δέσμευση ή γενικότερα η αλληλεπίδραση του αναλύτη με το ακινητοποιημένο βιομόριο ανιχνεύεται άμεσα χωρίς τη χρήση ιχνηθετών ή ενδεικτικών αντιδράσεων. Με άλλα λόγια, ένας αισθητήρας είναι εξ ορισμού μία αυτόνομη, ολοκληρωμένη αναλυτική συσκευή, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ ευθείας σε ένα δείγμα χωρίς να απαιτείται προσθήκη αντιδραστηρίων. Μολονότι κάποιοι από τους βιοαισθητήρες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία δεν ικανοποιούν πλήρως αυτές τις απαιτήσεις, ωστόσο σε γενικές γραμμές έχουν αναπτυχθεί και αναπτύσσονται αισθητήρες για την ανάλυση μορίων και βιομορίων 11

με ενδιαφέρον στην κλινική χημεία, στη χημεία τροφίμων και στη χημεία περιβάλλοντος. [2] 1.1.1 Αρχή Λειτουργίας Βιοαισθητήρων Οι βιοαισθητήρες είναι ευαίσθητοι σε φυσικά και χημικά ερεθίσματα και μετατρέπουν μία βιολογική απόκριση σε ηλεκτρικό σήμα, μεταδίδοντας έτσι πληροφορίες για μία ζωτική διαδικασία και για μία βιοχημική ή φυσιολογική μεταβολή. Η ικανότητα των βιολογικών μορίων να αντιδρούν με συστατικά πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων, επιτρέπει στους βιοαισθητήρες να χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, όπως είναι η ανίχνευση τοξικών και ρυπαντικών ουσιών στο νερό, στον αέρα και στο έδαφος, οι ποιοτικοί έλεγχοι τροφίμων και ο εντοπισμός μορίων ιατρικής σημασίας όπως ορμονών, σακχάρων και πεπτιδίων υγρών του σώματος. Οι βιοαισθητήρες επίσης μπορούν να ανιχνεύσουν τη συγκέντρωση ουσιών και άλλες παραμέτρους βιολογικού ενδιαφέροντος, χωρίς άμεση χρήση βιολογικών συστημάτων, όπως συμβαίνει στη βιομηχανία τροφίμων. [1] Η γενική αρχή λειτουργίας των βιοαισθητήρων (σχήμα 1.1) μοιάζει με εκείνη των κλασσικών ηλεκτροδίων μέτρησης ph ή διαφοράς δυναμικού. Ο βιοαισθητήρας μπορεί να θεωρηθεί ως το αποτέλεσμα της σύζευξης δύο κύριων τμημάτων, του βιολογικού υλικού (bioelement), το οποίο λειτουργεί ως το ενεργό τμήμα ανίχνευσης, και του μετατροπέα σήματος (transducer). Το ενεργό τμήμα ανίχνευσης ενός βιοαισθητήρα, είναι κάποιο βιολογικό μόριο (ιστός, μικροοργανισμός, κυτταρικός υποδοχέας, ένζυμο, αντίσωμα, νουκλεϊκό οξύ), κάποιο στοιχείο βιολογικής προέλευσης ή κάποιο βιομιμητικό μόριο. [1] Σχήμα 1.1. Αρχή λειτουργίας βιοαισθητήρων. [49] 12

Το βιολογικό υλικό εμφανίζει εκλεκτικότητα για μία συγκεκριμένη αναλυτέα ουσία και έτσι είναι υπεύθυνο για την εξειδικευμένη μοριακή αναγνώριση της ουσίας αυτής και την επιλεκτικότητα της συσκευής, καθιστώντας την έτσι ένα δυναμικό εργαλείο σε περιπτώσεις όπου απαιτείται υψηλή εκλεκτικότητα. Το βιολογικό τμήμα είναι στενά συνδεδεμένο με ένα μετατροπέα σήματος (μεταλλάκτη). Ο μετατροπέας σήματος είναι απαραίτητος για την μετατροπή μίας συγκεκριμένης βιολογικής ή βιοχημικής μεταβολής, που προκύπτει κατά τη διαδικασία της μοριακής αναγνώρισης της ουσίας-στόχου από το βιολογικό υλικό, σε ηλεκτρικής φύσεως πληροφορία, η