Senzorii și metodele de obținere a senzorilor

Gr.Ch31, an.III

Universitatea Academiei de Științe a MoldoveiFacultatea științe exacte

Specialitatea chimie

Chișinău 2013

Ce sunt senzorii?Biosenzor este un

dispozitiv , utilizat pentru detectarea unui analit, care combină o componentă biologică cu o componentă fizico-chimică. Este folosit pentru determinarea concentrațiilor substanțelor și a unor parametri biologici. Este alcătuit din trei părți: elementul biologic sensibil,traductorul și electronica pentru prelucrarea semnalelor.

Fig.1 Biosenzori ADN bazați pe micro-cantileveri

Din ce este alcătuit un biosenzor?1) Elementul biologic senzitiv - material biologic , de ex. țesut,

microorganisme, organite, receptori celulari, enzime, anticorpi, acizi nucleici, etc. Poate fi un derivat dintr-un material biologic sau biochimic. Aceste elemente sensibile sunt create datorită ingineriei biologice.

2) Traductor sau elementul detector – funcționează în mod fizico-chimic, optic, electrochimic, piezoelectric, etc. , care transformă semnalul rezultat din interacțiunea analitului cu elementul biologic într-un alt semnal (de ex.traductor), care poate fi mai ușor măsurat și cuantificat.

3) Electronice asociate sau procesoare de semnal - sunt responsabile pentru afișarea rezultatelor într-un mod mai simplu, adică este mai ușor de realizat

Structura unui biosenzor:

(a) bio-reacție – transformă substratul (S) în produs (P);(b) traductor – determină reacția și o transformă într-un semnal electric;(c) amplificator – amplifică semnalul electric;(d) circuit de prelucrare a semnalelor - prelucrarea semnalului electric amplificat;(e) dispozitiv de afișare – afișarea rezultatului prelucrării semnalului.

Clasificarea biosenzorilor: În funcţie de elementul de recunoaştere şi tipul de substanţă monitorizată:Biosenzori enzimatici;Biosenzori electrochimici;

În funcţie de principiul de operare:Biosenzori potențiometrici;Biosenzori amperometrici;Biosenzori impedimetrici.

După tipul traductoarelor: Electrochimici

AmperometriciPotențiometriciConductometrici

OpticiGravimetrici

PiezoelectriciAcustici

Termici

După tipul bioreceptorilor:

EnzimaticiImunosenzoriCelulari

MicroorganismeȚesuturi

Cu acizi nucleici (ADN)

• Acest tip de biosenzori foloseşte ca biocatalizatori, enzimele. Acestea reacţionează cu analitul sau cu substratul, producând un semnal ce este detectat prin procesul de biorecunoaştere. Datorită amplificării lor înalte şi a selectivităţii, biosenzorii enzimatici reprezintă prima alegere pentru dezvoltarea de noi detectori pentru investigaţii medicale. Enzimele sunt de108-1012 ori mai sensibile decât catalizatorii ne-biologici, cu o capacitate de biodetecţie de câţiva ppm.

Fig.2 Formarea complexului enzimă-substrat

Biosenzorii enzimatici

Biosenzorii electrochimici

reprezintă de dispozitive integrate, autonome, capabile să furnizeze informaţii analitice cantitative specifice folosind ca element de recunoaştere moleculară un receptor biochimic (element de identificare biologică), care se află în contact direct cu un traductor electrochimic ce furnizează un semnal măsurabil.Tehnologia care stă la baza acestor biosenzori nu este extrem de complicată, combinând recunoaşterea biochimică selectivă, cu înalta sensibilitate a detecţiei electrochimice. Datorită progresului pe care îl înregistrează tehnicile curente, aceşti biosenzori pot fi miniaturizaţi, facilitând astfel transportul lor, măsurătorile rapide şi utilizarea unor cantităţi mici de substanţe. Numeroase aplicaţii comerciale confirmă avantajele pe care le au aceşti biosenzori.

Biosenzorii potențiometrici - au la bază electrozi ion selectivi (ISE) şi tranzistori cu efect de câmp ion selectivi (ISFET).

Biosenzorii amperometrici - sunt mai sensibili şi mai potriviţi pentru producerea la scară largă, faţă de cei potenţiometrici . Electrodul de lucru al biosenzorului amperometric este, de obicei, fie un metal nobil, fie un strat serigrafic acoperit cu un component cu capacităţi de biorecunoaştere.

Biosenzorii impedimetrici. Astfel de dispozitive înregistrează fie impedanţa (Z), fie rezistenţa (R) şi capacitanţa (C) componentelor sale; în ceea ce priveşte inductanţa, aceasta are o influenţă minimă în aranjamentul electrochimic tipic.

Metode de fabricare a biosenzorilor

1) Metoda serigrafică;2) Metoda MAPLE;3) Metoda electropolimerizărilor;4) Metoda polimerizărilor în plasmă;

1.Metoda serigraficăTehnologia de serigrafiere este folosită intens în

industria electronică, cât şi în cea de printare publicitară. Această tehnologie este destul de avantajoasă pentru producţie datorită flexibilităţii designului, procesului de automatizare, o bună reproductibilitate, o gamă largă de materiale şi costuri de producţie foarte mici. Această metodă este văzută ca o alternativă la producerea de biosenzori pe scală largă la preţuri foarte scăzute. Prima apariţie a unui senzor fabricat prin această tehnologie a fost relatată într-un patent din 1981 al lui Baumbach.

