Презентация Microsoft PowerPoint (7)

1.

Общий файл (гугл док, расшаренный доступ)
1 человек – 1 статья (doi, выходные данные статьи + 1-2 картинки описывающие
механизм)
5-10 предложений описаний уникальности/неочевидности сенсора или подхода по
модификации сенсора.
5-10 предложений описания действия сенсора, целевых мишеней, все четыре блока
сенсора с описанием конкретно как реализован тот или иной блок. Выписать
значения всех пяти параметров (мин. три) оценки эффективности сенсора.
Не повторяться.

2.

Химический сенсор — это устройство, которое выдает аналитически полезный сигнал
путем преобразования химической информации (концентрации химических веществ в
целом) в результате химической реакции или изменения физических свойств (Hulanicki
et al., 1991).
Начало: обнаружение газообразного хлора по отбеливающему эффекту (18 век)
Биосенсоры — это подгруппа химических сенсоров; аналитические сигналы исходят от
биохимических ресурсов (Hulanicki et al., 1991).
Начало: «кислородный электрод Кларка», 1956 год; контроль сигнала
электрохимического восстановления кислорода для измерения содержания кислорода в
газе или жидкости.
Аналог: измерение уровне глюкозы; тоже Лиланд Кларк, «Отец биосенсоров».

3.

Блоки:
1) Рецептор - элемент распознавания, который может реагировать на ожидаемые
химические/биологические реакции и обеспечивать некую энергию, которую может
измерить преобразователь
2) Интерфейс - фон, обеспечивающий среду для работы датчиков
3) Преобразователь - преобразовывает выходную энергию рецептора в аналитический
сигнал
4) Блок анализа и обработки - содержат усилители сигналов, устройства обработки
сигналов и схемы для преобразования сигнала в цифровую информацию для
считывания, которая будет интерпретирована пользователями
Основная функция химического/биосенсора - распознавание химических/биологических
событий и/или аналитов и преобразование результатов в измеримые аналитические
сигналы.
Главные блоки: рецептор и интерфейс

4.

Применение:
обнаружение и мониторинг химических и биологических реакций в организме
человека или в медицинской сфере, экосистеме, а также пищевых и
сельскохозяйственных системах и контроле безопасности.

5.

Для оценки эффективности химического/биосенсора следующие
параметры:
1) Чувствительность - показывает изменение сигнала в ответ на
изменение единицы целевого измерения (например,
концентрации) в химическом/биологическом событии.
2) Предел обнаружения (LOD) - наименьшее количество аналита,
которое можно последовательно определить с заданным
доверительным интервалом.
3) Линейность - относится к линейному отклику с динамическим
диапазоном, который не является необходимым, но полезен для
анализа данных.
4) Селективность - способность отличать целевой аналит от фона
и/или окружающей среды
5) Время отклика (tR) - время, необходимое для достижения
стабильного сигнала (например, t95 — это время для достижения
95% уровня последовательного и стабильного сигнала).

6.

Рецепторы:
1) Физические рецепторы - измеряют свойства и взаимодействия между рецепторами и
их мишенями посредством нехимических реакций.
Эти свойства включают: поглощение, показатель преломления, проводимость,
температуру или изменение массы.
2) Химические рецепторы - измеряют выходные сигналы химических реакций.
3) Биохимические рецепторы - работают в контексте биохимических процессов.
Функция рецепторов требует их реакции на определенные аналиты.
Поэтому важен подбор материала, например:
ранние рецепторы химических мишеней (в том числе глюкозы) представляют собой в
основном ферменты, у которых есть проблемы со стабильностью и ограниченный срок
хранения.
Отсюда переход безэнзимным рецепторам.

7.

