nanomatreiale

8/9/2019 nanomatreiale

1/96

UNIVERSITATEA DIN BUCURETI

Nanomateriale

aplicaii

n

biosenzori, surse de energie, medicinbiologie

Elemente de nanotehnologie

ioanstamatin 2008


2/96


3/96

Cuprins

1. Introducere n nanotehnologie 12. Biosenzorii n contextul transdisciplinaritii tiinelor 7

2.1 De la chemosenzor la biosenzor 72.2 Biosenzorii i nanotehologiile 112.3 Biosenzori, biodiagnostic, nanobiotehnologie, nanomedicin 14

2.3.1 Biocipurile i tehnologiile actuale ale secolului XXI 142.3.2 Biocipuri, nanobiotehnologia, nanomedicina 152.3.3 Scurt istoric 182.3.4 Referine 23

3.Stadiul dezvoltrii actuale n domeniul biosenzorilor 253.1 Sisteme, arii de biosenzori, caracteristici de rspuns 273.1.1 Sisteme integrate 27

3.1.2 abloane 273.1.3 Sensibilitate 283.1.4 Stabilitate 293.1.5 Selectivitate 293.1.6 Parametrii de caracterizare a semnalelor biosenzorilor 303.1.7 Zgomot, rezoluie, drift 33

3.2 Componentele biologice ale biosenzorilor 343.2.1 Principiile recunoaterii moleculare 353.2.2 Imobilizarea moleculelor gazd 423.2.3 Transducia semnalului 423.2.4 Tipuri de componente biologice 433.2.5 Integrarea componentelor biologice n biosenzori 46

3.3 Traductori i electrozi 513.3.1 Electrozi 523.3.2 Electrozi n senzori electrochimici 53

3.4 Fenomene de transport 543.4.1 Cinetica Enzimelor 553.4.2 Fenomene de transport 56

4. Biosenzori electrochimici 594.1 Senzori chimici vs senzorii biochimici 594.2 Biosenzor electrochimic 624.3.Clasificare 624.4 Receptorul 634.5 Moduri de transducie electrochimic 654.6 Analii, reacii monitorizate. 674.7 Construirea unui biosenzor electrochimic. 674.8 Criterii de performan 69


4/96

4.9 Exemple de biosenzori electrochimici 734.10 Referine 855. Biosenzori microbieni 895.1 Principiu de funcionare 905.2 Rspunsul fiziologic al senzorului microbian 935.3 Referine 98

6. Senzori pe structuri semiconductoare FET 996.1 Tranzistori FET, ISFET, CHEMFET, REFET 996.2 Referine 104

7. Biosenzori cu fibr optic 1057.1 Fibre optice, caracteristici generale 1067.2 Fibre optice cu reele Bragg induse 1097.3 FOBS n medicin 1107.4 Referine 116

8. Celule de biocombustie 1178.1 Necesitatea implementrii surselor alternative de energie 1178.2 Celule de biocombustie-celule bioelectrochimice 1188.3 Mecanisme n celulele bioelectrochimice 1198.4 Clasificare 1218.5 Celule de biocombustie microbiene (MFC) 1228.6 Elemente de electrochimia MFC 1258.7 Referine 128

9. Nanoparticule n medicin 1319.1 Nanofbrile, Nanocarboni, rolul lor n microbiologia clinic 1339.2 Nanocarboni 1369.3 Puncte cuantice 1479.4 Referine 162

10 Nanotuburi de carbon 16510.1 Istoric 16510.2 Structur, proprieti 16710.3 Funcionalizare 169

10.3.1 Purificarea nanotuburilor 16910.3.2 Evaluarea puritii CNT 17010.3.3 Selectarea nanotuburilor dup lungime i diametru 17210.3.4 Separarea CNT dup proprietile lor metalice sau semiconductoare 17210.3.5 Ataarea de grupe funcionale 174

10.4 Referine 17611 Nanofire, nanosenzori 179

11.1 Senzori FET cu nanofire 17911.2 Limitele de detec

iei rspuns pentru nanobiosenzori 183

11.3 Referine 186


5/96

Aceeastcarte este dedicatn primul rnd celor doi copii Ionui erban pentru nelegerea i sprijinul acordat,

suportul spiritual al timpurilor grele,acelor Oameni care mai cred n adevr

i lui Nini Pop prietenul de o via


6/96


7/96

1

1. Introducere n nanotehnologie

Discovery consists of seeing what everybody seen and thinking what nobody has thought

Albert von Szent-GyogyiThe Scientist Speculates,1962

If our small minds, for some convenience, divide thisUniverse into parts - physics, biology,chemistry, geology, astronomy, and so on remember that nature does not know it!

R. P. Feynman, 1963

When nature finishes to produce its own species, man begins using natural things in harmonywith this very nature to create an infinity of species

Leonardo da Vinci

Secolul XXI se confrunt cu transformri de anvergur att n tiinele naturii ct ila nivel social, economic, uman. Societatea tinde spre informatizare i globalizare aschimburilor comerciale datorit dezvoltrii i integrrii pe vertical respectiv pe orizon-tal a proceselor de producie avansate ce nglobeaz ultimele inovaii ale tiinei i teh-nologiei. Ca orice transformare impactul asupra mediului, dezvoltrii sociale, sntii,dezvoltrii demografice respectiv a necesarului de energie este considerabil. Asistm latransformri i crize de neimaginat altdat: reducerea considerabil a combustibililorfosili, noi tipuri de boli, epidemii care altdat erau necunoscute, transformri ale naturii

datorit nclzirii glo-bale, creterea accelerat a stresului, modificri drastice n mediudatorit noxelori deeurilor, dispariii de specii naturale etc.Cum acionm s prevenim? Cum monitorizm aceste fenomene? Ce soluii avem

pentru surse noi de energie i combustibili ecologici? Cum reintegrm deeurile? Cumprevenim bolile sau le vindecm pe acelea incurabile?

Ce soluii ne ofertiinele i tehnologiile actuale sau cele de viitor?Un rspuns categoric nu exis iar lucrurile trebuiesc privite n dinamica dezvoltrii

societii care este o societate de consum adic lucrurile bune astzi devin neutilizabilemine datorit apariiei altora mai performante.

Un rspuns actual este dezvoltarea i implementarea nanotehnologiilor la oricescal de dezvoltare a societii n curs de globalizare.

Nanotehnologia este germinat de rezultatele tiinelor interdisciplinare din secolulXX i a noilor instrumente de investigare la scal nanometric a materiei. Ea a generat

ulterior o larg intermixare a tiinelor altdat considerate fundamentale i a propulsatnoi domenii de cercetare de neimaginat cu cteva decenii n urm. n sens restrictiv estetiina materialelor a cror proprieti depind de dimensiune i cuprinde:


8/96

2

Nanotiinele: fenomenele i legile fundamentale ale fizicii, chimiei, biolo-

giei aplicate la scal nanometric. Nanoinginerie: manipularea moleculelor pentru a construi noi tipuri de

materiale; instrumentele i metodele prin care sunt proiectate i realizatedispozitive la scal nanometric, asamblarea lor n produse de larg consum ipentru noi cercetri avansate.

Nanotehnologia, tehnologia fabricaiei secolului 21, cuprinde ingineria de nalt precizie, direcia principal n aplicaiile biomedicale din arii ca terapia genetic, tran-sportul dirijat de medicamente, noi tipuri de medicamente, tehnici de sintez la scal na-nometric sau mai concis arta manipulrii atomilor individuali i a moleculelor pentru aconstrui structuri cu proprieti dirijate.

Nanotehnologia reprezint abilitatea de a construi obiecte prin asamblarea de atomin secvene de timp bine precizate. A construi structuri pornind de la atomi i moleculeeste necesar inventarea de dispozitive de asamblare la scal nanometric. Rolul lor este dea asambla atomii i moleculele n miliarde de configuraii specifice unei structuri nano-metrice. Capacitatea ansamblurilor de a se autoreplica este una din cerinele de baz a in-strumentelor nanometrice. Fiecare nanoinstrument va trebui s opereze n mod propriu is fie programabil.

Materialele sintetizate a cror dimensiuni caracteristice se situeaz ntre 1nm i 100nm au proprieti dependente de dimensiune. Aceasta prezint un interes tiinificdeosebit. Cu ct dimensiunea unui material se reduce cu att fenomenele cuantice sunt maipronunate iar defectele sunt mai puin importante ca n procesele de sinterizare caexemplu.

Interesele industriale sunt enorme: depirea limitrilor din litografie pentrutehnologia semiconductorilor, cererea de control la nivel molecular, simplificarea pro-ceselor, durificarea suprafeelor, aplicaii fotonice, controlul permeabilitii, biocompa-tibilitate pentru a enumera cteva din ele

Nanotehnologia: este un domeniu multidisciplinar care aduce marile realizri ti-inifice din Fizic, Chimie, Biologie, Matematici tiina materialelor spre aplicarea lorla a construi cu atomi i molecule materiale la scal nanometric cu inteligen artificial,structuri biocompatibile, surse de energie neconvenionale, nanoroboi pentru medicin,cipuri cu densitate mare a componentelori biomateriale auto-replicabile etc. Metoda deconstrucie de jos n sus este astzi cunoscut ca building from bottom-up. Estedomeniul unde structurile biologice (ADN, proteine, oligomeri i bio-oligomeri) suntarhitecturate cu materiale sintetizate la scal nanometric utiliznd tehnici combinte dinfizic i chimie (microscopia de fore atomice, nanolitografia, fascicule mole-culare,nanoelectrochimie, sol-gel) cu cele din genetic; domeniul unde moleculele i polimeriidevin dispozitive electronice (electronica molecular); domeniul unde proprietilematerialelor sunt exploatate la extrem pentru tehnica spaial; domeniul unde se dezvolt

ntrega tehnologie a informaiei.Ramurile Nanotehnologiei: nanofabricaie, nanomecanic, nanorobotic, nano-compozite i compozite nanostructurate, nanobiotehnologie, nanomedicin, electronic


9/96

3

molecular, MEMS, NEMS (sisteme micro/ nanoelectromecanice), microfluidic, medi-

camente inteligente, textile inteligente, biosenzori, econanotehnologie.Nanotehnologia a revigorat ntreaga industrie electronic; astzi dimensiunile unui

tranzistor nu depete 180 nm ntr-un procesorAceste domenii de cercetare vor profita de combinarea eforturilor teoretice i

experimentale din electronica moleculari materialele inteligente supramoleculare.Conexiunea dintre ramurile nanotehnologiei o constiuie Sistemele Micro i Nano-

electromecanice, discipline noi create o dat cu dezvoltrile rapide din nano i micro-litografie, microelectronic, stereolitografie.

Dispozitive MEMS, NEMS, bioMEMS sunt aplicate la structuri complexeinteligente care cu o decad n urm practic erau de domeniul science fiction. Domeniuleste focalizat n prezent pe crearea de micro/nanosisteme n efortul de combatere aterorismului, aplicaii n securitatea domestic (protecia caselor, terenurilor etc), secu-ritatea electronic, siguran n exploatare.

Aspectele multidiscipinare sunt extem de complexe pentru nelegerea inginerieiacestor sisteme ce acoper arii extem de largi: nanostructuri, nanoelectronic, micro-fluidic, senzori biochimici de nalt rezoluie, detecia substanelor chimice i a agenilorbiologici nocivi, microsenzori pentru radioactivitate, senzori cu consum redus de putere,aplicaii medicale, investigri noninvazive, biomimetic, secvenierea rapid a ADN-ului,transportul la int a medicamentelor, polimeri electronici, nanooptic, tehnici analitice lanivel nanometric, nanoasamblare, nanointegrare, tehnologia informaiei la scal nano-metric, nanosisteme multifuncionale, bionanointerfee.