Matricea suport este materialul pe a cărui suprafaţă se imprimă parţile funcţionale şi constructive ale senzorului.

Cernelurile sau pastele sunt depuse secvenţial prin măşti sau şabloane pe matricea suport pentru formarea parţilor structurale şi funcţionale ale senzorului.

2.Metoda MAPLECaracteristic procesului MAPLE este utilizarea unei

ţinte compozite criogenice de porfirine sau de nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine, dizolvată într-o matrice de solvent cu o presiune de vapori relativ ridicată.

În tehnica MAPLE, la interacţiunea radiaţiei laser cu materialul se iniţiază două procese fototermice şi anume: evaporarea ţintei compozite îngheţate şi ejectarea de porfirine sau de nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine, după caz, în cameră. Prin optimizarea atentă a condiţiilor de depunere MAPLE (lungime de undă, rată de repetiţie, tipul solventului, concentraţie, gaz reactiv şi presiunea gazului), acest proces poate decurge fără nici o descompunere semnificativă a porfirinelor sau a nanotuburilor de carbon funcţionalizate cu porfirine (substanță organică din hemoglobină și clorofilă) .

3.Metoda electropolimerizărilor

Polimerizarea electrochimică a acestor polimeri este de fapt un proces foarte simplu – este suficientă aplicarea unui potenţial pozitiv (Epolimer) în regim potenţiostatic, sau aplicarea mai multor cicluri având o limită anodică suficient de mare (de obicei potenţialul trebuie să depăşească Epolimer cu 100 – 200 mV), sau aplicarea unui curent anodic într-o soluţie de monomer, proces care determină creşterea progresivă a unui film polimeric corespunzător pe suprafaţa electrodului.

Pentru fiecare monomer Epolimer şi viteza de depunere depind de concentraţia monomerului: cu cât concentraţia este mai mare cu atât filmul polimeric creşte mai repede (pentru o valoare fixă a Epolimer) sau Epolimer scade mai mult pentru aceaiaşi viteză de creştere.

Procesul este influenţat mai ales de solventul ales, de exemplu oxidarea pirolului în soluţii apoase de acetonitril are ca rezultat filme polimerice de polipirol cu proprietăţi diferite. Procesul mai este dependent şi de tipul de electrolit de fond (electrolit fără transformări redox), deoarece componenţii electrolitului sunt încapsulaţi în filmul polimeric şi afectează proprietăţile acestuia. Viteza de polimerizare şi proprietăţile filmului depind de temperatură, pH, agitarea soluţiei şi alţi factori.

4.Metoda polimerizărilor în

plasmăUn polimer obtinut prin polimerizare în plasmă

se referă la un material care este creat ca rezultat al trecerii unui gaz sau vapor organic printr-o descărcare incandescentă – mai precis printr-o descărcare electrică într-un gaz organic. Este obţinut, de cele mai multe ori un film subţire. Materialele obţinute prin polimerizarea în plasmă sunt o nouă clasă de materiale deoarece acest tip de polimerizare creează lanţuri scurte cu catene alăturate ramificate care înglobează mulţi radicali liberi; aceşti radicali liberi leagă oxigenul şi vaporii de apă din atmosferă în urma expunerii la aer, acest fenomen putând fi observat mai ales în cazul polimerilor îmbătrâniţi.

Aceste materiale polimerice au o structură dezordonată dependentă de intensitatea şi energia speciilor care bombardează filmul polimeric în creştere.

Procesul de polimerizare în plasmă este realizat la presiune şi temperatură joasă. Există trei clase de sisteme folosite în polimerizarea în plasmă, şi anume: reactoare cu electrozi interni, reactoare cu electrozi externi şi reactoare cu microunde sau frecvenţe înalte (nu se folosesc electrozi).

Parametri unui biosenzora) Selectivitatea - indică abilitatea de a deosebi diferite substraturi.

Este,în principal, o funcție a elementului biologic.b) Domeniul de sensibilitate - în general este ordinul sub-

milimolar, dar poate coborî, în cazuri speciale, la ordinul femtomolar (10-15 M).

c) Precizia - în general este în jurul valorii de 5 %.d) Natura soluției - condiții precum indicele pH, temperatura, forța

ionică, care trebuie considerate.e) Comportarea dinamică: - timpul de răspuns – timpul necesar pentru a ajunge la 95% din răspuns (poate fi 30 s sau mai mare);- timpul de revenire – timpul necesar biosenzorului pentru a putea fi gata pentru analizarea unui nou eșantion (nu trebuie să depășească câteva minute);- durata de funționare – este determinată de instabilitateaelementului biologic (poate varia de la câteva zile la câteva luni).Exemplu: biosenzorul pentru măsurarea glucozei în sânge – 1 an.

Concluzie:Deși obținerea senzorilor se dovedește a fi o

cercetare inovațională, ea devine tot mai mult aplicată în diverse domenii, dînd viață unei tehnici și tehnologii avansate atît ca viteză cît și ca funcție.

Mulțumim pentru

atenție!