οποία με τη σειρά της θα συμβάλει στην αναγνώριση κάποιου συγκεκριμένου στοιχείου καθώς επίσης και στην ανίχνευση και τον διαχωρισμό των διαφορετικών βιοχημικών συστατικών μίας σύνθετης ουσίας, αφού οι διαστάσεις του παραγόμενου ηλεκτρικού σήματος αντιστοιχούν στη συγκέντρωση της αναλυτέας ουσίας. Λειτουργεί με φυσικοχημικό τρόπο και συνδυάζει την εξειδίκευση και την εκλεκτικότητα του βιολογικού τμήματος με την υπολογιστική δύναμη του μικροεπεξεργαστή. Τέλος το ηλεκτρικό τμήμα του βιοαισθητήρα λαμβάνει το σήμα από τον μετατροπέα ενέργειας, το καταγράφει και το εκφράζει υπό μορφή μετρήσεων. [1] 1.1.2 Ταξινόμηση Βιοαισθητήρων Υπάρχουν γενικά τρία είδη βιοαισθητήρων. Στο πρώτο είδος το προϊόν της αντίδρασης, διαδίδεται στον μετατροπέα και προκαλεί ηλεκτρική ή οπτική απόκριση. Στο δεύτερο είδος, συγκεκριμένοι μεσολαβητές, ανάμεσα στον αναλύτη και στον μετατροπέα, χρησιμοποιούνται προκειμένου να πραγματοποιηθεί βελτιωμένη απόκριση και στο τρίτο είδος όπου ο αναλύτης από μόνος του προκαλεί την απόκριση και κανένα προϊόν ή μεσολαβητής δεν απαιτείται ή δεν εμπλέκεται άμεσα. [1] Οι βιοαισθητήρες μπορεί να ταξινομηθούν με βάση τα παρακάτω κριτήρια : Τον μετατροπέα σήματος Το βιολογικό υλικό που χρησιμοποιείται ως αισθητήριος υποδοχέας Την μέθοδο ακινητοποίησης 1) Μετατροπέας σήματος Ένας από τους βασικούς τρόπους κατηγοριοποίησης των βιοαισθητήρων βασίζεται στη φυσικοχημική αρχή η οποία διέπει το σύστημα της ανίχνευσης με τον τροποποιητή σήματος. Έτσι οι βιοαισθητήρες διακρίνονται κυρίως σε ηλεκτροχημικούς (αγωγιμομετρικούς, αμπερομετρικούς, ποντενσιομετρικούς, εμπεδησιομετρικούς), οπτικούς, βαρυμετρικούς και θερμομετρικούς (σχήμα 1.2). [1] 13

Σχήμα 1.2. Ταξινόμηση βιοαισθητήρων με βάση την αισθητήρια αρχή με την οποία ανιχνεύεται η μετρήσιμη ποσότητα. [50] Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι βιοαισθητήρες σε κλινικές αναλύσεις και διαγνωστικές μελέτες. Αποτελούνται από ηλεκτροχημικούς μεταλλάκτες σήματος (π.χ. ηλεκτρόδια) και βασίζονται σε μία ενζυμικά καταλυόμενη αντίδραση που οδηγεί στην παραγωγή ιόντων. Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε αυτή τη μέθοδο αναγνώρισης, απλοποιούν σημαντικά τη μετατροπή του σήματος, χωρίς να χρειάζονται δαπανηρό εργαστηριακό εξοπλισμό. Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες διακρίνονται σε αγωγιμομετρικούς, αμπερομετρικούς, ποντενσιομετρικούς και εμπεδησιομετρικούς. [1] Οι αγωγιμομετρικοί βιοαισθητήρες ανιχνεύουν τη μεταβολή στον αριθμό των ιόντων, στο φορτίο τους ή στην κινητικότητά τους, που παρατηρείται κατά την βιολογική αναγνώριση. Όταν σε μία ηλεκτροχημική αντίδραση παραχθούν ηλεκτρόνια ή ιόντα, μεταβάλλεται η συνολική αγωγιμότητα ή η αντίσταση του διαλύματος. Οι μετρήσεις της αγωγιμότητας παρουσιάζουν χαμηλή ευαισθησία. [1] Οι αμπερομετρικοί βιοαισθητήρες, οι οποίοι είναι μία από τις πρώτες κατηγορίες ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων που χρησιμοποιήθηκαν, ελέγχουν τις διαδικασίες μεταφοράς ηλεκτρονίων ή ιόντων. Σε αυτούς τους βιοαισθητήρες ένα ένζυμο βρίσκεται ακινητοποιημένο στην επιφάνεια ενός αμπερομετρικού ηλεκτροδίου. Κατά την αντίδραση του ενζύμου με το υπόστρωμα, παράγεται ρεύμα ανάλογο της συγκέντρωσης της αναλυτέας ουσίας. Το παραγόμενο σήμα προέρχεται από την ανταλλαγή ηλεκτρονίων 14

