BH
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 62

ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA PowerPoint PPT Presentation


  • 445 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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.

Download Presentation

ELEKTROHEMIJSKI BIOSENZORI OSNOVE I PRIMENA

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Shema biosenzora

Shema biosenzora


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Bioafinitetni senzori1

Bioafinitetni senzori


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.


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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+


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Ag/AgCl referentna

elektroda

Unutrašnji vodeni

rastvor za punjenje

Tečni jonoizmenjivač

Membrana/soni most

Porozna membrana koja sadrži jonoforu


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Enzim može biti imobilizovan na pH elektrodi korišćenjem želatina i glutaraldehida


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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.


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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 )


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Primeri potenciometrijskih senzora


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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.


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

I (nA)

150

100

50

0

5

10

15

20

[Glukoza], mM


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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)


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Preduzeti su različiti pristupi za povećanje selektivnosti detektujuće elektrode, njenim hemijskim modifikacijama, korišćenjem:

  • membrana

  • medijatora

  • metalizovanjem elektroda

  • polimera


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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.


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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+


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Primeri medijatora koji se obično koriste:

  • Ferocen (nerastvoran)

  • Ferocen dikarbonska kiselina (rastvoren)

  • Dihloro-indofenol (DCIP)

  • Tetrametil-fenilenediamin (TMPD)

  • Fericijanid

  • Rutenium hlorid

  • Metilen Plavo (MB)


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

GC elektroda

Metalizovana GC

GC elektroda ne katalizuje oksidaciju H2O2

GC metalizovana elektrodasa ruteniumom,

rodiumom,paladijuomili platinomkatalizuju

oksidaciju H2O2


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

NANOSENZOR

Vrh nanosenzora

Nanosenzor u ćeliji


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

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


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

eSensor TM Motorola


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

eSensor TM Motorola

Ciljna DNA

Sonda za hvatanje

Merenje ferocen označenog signala

Hibridizacija sa ciljnom DNA

Hibridizacija sa feracen označenom probom


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Senzor za odrđivanje nitrata


Elektrohemijski biosenzori osnove i primena

Ultramikro makroporozna elektroda za određivanje teških metala u životnoj srediniu

SEM makroporozne mikroelektrode

SEM mreže


  • Login