Tehnologiile implicate n aceast ramur: microstereolitografie, microformri prinmatriare i extrudare la dimensiuni submironice.

Produse i serviciigenerate de nanotehnologie: Dispozitive chimice inteligente, compatibilitate pentru microsisteme;

chimice, biocompatibilitate pentru bioMEMS; Senzori i actuatori inteligeni; Microsisteme MEMS inteligente pentru microanalize; Nanosisteme utilizate n transportul la int a medicamentelor; Electronica comunicaiilor: microantene cu autocontrol, reconfigurabile;

tehnologia Bluetooth; RF-MEMS; Laborator-pe un cip (lab on chip): compensare, autocalibrare, transmisie de

date; cipuri hibride; interfee auto-adaptabile; Materiale pentru electronic packaging; Polimeri, biopolimeri autoasamblabili; Sisteme CAD/CAM pentru structuri MEMS: modelare electro-termo-

mecanic, microfluidic; Pentru medicin, farmacie, bioingieria dispozitivelor Lab- on cip, biologie

molecular, inginerie genetic, proteomic, biomimetic: nanoboi tran-sportori de medicamente reparatori de esuturi, nanoboi cu proprieti deanticorpi, nanoboi sanepizi.


10/96

4

Tehnologie IT: dispozitive pe structuri CNT (nanotuburi de carbon),

nanofotonic, pile sau celule de combustie nanometrice, dispozitivespintronice.

Practic este imposibil de a predicta implicaiile nanotehnologiei dar simplu amputea considera c noile domenii ce apar se dezvolt ntr-un ritm alert. Oricum trebuie sremarcm un lucru esenial despre nanotehnologie i produsele ei:Primul lucru care trebuie a fi cunoscut despre tehnologie este acela c tehnologia prinea nsi nu creazbogie, plus valoare i bunstare. Numai produselei serviciile caresunt create de tehnologie pot fi vndute sau comercializate. n timp ce este adevrat ctehnologia poate conduce la procese care pot crea plus valoare prin mbuntireaeficienei unor operaii existente, dezvoltarea i furnizarea acestor procese este frecventrealizatde ctre o alt firmce oferacest tip de serviciu. Existdeasemeni o asociereapropiatdintre un nou proces i un nou produs sau serviciu

Denzil J. Doyle, Making Technology Happen,2001

ntruct capitolele ce trateaz diferite aspecte ale implicaiilor nanomaterialelor nbiosenzori i medicin, consider c este necesar a da unele definiii:Nanobiotehnologie: tiin multidisciplinar care aplic instrumente i procese din nano/microfabricaie pentru a construi dispozitive n vederea studierii biosistemelor, micro-analiza biomoleculelor prin interfaarea unei singure celule, ridicarea profilului meta-bolismului i biochimismului ei, analiza rspunsului la diferii analii; nanoparticuleinspirate din biologie; biosenzori, celule de combustie microbiene, noi tipuri de markerietcNanomedicin: descrie un set de capabiliti a sistemelor de maini moleculare care potfi utilizate n diagnostic, tratament i reparri de esuturi sau organe: dispozitive medicalenanorobotice, abilitatea de a recunoate, sorta i transporta molecule, autogenerare, comu-nicare cu medicul, abilitatea de a migra prin tot corpul de a manipula obiecte micro-scopice, de a dezafecta celule i virui, evidenierea genelor responsabile de cancereventual repararea lor.Econanotehnologie: nanotehnologia n protecia mediului i a polurii, epurarea mediu-lui i soluii noi de energie regenerabil, recuperarea i meninerea biodiversitii, toxi-citatea nanoparticulelor (nanonoxe).

Lucrarea de fa abordeaz teme i subiecte de mare actualitate fiecare capitolputnd fi studiat separat. Ea este rezultatul leciilor de curs inute la seciile de master deBiofizic i Fizic medical, Fizica Polimerilor dar mai ales al cercetrilor din diferitecontracte naionale i internaionale pe teme diverse ce au dezvoltat aceste subiecte:

1. FP-6, TOK, Biological and microbial fuel cells ( TOK-Marie Curie)2.NATO-SfP 974214, Carbon-Ceramic composite materials for electrical en-

gineering applications.

3. PN-II-2007, Dezvoltare de biosensori bazai pe acizi nucleici pentru evalua-rea i monitorizarea unor ageni toxici cu aplicaii n bioterorism.


11/96

5

4. CEEX-PD-3158, proiect postdoctoral, Celule de combustie stocare de hi-

drogen.5. CEEX- Ctr 25/2005, Impactul micotoxinelor produse de specii de fungi ale

genului Fusarium, asupra lanului alimentar; investigarea unor metode decontracarare a toxicitii acestora n scopul mbuntirii calitii i securitiialimentare la nivelul standardelor impuse de aderarea la UE.

6. CEEX-Ctr 88/2005, Materiale alternative multifuncionale cu cost sczut,pentru pile de combustie cu electrolit polimer (PEMFC) ce opereaz la tem-peraturi mai mari de 180C.

7. CEEX-Ctr. 635/2005, Sticle ecologice obinute prin nanotehnologii, pentruatenuarea, adaptarea i reastaurarea factorilor de mediu naturali .

8. PCI 2006-Universitatea din Bucureti, Msurarea, caracterizarea i manipu-larea structurilor nanometrice cu microscopia de fore atomice

9. CEEX-Ctr 60/2006, Administrarea dirijat de medicamente prin nanostruc-turi procesate prin tehnici laser pulsate avansate

10.CEEX- Ctr. 110/2006, Model experimental pentru studiul biodisponibilitiiunor factori nutriionali (Ca, B, fitosteroli) i influena lor asupra mine-ralizrii osului la porc, suport tiinific n studiul osteoporozei

11.MATNANTECH / PF 256 / 2004Nanostructuri pe baz de carbon sintetizateprin tehnici avansate i aciunea lor asupra microorganismelor patogene.

12.CERES / PED, 2004, Acoperiri nanostructurate de biopolimeri obinute prinevaporare laser pulsat asistat de o matrice pentru aplicaii n industriafarmaceutic

Prin multitudinea subiectelor tratate cartea se adreseaz specialitilor din diferitedomenii ale fizicii, biologiei, chimiei, medicinei i ingineriei ncercnd s furnizezeinstrumente utile de investigare, concepere, design de dispozitive de senzare i de uti-lizare a nanomaterialeor n diverse domenii. Este conceput n aa fel nct s furnizezecunotinele necesare pentru iniierea studenilor, tinerilor cercettori n a aborda domeniimultidisciplinare dar i pentru cercettori avansai care doresc s-i extind aria de in-vestigare spre multidisciplinaritae.

Cartea include o serie de rezultate originale, idei i concepte de utilizare ale nano-materialelor care sunt publicate pentru prima dat.

Fiind rezultatul multiplelor cercetri i experimentri n domenii diverse aduc peaceast cale mulumiri cercettorilor i profesorilor care au participat i sprijinit aceastiniiativ:

Profesor universitar dr Ioan Pnzaru, Rector al Universitii din Bucureti, pentrusprijinul acordat n abordarea acestor cercetri multidisciplinare i de a nfiinaprimul centru de cercetare n nanotiine i surse alternative de energie

Profesor universitar dr. Ion Mihilescu, pentru primul ajutor acordat de a iniia iforma centrul de cercetare.

Profesor universitar dr. Emil Barna, Prorector al Universitii din Bucureti, pentrunelegerea i ncrederea acordat.


12/96

6

Profesor universitar dr. Anton Ciucu, pentru discuiile i sugestiile n elaborarea

capitolelor de biosenzoriProfesor universitar dr Ion Mihailescu, INFLPR, pentru dezvoltarea de cercetri i

a aplicaiilor radiaiei laser n manipularea biopolimerilorDr. Ion Morjan i Dr. Ion Voicu, INFLPR, pentru discuiile fructuoase de utilizare

a nanocarbonilorDr. Luminia Stamatin, S.C Biolumimedica, pentru experimentele i cercetrile

dezvoltate pe bionanocompozite, aplicaii n parazitologie i microbiologie me-dical

Dr. Ionela ranu, IBNA, pentru discuiile fructuoase de utilizare a punctelorcuantice n detecia micotoxinelor.

Dr. Rmbu Gimi Aurelian i Dr Iulian Iordache, ICPE-CA, pentru multiplelediscuii i cercetri comune n domeniul celulelor de combustie respectiv bio-combustie

Dr. Rodica Cristescu, INFLPR, pentru dezvoltarea de cercetri n metode de tran-sport dirijat al medicamentelor la int.

Dr. Elisa Mihai, Dr. Bogdan Sava Alexandru, INOE, pentru de dezvoltarea decercetri n domeniul sticlelor ecologice.


13/96

7

2. Biosenzorii n contextul transdisciplinaritii tiinelor

2.1 De la chemosenzor la biosenzor

Lumea n care trim este rapid dominat de informaia digitali de necesitatea dea investiga materia la scal din ce n ce mai mic cu instrumente aparent ultrasofisticatece pot vedea atomii i moleculele la lucru prin interacia i asamblarea lor pe diferitenivele de organizare. Iniial, revoluia digital a implicat n principal computere autonomecare gradual s-au integrat n reele complexe practic globalizate.

Unirea calculatoarelor cu sistemele de telecomunicaii a dus la o cretere enorm aaccesibilitii la informaie i de aici creterea cerinei pentru aceasta. n prezent, aceastcerin este dominat de un amestec de texte, audio i imagini structurate n baze de datecare astzi sunt omniprezente prin accesibilitatea la internet. Comunicaiile i internetuldin ultima decad va alimenta cererea pentru mai multe surse de informaii i date despreaspecte importante din viaa noastr, sntatea, mediul nconjurtor, mncarea, muncanoastr.

Corpul uman i n general toate fiinele vii i-au dezvoltat, n decursul evoluiei, senzorii specifici care s menin echilibrul fiziologic i metabolic n raport cu inte-raciunea i schimburile cu mediul nconjurtor. Din nefericire modificrile ambientale, societatea din ce n ce mai tehnologizat , implicarea abuzivi neraional a omuluiasupra biosistemelor regulatoare ale naturii a condus la dezechilibre pe care fiinele viinu i le mai pot regla prin sistemelor lor senzoriale proprii. Avem din ce n ce mai multnevoie de senzori artificiali care sfie interfaa monitorizrii i schimbrii.

Figura 2.1- Schema tipic a unui instrument de control i msurare n senzor. Semnalulde la senzor trece ntr-un buffer- amplificator operaional-cu impedan mare deintrare i protecie. Semnalul este digitizat de ctre ADC transformndu-se dinanalog n digital.n form digital poate fi procesat, stocat, afiat, disponibil sprealte locaii prin reeaua de comunicaii

Astfel senzorii ofer portale dintre lumea real sau analoag n care trim i lum-ea digital a computerelori a sistemelor moderne de comunicaie prin care ne racordm


14/96

8

spre mediul ambiant. Senzorii fac posibil ca s se obin informaii n timp real despre

lucruri pe care le putem vedea, atinge, mirosi i auzi i despre alte lucruri care nu leputem detecta lucruri care pot fi nocive sau folositoare pentru noi. Semnalul electroniccolectat de la senzor este trecut ntr-un circuit unde este digitizat de un convertor analog-digital (ADC) (figura 2.1). Informaia digital poate fi apoi stocat n memorie, reprodusvizual pe un monitor sau facut accesibil lumii reale printr-un port digital decomunicaie.

Din lumea extrem de diversificat a senzorilor ne vom ocupa de biosenzori, clas asenzorilor chimici, ns pentru o descriere concis a problematicii biosenzorilor att devast i variat o definiie se impune de la nceput n contextul general a no iunii desenzor aa cum figura 2.1 descrie conceptul de detecie i prelucrare a semnalului.