μεταξύ του βιολογικού υλικού του ενεργού τμήματος ανίχνευσης του βιοαισθητήρα και του ηλεκτροδίου εργασίας. Η αλλαγή αυτή είναι ανάλογη ή αντιστρόφως ανάλογη της συγκέντρωσης της αναλυτέας ουσίας και το παραγόμενο ρεύμα, ύστερα από επεξεργασία, δίνει πληροφορίες σχετικά με τη σύσταση του δείγματος. [1] Οι ποντενσιομετρικοί βιοαισθητήρες, υπολογίζουν το οξειδωτικό/αναγωγικό δυναμικό μίας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Καταγράφεται το δυναμικό που διαρρέει ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο σε συνθήκες μηδενικού ρεύματος. [1] Οι εμπεδησιομετρικοί βιοαισθητήρες, μετρούν τη μεταβολή της χωρητικότητας σε ένα σύστημα που μοιάζει με πυκνωτή (σχήμα 1.3). [1] Σχήμα 1.3. Διάγραμμα λειτουργίας εμπεδησιομετρικού ανοσοαισθητήρα. [51] Οι βαρυμετρικοί βιοαισθητήρες, ουσιαστικά λειτουργούν ως αισθητήρες μάζας. Κάτι που οφείλεται στη γραμμική σχέση που υπάρχει ανάμεσα στη μεταβολή της μάζας, στην επιφάνεια του κρυστάλλου και στη συχνότητα ταλάντωσής της. Διαχωρίζονται στους πιεζοηλεκτρικούς βιοαισθητήρες και στους ακουστικούς βιοαισθητήρες επιφανειακών κυμάτων. [1] Οι πιεζοηλεκτρικοί βιοαισθητήρες, βασίζονται στη μέτρηση της μεταβολής της χαρακτηριστικής συχνότητας συντονισμού των κρυστάλλων από τους οποίους αποτελούνται, λόγω της μεταβολής της ολικής μάζας στην επιφάνεια του κρυστάλλου.[1] Οι ακουστικοί βιοαισθητήρες επιφανειακών κυμάτων, βασίζονται στην αλλαγή της μάζας των κρυστάλλων η οποία προκαλεί αλλαγές στη συχνότητα συντονισμού ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου κύματος το οποίο περνά διαμέσου της επιφάνειάς τους. [1] 15

Οι θερμομετρικοί βιοαισθητήρες, βασίζονται στη μέτρηση της μεταβολής της θερμοκρασίας, η οποία προκαλείται από τη θερμότητα που εκλύεται ή απορροφάται κατά τη βιολογική αναγνώριση της αναλυτέας ουσίας. [1] 2) Βιολογικό υλικό Εδώ οι βιοαισθητήρες κατηγοριοποιούνται είτε με βάση τη φύση των βιομορίων αναγνώρισης είτε με βάση τον τρόπο δράσης του βιομορίου αναγνώρισης. [1] Με βάση τη φύση των βιομορίων αναγνώρισης, οι βιοαισθητήρες κατατάσσονται ανάλογα με το είδος του βιομορίου αναγνώρισης που χρησιμοποιούν, σε ενζυμικούς βιοαισθητήρες, ανοσοαισθητήρες, DNA βιοαισθητήρες, κυτταρικούς βιοαισθητήρες και βιομιμητικούς βιοαισθητήρες. [1] Τα ένζυμα είναι το πιο διαδεδομένο είδος βιολογικών μορίων που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη βιοαισθητήρων. Πρόκειται για πρωτεΐνες αποτελούμενες από μία ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες με συγκεκριμένη τρισδιάστατη διάταξη στο χώρο που δρουν καταλυτικά παρουσία κάποιων μορίων που ονομάζονται συμπαράγοντες. Η αξιοσημείωτη επιλεκτικότητα, η μεγάλη καταλυτική δραστικότητα καθώς και η γρήγορη κινητική των περισσότερων ενζύμων είναι τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που εστίασαν το ενδιαφέρον των ερευνητών στην χρήση ενζύμων στους βιοαισθητήρες. Από τα μειονεκτήματα ξεχωρίζουν το μεγάλο κόστος και η αστάθεια των περισσότερων ενζύμων. [1] Τα αντισώματα εμφανίζουν μεγάλη επιλεκτικότητα, εξαιρετική ευαισθησία, απουσία καταλυτικής δράσης και δημιουργία ισχυρών δεσμών. Η πολύ ισχυρή δέσμευση των αντισωμάτων με τα αντιγόνα, οδηγεί σε αλληλεπιδράσεις μη αντιστρεπτές. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, οι αντίστοιχοι βιοαισθητήρες να είναι συνήθως μίας χρήσης. Πιο διαδεδομένη τεχνική, είναι η επισήμανση των αντιγόνων με ένζυμα. [1] Τα νουκλεϊκά οξέα παρουσιάζον παρόμοια δράση με αυτή των αντισωμάτων. Οι DNA βιοαισθητήρες, είναι μία κατηγορία αισθητήρων η οποίοι αναπτύσσονται βάση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των βάσεων μίας αλληλουχίας νουκλεϊκών οξέων και μορίων DNA. Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση γενετικών ασθενειών και μολύνσεων από ιούς. Οι DNA βιοαισθητήρες δομής βασίζονται στην ακινητοποίηση διαφόρων μορφών DNA στην ηλεκτροδιακή επιφάνεια. Η ακινητοποίηση αυτή έχει ως σκοπό το χαρακτηρισμό διαφόρων ενώσεων για πιθανή αντικαρκινική ή τοξική δράση τους. Στους βιοαισθητήρες αυτούς μελετώνται φαινόμενα όπως είναι η μεταβολή στο ηλεκτρικό σήμα των βάσεων του DNA. Η δέσμευση με το DNA έχει ως αποτέλεσμα την αναστολή της σύνθεσης των νουκλεϊκών οξέων. [1] 16

Τα κύτταρα, οι ιστοί και οι μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή βιοαισθητήρων και χαρακτηρίζονται από το σημαντικό πλεονέκτημα ότι δεν χρειάζεται να γίνει απομόνωση και καθαρισμός ενζύμων. Οι βιοαισθητήρες μικροοργανισμών βασίζονται στη χρήση μικροοργανισμών ως βιολογικό στοιχείο αναγνώρισης. [1] Με βάση τον τρόπο δράσης του βιομορίου αναγνώρισης, οι βιοαισθητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σε : Βιοκαταλυτικούς βιοαισθητήρες, στους οποίους ο υποδοχέας μπορεί να είναι ένζυμο, κύτταρο ή ιστός. [2] Βιοαισθητήρες συγγένειας, όπως στην περίπτωση αντιδράσεων αντισώματος-αντιγόνου και υβριδισμού DNA. Ανάλογα με τη μετρούμενη ιδιότητα, η παρακολούθηση της αλληλεπίδρασης του αναλύτη με το βιοαισθητήρα μπορεί να γίνει είτε άμεσα, σε ένα στάδιο, χωρίς τη χρήση ενζυμικών ή άλλων ιχνηθετών, είτε έμμεσα, σε περισσότερα από ένα στάδια με τη βοήθεια ενζυμικών ή άλλων ιχνηθετών. [2] 3) Μέθοδοι ακινητοποίησης Η μέθοδος της ακινητοποίησης του βιολογικού συστατικού επηρεάζει σημαντικά τη σταθερότητά του. Αυτό έχει άμεση επίδραση στα χαρακτηριστικά λειτουργίας του βιοαισθητήρα. Η ακινητοποίηση