[123doc] - do-an-tong-quan-tai-lieu-ve-biosensor

Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIOSENSOR LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BIOSENSOR Năm 1956, giáo sư Leland Clark Jnr – người khai sinh khái niệm điện cực sinh học (Biosensor) có cơng bố điện cực Oxy Dựa kinh nghiệm tâm huyết mình, ơng phát triển lĩnh vực phân tích giúp đo lường thể Năm 1962, Hội nghị Khoa học Viện hàn lâm New York, ơng có diễn thuyết: “Làm để điện cực điện hóa (phương pháp pH, cực phổ, phép đo điện thế, phép đo độ dẫn điện) thông minh hơn” Trong đó, ơng trình bày cách làm điện cực điện hóa thông minh cách thêm enzym vào máy chuyển đổi bánh sandwich bao bọc lớp màng Năm 1975, ý tưởng Clark trở thành thực với công bố công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) máy phân tích glucose dựa việc đo dòng điện hydro peroxide Đây lần phịng thí nghiệm giới phân tích dựa Biosensor Cũng vào năm này, Biosensor tiến thêm bước Divis đề xuất vi khuẩn dùng yếu tố sinh học điện cực vi khuẩn để đo hàm lượng rượu Năm 1976, La Roche (Thụy Sĩ) giới thiệu máy phân tích Lactat (Lactate Analyser – LA640) sử dụng tác nhân trung gian hexacyanoferrat hịa tan để chuyển electron từ lactatdehydrogenase tới điện cực Mặc dù không thành công thương trường bước đột phá quan trọng cho hệ Biosensor ứng dụng thể thao chẩn đoán lâm sàng Năm 1987, điện cực enzym screen-printed công bố Medisense (Cambridge, USA) với dụng cụ đo có kích thước bút cho phép giám sát lượng glucose máu nhà Điện cực thiết kế lại làm cho thông dụng số lượng bán Medisense đạt tới 175 triệu đôla năm 1996 họ Abbort mua lại Hiện Hãng Boehringer, Manheim Bayer cạnh tranh gay gắt Biosensor lượng bán ba công ty chiếm ưu thị trường Biosensor giới tới 85% 1.2 KHÁI NIỆM VỀ BIOSENSOR Biosensor thực chất thiết bị phân tích chuyển tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện Đầu tiên, Biosensor nhận dạng tượng biên dịch thành đặc tính định lượng được, sau đặc tính định lượng chuyển đổi thành tín hiệu điện biến Trong Biosensor, tượng nhận dạng Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor hệ thống sinh học gọi quan thụ cảm sinh học (bioreceptor) Hệ thống tiếp xúc trực tiếp với mẫu phân tích gây phản ứng tạo thành hợp chất nhạy cảm cho Biosensor Cơ quan thụ cảm sinh học có đặc tính chọn lọc đặc biệt chất phân tích Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo biosensor Chú thích: Chất xúc tác sinh học (a) chuyển chất (S) thành sản phẩm (P) Bộ biến (b) chuyển sản phẩm phản ứng thành tín hiệu điện Bộ khuếch đại (c) nhằm khuếch đại tín hiệu điện biến Bộ vi xử lý tín hiệu (d) Màn hình hiển thị (e) 1.3 ĐẶC ĐIỂM – YÊU CẦU CỦA BIOSENSOR Để định lượng, Biosensor phải đáp ứng yêu cầu liên quan đến đo lường: khả lặp lại, khả tái sử dụng cao, tính chọn lọc, tính nhạy cảm, vùng trả lời tuyến tính thời gian đáp ứng tín hiệu tốt  Các phép đo có độ lặp lại tốt hai loạt kết thu tương tự thực người phân tích, sử dụng biosensor mẫu phân tích  Phương pháp đo có khả tái sử dụng cao kết trước đạt tiến hành phân tích lặp lại lần hai  Tính chọn lọc biosensor thể khả nhận hợp chất đơn hỗn hợp cấu tử mẫu, khả phụ thuộc vào quan thụ cảm sinh học biến Một biosensor có tính chọn lọc cao thành phần tạp chất mẫu thấp  Tính nhạy cảm biosensor thể thay đổi lượng gây thay đổi tín hiệu trả lời: Da = s Dm Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Trong Da : Độ dao động biên độ dòng Dm : Độ dao động biên độ dòng vào s : Độ nhạy cảm biosensor, đặc trưng cho mức độ phù hợp biosensor ứng dụng cụ thể Đối với Biosensor đo điện biên độ tín hiệu trả lời tỷ lệ thuận với logarite nồng độ chất phân tích Theo định luật Nernst: Da = s D(logc)  Vùng tín hiệu tuyến tính thu đường cong hiệu chỉnh tín hiệu trả lời với nồng độ khác chất phân tích Đường cong thật có ý nghĩa tiến hành hiệu chỉnh hai loạt nồng độ tăng giảm Đường cong hiệu chỉnh gọi tốt tín hiệu trả lời ổn định theo thời gian  Thời gian đáp ứng dài chất đường cong hiệu chỉnh, cho biết phương pháp đo cho tín hiệu trả lời nhanh hay chậm thay đổi nồng độ 1.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIOSENSOR Các chất cần phân tích mẫu phân tích vào điện cực Màng (external membrane) biosensor cho chất cần phân tích thấm qua Các thành phần sinh học (enzym, tế bào vi sinh vật, mô, quan) phản ứng với chất cần phân tích tạo đáp ứng mà biến (transducer) phát Các thành phần sinh học thực hoạt động sau:  Biến đổi chất cần phân tích thành chất hóa học khác thơng qua phản ứng sinh hóa (biểu diễn vịng trịn rỗng sơ đồ)  Giải phóng sản phẩm hóa học từ tạo tác nhân kích thích  Thay đổi đặc tính quang học, điện học, học  Tạo số đáp ứng khác với lượng đo Cịn có số màng khác gần phận transducer, màng có đặc tính thấm khác so với màng bên ngồi Tín hiệu điện cực thường phụ thuộc vào loại biến mà sử dụng Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động chung Biosensor: - Chất cần phân tích - Tác nhân kích thích (chất tạo tín hiệu) Bảng 1.1: Một số điện cực enzym thường sử dụng Điện cực để xác định Enzym Sản phẩm Glucose Glucooxydase catalase H2O2, O2 Saccarose Lactose Rượu Ure Pennicillin Invertase, glucooxydase b-galactosidase, glucooxydase Alcoloxydase Urease Pennicillinase H2O2 H2O2 H2O2 NH4+, CO2 H+ CHƯƠNG PHÂN LOẠI BIOSENSOR 1.1 ĐIỆN CỰC ĐIỆN HÓA (Electrochemical biosensor) 2.1.1 Điện cực đo điện (potentiometric biosensor) Điện cực đo điện hoạt động dựa nguyên tắc xác định khác điện điện cực đo (probe electrode) điện cực so sánh (reference electrode) (là điện cực có điện khơng đổi) Sự khác điện hai điện cực hàm hoạt Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor độ ion dung dịch điện phân nơ đặt điện cực (điều kiện hoạt động điện cực đo điện khơng có dịng điện mạch đo, người ta gọi điện cực có dịng điện khơng) Điện xác định theo phương trình Nerst: Trong đó: Eo: Điện oxy hóa-khử tiêu chuẩn; R: Hằng số khí; T: Nhiệt độ tuyệt đối; F: số Faraday; N: số điện tử trao đổi chất; a1, a2: Hoạt độ dung dịch lớp màng điện cực  Điện cực đo (probe electrode): Điện cực đo điện cực có tham gia phản ứng điện hóa với cấu tử cân điện Điện cực đo phải điện cực thiết lập đủ nhanh có độ xác cao Trong điện cực điện hóa, điện cực đo thường dùng điện cực màng điện cực khí  Điện cực khí: Điện cực cấu tạo kim loại trơ Pt, Au…tiếp xúc đồng thời với khí dung dịch chứa ion tương ứng với khí Trên thị trường có điện cực khí hydro, điện cực Oxy, điện cực khí clo sử dụng rộng rãi  Điện cực màng chọn lọc ion: Điện cực màng chọn lọc thơng thường bán pin có lớp màng phân cách dung dịch cần phân tích với dung dịch chuẩn bên Nguyên tắc hoạt động điện cực màng dựa vào xuất đại lượng điện bề mặt màng phân cách phản ứng điện hóa kèm theo vận chuyển ion Màng có tác dụng thuận nghịch với ion hay nhóm ion dung dịch cách chọn lọc Điện cực thủy tinh điện cực điển hình loại điện cực màng Tất loại điện cực màng phải đáp ứng yêu cầu bắt buộc sau