Senzorul n accepiune larg este un dispozitiv ce detecteaz un analit, A, prin intermediulunui receptor, R, ce este cuplat la un traductor, T. Interacia analit-receptor

produce un schimb de electroni sau emite/absoarbe fotoni pe care traductorul ltransform ntr-un semnal electric sau fotonic, analogic sau digital

n figura 2.2 este prezentat schema de principiu a unui senzor.

Figura 2.2- Principiul general de construcie i funcionare a unui senzor. Interacia A-Rproduce un semnal intern preluat de detector , aflat n contact intim cu transfer spretraductor (figura 2.1)

Un senzor chimic sau biologic funcioneaz pe principiul descris n figura 2.2 prinemiterea de semnal (tensiune sau curent electric, fotonic) ca rspuns la o reacie chimiccum ar fi legtura dintre dou molecule. Acest eveniment implic un receptor chimic sau biologic, R (ligand macrocilic, enzim anticorp etc) care se leag cu o molecul intspecific dintr-o prob de studiat, analitul, A. Transmiterea semnalului este realizat princuplarea cu un traductor, T care interfaeaz procesele din senzor cu unitatea de pre-lucrare transformare ntr-un semnal msurabil. Detaliu de funcionare i construcie pentru chemosenzor /biosenzor este prezentat n figura 2.3. Conceptul descris n figura2.3 arat c biosenzorii sunt o clas, astzi extrem de vast cu particulariti specifice.

Astfel putem s adncim definiia de biosenzor spre particualaritile lui.

Biosenzor-dispozitiv sensibil la un stimul fizic sau chimic (cum ar fi cldura sauaciditatea, metabolismul) care transmite informaii despre procesele vitale. Biosenzorii se


15/96

9

ocup cu detectarea semnalelor fiziologice i transformarea lor n semnale tehnice

standardizate, de cele mai multe ori electrice, pentru a fi cuantificate din analog n digital.

Figura 2.3 n chemosenzor, procesul chimic selectiv ce apare n sau pe filmul/membrana chemosenzitiv este cuplat cu traductorul de semnal . Exemplede mecanisme comune implicate includ legarea host-guest (reactant-substrat reactiv), reacii catalitice sau redox. n senzorul biologic un proces

biologic selectiv este direct legat de membran care este cuplat la tra-ductor pentru generarea semnalului

Analiza de semnale n medicini biologie vizeaz prelucrarea semnalelor nregi-strate prin msurtori n scopul extragerii maximului de informaie util n diagnosticarei monitorizare. Pe baza acestei descrieri generale se observ c senzorii n particular bio-senzorii pot fi clasificai dup natura traductorului sau a semnalului procesat, figura 2.4.

Figurile 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 arat c un senzor este un instrument de msurare a mri-milor fiziologice transformndu-le n semnale msurabile.

Acest aspect a parcurs n ultimii ani drumul de la simpli traductori i aparate demsur la sisteme complexe care integreaz att electronica analogic, ct i digital.

Figura 2.4- Clasificarea senzorilor dup natura proceselor msurate de traductor


16/96

10

Stadiul actual de dezvoltare este cel din figura 2.1 unde totul este integrat i

digitizat. Operaiile care n mod tradiional se efectuau analogic (filtrare, sumare, scdere,difereniere, integrare) tind s se fac n msur tot mai mare prin algoritmi de calcul im-plementai n unitatea de achiziie i procesare de date devenind sisteme moderne demsurare i transmitere a mrimilor fiziologice.

Efectul acestei tendine de miniaturizare i digitizare a aparaturii simultan cu cre-tearea performanelor a condus la implementarea de funciuni mai complexe care lanivelul analogic ar necesita un numr mare de componente liniare discrete (rezistori, con-densatori, tranzistori, diode, amplificatoare operaionale).

Biosenzorii au o istorie recent. n a doua jumtate a secolului XX biosenzorii erauconsiderai ca o ramur derivat a chemosenzorilor. Dezvoltarea ca tiin transdisciplina-r s-a datorat succeselor curente ale biosenzorului de msurare a glucozei pentru diabeticio metod convenabil, igienic, compact de automonitorizare. Cu acest eveniment bio-senzorii au artat un potenial enorm de a detecta o varietate larg de analii n medicin,industria alimentar, monitorizarea mediului, aprare, securitate. n tabela 2.1 sunt su-marizate interferenele aplicaiilor chemosenzorilor -biosenzorilor n decursul evoluieilor. Aa cum este prezentat n tabela 2.1, exist multe domenii cu aplicaii importantepentru senzorii chimici i biologici, de la monitorizare continu a proceselor chimice dinindustrie, sesizarea monoxidului de carbon n case, din mediu ambiant la medicinacurent, terapie intensiv, telemedicin

Tabela 2.1: Aplicaii de uz comun ale chemo i biosenzorilor

Aplicaii Exemple

Automobile Sistemul de control al alimentrii cu combustibil,monitorizarea emissilor de gaze i noxe

Aprare Aplicaii militare, contramsuri n armele biologice ichimice

Industria aeronautic Sisteme de monitorizare a calitii aerului n carlingaavionului,

Agricultur Detecia pH, ierbicide, pesticideIndustria Chimic Sisteme de monitorizare a emissilor de gaze toxice,

testare materialeSecuritate civil Detcia gazelorMediu, Protecia

mediuluiDetecia poluanilor din aer, api sol, BOD, controluldetergenilor

Medicin Diagnostice clinice in vivo sau in vitro, determinareaconcentraiei de gaze anestezice, telemedicin, terapieintensiv

Control Vamal Detecia substanelor ilegale, periculoase, droguri,explozivi, substane radioactive

Alimente, Buturi Determinarea compoziiei chimice, mirosuri, nivelulde degradare, odorante, controlul fermentaiei, etc


17/96

11

2.2 Biosenzorii i nanotehologiile

Dezvoltarea impetuoas a biosenzorilor ca`o consecin a cerinelor din medicin,protecia mediului, securitate alimentar a impulsionat tehnologiile actuale spre limite iperformane nebnuite. Noiunea de senzor, respectiv biosenzor, a evoluat pe msuracreterii cerinelor de diagnostic noninvaziv, de investigri i analize fr reactivi supli-mentari, de a fi utilizai de nespecialiti, de a lucra on-line (regim continu de monitori-zare) sau de a fi de unic folosin. Datorit evoluiilor actuale spre nanotehnologii bio-senzorul i perfecioneaz definiia. Actual prin biosenzor se nelege ncorporarea sauintegrarea unui element biologic cu un traductor fizic i cu instrumentele i electronicaaferent. Se ateapt ca n urmtorii anii s includem n definiie termeni ca interfee hi-bride alctuite din biocomponente i procesoare moleculare

n mileniul III biosenzorul nu mai poate fi disociat de tehnologiile avansate dinoptoelectronic, tehnologia siliciului, procesarea de date, electronic molecular, tehno-logia IT&C. Aa cum se va prezenta n urmtorul capitol clasele de biosenzori se extindi se perfecioneaz odat cu noile avansri n nanotehnologie cu un impact asupra bio-tehnologiei i medicinei, ecotehnologiilor care acum o decad era de neimaginat.

Domenii specifice ale biologiei i medicinei unde nanotehnologia se implementea-z cu o puternic vigurozitate a generat noi direcii astzi cunoscute sub denumiri de na-nomedicin, nanobiotehnologie termeni deja consacrai (subdomeniul biosenzori deja esteprivit ca interdisciplinar dintre nanobiotehnologie i nanomedicin).

Nanotehnologia i biosenzorii s-au impulsionat reciproc n dezvoltare. n etapeleiniiale s-au interferat reciproc prin implementarea unor algoritmi numerici mai puternicii mai compleci (software) ce s-au realizat n cadrul structurii fizice de calcul numeric,(hardware) existente. La acestea au concurat progresele tehnologice n termeni de redu-cere a volumului fizic al componentelor discrete iar ulterior a circuitelor integrate digitalecare au continuat cu o integrare i ultraminiaturizare pn la nivelul de 1nm. n paraleldezvoltarea n timp a medicinii a urmat, n mare, evoluia ncercrilor omului de a se cu-noate mai bine, de a mpinge tot mai departe cunotinele n ceea ce privete mediul ncare se dezvolt.

Treptat, tehnologii avansate i nanotehnologii din ce n ce mai sofisticate au p-truns tot mai mult n cercetarea medicali a mediului nconjurtor, realiznd o investi-gare tot mai amnunit, mai riguroas, a fenomenelor vieii, a bolilor, a mediului.

Secolul 21 aduce disciplinele din tiinele naturii, anterior considerate independen-te, ntr-un context de interdisciplinaritate nebnuit odat cu dezvoltarea acestui nou con-cept: nanotehnologia.

Nanotehnologia reprezinttiinele la scal nanometric, manipularea materiei na-nometrice n realizarea de noi structuri i ansamble moleculare. Un nanometru reprezinta miliarda parte dintr-un metru, aproximativ 1/80000 din diametrul firului de pr sau de

10 ori diametrul atomului de hidrogen.O definiie: Nanotehnologia este tehnologia bazat pe arta manipulrii atomilor individuali i

a moleculelor pentru a construi structuri cu proprieti dirijate.


18/96

12

Nanotehnologia reprezint abilitatea de a construi obiecte prin asamblarea de atomila un moment de timp n secvene bine precizate. n prezent cu instrumentele puse ladispoziie de nanotehnologie, inginerie genetic, proteomic construim obiecte de jos nsus=bottom-up adic ansamblm atomi i molecule n structuri.

Figura2.5- Dispunerea organizrii materiei pe scal nanometric-micrometric

Pentru a realiza aceasta este necesar de alte tipuri de instrumente i dispozitive dedimensiuni nanometrice. Pentru a realiza obiecte macroscopice avem nevoie de miliardede aceste mici dispozitive (ansambleri).

A reproduce aceste tipuri de instrumente avem nevoie de o metod de a se autore-produce sau de instrumente de replicare (replicatori). Noile instrumente nanometrice ne-cesit a fi programabile pentru a realiza un anumit tip de operaie. n figura 2.5 sunt pre-zentate diferite nivele de organizare ale materiei. la scal nanometrici micrometric.

Se constat imediat c instrumentele nanotehnologiei au dimensiuni sub acelea alevirusurilor. Obsevm uor din figura 2.6 cum noile instrumente ale nanotehnologiei potmanipula atomi i molecule la scal nanometric.

Iat c n acest context traductorii, componente eseniale ntr-o structur senzorial,capt semnificaii cu totul deosebite datorit miniaturizrii i integrrii pe scar larg ncircuitele integrate devenind ele nsi cipuri cu o puternic interfaare a proceselor dereacie analit-receptor.

Cnd receptorul conine componente biologice parial sau total integrate pe tra-ductor atunci orice tip de senzor capt definiia de BIOSENZOR- ca un atribut generic.

n acest context i noiunea de biosenzor evolueaz mai ales privit ca domeniu deaplicaie. n ultima decad termenul de biosenzor a fost n variate moduri aplicat la unnumr de dispozitive fie pentru monitorizarea sistemelor vii sau pentru acelea care auncorporate elemente biotice. Recent comitetul IUPAC [1] a ncercat o lmurire a defi-niiei termenului de biosenzor printr-o sistematizare a literaturii de specialitate care n de-

cursul timpului a fost utilizat pentru a descrie termometre, spectrometre de mas, dispo-zitivele de determinare a daphniei n ecosistemul apelor, echipamente electrofiziologice,identificri de elemente chimice prin electrozi ionselectivi.