βοηθάει όχι μόνο στη διαμόρφωση της απαιτούμενης εγγύτητας ανάμεσα στο βιολογικό υλικό και στον μετατροπέα, αλλά βοηθάει επίσης και στην σταθεροποίηση του συστήματος προκειμένου αυτό να ξαναχρησιμοποιηθεί. Ανάλογα με τη μέθοδο ακινητοποίησης, η οποία μπορεί να είναι χημική ή φυσική, έχουμε και τους ανάλογους βιοαισθητήρες. [1] Οι φυσικές μέθοδοι ακινητοποίησης είναι η φυσική προσρόφηση, η ενθυλάκωση σε ημιπερατά υλικά και η παγίδευση βιομορίων σε πηκτή πολυμερούς. Η προσρόφηση (σχήμα 1.4) βιομορίων σε μη υδατοδιαλυτούς φορείς συνιστά την πιο απλή μέθοδο ακινητοποίησης και πραγματοποιείται με ανάμιξη ενός αραιού διαλύματος του βιομορίου με το υλικό στήριξης για κάποιο χρονικό διάστημα. Η προσρόφηση οφείλεται κυρίως σε ιοντικές, πολικές ή υδρόφοβες, αρωματικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του βιομορίου και του φορέα ακινητοποίησης. Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ του υλικού στήριξης και των βιομορίων επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις αλλαγές του ph ή της ιοντικής ισχύς του διαλύματος εργασίας [2]. Κεραμικά υλικά, μεταλλικά οξείδια (TiO 2, ZnO, SnO 2 ), silica gel, αλουμίνα, κατιονικές και ανιονικές ιοντοανταλλακτικές ρητίνες κλπ. είναι υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί για ακινητοποίηση πρωτεϊνών με αυτήν την μέθοδο. [3] Κατά την ενθυλάκωση (σχήμα 1.4) βιομορίων με διάχυση σε ημιπερατές αδρανείς μεμβράνες, τα βιομόρια εγκλωβίζονται σε συγκεκριμένο χώρο εντός του υλικού 17

στήριξης και λόγω της ασθενής σύνδεσής τους με το φορέα ακινητοποίησης, η συμπεριφορά τους είναι παρόμοια με αυτήν που έχουν σε διαλυτή μορφή. Με την τεχνική αυτή διατηρείται σε μεγάλο βαθμό η βιολογική δραστικότητα των ακινητοποιημένων μορίων ενώ η εκρόφηση αυτών σε αλλαγές PH, θερμοκρασίας και ιοντικής ισχύς είναι αμελητέα. Επιπρόσθετα η μεμβράνη λειτουργεί ως μοριακό φράγμα και προστατεύει τα ακινητοποιημένα βιομόρια από μικροβιακές μολύνσεις. Ωστόσο, σε κάποιες περιπτώσεις, ανάλογα με το πορώδες τους υλικού στήριξης, παρατηρείται εκρόφηση των ακινητοποιημένων βιομορίων. [2] Κατά τη μέθοδο της παγίδευσης (σχήμα 1.4) σε πηκτή πολυμερούς, τα βιομόρια εμπεριέχονται σε ένα διάλυμα μονομερούς και παγιδεύονται στο τρισδιάστατο πλέγμα που δημιουργείται κατά τον πολυμερισμό των μονομερών κάτω από συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες. Με τη μέθοδο αυτή επηρεάζεται ελάχιστα η βιολογική δραστικότητα των ακινητοποιημένων βιομορίων, όπως άλλωστε συμβαίνει και στις άλλες φυσικές μεθόδους. Ωστόσο, συχνά παρατηρείται εκρόφηση των βιομορίων από τους πόρους της πηκτής του πολυμερούς, ιδιαίτερα κατά τις πρώτες χρήσεις του τροποποιημένου υλικού. Η εκρόφηση αυτή είναι δυνατό να περιοριστεί, είτε με κατάλληλο έλεγχο του πορώδους του πλέγματος κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού, είτε μέσω διασταυρούμενης σύνδεσης των βιομορίων με κατάλληλα αντιδραστήρια διασύνδεσης ή διασταύρωσης (crosslinking reagents). [2] Σχήμα 1.4. Ακινητοποίηση ενζύμου α) με φυσική προσρόφηση β) ομοιοπολική σύνδεση γ) παγίδευση (gel entrapment) και δ) ενθυλάκωση (encapsulation). [52] 18