đây: Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Màng phải không tan dung dịch cần phân tích Để đáp ứng điều này, màng phải cấu tạo từ chất có phân tử lượng lớn thủy tinh silicate nhựa polymer Màng chọn lọc phải có độ dẫn điện Độ dẫn điện thường tạo nhờ vào dịch chuyển ion hóa trị bên màng Màng vài phần tử chứa khung màng phải có khả tác dụng chọn lọc với ion cần khảo sát theo nguyên tắc: trao đổi ion, kết tinh hay tạo phức Hai nguyên tắc đầu phổ biến nguyên tắc thứ ba  Điện cực màng thủy tinh: Đây loại điện cực màng thông dụng Điện cực gồm ống thủy tinh, đầu ống bầu tròn cấu tạo thủy tinh mỏng (0.06-0.10mm) Đây lớp màng thủy tinh có thành phần xác định có khả trao đổi chọn lọc với proton cation khác Điện cực màng thủy tinh đo pH: Phổ biến thủy tinh chứa 22%Na 2O, 6%CaO 72%SiO2 có khả trao đổi chọn lọc ion H + đến pH xấp xỉ Ở pH cao hơn, lớp màng thủy tinh trở nên chọn lọc với H + trao đổi với Na+ cation hóa trị I khác Ngày người ta sử dụng loại thủy tinh đo Na + Ca2+ thay Li+ Ba2+ có khả xác định chọn lọc H+ pH cao Phần cuối điện cực bầu thủy tinh có thành mỏng có thành phần đặc biệt Bên bầu thủy tinh chứa dung dịch H+ có nồng độ xác định Nhúng vào dung dịch H + dây dẫn Pt hay kim loại Ag phủ AgCl Toàn bộ phận đặt ống bảo vệ Khi nhúng điện cực thủy tinh vào dung dịch chứa ion H +, hai bề mặt màng thủy tinh tiếp xúc với H+ có phản ứng trao đổi: nghĩa hai mặt lớp thủy tinh tạo hai lớp “gel” H 2SiO3 (dày 10-4-10-5 mm) điện H+ thủy tinh Vì có tượng trao đổi ion xảy hai mặt màng thủy tinh nên lớp gel xuất điện có giá trị phụ thuộc vào hoạt độ H+ dung dịch hoạt độ H+ lớp gel Hay nói cách khác, hiệu màng E qua lớp thủy tinh phụ thuộc vào hoạt độ H+ bên bầu, H + bầu hoạt độ H+ hai lớp gel Với giả sử tượng trao đổi ion xảy hai mặt thủy tinh gần giống cố định hoạt độ H + bầu thủy tinh nên hiệu màng E phụ thuộc vào hoạt độ H+ dung dịch cần khảo sát Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Bằng việc thay thành phần thủy tinh cho điện màng không phụ thuộc vào giá trị pH, thường sử dụng Al2O3 B2O3 ta tạo điện cực màng thủy tinh dùng xác định cation hóa trị I Na+, K+, NH4+…  Đầu dị khí: Đầu dị khí thiết bị đo có tính chọn lọc độ nhạy cao dùng để xác định khí hịa tan ion chuyển thành khí hịa tan điều chỉnh pH môi trường Bộ phận đầu dị khí lớp màng xốp mỏng lắp vào phần cuối đầu dò thay cách dễ dàng Tấm màng gọi màng thấm khí, chế tạo từ polymer chịu nước polytetrafluoroethylene polypropylene với độ xốp khoảng 70% (kích thước lỗ xốp nhỏ 1mm) Lớp màng phân tách dung dịch cần phân tích với dung dịch NaHCO NaCl (nếu thiết bị dùng để đo CO hòa tan)  Điện cực chuẩn: Trong hầu hết ứng dụng điện hóa, ngồi điện cực đo ta phải sử dụng thêm điện cực có điện xác định không đổi Điện cực gọi điện cực chuẩn hay điện cực so sánh Điện cực chuẩn phải không tham gia phản ứng với thành phần dung dịch cần khảo sát, phải thuận nghịch tn theo phương trình Nerst, phải có điện khơng đổi theo thời gian lấy lại giá trị ban đầu sau có dịng điện nhỏ chạy qua… Điện cực chuẩn thường điện cực kim loại loại hai (kim loại M phủ lớp hợp chất tan MA kim loại nhúng vào dung dịch muối có chứa anion A- có nồng độ xác định)  Điện cực calomel: Điện cực calomel tạo thành kim loại Hg tiếp xúc với dung dịch chứa muối Hg2Cl2 bão hòa KCl có nồng độ xác định (bão hịa hay 1M)  Điện cực Ag/AgCl: Ngày điện cực Ag/AgCl sử dụng rộng rãi để làm điện cực chuẩn thay cho điện cực calomel Nồng độ dung dịch KCl sử