Пример на обнаружении глюкозы:
1) Металлы или металлосодержащие материалы (например, металлоорганические каркасы
(MOF), поверхностный плазмонный резонанс, которые избирательно связываются с
определенными аналитами.
MOF - кристаллические полимеры на основе катионов металлов с высокой
пористостью, открытыми металлическими активными центрами, настраиваемыми
структурами и большой площадью поверхности.
Безферментные электрохимические сенсоры глюкозы на основе MOF-рецепторов
позволяют преодолеть низкую стабильность традиционных ферментных сенсоров
глюкозы.
Электрод, модифицированный MOF, помещается в щелочной раствор, что заставляет
MOF с высокой
валентностью
глюкозу
и
низковалентное состояние MOF (M(II)-MOF)
терять
электроны окисляет
и переходить
в
возвращаются в низковалентное состояние.
высоковалентное состояние (M(III)-MOF).
Электрод улавливает электрический сигнал, вызванный
каталитической реакцией, и служит преобразователем.
Классика: Cu, Co и Ni в качестве металлоцентров в
структуре MOF сенсоров глюкозы.
Биметаллические MOF (например, Cu@Ni) – с лучшей
каталитической активностью.

8.

2) Органические или синтетические полимеры [например, молекулярно-импринтированные
полимеры/полимеры с молекулярным отпечатком (MIP), флуоресцентные полимеры и
гидрогели], часто функционализированные и модифицированные
MIP рецепторы:
Выбор молекулы-матрицы, которая или сама целевой аналит или молекула со схожими
сайтами связывания.
На основе сайтов связывания функциональные мономеры выбираются и связываются с
молекулой-матрицей с образованием прекомплекса.
Методами связывания могут быть обратимые ковалентные связи, электростатические
связи, гидрофобные связи, связи Ван-дер-Ваальса или координационные связи
металлов.
Затем к прекомплексу добавляют инициатор и
сшивающий агент и начинают процесс полимеризации.
Наконец, молекула-матрица удаляется и создается
подготовленный MIP с высокоспецифичными сайтами
узнавания.

9.

Например, биметаллический рецептора CuCo, покрытый MIP.
В этом случае глюкоза является молекулой-матрицей. Аминофенилбороновая кислота
служит функциональным мономером для связи с глюкозой.
MIP увеличивает селективность по отношению к глюкозе, уменьшая помехи
каталитической реакции между ионами металлов и глюкозой в щелочном растворе
(обычный электрод CuCo имеет проблему интерференции, поскольку он взаимодействует
с другими сахаридами).

10.

3) Проводящие полимеры или полупроводники
- для изменения электропроводности или оптических свойств при взаимодействии с
целевыми аналитами
- Например: проводящие полимеры - в качестве иммобилизирующей матрицы для
безреагентного биосенсора обнаружения глюкозы.
Глюкозооксидаза (GOx) — это фермент, который окисляет глюкозу до глюконолактона и в
ходе реакции производит электроны.
Оригинальный электрод на основе GOx имеет проблемы с эффективностью электронного
Модифицированный
поли(нейтральный красным) – здесь
перехода.
он как проводящий полимер для улучшения
электропроводности рецептора глюкозы - рецептор
GOx увеличивает контактирующую поверхность и
электропроводность за счет соединения с термически
расширенным графитом и углеродными нанотрубками.
НО: Предел обнаруживаемых концентраций и предел
обнаружения их сенсора ниже, чем у других
традиционных сенсоров на основе GOx.

11.

4) Наноматериалы (наночастицы металлов, углеродные нанотрубки и квантовые точки)
- обладают большими площадями взаимодействия и специфическими свойствами,
повышающими чувствительность и селективность химических сенсоров
- Например, наноразмерные MIP с более высоким сродством, селективностью и
соотношением поверхности к объему, чем оригинальные рецепторы на основе MIP.
Например, для усиления термосенсоров.
Термопара имеет два входных участка: один вход покрыт
nanoMIP, а другой нет.
Входной участок без nanoMIP измеряет температуру
раствора T1.
Второй входной участок с nanoMIP измеряет T2.
Когда целевая концентрация аналитов равна нулю, тепловой
поток свободно проходит через nanoMIP, и T1 равен T2.
Как только мишени связываются с nanoMIP, сопротивление
теплопередаче блокируется, и тепловой поток не может
пройти, что снижает температуру (T2) в зависимости от
концентрации целевых аналитов.
Поэтому разница между T1 и T2 анализируется, чтобы