Στις χημικές μεθόδους, η ακινητοποίηση των βιομορίων πραγματοποιείται μέσω χημικών δεσμών μεταξύ διάφορων δραστικών ομάδων που υπάρχουν στα βιομόρια και κατάλληλων ενεργών ομάδων που υπάρχουν ή δημιουργούνται στο φορέα ακινητοποίησης. Τα αμινοξέα φέρουν διάφορες ενεργές ομάδες, όπως η θειόλη της κυστεϊνης, η πρωτοταγής αμινομάδα της λυσίνης, η υδροξυλομάδα της θρεονίνης και της σερίνης και η καρβοξυλομάδα του ασπαρτικού και του γλουταμικού οξέος. Οι χημικές μέθοδοι ακινητοποίησης είναι η διασταυρούμενη σύνδεση και η ομοιοπολική σύνδεση. [2] Η ακινητοποίηση βιομορίων με διασταυρούμενη σύνδεση είναι μία αρκετά γρήγορη και απλή μέθοδος, η οποία σε πολλές περιπτώσεις συνδυάζεται με τις μεθόδους προσρόφησης και παγίδευσης προκειμένου να περιοριστεί η εκρόφηση του βιομορίου από το υλικό ακινητοποίησης. Ουσιαστικά, η διασταυρούμενη σύνδεση έπεται της προσρόφησης ή της παγίδευσης των βιομορίων και αποσκοπεί στη δημιουργία ενός σύνθετου πλέγματος μεγαλομορίων, το οποίο λόγω μεγέθους συγκρατείται καλύτερα πάνω ή μέσα στο φορέα ακινητοποίησης. Για την επιτυχή διασύνδεση των βιομορίων απαιτείται κατάλληλη ρύθμιση διαφόρων παραμέτρων όπως το ph και η ιοντική ισχύς του διαλύματος ακινητοποίησης, η συγκέντρωση των αντιδραστηρίων διασύνδεσης, ο χρόνος αντίδρασης κ.α. Το πιο δημοφιλές αντιδραστήριο διασταυρούμενης σύνδεσης είναι η γλουταραλδεϋδη, η οποία σε πολλές περιπτώσεις συνδυάζεται με μία πρωτεΐνη φορέα όπως η αλβουμίνη. Μειονέκτημα της μεθόδου αποτελεί ενδεχόμενη ευαισθησία των βιομορίων στα αντιδραστήρια διασύνδεσης, λόγω των χημικών μεταβολών που υφίστανται τα ενεργά κέντρα αυτών. [2] Η μέθοδος της ομοιοπολικής σύνδεσης (σχήμα 1.4) συνίσταται στην πρόσδεση των βιομορίων σε μη υδατοδιαλυτά υλικά στήριξης μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Πριν την ομοιοπολική σύνδεση, η επιφάνεια του υλικού στήριξης ενεργοποιείται με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται σε αυτή διάφορες δραστικές ομάδες. Η ομοιοπολική σύνδεση του βιομορίου με το υλικό στήριξης γίνεται είτε απευθείας ή,τις περισσότερες φορές, μέσω ενός διλειτουργικού αντιδραστηρίου, το οποίο έχει ήδη συνδεθεί με την επιφάνεια του υλικού στήριξης. Ο όρος διλειτουργικό αντιδραστήριο χρησιμοποιείται εναλλακτικά του όρου αντιδραστήριο διασύνδεσης ή διασταύρωσης για την ακινητοποίηση βιομορίων με ομοιοπολική σύνδεση. Τα διλειτουργικά αντιδραστήρια διακρίνονται σε ετεροδιλειτουργικά και σε ομοδιλειτουργικά, ανάλογα με το αν φέρουν όμοιες ή διαφορετικές δραστικές ομάδες. Τα ετεροδιλειτουργικά αντιδραστήρια χρησιμοποιούνται σπανιότερα, κυρίως λόγω υψηλού κόστους. [2] Κατά κανόνα, η ομοιοπολική σύνδεση είναι μία μη αντιστρεπτή πορεία ακινητοποίησης και τα ακινητοποιημένα βιομόρια παρουσιάζουν αυξημένη (μηχανική) αντοχή, ακόμη και κατά τη μεταβολή διαφόρων παραμέτρων όπως το PH 19