19/96

13

Figura 2.6- Manipulatoare al materiei de la scal micro (a) -implantri din ingineriagenetic- la nanoscal (b) unde prin AFM ( microscopia de fore atomice) se pot

poziiona i asambla atomi sau molecule (mecanosinteza) sau lucra cu fluide itransport de elemente bio( micro/nanofluidic) (c)

Prin consens s-a stabilit c termenul trebuie s fie rezervat pentru utilizarea n con-text modern ca un senzor ce ncorporeaz elemente biologice cum ar fi, enzime, anticorpi,acizi nucleici, microorganisme sau celule. IUPAC sugereaz ca acest termen s fie pedeplin folosit n acest context. O dat cu dezvoltrile din nanotehnologie care au adus oextrem de larg interdisciplinaritate iar materialele sunt n prezent manipulate la scalnanometric noiunea de biosenzor capt o definiie mai larg:

Biosenzorul va fi definit ca un dispozitiv analitic compact ncorpornd un element senzorialbiologic sau derivat biologic integrat intim cu un traductor fizico-chimic. Scopulbiosenzorului este de a produce un semnal electronic analogic sau digital care esteproporional cu concentraia unui analit singular sau a unui grup de analii [2].

Actual,biosenzorii sunt utilizai n foarte multe domenii cum ar fi medicin, indus-tria chimic, alimentar, farmaceutic, tehnic militari de aceea este necesar cunoa-terea principiilor de construcie i funcionarea lor. Domeniul n care aceste dispozitive i-au gsit o larg utilizare fiind cel medical se impune cunoaterea mecanismelor de reaciei a afinitii enzimelori microorganismelor pentru diferite substraturi de interes.

Cercetrile actuale au ca scop miniaturizarea de a crea arii de senzori, structuri in-tegrate, laboratoare de analiz pe un singur cip, creterea sensibilitii i a timpului devia, scderea timpului de rspuns, lrgirea plajei de utilizare i scderea costurilor de fa-bricaie a acestor dispozitive.


20/96

14

2.3 Biosenzori, biodiagnostic, nanobiotehnologie, nanomedicin

Astzi vorbim despre platforme de diagnostic, imagistic moleculari diagnosticmolecular, caracterizarea proceselor i structurilor biologice. Toate acestea au la bazfundametarea i dezvoltarea biosenzorilor. Fr ei nu am putea astzi s dezvoltm do-menii ca: sisteme de detecie i identificare, recunoatere molecular, nanoparticule fun-cionalizate cu sisteme biologice, arii de senzori cu nalt sensibilitate i rspuns rapid,imagistic cu microscopia de baleiaj prin fore atomice- SPM (scanning probe micro-scopy) a structurilor biologice, detecia intracelular a biomoleculelor, ingineria nanobio-interfeelor.

Dup cum se observ ne apropiem de punctul unde detecia unei singure molecule,determinarea in vivo cu precizie a proprietilor biologice i a interaciunilor specifice vafi posibil. Atingerea acestui el va permite cercettorilor, medicilor, tehnicienilor de:

- A obine o detecie sigur a biomoleculelor n volume de probe minimale,evaluarea i diagnoza rapid din materiale neprocesate, direct prelevate- deexemplu diagnoza rapid a bolii sau detecia incipient a contaminrii biolo-gice.

- A studia ciclul de via n timp real a organismelor la nivel molecular, de ex-emplu pentru determinarea interaciei intracelulare a proteinelor virale cu ce-lulele lorint conducnd astfel la o mai bun nelegere a bolilor asociate.

- Investigarea dinamicii proteomice i astfel diferenierea cilor i a rs-punsului celular la schimbrile din mediul ambiant.

Astzi discutm i elaborm concepte despre:1.Platforme de diagnostic: arii de biosenzori incluznd acelea de a utiliza na-

noparticule imobilizate i metode de identificare rapid cu cantiti minimalede probe de material.

2.Diagnostic imagistic la nivel molecular: utilizarea nanoparticulelor ca solu-ie alternativ de diagnostic n timp real a analizei intracelulare, imagisticmedical cu nanoparticule. (Un capitol special n lucrare va fi acordat pun-ctelor cuantice fluorescente ca elemente de identificare i analiz)

3. Caracterizarea structurilori a proceselor biologice: utilizarea de instru-mente cum ar fi SPM- cu sond nanometric pentru investigarea in situ a in-teraciilor biomoleculare i de aici mbuntirea, perfecionarea nelegeriidinamicii celulare i a ciclurilor de via.

4. Senzori: detecia n timp real de biomolecule sau organisme cu aplicaii pen-tru dispozitive de diagnostic fie la distan fie n sistem ambulatoriu

2.3.1 Biocipurile i tehnologiile actuale ale secolului XXI

Ce este un Biocip?

Un biocip este un dispozitiv ce conine o structur de elemente senzoriale indivi-duale (biosenzori) interconectate dup funcii i specificiti de recunoatere, integrate pe


21/96

15

un cip. Numrul de biosenzori pe un cip poate fi de ordinul 106 uniti. n acest grad de

integrare se pot realiza un imens set de teste distincte extrem de rapid i eficient.Biocipurile sunt adesea construite pe acelai principii ale microtehnologiei ca imicrocipurile. n contrast cu microcipurile, biocipurile nu sunt n general structuri elec-tronice ( dei ele pot conine diferite structuri electronice cuplate la elementele biosen-zoriale). Premiza cheie a biocipurilor este aceea c ele pot realiza reacii chimice/ bio-chimice la micro i nanoscal. Fiecare biosenzor poate fi gndit ca un microreactor carerealizeaz a reacie chimic specific cu un analit. Biosenzorii din biocip pot fi realizai pentru a detecta o larg varietate de analii incluznd ADN, anticorpi, proteine, biomo-lecule.Biocipurile n contextul micro i nanotehnologiilor

Biocipurile n general sunt arii 2D de senzori plasai ntr-o reea specific cucoordonate bine precizate. De exemplu (figura 2.7) un senzor la coordonatele x-y devaloare (4,5) poate senza anticorpul pentru HIV, n timp ce senzorul la coordonatele (7,3)

poate detecta anticorpul pentru virusulInfluenza. Pentru a aranja senzorii n coordonateprecise sunt abordate tehnici sofisticate de microdepunere de construire a unui lan sau omatrice de senzori. Tehnica microdepunerii este costisitoare i de randament sczut.

O alt tehnic recent angajeaz tehnica indexrii dup funcia ce o ndeplinete iforma microbiosenzorului. Astfel senzorii pot fi plasai oriunde pe cip iar softurile de re-cunoatere de imagini pot fi utilizate pentru a citi biocipul. Dispunerea i formarea bio-senzorilor pe cip este realizat prin microlitografie sau tehnologia ink-printing sau decontact-printing. Avantajele sunt multiple: 1. senzorii pot fi produi n loturi sau secvenecare pot fi asamblai n paralel sau serial furniznd un randament nalt de fabricaie.2.Senzorii pot fi asamblai pe arii foarte mici, cu distane reduse ntre ei. 3. Pot fi generatestructuri 3D furniznd semnale mari fa de structurile 2D . 4. Poate fi ncorporat oricetip de reacie biochimic 5. Senzorii pot fi produi separat i asamblai ulterior dup spe-cificitate i natura aplicaiei. Iat un concept avansat de platform de diagnostic tipbiochip (figura 2.7) pentru a detecta o clas de virusuri.2.3.2 Biocipuri, nanobiotehnologia, nanomedicina

Implementarea cuceririlor din biologie chimia supramolecular i biochimie pesuportul nanotehnologiei i a instrumentelor de investigare la scal nanometric dezvol-tate n fizic a generat noul domeniu, acela al nanobiotehnologiei, unde biosenzorii i bio-cipurile ocup un loc preferenial. Inferarea lor n medicin a generat noul domeniu:nanomedicina domeniul unde tehnicile non invazive i autoreparatorii sunt elementeleeseniale ale viitorului medicinei. Curnd vom asista la sisteme i nanoroboi care vor lualocul chirurgiei i tratamentelor invazive: transportul dirijat al medicamentelor la int,nanoboi injectabili cu informaii precise ce vor repara organe, generarea intern de celulede biocombustie pentru ntreinerea activitii inimii sau a sistemelor pulmonare, neuro-nale, reglarea glucozei din snge de ctre celulele de biocombustie miniaturizate etc.


22/96

16

Figura 2.7- Arii de senzori interconectai prin nanofire (NW) ce pot detecta naturavirusului care trece prin structura de microcanale dintr-un fluid biologic colectat.Fiecare arie de senzori detecteaz forma, dimensiunea tipul de toxin, activitateaspecific, prelund un semnal de prezen (S) i un semnal de detecie specific

Cteva din perspective sunt sumarizate, ncepnd de la faimoasa publicaie a luiFeynman: (Richard Feynman Plenary Lecture on Nanotechnology, 1963):

1. Electronica la scal molecular- manipularea electronilor pe structuri ADNi proteine, asamblarea lor n structuri cu proprieti electronice

2.Nanobioelectronica pentru biosenzori3. Celule de biocombustie- sursa intern de energie ce consum glucoza sau

alte polizaharide din snge genernd energie elec-tric pentru biostimulatoaresau pentru reglarea dozelor din bolile de diabet. Ele sunt surse de convertirea deeurilori biomasei n materiale rgenerabile ( agricultur, pesticide, etc).

Celulele de biocombustie sunt componentele de baz n designul bio-senzorilor microbieni.4. Circuite bioelectronice5. Arhitecturi supramoleculare la interfaa electrod-electrolit, pentru aplicaii

n biosenzori6. Detecia electrochimic a acidului 2,4 diclorofenoxiacetic sau a altor toxine,

mirosuri, odorizante etc. ( nasuri electronice)7. Nanostructuri polimere,1D-2D-3D, elemete suport n biosenzori, protezare

medical8. Microarii ca pori de legtur cu sistemele biologice. Interfeele neuronale

artificiale9. Dispozitive de calcul nanometrice formate din biomolecule cuplate cu inter-

fee clasice i biologice10. Optica nanometric n biosenzori i biotehnologie11. Materiale nanocompozite, nanostructurate


23/96

17

12. Biocipuri, componente n alte tipuri de arhitecturi

13. Asamblarea de peptide la interfee14. Dinamica i fluctuaiile ADN-ului15. Imprimare molecular16. Investigarea sistemelor de polimerizare electrochimic n procese sol-gel.

Modificarea electrozilor prin funcionalizarea xerogelurilor anorganice17. Biosenzori impedimetrici pe structuri de proteine i celule18. Polimeri inteligeni: aplicaii la elaborarea de dispozitive bioanalitice19. Investigri n timp real cu biosenzori n timpul operaiilor chi-rurgicale20. Investigarea mediilor moleculare prin optica neliniar, lumi-niscen, etc

Alte domenii transdisciplinare generate de biosenzori i nanotehnologii

Microarii, biocipuri, sisteme microbioanalitice Neuroprocesoare- senzarea i procesareaIn-Vivo iIn-Vitro a semnalelor ne-

uronale Transportul electric prin ADN, Cip genetic Msurarea amperometric a exocitozei veziculare din neurotransmitori:

descifrarea semnificaiei biologice i fizico-chimiceNanobiotechnologie i NanoBiosisteme

Nanoimprintarea biomoleculelori a biosuprafeelor cu microscopia de foreatomice

Studiul relaxrilor n ADN cu pensetele optice (optical tweezers) Recunoaterea de mono/oligonucleotide pe monostraturi de filme polimere. Dinamica biopolimerilor, starea dinamic a motilitii pe baz de actin Reglarea proteinelor motor, microtubule

Nanobiotehnologie i Biosenzori Monitorizarea noninvaziv a glucozei prin biocipuri ce controleaz

ultrasonic pielea permeat Arii de microace, cip-microfluidic pentru integrarea unei celule n sistem Senzori colorimetrici pentru analiza bacterial Senzori bacterieni pentru detecia metalelor grele Efectul biorecunoaterii (bioafinitatea) i implicaiile asupra vieii cotidiene.

Monitorizarea genotoxicitii n timpul degradrii fotocatalitice aparanitrofenolului.

