slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 62

ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA - PowerPoint PPT Presentation


  • 515 Views
  • Uploaded on

BH. ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA. D. Manojlovi ć , Hemijski fakultet Beograd. DEFINICIJA. Biosenzor se mo že definisati kao uređaj koji ima ugrađenu biološki aktivnu komponentu u bliskom kontaktu sa fizičko-hemijskim pretvaračem i procesorom elektronskog signala.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA' - waldo


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

BH

ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI

OSNOVE I PRIMENA

D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd

definicija
DEFINICIJA

Biosenzor se može definisatikao uređaj koji imaugrađenu biološki aktivnu komponentuu bliskom kontaktu sa fizičko-hemijskim pretvaračem i procesoromelektronskog signala

slide5

Svaki senzor i biosenzor se sastoji od:

Pretvarača (transducer) - pretvara uočenu promenu(fizičku ili hemijsku) u mereni signal

Prepoznavajućeg agensa– koji omogućava merenje samo one vrste koja nam je od interesa a koja se nalazi u smeši sa drugim vrstama

slide6

Elektroaktivna supstanca

Elektrode

Enzim

Poluprovodničke pH elektrode

pH promena

Električni

signal

Antitelo

Toplota

Termistori

Mikro-org.

Brojač fotona

Svetlost

Promena mase

Piezoelektrični uređaj

Ćelija

Molekul prepoznavajućimaterijal

Pretvarač signala

Princip biosenzora

biokomponenete
BIOKOMPONENETE

Enzimi

Antitela

Membrane

Organele

Ćelije

Tkiva

Receptori

pretvara i
PRETVARAČI

Elektrohemijski

Optički

Piezo-električni

Kalorimetrijski

Akustični

enzimi
Enzimi

Biološki elementi koji se najčešće koriste

Mogu biti korišćeni u čistom obliku ili prisutni u mikroorganizmima ili biljnom materijalu bez prethodnog izolovanja

Aktivnost mnogih enzima uključuje oksidaciju i redukciju koje mogu biti detektovane elektrohemijski

slide10
Postojipet glavnih klasaenzima.

Oksidoreduktaze

Transferaza

Hidrolaze

Liaze

Izomeraze

oksidoreduktaze
Oksidoreduktaze

Dehidrogenaze

Oksidaze

Peroksidaze

Oksigenaze

prednosti enzima
Prednosti enzima:
  • lako se vežu za odgovarajući supstrat
  • visoko su selektivni
  • imaju katalitičku aktivnost
  • brzo se aktiviraju

Enzimi su najčešće korišćene biološke komponente

mane enzima
Mane enzima:
  • skupi su
  • često gube aktivnost dok se imobilizuju na pretvaraču
  • gube aktivnost posle relativno kratkog vremenskog perioda
antitela
Antitela

Vezuju se specifično za odgovarajući antigen

Prednosti:

  • veoma su selektivni
  • ultra osetljivi
  • veoma se snažno vezuju

Jedina mana im je što nemaju katalitički efekat

nukleinske kiseline
Nukleinske kiseline

slične antitelima

koriste se za detekciju genetskih bolesti, kancera i virusnih infekcija

DNK istraživanja često uključuju dodatak označeneDNK u sistem dodatkom nekog radioaktivnog elementa ili elektrofore

metode imobilizacije
Metode imobilizacije

Povezivanje selektivnih elemenata

adsorpcijomselektivnog elementa na površinu

kovalentnim vezivanjem

mikrokapsulacijom

cross-linking – koristi se bifunkcionalni agens da hemijski poveže pretvarač i selektivnu komponentu

‘zarobljavanjem’ - selektivni element se nalazi uhvaćen unutar gela, paste, ili polimera

tipovi biosenzora
TIPOVI BIOSENZORA

Enzim/metabolički biosenzori

  • Enzimske elektrode i ćelijske elektrode

Bioafinitetni senzori

  • Antitela
  • Nukleinske kiseline
  • Lektin
enzim metaboli ki senzori
Enzim/metabolički senzori

Supstrat + Enzim

Supstrat-enzmski kompleks

  • Proizvod + Enzim

Meri se odnos potrošnje supstrata prema

oslobađanju proizvoda i pretvara u

kvantifikovani signal

bioafinitetni senzori
Bioafinitetni senzori

Ovi senzori se baziraju na interakcijamapovezivanja između imobilizovanihbiomolekulai analita od interesa.

Ove interakcije su visoko selektivne.

Pimeri obuhvatajuantitelo-antigen interakcije, nukleinske kiselineza komplementarnesekvence i lektinza šećer

pretvara i1
Pretvarači
  • Potenciometrijski
  • Amperometrijski
  • Konduktometrijski
potenciometrijski biosenzori
POTENCIOMETRIJSKI BIOSENZORI

Kod potenciometrijskih senzoraizmereni potencijal na selektivnoj memembraniilielektrodnoj površini, koja je u kontaktu sa rastvorom,povezan je sa koncentracijom analita

Potencijal semeri pri nultoj strujii prema referentnoj elektrodi (relativni)

pH elektroda jeosnovni potencionetrijski pretvaraču biosenzorima.

potenciometrijski biosenzori1
POTENCIOMETRIJSKI BIOSENZORI

E = Eo + RT/nF ln[analit]

  • Eo konstanta za sistem
  • R univerzalna gasna konstanta
  • T apsulutna temperatura
  • n broj izmenjenih elektrona
  • F Faradejeva konstanta
  • ln[analit] prirodni logaritam od aktiviteta analita.
slide24
Najpoznatiji potenciometrijski senzor jejon-selektivna elektroda (ISE)

Tečnepolimerne membranske elektorde su komercijalno raspoloživei rutinski se koriste selektivnu detekciju nekoliko jona(K+, Na+, Ca2+, NH4+, H+, CO32-)u složenim biološkim osnovama

Antibiotici nonactin ivalinomicinsluže kao neutralni nosači za određivanjeNH4+ i K+

slide25

Ag/AgCl referentna

elektroda

Unutrašnji vodeni

rastvor za punjenje

Tečni jonoizmenjivač

Membrana/soni most

Porozna membrana koja sadrži jonoforu

slide27
Glukoza

glukoza + O2 → glukonska kiselina + H2O2enzim:GOD

dolazi do promene pH zbog nastanka glukonske kiseline

merenjem promene potencijala(pH) možemo odrediti koncentraciju glukonske kiseline (a samim tim i glukoze)

pencilinaza

Penicin

Penicilinska Kiselina

U kontaktu sa pH elektrodom.

slide28
ISE koje se koristeu kombinaciji saimobilizovanim enzimomamogu da služe kao osnova elektroda koje suselektivne za specifične enzimske supstrate

Od njih su dva glavna: za ureu i za kreatinin.

Ove potenciometrijske enzimske elektrode seprave ubacivanjem enzima ureaze ikreatinaze na površinu katjon osetljive(NH4+)ISE

slide29
Urea

CO(NH2)2 + 2 H2O → (NH4)2CO3

koncentraciju uree možemo određivati primenom katjonske amonijum selektivne elektrode

ili možemo napraviti alkalni rastvor i određivati slobodni amonijak koristeći amonijum selektivnu gasnu elektrodu

Osetljivost odnosno granica detekcije iznosi (10-6 M )

slide30
Oksalati

C2O42- → 2 CO2 + H2Ooksalat oksidaza

Određivanje oksalata u urinu je značajno prilikom dijagnostike hiperokslurije

Potenciometrijski pretvarač kod biosenzora koji se koristi za određivanje koncentracije CO2 (odnosno oksalata u mokraći) je CO2 gasna elektroda

slide32
Glukoza

Koristimo jodid selektivnu elektrodu

glukoza + O2 → glukonska kiselina + H2O2

enzim:GOD

H2O2 + 2 I-+ 2 H+ → I2 + 2 H2Oenzim:PO

Jodid-selektivna elektroda prati smanjenje koncentracije jodida što je prouzrokovano dejstvom vodonik-peroksida

amperometrijski biosenzori
AMPEROMETRIJSKI BIOSENZORI

Kod amperometrijskih biosenzoraelektrodni potencijal se drži na konstantnoj vrednostidovoljnoj za oksidaciju ili redukcijuvrste od interesa(ili supstance elektrohemijski vezane za nju)