και η ιοντική ισχύς του διαλύματος εργασίας, του διαλύτη και της θερμοκρασίας. Μειονέκτημα της μεθόδου, όπως και στην περίπτωση της διασταυρούμενης σύνδεσης, αποτελεί η μερική ή ολική απώλεια της αρχικής δραστικότητας των βιομορίων λόγω των αντιδράσεων σύνδεσης. Ως προς τις φυσικές μεθόδους ακινητοποίησης, η ομοιοπολική σύνδεση υστερεί σε απλότητα, αφού οι αντιδράσεις ενεργοποίησης των υλικών στήριξης είναι χρονοβόρες και σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτούν τη χρήση αντιδραστηρίων υψηλού κόστους. [2] 1.1.3 Ποιοτικά Χαρακτηριστικά Βιοαισθητήρων Ένας βιοαισθητήρας, όπως συμβαίνει και γενικά με τους αισθητήρες, προκειμένου να υπολογίσει μία φυσική ποσότητα, θα πρέπει να ικανοποιεί κάποιες προϋποθέσεις, οι οποίες θα υποδείξουν την αποδοτικότητά του. Όλες οι χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με κάποιο φυσικό μέγεθος, μπορούν να αποδοθούν από ένα βιοαισθητήρα, όταν αυτός παρέχει ένα σήμα το οποίο έχει άμεση σχέση με την υπό εξέταση ποσότητα. Τα χαρακτηριστικά ενός βιοαισθητήρα καθορίζουν την απόδοσή του, τη σταθερότητα της λειτουργίας του και την ταχύτητα της απόκρισής του στα ερεθίσματα που δέχεται. Τα χαρακτηριστικά αυτά μπορεί να είναι είτε στατικά είτε δυναμικά. Τα στατικά χαρακτηριστικά ενός βιοαισθητήρα καθορίζουν την απόδοσή του σε μία σταθερή κατάσταση και είναι τα ακόλουθα: [1] Ακρίβεια. Είναι η ικανότητα ενός συστήματος να δίνει αποτελέσματα ταυτόσημα με την πραγματική τιμή της μετρήσιμης ποσότητας. Ως ανακρίβεια ορίζεται η απόκλιση της μέτρησης του βιοαισθητήρα από την πραγματική τιμή του εξωτερικού ερεθίσματος. Υστέρηση. Είναι η απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων του βιοαισθητήρα, όταν η μετρήσιμη φυσική ποσότητα προσεγγίζεται από αντίθετες κατευθύνσεις. Σφάλμα βαθμονόμησης. Οφείλεται στην κακή βαθμονόμηση του αισθητήρα. Έτσι αν η βαθμονόμηση δεν γίνει αναλυτικά, ( για κάθε σημείο της συνάρτησης μεταφοράς), αλλά για λίγα μόνο αντιπροσωπευτικά σημεία, προκύπτει ένα συστηματικό σφάλμα. Τα σφάλματα βαθμονόμησης μπορεί επίσης να σχετίζονται με την ανακρίβεια στη γνώση της μετρήσιμης φυσικής ποσότητας κατά τη βαθμονόμηση ή τη λανθασμένη καταγραφή της απόκρισης του βιοαισθητήρα στην αλλαγή αυτής της ποσότητας. Συστηματικά σφάλματα. Είναι αποτέλεσμα διάφορων παραγόντων, όπως μεταβλητές που επηρεάζουν τη λειτουργία του βιοαισθητήρα (π.χ. θερμοκρασία), αλλαγές στη χημική σύνθεση ή μηχανική τάση εξαρτημάτων του βιοαισθητήρα, επίδραση της μετρητικής διαδικασίας στη μετρήσιμη φυσική ποσότητα, φαινόμενα εξασθένισης του σήματος. Τα συστηματικά σφάλματα μπορούν να διορθωθούν με τεχνικές αντιστάθμισης όπως η ανάδραση και το φιλτράρισμα. 20