Monitorizarea electrochimic a bacteriilor biotinilate denitri-ficatoare Celule-biocip pentru detecia toxicitii

Iat numai cteva din domeniile unde biosenzorii au impulsionat cercetrile cu rea-lizri notabile. Biosenzorii au propulsat domenii de grani i au creat noi domenii itiine: chimia supramolecular; tehnici de autoasamblare; concepia de noi receptori sin-


24/96

18

tetici utiliznd metode combinatoriale; imprintri moleculare (molecular imprinting);

nanosisteme; ingineria proteinelor, acizilor nucleici i a zaharidelor ca receptori i siste-me catalitice; ingineria biomoleculelor capabile de a avea funciuni suplimentare cum arfi transducia semnalelor (fire moleculare) sau transmiteri mecanice (motoare moleculare,brae moleculare; senzori cu acizi nucleici, cipuri cu ADN; imunosenzori, senzori pestructuri enzimatice; receptori naturali i sintetici; proteomica i analiza individual a ce-lulei; bioelectronica, celule de biocombustie, sisteme nanoanalitice

Dei aceste cuceriri ale tiinelor de grani apreau ca lucruri de neimaginat acum20 ani totui avem cteva elemente cheie de control care indiferent de scala de lucru suntde o importan perpetu: selectivitatea, sensibilitatea, stabilitatea n proiectarea de siste-me senzoriale integrate cu structuri i aranjamente de elemente senzitive.

Observm c indiferent ce concept se abordeaz n construcia i realizarea de bio-senzori ne confruntm cu urmatoarele probleme:

1. Sterilizarea direct a biosenzorilor este imposibil;2. Pentru calibrarea biosenzorilor sunt necesare msuratori discrete;3. n majoritatea cazurilor, concentraiile compuilor depesc domeniile de

rspuns liniar ale biosenzorilor;4. Stabilitatea biosenzorilor este afectat de stresul mecanic i termic;5. Sensibilitatea i reproductibilitatea: parametrii ce asigur bu-na funcionare a

biosenzorilor, gradul de noninvazivitate.Merit n acest context s sumarizm o scurt retrospectiv a dezvoltrii istorice a

biosenzorilor pentru a realiza conexiunea dintre fenomene fundamentale i tendinele ac-tuale.

2.3.3 Scurt istoric

1986: ROYAL SOCIETY, Londra, s-au definit biosenzorii ca fiind dispozitive bazate pe cuplajulspaial direct al unui compus biologic activ imobilizat cu un traductori un amplificator

electronic.as a compact analytical device incorporating a biological or biologically-derived sensingelement either integrated within or intimately associated with a physicochemical transducer. The

usual aim of a biosensor is to produce either discree or continuous digital electronic signalswhich are proportional to a single analyte or a related group of analytes.[2]

Succesul biosenzorului pentru determinarea de glucoz, a constituit placa turnanta exploziei biosenzorilor. El s-a dezvoltat datorit cerinelor extraordinare a bolnavilor dediabet i a abilitii biosenzorilor de a oferi o metod convenabil, igienici compact demoni-torizare personal. Biosenzorii ofer un mare potenial de a detecta o larg varietatede analii n medicina curent specifice laboratorelor clinice sau tratamentelor n regimambulator; n industria alimentar, n monitorizarea factorilor poluani din mediu.

1950 -1960 Electrodul ClarkO problem deosebit de important in chimia analitic o constituia selecia i nparticular, cea fcut la concentraii sczute i n prezena substanelor care interfereaz.


25/96

19

Determinarea sensibil i selectiv a unui mare numr de compui era i este n

continuare foarte util pentru cercetrile tiintifice, ca i pentru unele ramuri industriale(chimici alimentar). n domeniul snatii devenea indispensabil gsirea de metode pentru diagnosticarea unor boli iar senzorii cu o fin selectivitate i uor de manevratdevenise o problem cheie n perfecionarea analizelor de laborator. n aceast perioad oserie de senzori pe structuri solide erau folosii la determinarea parametrilor fizici cum arfi temperatura, presiunea, energia sunetului dar analizele calitative i cantitative fcuteasupra compoziiei chimice rmneau dificile. Cele mai cunoscute n aceast etap eraupH-metrele care sunt puin aplicabile msurtorilor unor substane fiziologice importantecum ar fi: ureea, colesterolul. Ele au devenit utile n primele investigri n cazul macro-moleculelor cum sunt: enzimele, anticorpii, sau microorganismele. Fiinele vii ns suntcapabile s se adapteze la schimbrile propriului lor metabolism i la mediul inconjuratorcu ajutorul aa numiilor receptori care sunt alctuite din structuri proteice complexe isunt, n mare parte, legate de membranele celulare. Ele posed o mare afinitate pentrufactorii specifici, cum ar fi: hormoni, enzime sau anticorpii. Legtura dintre aceti factoridetermin activarea unor cascade de enzime, care provoac schimbri n proteinareceptoare i o amplificare a semnalului. Aceste considerente erau oarecum bine statuaten aceast perioad dar pn n 1956 nu s-a realizat nici un progres semnificativ de a gsio metod de msurare.

n 1956, pentru a simplifica msuratorile de glucoz s-a adoptat principiul hrtieifolosit la determinarile de pH, [3]. Impregnnd o hrtie de filtru cu enzime de glucoz ,Free a obinut primul test-fie de enzime, care poate fi privit ca un predecesor al bio-senzorilor optoelectronici.

n aceast perioad se ridica necesitatea de determinare a coninutului de oxigendin snge, respectiv a glucozei. Leland C. Clark Jr., a inventat un electrod destinat a fifolosit pentru msurarea oxigenului dizolvat n sngele bolnavilor operai. Acesta esteformat dintr-un electrod de platini un electrod cu o membran de plastic permeabil lagaze. Polaritatea electrodului a fost astfel stabilit nct intensitatea curentului prin circuits depind de viteza de difuzie a oxigenului prin membran, vitez ce este direct propor-ional cu concentraia extern a oxigenului. O dat cu electrodul Clark, considerat primulbiosenzor, ncepe i clarificareascopului i definiiei conceptului de biosenzor ce continua fost modificati reactualizat. Profesorul Leland C Clark Jr este considerat printeledomeniului biosenzori. n 1956, Clark public articolul su despre electrodul de oxigen(discutat pe larg n [3]). Clark prin acumularea unei bogate experiene lanseaz n 1962prin conferina susinut la Academia de tiine din New York o viziune general asupraconceptului de biosenzor i direciile de dezvoltare: "to make electrochemical sensors(pH, pola-rographic, potentiometric or conductometric) more intelligent" by adding"enzyme tran-sducers as membrane enclosed sandwiches".[4]

1962 Electrodul enzimaticClark extinde folosirea acestui "electrod de msurare a oxigenului" la determinareanivelului de glucoz in snge. El a mbrcat senzorul pentru oxigen cu un strat subire


26/96

20

de gel ce contine un biocatalizator, enzima glucozoxidaza, urmat de o membran semi-

permeabil de dializ ce permite glucozei s difuzeze n senzor, dar oprete enzima sdifuzeze. Cu ct intr mai mult glucoz, cu att mai mult oxigen este consumat de enzi-m. Deci, o cantitate mic de oxigen existent se traduce prin existena unui nivel ridicatde glucoz. Clark i Lyons [4] introduc termenul de electrod enzimatic, adeseori greitatribuit de muli autori de recenzii ca fiind introdus de Updike i Hicks [5] care au avutmeritul de a descrie experimental detaliile necesare de a construi un electrod cu enzimpentru glucoz. Prima descriere a unui biosenzor a fost realizat de Clarki Lyons n anul1962, unde era prezentat de fapt un electrod de platin cu enzima oxidoreductaza, ntr-oconstrucie de sandwich. Anodul de platin polarizat la +0,6V, rspunde la peroxidulprodus de enzim n reacie cu substratul. Acest tip de biosenzor deschide calea pentrumsurarea glucozei din snge.

1969Senzori enzimatici, traductori poteniometriciGuilbault i Montalvo [6] descriu un electrod-enzim poteniometric. Autorii des-

criu un senzor de uree folosind ureaza imobilizat pe un electrod-membran, selectiv laamoniac. G.Guilbault a in-ventat un sistem de masur pentru uree n fluidele corpuluiuman. Dispozitivul lui folosete enzima ureaza ce transform urea n bioxid de carbon iamoniac. Electrodul sesizeaz schimbrile concentra-iei ionilor de amoniu. Acestdispozitiv a constituit o mbuntire pentru c se bazeaz pe o detecie poteniometric(senzor poteniometric). n timp ce senzorii de tip Clark msoar trecerea curentului prinelectrod (senzor amperometric), senzorul poteniometric msoar tensiunea cerut pentrumeninerea curentului la zero. Electrodul nu consum nici un fel de reactani de aceea estemai puin susceptibil la erori cauzate de schimbrile survenite n mediul extern. n plus,sistemul poteniometric are o curb logaritmic de rspuns astfel nct poate urmri oconcentraie de peste 100 de ori mai mare n raport cu alte tipuri. Ulterior au fost folosite

n construcia de biosenzori peste 100 de enzime. Cercettorii n domeniu au realizat cnu numai enzimele singulare se pot folosi, ci i esuturi ce reacioneaz la aminoacizi ila alte bio-molecule. De exemplu, folosirea pulpei de banan pentru msurareadopaminei, miezul de porumb pentru piruvat, frunza de castravete pentru cistein, sfeclade zahr pentru tirozina, ficatul de iepure pentru guanina i pudra de muschi de iepurepentru monofosfat de adenozina. Rechnitz [7, 8] a mers i mai departe n folosirea unorpri din sisteme biologice; unul din senzorii si conine o antenul, un mic organ de sim,de la un crab albastru, supus diseciei pentru a folosi fibrele nervoase conectate la unelectrod. Acest dispozitiv poate msura concen-traia unor droguri, precum i a toxinelordin mediu.

1970 Miniaturizarea electrozilor.La nceputul anilor 70 au fost perfecionai primii senzori enzimatici, cu indicaii

calorimetrice iar ulterior s-au folosit indicatori optici [2]. Noile descoperiri din bio-tehnologie au perfecionat biosenzorii. n 1970, s-au construit multielectrozi miniatu-rizai pe un cip de siliciu [2, 8] ce poate realiza msurtori pe esuturi neuronale. Toate


27/96

21

cercetrile n acest sens au condus la adoptarea unei tehnici generale de combinare a

componentelor chimice cu circuitele integrate intr-un singur sistem. Unii cercettori auminiaturizat biosenzorii electronici, alii au dezvoltat un ntreg sistem bazat pe sensibi-litate optic - n 1969, G.Vurek si R.Bowman [9] au demonstrat primii senzori pe fibreoptice folosit la analize clinice.1970- Yellow Springs Instrument Co. (Yellow Springs,OH) comercializeaz primul senzor pentru monitorizarea glucozei

1974 Traductorii termici. Termometrele n variate forme, termorezistenele i ter-mistorii au fost propui ca biosenzori prin imobilizarea de enzime pe suportul traductorimsurarea efectului termic datorit efectelor termice induse de reacia enzimatic.

Biosenzorii cu traductori termici propui n 1974 au devenit termeni uzuali astzica sonde termice enzimatice [10] sau termistori enzimatici [11].

1975Bioanalizoare de glucoz, senzori microbieni, opticiIn anul 1975, DIVIES [12] a folosit o bacterie ntr-un senzor de alcool n timp ceGUILBAULT a construit n 1976, un NADH-senzor folosind o mitocondrie. Aplicareamodelelor enzimatice de mare stabilitate n biosenzori a oferit o nou alternativ enzi-melor. n 1975 JANATA (citat n [7]) a realizat un imunoelectrod. Ideile lui Clarkdevin realitate n 1975 prin lansarea de succes de compania Yellow Springs InstrumentCompany (Ohio) a analizorului de glucoz pe principiul deteciei amperometrice aperoxidului de hidrogen. Este perioada lansrii, n lume, aprimului analizor de laborator.

