Universitatea Politehnica din Bucuresti

Biosenzori chimici pe baza de porfirine

Cristian Ciobanu CISOPC, AN III Biosenzori Biosenzori pot fi definite ca dispositive analitice compacte ale carori receptor ice contin unul sau mai multe elemente biologice (enzime, anticorpi, microorganisme, acizi nucleici) se afla in contact strans cu un traductor fizico chimic (electrochimic, optic, termic, piezoelectric, etc) Senzori pot fi clasificati in diverse categotii in functie de: tipul de traductor utilizat, analitii tinta, modul de utilizare( in mod continuu sau discontinuu, ex-vivi sau in-vivo, etc) Una dintre cele mai importante clasificari a senzorilor este cea bazata pe modul de operare a traductorului:A. Senzori optici bazati pe modificari optice ce rezulta in urma interactiei analitului cu receptorul.B. Senzori electrochimici bazati pe transformarea efectului interactiilor electrochimice ale analitului cu electrodul intr-un semnal analiticC. Senzori electrici bazati pe masurari in care nu intervin procese electrochimice, semnalul fiind generat de modificarea proprietatilor electrice determinate de interactia cu analitulD. Sezori sensibili la modificarile de masa determinate de acumularea analituluiE. Senzori magnetic bazati pe modificarea proprietatilor paramagnetice ale gazului analizatF. Termistori sunt senzori ce se bazeaza pe masurarea efectului de degajare de caldura in urma unei reactii de combustie sau a unei reactii enzimaticePeste 80% dintre biosenzori propusi pana in prezent sunt bazati pe traductori elecrochimici, dar progresul din ultima decada din domeniul fibrelor optice si a optoelectronicii a determinat o crestere apreciabila a aplicatiilor bazate pe biosenzori opticiBiosenzori prezinta o serie de avantaje incontestabile cum ar fi: Specificitate deosebita datorata componentei biologice( enzima, anticorpi , receptori celulari, celule sau organite celulare, AND); Sensibilitate inalta; Timp de raspuns foarte scurt; Posibilitatti demonstrate de miniaturizare si de realizare de retele de senzori; Portabilitatea sistemelor de analiza bazate pe biosenzori; Potentialul de utilizare la determinari pe teren pentru screening si pentru determinari semi-cantitative si cantitative; Pret de cost accesibil; Operare simpla

In functie de natura componentei biologice biosenzori sunt clasificati in:-senzori enzimatici;-imunosenzori;-senzori microbieni;-senzori ADN

Metode de imobilizareImobilizarea poate fi de doua feluri: fizica sau chimica.Fizica: Adsorbtiereprezint nfizicfenomenul de reinere amoleculelorunei substane fluide pe suprafaa unui corp lichid sau solid. Se deosebesc patru tipuri de adsorbii dup natura corpului adsorbant i natura corpului adsorbit; astfel, existadsorbia solid-gaz,solid-lichid,lichid-gazilichid-lichid. Intensitatea gradului de adsorbie este direct proporional cu presiunea i invers proporional cu temperatura la care se afl interfaa adsorbant-adsorbit.Adsorbia poate fi: de natur fizic, numit iadsorbie fizic, la care fenomenul adsobiei se datoreaz aciuniiforelor Van der Waalsde atracie dintre moleculele adsorbantului i adsorbitului. Acest fenomen este similar procesului de condensare a lichidelor. de natur chimic, adesea numit ichemosorbie, fenomen n care gazul este meninut la suprafa de forele chimice specifice substanelor implicate. Formarea unor legturi ntre moleculele adsorbantului i adsorbitului se realizeaz prin absorbia energiei de activare.

Totodata imobilizarea se poate face prin retinerea fizica in spatele unei membrane permeabile pentru moleculele miciImobilizare chimica prin legare covalenta sau prin legare incrucisata

Porfirine Porfirinele sunt un grup de compusi organic, majoritate se gasesc in natura. Una dintre cele mai cunoscute porfirine este hemul, pigmentul din celulele rosii ale sangelui; hemul este un cofactor pentru protein hemoglobina. Porfirinele sunt heterociluri macromoleculare compuse din patru subunitati de pirol interconectate la carbonul prin legaturi metin ( =C- ). Porfirinele sunt aromatice, respectand rula Huckel pentru aromaticitate, avand 2n+4 electroni delocalizati pe macrociclu, de aceea macrocicluerile de porfirina sunt sunt foarte conjugate. Ca o consecinta ele au o banda de absorbtie foarte inalta in spectrul vizibil, numele de porfirina vine de la cuvanul grec pentru mov. Macrociclul are 26 de electoni in total. Compusul de la care vine aceasta clasa este porfina. Porifina specifica in hemul B este protoporfirina IX