Jačina strujekoja protiče je proporcijonalna koncentraciji analita

Id = nFADsC/d

slide34

Pomoćna elektroda

( Pt žica)

Radna elektroda

Referentna Elektroda

( Pt, Au, C)

(Ag/AgCl, SCE)

Puferski rastvor

(Tris, DPBS, Citrat)

Koji sadrži elektrolit

( KCl, NaCl)

e tok

Mešalica

slide35

Primer

Glukoza + O2

Glukoza

Glukonska kiselina + H2O2

Oksidaza

Proizvod, H2O2, se oksidovuje na +650mV u odnosu na Ag/AgCl referentnu electrodu.

Zbog toga se primenjue potencijal od +650mV i meri oksidacija H2O2 .

Struja je direktno proporcionalna koncentraciji glukoze.

slide36

I (nA)

150

100

50

0

5

10

15

20

[Glukoza], mM

slide37
Amperometrijske enzimskeelektrode koje se baziraju na oksidazamau kombinaciji sa vodonik proksid indikatorskim elektrodamapostale su najuobičajeniji biosenzori

Kod ovih reakcija prati se,potrošnja kiseonika ili proizvodnja vodonik peroksida

Prvi razvijeni biosenzorbazirao se nakorišćenjukiseonične elektrode

Enzim glukooksidaza (GOD)imobilisan je u poliakrilamidnom gelu na gas-propusnoj membrani koja pokriva elektrodu

kroz razvoj biosensora se susre emo hronolo ki sa tri generacije na osnovu mehanizma dejstva
Kroz razvoj biosensora se susrećemo hronološkisa tri generacije na osnovu mehanizma dejstva:
  • prva generacija – senzori bazirani na kiseoničnim elektrodama
  • druga generacija – senzori bazirani na medijatorima i
  • treća generacija – elektrode sa ugrađenim enzimima
slide40
Mana kiseoničnih senzoraje što su veoma skloni smetnjama od strane spoljašnjeg kiseonika

Zbog toga pratimo koncentraciju proizvedenog vodonik peroksida, a ne kiseonika koji se troši u reakciji

H2O2 → 2H+ + 2e- + O2

Na primenjenom potencijalu anodne oksidacije vodonik peroksida različita organska jedinjenja se oksiduju (vitamin C, mokraćna kiselina, glutation itd.)

flavin-adenin-dinukleotida (FAD)

slide41
Preduzeti su različiti pristupi za povećanje selektivnosti detektujuće elektrode, njenim hemijskim modifikacijama, korišćenjem:
  • membrana
  • medijatora
  • metalizovanjem elektroda
  • polimera
slide42

1.Membrane.Razvijene su različitepermiselektivne membrane, koje kontrolišu vrstekoje stižu do elektrode, na bazi naelektrisanja i veličinePrimeri obuhvatajuceluloza acetat (naelektrisanje i veličina),nafion (naelektrisanje) i polikarbonat (veličina).Nedostatakkorišćenja membranaje njihovuticaj na difuziju.

slide43

2. Medijatoridruga generacija biosenzoraMnogi oksidaza enzimimogu dakoriste veštačkeelektron akceptorske molekule, koji se nazivaju medijatoriMedijatorje niskomolekulski redoks parkoji može da prenese elektronesa aktivnog mesta enzima na površinu elektrode, i na taj način uspostavlja električni kontakt izmađu njihOvi medijatori imajuširok opseg struktura, a samimtim i osobina, uključujući iopsege redoks potencijala

slide44
Kao medijatori se koriste katjoni prelaznih metala i njihovi kompleksi

Jedan od boljih medijatora je ferocen(Fc) – sendvič kompleks gvožđa i dva ciklopentadienil(Cp) anjona