dụng bão hòa hay 3.5M Các điện cực chuẩn thường có lỗ nhỏ gần đầu phía Lỗ thường có nút đậy kín không sử dụng để chống lại bay dung dịch phía Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Hình 2.1: Cấu tạo biosensor đo điện đơn giản Chú thích: e) Điện điện cực đo điện cực so sánh a) Màng bán thấm g) Dung dịch HCl b) Thành phần sinh học f) Điện cực đo Ag/AgCl c) Màng thủy tinh h) Điện cực so sánh d) Điện cực thủy tinh đo pH Ứng dụng: Điện cực đo điện dùng để xác định glucose với cố định enzym glucooxydase lên điện cực: Đo lượng H+ tạo thành (đo pH sau giải phóng H+) xác định hàm lượng D -glucose Xác định Ure với có mặt enzym Urease: Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Chú thích: c – Cáp bảo vệ e – Dung dịch điện phân m – màng kỵ nước Hình 2.2: Cấu tạo điện cực pCO2 Xác định lysin: 2.1.2 Điện cực đo dòng điện (Amperometric biosensor) Điện cực đo dòng điện hoạt động dựa vào dòng điện chạy qua mạch đo đặt hiệu điện hai điện cực (điện cực đo điện cực so sánh) Mật độ hạt tích điện tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy hai điện cực Cường độ dòng điện chạy hai điện cực hàm mật độ hạt tích điện dung dịch điện đặt hai điện cực Trong đa số trường hợp, người ta thường tiến hành oxy hóa khử loại hạt tích điện cực đo Nếu đặt vào điện cực đo điện E biến thiên so với điện cực so sánh vẽ đường cong I = f(E), chiều cao I bậc giới hạn khuếch tán tỷ lệ với nồng độ hạt bị oxy hóa bị khử điện cực đo Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor Hình 2.3: Đồ thị I = f(E) Chú thích: 1- E nhỏ để oxy hóa xảy 2- vận tốc oxy hóa điện hóa cường độ dịng điện tăng cường với tăng hiệu điện 3- cường độ không phụ thuộc vào hiệu điện I = K.Cred Hiện điện cực đo dòng điện sử dụng rộng rãi điện cực oxy điện cực hydroperoxyde Oxy hydroperoxyde (H 2O2) chất sinh số phản ứng có enzym xúc tác, phản ứng có chất trung gian oxy hóa-khử nhân tạo: ferrocyanua, ion N-metyl-phenazini (NMP) benzoqiunon chúng xác định nhờ đo dòng điện Các điện cực đo dòng điện thường sử dụng enzym oxydoreductase để gắn vào màng Oxy, NAD+, NADP+ dùng chất nhận điện tử để phục hồi enzym sau tham gia phản ứng xúc tác chất Các enzym sử dụng Oxy oxydase enzym sử dụng NAD+, NADP+ gọi dehydrogenase hay reductase Trong hai nhóm enzym oxydase dùng nhiều Các điện cực đo dòng điện sử dụng để xác định chất enzym glucose, monosacharide, hypoxanthyl, lactate, acid amin, sulfite, salicylate, oxalate pyruvate Điện cực enzym để đo nồng độ glucose có cấu tạo gồm: anod Pt catod Ag phủ AgCl tiếp xúc với màng cố định glucoseoxydase (GOD) Cả hai đặt dung dịch điện phân KCL Điện áp phân cực 0.68 Volt đặt vào hai điện cực Dưới tác động điện áp phân cực H 2O2 giải phóng bị oxy hóa mặt phân cách anod màng theo phản ứng: Dòng điện đo tỷ lệ với lượng H 2O2 bị oxy hóa tỷ lệ với lượng glucose mơi trường cần đo 10 ... thích: a- Ống mao dẫn d- lớp cách nhiệt b- lớp vỏ áo nhiệt e- nhiệt điện trở so sánh c- Thiết bị trao đổi nhiệt f- cột enzym (1mL) 14 Đồ án: Tổng quan tài liệu Biosensor g- nhiệt điện trở đo i- Nguồn... Trong C-nồng độ chất hấp thụ, K-hằng số hấp thụ, e- số tán sắc Kỹ thuật dùng để định lượng glucose máu nhờ thuốc màu MBTH (3methyl-2-benzotiazolinon) DMAB (3-dimethyl-aminobenzoic acid) Hai enzym... trình: Trong R- suất phản xạ, R0-hằng số phản xạ môi trường chuẩn, I-cường độ tia tới, Io- cường độ tia phản xạ Mối quan hệ R với nồng độ chất hấp thụ màu theo phương trình: Trong C-nồng độ chất