Biosenzori microbieni. n 1975 biosenzorii iau o nou rut evoluionar cndDivies [12] sugereaz c bacteriile pot fi utilizate ca element biologic ntr-un electrodmicrobian pentru msurarea concentraiei de alcool. Articolul marcheaz nceputurileeforturilor de cercetare din Japonia i ulterior n toate rile a aplicaiilor biosenzorilor nprotecia mediului i biotehnologie.

Optode. Lubbers i Opitz [13] introduc termenul de optod n 1975 pentru a des-crie senzorul cu fibroptic ce are imobilizat un indicator pentru msurarea bioxidului decarbon i a oxigenului. Autorii extind conceptul dezvoltnd un biosenzor optic pentrualcool prin imobilizarea alcooloxidazei la o terminaie a senzorului cu fibr optic pentruoxigen [14]. Optodele comerciale au n prezent performane excelente pentru msurareain vivo de pH, pCO2i pO2, ns optodele enzimatice nc sunt sub lupa cercetrii fr aprimi o larg audien comercial.

1976 Implementri noninvazive, mediatori pentru transferul de electronin 1976, Clemens i colab.[15] ncorporeaz un biosenzor electrochimic de glucoz

la un pancreas artificial marcnd implementarea comercial de ctre compania Miles(Elkhart) a Biostatorului. Biostatorul nu a fost comercializat pe scar larg el fiind nlo-cuit de un analizor de glucoz cu cateter continu - VIA Medical (San Diego). n acelai an

La Roche (Elveia) introduce Lactate Analyser LA 640 n care mediatorul solubil hexa-cianoferatul este utilizat pentru transferul mediat de electroni de la lactat dehidrogenazaspre electrod. Cu toate c nu a cptat un uz comercial s-a deschis generaia biosenzorilor


28/96

22

cu mediatori n transferul de electroni cu aplicaii n analizorii de lactate pentru domeniul

sportiv i aplicaii chimice. Un important avans pentru aplicaii in vivo a senzorului deglucoz a fost raportat de Shichiri i colabl.[16] ce descrie un electrod enzim tip ac pentru implantri subcutanate, 1982, un succes tiinific ns fr o valorificarecomercial.

1980- 2000-2007Imunosenzori, efectul SPR.

Ideia construirii de imunosenzori cu fixare direct de anticorpi pe un traductorpiezoelectric sau poteniometric a fost explorat din anii 70. ns pavarea drumului spreun succes comercial este realizat de Liedberg et al. [17] descriind aplicarea fenomenuluide rezonan a plasmonilor (SPR) pentru a monitoriza afinitatea reaciilor n timp real.

1987, MediSense (Cambridge, MA) introduce primul biosenzor pentru moni-torizarea glucozei n regim ambulatoriu. BIAcore ( Pharmacia, Suedia), lansat n 1990utilizeaz tehnologia SPRFerocenii ca mediatori n electrozii enzim, aplicaii n ambulatoriu, microminiatu-rizarea

n 1984, una din cele mai citate publicaii [18] anun un electrod enzim cuutilizarea ferocenilor i a derivailor si ca un mediator de imobilizare pentru oxido-reductaz. Acest principiu st la baza electrozilor enzim lansat de MediSense(Cambridge, USA) n 1987 ca un instrument de msur n form de creion pentru moni-torizarea glucozei din snge a pacienilor n regim ambulatoriu. ntreaga sa electronic afost proiectat pe modelul de credit card n formatul unui mouse-computer. MediSensea atins o cretere exponenial n vnzri (US$175 milioane) fiind ulterior adsorbit deAbbott. Companiile Boehringer, Mannheim i Bayer au n prezent biosenzori cu media-tori deinnd 85% din totalul pieei internaionale. Interesant c cele trei companii dez-volt tehnologii pe baza fotometriei de reflexie convenionale pentru diagnosticul ambu-latoriu. Jurnalele academice conin descrieri de largi varieti de dispozitive exploatndenzime, acizi nucleici, celule receptor, anticorpi, celule n combinaie cu traductorielectrochimici, optici, piezoelectrici i termici [19]. n cadrul oricrei permutri n teh-nicile traductorilor alte mirade de posibiliti apar n concepte de proiectare ale senzorilorrezolvnd diverse probleme din medicin [20], alimente i buturi [21], procese indus-triale [22], monitorizarea mediului [23], aprare i securitate (detecia drogurilor, explo-zivilor). Biosenzorii au nceput s fie folosii cu succes i n alte domenii dect celemedicale de exemplu msurarea necesarului de oxigen biochimic, ce reprezint un indiciual prezenei materiilor organice din apa uzat.

Biosenzorul bazat pe drojdie, realizeaz o citire a rezultatelor n 30 minute fa de5 zile pentru a obine rezultatele prin metode conventionale. Biosenzorii sunt folosii ipentru a determina calitatea hranei i prospeimea ei. Cu mare succes sunt folosii n pro-

cesele industriale, pentru a determina compoziia chimic a materialelor. Aceste msu-rtori sunt importante n special n biotehnologie unde n mod curent nu se pot monitorizaculturile de microorganisme procese de fermentaie ce produc proteine active i alte pro-


29/96

23

duse ca interferon sau insulina. O larg gam de aplicaii sunt cuprinse ntr-o serie de

monografii ce au condus la un important impuls al dezvoltrii biosenzorilor [24, 25, 26,27 -34].

2.3.4 Referine

1 Theavenot Daniel R., Toth Klara,. Durst Richard A,. Wilson George S, ElectrochemicalBiosensors: Recommended Definitions and Classification Pure Appl. Chem., Vol.71, 12, pp. 2333-2348, (1999)

2.Turner, A.P.F., Karube, I. and Wilson, G.S. Biosensors: Fundamentals and Appli-cations. Oxford University Press, Oxford. 770p. (1987)

3 Clark, L.C. Jnr. Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs 2, 41-48 (1956).

4 Clark L.C. and Lyons C., Ann. N.Y.Acad. Sci., 102, 29-45 (1962)5 Updike, S.J. and Hicks, J.P. Nature 214, 986-988 (1967).6 Guilbault, G.G. and Montalvo, J. JACS 91, 2164-2569 (1969).7 Ho MYK, and Rechnitz GA, "An Introduction to Biosensors," in Immunochemical

Assays and Biosensor Technology for the 1990s, Nakamura RM, Kasahara Y, andRechnitz GA (eds), Washington, DC, American Society for Microbiology, pp 275-290, (1992).

8 Rechnitz GA, Chem Eng News, 5:2436, (1988)9 Vurek G. si Bowman R ,Scientific American, August pag 48 (1991).10 Cooney, C.L., Weaver, J.C., Tannebaum, S.R., Faller, S.R., Shields, D.V. and Jahnke,

M. In: "Enzyme Engineering" (Eds. E.K. Pye and L.B. Wingard Jnr.) 2, 411-417.Plenum, New York. (1974).

11 Mosbach, K. and Danielsson, B. Biochim. Biophys. Acta. 364, 140-145 (1974).

12 Divies, C. Annals of Microbiology 126A, 175-186 (1975).13 Lubbers, D.W. and Opitz, N. Z. Naturforsch. C: Biosci. 30c, 532-533 (1975).14 Voelkl, K.P., Opitz, N. and Lubbers, D.W. Fres. Z. Anal. Chem. 301, 162-163 (1980).15 Clemens, A.H., Chang, P.H. and Myers, R.W. Proc. Journes Ann. de Diabetologie,

Paris (1976).16 Shichiri, M., Kawamori, R., Yamaski, R., Hakai, Y. and Abe, H. Lancet, 1129-1131

(1982).17 Liedberg, B., Nylander, C. and Lundstrm, I. Sensors and Actuators 4, 299-304 (1983).18 Cass, A.E.G., Francis, D.G., Hill, H.A.O., Aston, W.J., Higgins, I.J., Plotkin, E.V.,

Scott, L.D.L. and Turner, A.P.F. Anal. Chem. 56, 667-671 (1984).19 Turner, A.P.F. "Advances in Biosensors", I; II; Suppl. I; III. JAI Press, London, UK,

1991; 1992; 1993; (1995).20 Alcock, S.J. and Turner, A.P.F. IEEE Engineering in Medicine and Biology,

June/July, 319 (1994).21 Kress-Rogers, E. "Handbook of Biosensors and Electronic Noses: Medicine, Food and

the Environment", CRC Press, Boca Raton, USA, (1996).


30/96

24

22 White, S.F. and Turner, A.P.F. In: "Encyclopedia of Bioprocess Technology:Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation"(Eds. M C Flickinger and S WDrew). Wiley, New York, USA, (1997)

23 Dennison, M.J. and Turner, A.P.F. Biotechnol. Adv., 13, 1 (1999)24 Kress-Rogers E, Handbook of Biosensors and Electronic Noses, Boca Raton, USA:

CRC Press (1997)25 Scheller F, Schmid R D, Biosensors:Fundamentals, Technologies and Applications,

GBF-Monograph, vol 17, Germany, VCH, (1992)26 Schmid R D, Scheller F, Biosensors Applicationsin Medicine, Environmental

protection and Process Control, GBF-Monograph, vol 13, Germany, VCH, (1989)27 Wagner G, Guilbault G G, Food Biosensors Analysis, New York, USA, Marcel

Dekker Inc, (1994)27. Cooper Jon M., Cass A. E. G., Cass Tony (Eds), Biosensors, Oxford Univ Press,

pp268 (2004)28. Marc Lambrechts & Willy Sansen,(Eds) Biosensors, Taylor&Francis, pp360, (2006)29. Stamatin Ioan Berlic C. Vaseashta A., Thin Solid Films 495,1-2 pp 312-315, (2006)30 Vaseashta A, Gallios G, Miroslava Vaclavikova, Brumfield James, Vaseashta Sherri,

Ornprapa Pummakarnchana, Stamatin Ioan, Nanostructures in Environmental Pol-lution Detection, Monitoring, And Remediation, International Symposium on Na-notechnology in Environmental Protection and Pollution, ISNEPP2006, June 18 -21, 2006 , The Hong Kong University of Science & Technology InternationalConference Center, China (http://www.isnepp.org/)

31. Vaseashta A., Irudayaraj J., Vaseashta S., Stamatin I., Erdem A. Approach To An In-terdisciplinary Bionanotechnology Education Program: International NetworkPerspective, MRS-spring meeting 2006, symp KK, 0931-KK05-04, (2006)

32. Vaseashta A., Erdem A., Stamatin I., Nanobiomaterials For Controlled Release OfDrugs & Vaccine Delivery, MRS-spring meeting, symp S Smart Nanotextiles,MRS Proceedings Volume 920, 0920-S06-06 (2006)

33. Ciucu Anton, Biosensors For Environmental Monitoring. Ed Niculescu, Bucuresti,pg. 352, (2000)

34. Ciucu Anton, Aplicaiile Analitice ale Biosenzorilor n Controlul Polurii Mediului,Editura Ars Docendi, Bucureti, pg 175, (2000)


31/96

25

3.Stadiul dezvoltrii actuale n domeniul biosenzorilor

Componente i terminologie Lanul de comand

Analit(A): Elementul necunoscut ce trebuie

determinatReceptor(R): Molecula de biorecunoatere,elementul biologic/ biochimic care interac-ioneaz cu analitul printr-o reacie specific.Traductor: Elementul care detecteazsemnalul de la interacia analit-receptor

Procesare de semnale: Preluarea de datecredibile, eliminarea zgomotului,parametrizare.