Princip dejstva medijatora na bazi ferocena

glukoza + GODOx → glukonolakton + GODR + 2H+

GODR + 2Fc+ → GODOx + 2Fc

2Fc – 2e- → 2Fc+

slide46

Oksidacija glukoze se ostvaruje preko flavin-adenin-dinukleotida (FAD), komponente enzima GOD, koji se pretvara u redukovani oblik FADH2, koji se kasnije reoksiduje do FAD pomoću Fc+ (medijatora), dok se Fc reoksiduje direktno na elektrodi strujom koja će kasnije biti merena pri određivanju koncentracije glukoze

slide47
Dobri medijatori bi trebalo da:
  • brzo reaguju sa enzimima
  • reverzibilno izvode transfer elektrona
  • imaju mali nadpotencijal pri regeneraciji
  • nezavisni su od pH vrednosti
  • stabilni su i u oksidovanom i u redukovanom obliku
  • ne reaguju s kiseonikom
  • nisu otrovni

Ferocen zadovoljava sve uslove

slide48
Primeri medijatora koji se obično koriste:
  • Ferocen (nerastvoran)
  • Ferocen dikarbonska kiselina (rastvoren)
  • Dihloro-indofenol (DCIP)
  • Tetrametil-fenilenediamin (TMPD)
  • Fericijanid
  • Rutenium hlorid
  • Metilen Plavo (MB)
slide49

3. Metalizovne elektrode

Svrha korišćenjametalizovanih elektrodaje u tome

da se steknu uslovi pri kojima seoksidacija

enzimski generisanogH2O2može postići na

nižem primenjenom potencijalu, stvarajući jako

osetljivukatalitičku površinu

Pored togasmanjujući efekat smetnji, zbog nižeg primenjenog potencijala,odnos signal/šum raste zabog povećanjaelektrohemijski aktivne površine

slide50

Metalizacija se postižetaloženjem odgovarajućeg

plemenitog metalana glas karbon elektrodu(GC),

korišćenjem ciklične voltametrije

Uspešni rezultatisu postignuti sa nekoliko plemenitih metala-platina, paladijum, rodijum i rubidijumod kojih se najviše može očkivati

slide51

GC elektroda

Metalizovana GC

GC elektroda ne katalizuje oksidaciju H2O2

GC metalizovana elektrodasa ruteniumom,

rodiumom,paladijuomili platinomkatalizuju

oksidaciju H2O2

slide52

4. Polimeri

  • Kao i membrane polimeri imaju ulogu da sperče ometajuće vrste da stignu do površinu elektrodeiizvode diferencijaciju na osnovu veličine i naelektrisanja

Primeri uobičajeno upotrebljavanih polimera:

  • polipirol
  • politiofen
  • polianilin
  • diaminobenzen
  • polifenol
tre a generacija elektrode sa ugra enim enzimima
Treća generacija–elektrode sa ugrađenim enzimima

Neophodanje da medijator bude ugrađen zajedno sa enzimom u elektrodu

Nema redukcije ili oksidacije enzima direktno na elektrodida bi se sprečila denaturacija na površini elektrode i gubitak enzimsku aktivnost

slide57

NANOSENZOR

Vrh nanosenzora

Nanosenzor u ćeliji

slide58

eSensor TM Motorola

Senzor je razvijen ispitivanjem sendvič hibridizacija ima tri osnovne komponente koje sadrže svi današnji uređaji (sonda za hvatanje, ciljna proba i signalna proba).

Signalna sonda je obeležena ferocenom i služi kao cilj za hibridizaciju

Tok elektrona prema elektrodi se javlja samo ako se specifično hibridizuju sonda za hvatanje, ciljna proba iobeležena proba

slide60

eSensor TM Motorola

Ciljna DNA

Sonda za hvatanje

Merenje ferocen označenog signala

Hibridizacija sa ciljnom DNA

Hibridizacija sa feracen označenom probom

slide62

Ultramikro makroporozna elektroda za određivanje teških metala u životnoj srediniu

SEM makroporozne mikroelektrode

SEM mreže

ad