.Porfina, cea mai simpla Porfirina

Grupul Hem B al hemoglobinei

Sinteza

Geoporfirina, cunoscuta ca si petroporfina, are o origine geologica. Aceastea mai poat aparea in petrol crud, sisturi bituminoase, carbune sau roci sedimentare. Abselonitul este singura geoporfirina minerala, datorita faptului ca este foarte pentru porfirine sa se formeze in izolatie si sa formeze cristale

AbseloniteSinteza in laborator: Una dintre cele mai folosite metode este cea bazata pe munca lui Pau Rothemund aceast sinteza este constituita din condensare si oxidare pornind de la pirol si aldehida. In solutia rezultata este necesar un mediu acid, acidul formi, acidul acetic sauacidul propionic sunt solventi cei mai folosit, de asemenea mai sunt folositi acidul p-toluenesulfonic, sau diferiti acizi Lewis. O foarte mare cantitate de produsi secundari apar in urma reactiei, insa acestia pot fi inlaturati prin recristalizare sau cromatografie

BiosintezaPrincipalul pas in biosinteza porfirinei este formearea acidul - aminoluvulinic este reactia intre aminoacidul Glycina cu Succinyl-Coenzima A din ciclu acidului citricUrmatoarea schema rezuma biosinteza porfirinelor

Metoda de obtinere a Hemului BBiosenzori pe baza de porfirina

1.Detectarea acizilor nucleici cu ajutorul porfirinei:Porfirinele reprezinta o clasa importanta de compusi organic conjugate ce pot imita central active al multor enzime importante si pot fi folosite ca pentru a cataliza multe reactii ale unor molecule legate de functionarea organismului. Controlul asupra organizari structuri in care sunt asezate porfirinele poate duce la realizarea unor nanomateriale superioare porfirinelor libere cu aplicatii in creeare de materiale electroactiveInteractiile dintre porfirine si acizii nucleic au fost intens studiate de la munca importanta depusa de Gupta si Pasternack. Porfirinele si derivatii acestora se pot asocia cu AND-ul prin 3 moduri de legare: legare intercalata, legare groove, legare exterioare.In general porfirinele libere se pot intercala cu reginile bogate in GC ale AND-ului. Nanocompositele bazate pe porfirine au demonstrate carecteristici unice , stabilitate si o rata de cataliza imbunatatite, datorita structurii agglomerate si o suprafata mai mare pentru biosensorFabricarea biosenzorului: S-a folosit un electrod de Au, curatat atat cu pulbere de aluminiu, cat si in etanol si apa dublu distilata. Curatarea finala s-a realizat prin voltametrie ciclica intro solutie de H2SO4 1M, baleind intr -0.2V sin 1.7V. Acesta a fost respalat cu apa distilata si uscat timp de 16 ore. Schema de atasare o gasiti in schema de mai jos:

Comportamentul electrochimic al electrodul modificat cu FeTMPyP-DNA-AuNPsVoltamogramele ciclice ale electrodului modificat cu FeTMPyP-DNA-AuNPs au aratat peek-uri stabile si bine definite la -0.118V si -0.163V vs SCE in N2 saturat tris-HCL . Totodata in figura de mai jos observam ca nu exista nicio modificare la adaugarea O2-ului la electrodul modificat cu AND-AuNPs si FeTMPyP-DNA-AuNPs ceea ce sugereaza ca FeTMPyP are capacitate extraordinare de cataliza a O2

UVvis spectra of FeTMPyPdsDNA (a) and FeTMPyP (b).

Cyclic voltammograms of FeTMPyPDNAAuNPs probe on gold electrode inN2-saturated (a) and O2-saturated (c) TrisHCl buffer, and (b) is cyclic voltammogramof DNAAuNPs in O2-saturated TrisHCl buffer. Inset: amplification of curvea. Scan rate: 100 mV s1.

