BIOSENZORI: JUČER, DANAS I SUTRA

Dr.sc. Stjepan Milardović, doc.Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologijeSveučilište u Zagrebu

Senzori :

male naprave koje informaciju o koncentraciji jednog ili više analita pretvaraju u signal koji je jednostavno elektronički obrađivati, transportirati i sl.

Biosenzori:

en zim en zim an titijelo an titijelo stan ica stan ica m ikro m ikro organ izam organ izam tk ivo

elek troaktivnaelek troaktivnatvartvar

pH prom jenapH prom jena

top linatop lina

sv ijetlosv ijetlost

prom jena p rom jen a m ase m ase

e lek troda e lek troda

pH elek trodapH elek troda

term istor term istor brojač brojač fo ton a fo tona

p iezoelek trični p iezoelek trični uređaj uređaj

B IO E L E M E N T B IO E L E M E N T PR E T V O R N IK S IG N A L A

elek trični elek trični sign al signal

IMOBILIZACIJA AKTIVNIH TVARI ZA BIOLOŠKO PREPOZNAVANJE

ENZIMIANTITIJELARECEPTORIMIKROORGANIZMIŽIVOTINJSKE ILI BILJNE STANICEŽIVOTINJSKA I BILJNA VLAKNADNA, RNA

Područja primjene biosenzora

Medicinska primjena (2.8 milijardi $ u 2003)(5 milijardi $ u 2005, 86% za mjerenje glukoze)

Farmaceutska istraživanjaVojna primjenaIndustrijska proizvodnja hraneZaštita okoliša

Razvoj biosenzorauporabljene biološke matrice (elementi)uporabljeni pretvornički elementivrsta senzorske tehnologije izvedba mjerenja (neprotočno, protočno)način ostvarivanja kontakta redoks-centra enzima i pretvorničkog elementaostali

Kemizam glukoznog biosenzora

Shematski prikaz rada enzimskog biosenzora

redM

Mox

e-

redA

Aox

electrode

MEDIJATORI PRIJENOSA ELEKTRONA

- redoks centar – nalazi se u dubini proteinskog lanca- nema električnog kontakta između redoks centra i površine elektrode- tanki proteinski lanac stvara kinetičku barijeru prijelazu elektrona (tuneliranju elektrona)

Glukoza-oksidaza- FADPeroksidaza-HEM

Direktni kontakt površine elektrode i enzimskog redoks centra - biosenzori bez medijatora elektrona

•elektroredukcija O2 i H2O2 biokatalizirana lakazom i peroksidazom

Amperometrijski biosenzoriClark (1956)

Katodna reakcija: O2 + H2O + 4 e-→ 4OH-

Anodna reakcija:Ag →Ag+ + e –

Ag+ + Cl- → AgCl

A

katoda

membrana propusna zakisik

anoda

elektrolit

Glukozni biosenzor (YSI)

Reakcijska shema YSI glukoznog biosenzora

Glukoza + GOD (FAD) → glukolakton + GOD (FADH2)

O2 + GOD(FADH2) → H2O2 + GOD(FAD)

H2O2→O2 + 2H+ 2e-

Biosenzor s difuzijskim medijatorom

FeroceniOrganske bojeHeksacianoferatiRu-kompleksiOstaliMedijator difundira od redoks centra do elektrodemedijator je otopljen unutar enzimskog slojaimobiliziran u monosloju ili multisloju na elektrodiuklopljen u poroznoj matrici

Glukozni biosenzor izveden planarnom tehnologijom

Glukozni analizator za osobnu uporabu

The enzyme electrode is a combination of any electrochemical probe

Reakcijska shema glukoznog senzora (MediSense, 1987)

Glukoza + GOD (FAD) → glukolakton + GOD (FADH2)

2Fc + + GOD(FADH2) + → 2Fc + GOD(FAD)

2Fc →2Fc + + 2 e -

Biosenzor za glukozu s heksacianoferatnim difuzijskim medijatorom (Boehringer electrode, 1994)

Glukoza + GOD (FAD) → glukolakton + GOD (FADH2)

O2 + GOD(FADH2) → H2O2 + GOD(FAD)

H2O2+ 2 Fe(CN)64- + 2H+→2H2O + 2Fe(CN)6

3-

2Fe(CN)63 -+ e-→2 Fe(CN)6

4-

ELEKTRIČKI KONTAKT MEDIJATOROM FUNKCIONALIZIRANE ELEKTRODE

Električki kontatk enzima i medijatora unutarsol-gel matrice

Buduće konstrukcijeDirektna oksidacija analita (glukoze) na mjernoj elektrodi oslojenoj nanočesticama Direktna veza redoks centra i elektrode ostvarena nanočesticama (<100 nm)Imobilizacija DNAOptičke izvedbe

Kontaktne leće s fluoroscentnim glukoznim senzorom