Recunoaterea specifica analitului

Transducia- transformarea efectuluifizico-chimic a interaciei A-R ntr-unsemnal msurabil

Procesarea semnalului i amplificarea

Trstura unic a biosenzorului este aceea c ncorporeaz un elementbiologic n proximitate sau este integrat cu traductorul de semnal pentru ada un sistem de investigare specific pentru un analitint fra a fi necesarreactivi suplimentari


32/96

26


33/96

27

3.1 Sisteme, arii de biosenzori, caracteristici de rspuns

Cinci arii cheie de dezvoltare a tiinei i tehnologiei sunt identificate ce au con-tribuit la facilitarea implementrii pe scar larg a biosenzorilor: sensibilitatea, selec-tivitatea, stabilitatea, sisteme integrate, paterningul (modelarea i multiplicarea ca arii desenzori cu funciuni i aplicaii multiple). Vom descrie acestea n ordine invers lund nconsiderare stadiul actual i metodele moderne de analiz a semnalelor rezultate din inte-racia analit-receptor conform cu figurile 2.1, 2.2, 2.3.

3.1.1 Sisteme integrate

Succesele notabile atinse cu senzorii individuali prin soluii pragmatice au implicatdezvoltarea de sisteme care s integreze o gam largi variat de senzori cu performaneoptimizate i suportate de electronici software sofisticate. n procesele de monitorizaresistemele integrate au nglobat i multe elemente din fluidic i tehnologia separrilor/

fracionrilor. Unul din sistemele integrate cuprinznd modul rotaional aseptic de pre-levare probe, sistem de injecie de fluide robotizat i electrozi reutilizabil formai prinmetoda ink-jet printing a fost descris n [1]. Sistemul conine electrod enzimatic cu GOXimobilizat n gel iar detecia de ap oxigenat se realizeaz pe un electrod de carbonrodinizat (acoperire cu Rh). Dei electrodul enzim are bune caracteristici de stabilitate ieficien, problema monitorizrii i prelevrii automate de probe ntr-un sistem integratcere optimizarea de muli parametri datorit interferenelor reciproce. Exist o cerincrescnd pe domenii specifice (mediu i analize medicale) de sisteme integrate ultraper-formante care s funcioneze n condiii in vivo cum ar fi cele de dializ iar mai recent sutilizeze biointerfee, tehnici evanescente, microscopie de fore atomice pentru a senza nadncimea fenomenelor biologice (de exemplu identificarea i nelegerea interaciei pro-teinelor) [2]. Exploatarea in vivo a sistemelor de detecie att pentru glucoz i lactat afost confirmat prin eficacitatea utilizrii de copolimeri fosfolipidici i mbuntirea he-mocompatibilitii [3]. Imunosenzorii ofer un alt exemplu pentru dezvoltarea de sistemeintegrate unde sunt nglobate microseparrile, metodele cromatografice, cuplaje electro-chimice cu detectorii optici care n final conduc la un sistem miniaturizat. Sunt c-teva dinexemple prin care nivelul de integrare i miniaturizare devine din ce mai accen-tuat. nseciunile urmtoare se va prezenta unele dintre exemple de tipul ADN-nanotub, saubiocipuri-biointerfee care arat direciile de evoluie ale domeniului.

3.1.2abloane

Succesul senzorilor analitici individuali a continuat dup cum s-a prezentat n sec-iunea anterioar cu sistemele integrate astzi larg utilizate n laboratoarele clinice medi-cale. Necesitatea integrrii i diversificrii parametrilor investigai impune crearea de ariide senzori ntr-o singur unitate de msur. Astfel a aprut necesitatea realizrii de mo-dele de senzori dispuse pe arii i geometrii sofisticate utiliznd tehnologii avansate defotolitografie, autoasamblare, ink-jet printing denumite tipare sau abloane (templates) cendeplinesc o serie de funcii predeterminate.


34/96

28

Metoda de asamblare de arii de senzori cu funciuni diversificate dar specifice pen-

tru un set ct mai larg de analii se numete ablonare sau simplu astzi prin termenul asi-milat de patterning. Tipare sau abloane de senzori ofer meniuri relevante pentru locaiii situaii specifice. Un exemplu n acest sens l constituie situaiile critice din medicinaambulatorie. Clinicianul are la dispoziie instrumente portabile de la care poate obine in-formaii asupra concentraiilor a ase analii cheie din probele de snge: iar n seciilemedicale / spitale instrumentele pot msura pn la 4 parametrii. Aceste instrumente suntconfigurate pentru glucoz, lactat, uree, creatinin. Multiplicarea numrului de analiipentru investigare necesit instrumente cu senzori cu un mare grad de miniaturizare, in-tegrare pn la arii nanometrice. Aceste solicitri vin acum nu numai din domeniul me-dical, industria farmaceutic solicit intens senzori de evaluare medicamente produse nregim de producie de serie cu nalt productivitate i care necesit analiza fiecrui produspentru anumite caracteristici bine precizate cum ar fi dozarea relativ la funciunea i rolullor n organism. Ariile de nanosanzori sunt preconizate a fi larg utilizate n condi ii deambulatoriu i medicina de urgen unde trebuiesc identificai para-metrii fiziologici/biochimici i stabilit medicaia de urgen. n prezent sunt dezvoltate tipuri de arii desenzori optici utiliznd 12 canale de interferometre de tip Mach-Zhender [4] construite pe1cm2 de siliciu cu 244 electrozi adresabili individual.

Tehnologia avansat ink-jet a dezvoltat metode de a analiza fracii de nanolitri pe osuprafa de senzori tridimensional la o vitez de 6m/sec [5]. Este de ateptat ca n viitors se produc arii de 1 milion senzori/cm2 utiliznd fotolitografie, imprintarea prin contactsau tehnici de autoasamblare, adsorpie/desorpie sub fascicul laser ce va permite sscriem proteine pe suprafaa de analizat cu foarte mare precizie. Tehnici laser, MAPLE(Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation) sau DW (direct writting) abordate pentruimobilizarea materialelor biologice pe substraturi sunt nc n stadiul de laborator dar aumari perspective de utilizare ca metode de imprintare molecular.

3.1.3 SensibilitateFie c sunt senzori individuali, sisteme integrate sau arii de senzori to i sunt

caracterizai prin parametrii unici iar unul din acetia este sensibilitatea i limita de detec-ie pentru o gam de analii. Detecia de urme a diferiilor analii (indicatori, aditivi, con-taminani) cu o suficient sensivitate i siguran sunt criteriile de baz a unui biosenzorpentru a fi utilizat. Desigur astzi limita de detecie n laborator este mpins pn la unatom atunci cnd este folosit microscopia de fore atomice. ns n cazul biosenzoriloraceasta este pe departe dect un deziderat. De exemplu electrozii enzimatici, larg studiaii continu perfecionai utilizeaz nc paleative cum ar fi concentrarea analitului deinteres ceea ce conduce la dificulti majore de proiectare i miniaturizare [6]. S-au rapor-tat pe acest principiu microbiosenzori pentru vapori de fenol unde fenoloxidaza s-a imo-bilizat pe gel de glicerol cu o arie de electrozi interdigitizai [7].

Vaporii de fenol sunt direct partiionai n gel i oxidai la chinon. Amplificareasemnalului pentru a obine o sensibilitate rezonabil s-a mbuntit prin amplificareredox a cuplului chinon/catechol rezultnd o limit de detecie de 30 ppb fenol. Acest


35/96

29

principiu este fezabil a fi extins i la ali compui carbonici pn la limite de pri per tri-

lion.Limite de detecie ultrajoase pot fi atinse cu senzorii de afinitate cuplat cu detec ia

electrochimic [8] pentru a obine dispozitive senzoriale performante.Structurile ADN au fost studiate ca posibili receptori. Structuri sandwich de dis-

persii de cristal lichid i compleci ADN-polication au fost studiate cu relativ succes pen-tru identificarea a diferii analii [9]. Policationul cu rol de a menine integritatea struc-tural a ADN-ului iar complecii formai de ADN-protamine permit detectarea hidroli-tic a enzimei tripsin la limita de detecie de 10-14 M. Eliminarea policationului conducela creterea distanei dintre cele dou lanuri ADN rezultnd apariia unei benzi intense nspectrul de dicroism circular ca urmare a modificrii texturii.

3.1.4 Stabilitate

Practic este cel mai mare dezavantaj al complexelor biologice-instabilitatea lor ine-

rent. S-au abordat diferite strategii de a mbunti longevitatea i a prezerva structurareceptorilor biologici. Imobilizarea n matrici prin tehnica sol-gel n optode pentru sen-zorii de glucoz este una din strategii. n acest caz se utilizeaz doi indicatori de fluores-cen: clorura hexahidratat de (2,2'-bipiridil) rutenium(II) i 1-hdroxipirene-3,6,8 acidtrisulfonic. Pe lng proprieti optice bune ale gelului s-a mbuntit i stabilitateaenzimei GOX [10].Alte exemple cu succese limitate este cazul monooxigenazei utilizatn detecia hidrocarbonilor; detecia halogenurilor organice cu metaloporfirine; tetraclo-rura de carbon, haloalchene (percloretilena) i insecticide (DDT) [11]

3.1.5 Selectivitate

mbuntirea selectivitii unui biosenzor poate fi abordat pe dou nivele: inter-faare direct traductor-receptor biologic pentru reducerea interferenelor (figurile 2.1-2.4) i noi receptori cu afinitate mbuntit sau cu noi capaciti de afinitate. De notat c

selectivitatea este un parametru cheie care impune performanele unui senzor. Sunt ctevastrategii de mbuntire a acestui parametru.Utilizarea mediatorilor pentru mbuntirea performanelor unui biosenzor ampe-

rometric a devenit o strategie comun. n [12] se descrie utilizarea pirolochinonei ca me-diator ntr-un electrod enzim cu glucozoxidaz pentru msurarea glucozei din buturi.

Alternativ detecia electrocatalitic a produilor de reacie rezultai din reaciile en-zimatice poate fi mbuntit prin electrozi modificai chimic ca de exemplu electrozirodinizai [13] sau electrozi de carbon modificai cu hexacianoferat [14]. De exemplufolosirea albastrului de prusia pentru modificarea suprafeei electrodului la detecia am-perometric a apei oxigenate la ambele poteniale de oxidare i reducere pentru electrodulenzimatic n detecia lactatului [15] i a glucozei [14].

O soluie mult mai elegant este de a cuta centrii redox a enzimei via un fir mole-cular pentru a se realiza transferul de electroni spre electrod. n acest sens s-a publicat

mult despre enzime legate prin fire moleculare dar n general preocuprile s-au axat pemediatori imobilizai pe diferite lanuri polimerice. Firele moleculare sunt privite caintermediari n transferul de electroni pe distane lungi fiind alctuite din grupuri de dou


36/96

30

piridine legate de tiofene cu lungimi diferite (tienoviolagen). Firele de acest tip pot fi fo-

losite n conjucie cu tehnici de autoasamblare pentru a produce un electrod izolat caretransfer electroni pe ci moleculare predeterminate [16]. Aceasta ar conduce la electrozienzimatici liberi de interferene electrochimice. Modelarea i proiectarea asistat decalculator ne permite de a modela reaciile cu transfer de electroni, legarea receptoriloriinteraciile acestora cu o mare acuratee. Aceasta mbuntete nelegerea noastr a in-terfeei receptor/traductor permindu-ne astfel s dezvoltm noi tipuri de receptori cu se-lectivitate mare.