Detectarea prin metode amperometrice:In conditii optime sensibilitatea strategiei de detective a fost investigate prin varitia concentratie AND-ului de analizat. Adaosurile au fost realizate pe o scara de la 1*10-12 pana la 1*10-8 molL-1 cu o limita de detective de 2.5*10-13molL-1. Coeficientul de corelatie a fost 0.9993

DPV curves at target concentrations of 0 (a), 110-12 (b), 110-11 (c),110-10 (d), 110-9 (e) and 110-8 (f) mol L-1. Inset: linear relationship between peak current and the logarithm of target DNA concentration.Sensibilitatea este de asemenea un factor important pentru un biosensor. Specificitatea biosenzorului propus a fost investigataprin expunerea la 3 tipuri de secvente de AND, incluzand complementarul perfect al specie de analizat. Cum se poate observa si in figura de mai jos, biosenzorul prezinta performante bunde de distinctive intre speciile de analizat

Histograms of peak currents for complementary sequence (a), single-base mismatched sequence (b), three-base mismatched sequence (c) and blank (d).ConcluziiAcest tip de electrod a prezentat elecelentate capacitate de reducere a O2, datorita faptului ca atata AuNPs cat si AND-ul au accelerat transeferul de electroni dintre FeTNPyP si electrod. Datorita sintezei bionica e porfirine, biosenzorul rezultat a aratat o performanta buna pentru detectarea AND-ului , avand o distinctive intre specii acceptabila,reproductibilitate, totodata principalul avantaj este ca experimental a fost realizat in mediu cu O2

2.Biosenzor pe baza de GO-porfirine pentru detectarea simultana a dopaminei si a serotoninei Introducere:Dopamina cea mai importanta substanta din clasa catecolaminel joaca un ro important in fucntionarea creierului. Aceasta este responsabila pentrul sistemul nervos, sistemul renal, sistemul cardiovascular. Totodata serotonina joaca un important rol important in reglarea somnului, a dispozitiei, apetitului. Dopamina si serotonina sunt deasemenea implicate in procese complicate cum ar fi memoria si invatareaIn aceasta lucrare legatura amidica a GO-P a fost formata prin legarea covalenta a grupari amino de la porfirine cu gruparea hidroxil a GOSinteza porfirinea si GO-PCaracterizarea GO, porfirinei, GO-PSpectrul de absorbtie UV al GO, porfirinei si GO-P in solutie de DMF se afla in graficul de mai jos. Spectrul UV a GO are un peek la 256nm ce corespunde tranzitiei -* a legaturilor C-C aromatice, Porfirina a prezentat o banda tipica Soret de absorbtie la 409nm si doua absobtii slabe (Q-bands) la 526nm respective 576nm. Banda Soret a GO-P prezinta o descrestere in intesintate de la 409-391nm ca si un grup de benzi slabe la 547, 632, 680 nm

Aplicatii electrochimice ale ERGO-P/GCEIn figurile de mai jos avem voltamogramele a 100m DA si serotonina

Dupa cum se poate observa ERGO-P/GCE are un raspuns electrochimic bun. Potentialul de oxidare al dopamine fata de ERGO-P/GCE este la 188mV si 4.662A. Aceste rezulatate arata ca ERGO-P este capabil sa accelereze rata de transefer de electroni a dopaminei.In Tabelul de mai jos avem diferiti senzori pentru determinarea serotoninei si a dopaminei:

Concluzie: GO-P redus electrochimic este capabil sa determine dopamine si serotonina. ERGO-P/CGE a prezentat eficacitate, stabilitate , reproductibilitate in detectatrea simultana de dopamine si serotonina chiar si in prezenta unor concentratii mari de AA.

Biblografie:1.Electrochemical biosensor for simultaneous determination ofdopamine and serotonin based on electrochemically reducedGO-porphyrin Hyoung Soon Han, Hyo Kyoung Lee, Jung-Min You, Haesang Jeong, Seungwon Jeon Department of Chemistry and Institute of Basic Science, Chonnam National University, Gwangju 500-757, Republic of Korea2. Bionic catalysis of porphyrin for electrochemical detection of nucleic acids Jie Li, Jianping Lei , Quanbo Wang, Peng Wang, Huangxian Ju State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science, Department of Chemistry, Nanjing University, Nanjing 210093, PR China3.Progrese in realizarea senzorilor si biosenzorilo pentru controlul calitati alimentelor,Mihaela Badea, Mihaela-Carmen Cheregi, Cecilia Lete, Stelian Lupu, Editura Printech, 20084. http://en.wikipedia.org/wiki/Porphyrin