Pentru a obine liganzi mbuntii pentru utilizri n optosenzori cum ar fi glico-hemoglobina (HbA1c), o nou peptid sintetic, aceasta a fost construit pe baz delibrrie combinatorial chemometric format din 1 milion L-amino acid hexapeptid por-nind de la 10 aminoacizi [17]. Librria de hexapeptide a fost selectat si analizat n ra-port cu HbA1c, HbA1b, HbAF, HbA0, i gsii liganzii secvenai. Liganzii individualisau arii de liganzi n conjuncie cu tehnica de recunoatere a formelor sunt domenii ce vorcontribui la cresterea selectivitii i stabilitii.3.1.6 Parametrii de caracterizare a semnalelor biosenzorilor

Paragrafele precedente au introdus calitativ parametrii de care depinde rspunsulsenzorilor n particular a biosenzorilor pentru a atinge performan ele dorite. Interaciaanalit-receptor este preluat de traductori transformat ntr-un semnal fizic. Figura 3.1prezint tipurile de semnale ce pot fi preluate de la suprafaa unui biosenzor ca rspuns alinteraciei A-R conform cu figurile 2.1-2.6. Semnalul fizic preluat de traductor este tran-smis spre lanul electronic de msur. Se observ din figura 3.1 c exist o varietate foartelarg de mrimi ce pot fi colectai de la traductorii biosenzorilori transformate n sem-nale fizice. Procesarea semnalelor n general este adaptat din tehnicile standard acu-mulate din tehnologia siliciului. Pentru msurarea parametrilor chimici i fizici ( mas,concentraie, temperatur, indice refracie, cmp electromagnetic, cureni, poteniale etc)ca rezultat al transferului interaciei A-R este necesar un traductor specific. Acesta esteinterfaa transmiterii procesele fizice, chimice i biologice care le transform n semnalespre procesare electronic, optic, stocare, comunicaii, integrare n sisteme web sau desupra-veghere.

Orice interacie A-R implic un rspuns iar pentru fiecare set de valori rezult ocurb de rspuns specific. Curba de rspuns este un rspuns calibrat a unui senzor cafuncie de msurandul respectiv aplicat la intrare (ceea ce rezult din interacia A-R).

Mrimea msurat poate fi de orice natur dar pentru cei mai muli biosenzori undeinterfaa este electrochimic sau electrooptic vom lua n considerare unul din parametrii:rezistena electric R sau inversul ei conductana (G=1/R), frecvena (f)-mult utilizat nfenomenele de rezonan; n cazul optosenzorilor, absorbana, deplasarea frecvenei, ran-damentul cuantic, etc.

Pentru fiecare biosenzor vor fi analizai aceti parametrii n paragrafele destinatelor.


37/96

31

Figura 3.1 Tipuri de mrimi ce pot fi transformate de ctre traductori n semnale fizicemsurabile

Este recomandat conform normelor dezvoltate n micro i nanoelectronic sutilizm urmtoarele notaii pentru rspunsul la ieire [18]:

G (conductan);

G/G0(conductanrelativ); (G - G0) (conductan, variaia absolut); (G - G0)/G0(conductan, variaia relativ).

n cazul n care semnalul la ieire este frecvena, reprezentarea semnalului la ieireeste:

f (frecven); f/f0 (frecvenrelativ); (f - f0) (variaia absoluta frecven); (f - f0)/f0 (frecven,variaia relativ).

Pentru comunicaii i integrarea sistemelor senzoriale spre telemedicin, securitateai controlul de la distan a modificrilor mediului sau controlul degradrii mediului, nlanul de msur trebuiesc introduse sensibilitile blocurilor electronice sau a altor

mrimi, figura 3.2


38/96

32

Figura3.2 - Schema unui senzor complex. M- mrimea rezultat din interacia (msu-randul) A-R, Y1- semnalul electric obinut la traductor, Yi- semnalele rezultate dinlanul de msur. S-sensibilitile pentru fiecare verig din lanul de msur

Cu definiiile din figura 3.1 i 3.2 sensibilitatea, introdus calitativ n paragraful3.1.3, capt semnificaii msurabile. Sensibilitatea, S, este definit ca derivata rspun-sului ( ce este o funcie de punctul i momentul de msur) n raport cu msurandul M.

Pentru cazul conductanei G avem patru cazuri de definiie a sensibilitii:

Cazul ideal pentru care rspunsul senzorului este liniar expresia sensibilitii sesimplific, relaiile 3.1 lund forme uor prelucrabile i adaptabile la o larg serie de con-vertori analog digitali (ADC). n tabelul 3.1 sunt prezentate expresii des utilizate n eva-luarea biosenzorilor n condiii de offset nul. Pentru ali parametrii msurabili de un bio-senzor cum ar fi frecvena sau absorbana expresiile din tabela 3.1 se modific doar prinnlocuirea mrimii msurate de traductor.

( )

( )

0

0

dGS = ;

dMd G/G

S = ;dM

d G-GS = ;

dM

3. 1


39/96

33

Tabela 3.1- Expresii ale sensibilitii pentru biosenzori cu rspuns liniar

n conductn electricRspuns liniar cu offset nul Rspuns liniar pe poriuni a curbeide rspuns

( )

0

0 0

;

;

/;

GS

MG G

SM

G G GS

M

=

=

=

( )

( )

0

0 0

;

;

/;

GS

MG G

SM

G G GS

M

=

=

=

Cu referire la figura 3.2 se observ c introducerea n lanul de msur a o serie decomponente electronice acestea la rndul lor contribuie cu sensibilitatea i nivelul de am-plificare specific. Propagarea sensivittii n lanul de msur se descrie simplu ca un pro-dus de sensibiliti.

3. 2

Sensibilitatea general a biosenzorului se estimeaz astfel:

3. 3

Unele din aceste definiii se vor utiliza pentru cazuri specifice de clase de bio-senzori.

3.1.7 Zgomot, rezoluie, drift

Zgomotul este un factor important ce afecteaz sensibilitatea, selectivitatea irezoluia biosenzorilor. n situaii practice sunt prezente diferite tipuri de zgomote caresunt legate de modul de operare sau de punctul de msurare a biosenzorului: zgomote

termice, electrochimice, de contact electric, fluctuaii, generare-recombinare sarcini elec-trice, bariere de potenial aleatorii. Toate aceste tipuri de zgomote nu sunt generate si-multan ntr-un biosenzor, ele sunt dependente de natura interaciei A-Ri de lanul de m-

1

2

1

3

2

4

3

/

4

S interna;

S traductor;

S- amplificator (I,V,G,R,etc);

S- filtru;

S- convertor analog-digital;

i

T

A

F

A D ies

dYS

dMdY

SdY

dYS

dY

dYS

dY

dYS

dY

=

=

=

=

=

1 2 3 4

1 2 3 4

i T A F A/D= A A A A A

ies iesdY dY dY dY dY dY SdM dM dY dY dY dY

= =


40/96

34

sur n care este integrat traductorul. Orice tip de zgomot este caracterizat prin densitatea

spectral i descris printr-o funcie S(f) ce reprezint ptratul tensiunii de zgomot la ofrecven dat.Pentru un domeniu de msur unde se realizeaz nregistrarea semnalului i pe o

gam de frecvene de interes (f1-f2) unde se manifest zgomotul atunci se estimeaz va-loarea medie a ptratului tensiunii de ieire:

3. 4

parametrii reprezentnd caracteristicile fiecrui proces ce produce un anumit tip de zgo-mot: k-constanta Boltzman, q-sarcina electric, I-curent, R-rezistena electric, V-ten-siunea de zgomot, - timp de recombinare

Rezoluia este definit ca fiind cantitatea de msurand care produce un semnal dezgomot pentru o tensiune de ieire. Definiia rezoluiei se exprim:

tensiune zgomot

SR = 3. 5

unde S este definit n 3.2. Se observ c senzorii cu sensibiliti mai mari ce produc zgo-mote egale reprezint o soluie practic important. n practic relaia 3.5 se reconsideracceptnd zgomote de 3, 6, 9 ori mai mari fa de relaia de evaluare teoretic 3.5.

Aceasta este n funcie de nivelul de precizie al msurtorilor ce trebuie realizate cuun senzor.Driftul reprezin deplasri fluctuante, nepredictibile, a semnalului la ieire. Nu are

semnificaie statistic. Prezena sa poate fi redus printr-un design adecvat al compo-nentelor biosenzorului. Driftul se accentueaz pe msura mbtrnirii componentelorbiosenzorului. Analize detaliate asupra rolului acestor parametrii se pot gsi n diferite re-ferine specifice microtehnologiei semiconductorilor. Particular pentru senzori i bio-senzori se pot consulta [19, 20,21, 22].

3.2 Componentele biologice ale biosenzorilor

n capitolul 2 s-a prezentat evoluia noiunii de senzor cu o larg extindere spreinteri transdisciplinaritatea domeniului. n aceast seciune se vor descrie succint com-

ponentele biologice ale biosenzorului ca element activ imobilizat pe membran (fig 2.3)i proprietile specifice cerute n contextul general al parametrilor de caracterizare icomponentelor sale. Dei aceast parte este bine dezvoltat n domeniul tiinelor vieii

2

1

2

2

1 22 2

( )

( ) 4 , pentru zgomot termic

( ) 2 , pentru acumulari/descarcari

spontane de sarcina

s(f)= V / , 1; pentru fluctuatii de sarcina

s(f)= pentru genera1

f

f

V s f df

cu

s f kTR

s f qI

k f

k k

w

=

=

=

+

re-recombinare sarcini


41/96

35

iar celelalte componente constituie arsenalul micro i nanotehnologiilor considerm opor-

tun o succint prezentare a elementelor necesare pentru dezvoltarea conceptelor ulterioa-re.Vom accepta ca o definiie general: un senzor ideal este un dispozitiv care va

detecta un analit, inta supus analizei i care este prezent ntr-o prob dat. Majori-tatea probelor conin i ali analii care pot interfera cu rspunsul biosenzorului. Acestatrebuie s posede oselectivitate specificpentru a identifica analitul int. Prin urmareeste necesar s se proiecteze biosenzori cu selectivitate pentru un analit cu capacitateade discriminare a interferenelor produse de ceilalali componeni din proba analizat.

Capacitatea de identificare i selectivitate specific reprezint componenta cheie arecunoaterii moleculare.

Recunoaterea molecular se realizeaz prin componenta din senzor format din omolecul gazd (de exemplu, host-chemoreceptor) ce se leag selectiv cu analitul(guest) int (molecula/ complexul molecular oaspete) ce necesit a fi identificat.

Pentru fiecare sistem host-guest (gazd-oaspete) ntotdeauna exist o reacie chi-mic specific din multitudinea canalelor de reacie posibile. Cnd ansamblul host-guest-reacie specific a fost identificat atunci molecula gazd se imobilizeaz sau ncorporea-z n senzor, de regul pe o membran ce interfaeaz traductorul sau un electrod de con-tact. n final, trebuie gsit un mod de a semnala c evenimentul de legare/ recunoatere aavut loc (transducia spre traductor). Figura 2.3 schieaz toate aceste aspecte ntr-un con-cept unitar

3.2.1 Principiile recunoaterii moleculare

Una din cerinele cheie pentru recunoaterea molecular este existena gruprilorsau de centrii cu reactivitate specific din molecula gazd care pot nchide sau legaioni, atomi, molecule, biomolecule. Exemple pentru acest fel de sisteme gazd-oaspete cucapaciti de recunoatere pot fi vzute n procesele din viaa cotidian. Toate organis-mele vii folosesc enzime, care sunt proteine ce conin buzunare, centre active, proiec-tate s recunoasc un analit specific. Acest lucru nseamn c numai un analit specificeste capabil s intre n buzunarul enzimei.

Enzimele pot fi folosite n biosenzori ca elemente receptoare gazd cu capacitate derecunoatere molecular, dar sunt n general instabile[23,24].

Este astfel necesar s se sintetizeze clase noi de macromolecule/ biomolecule caresunt capabile s joace rolul de molecule gazd-receptoare. Pentru a proiecta moleculegazd ce pot fi folosite ntr-un biosenzor sunt luate n considerare urmtoarele criterii:

Molecula gazd trebuie sa fie stabil la condiiil

nanomatreiale

Documents