Dr. Belinda Adler. Kemiska och biokemiska sensorer. Sensorer och mätteknik Belinda Adler Avd. Biomedicinsk teknik. Bioteknik på LTH.

Transkript

1 Kemiska och biokemiska sensorer Sensorer och mätteknik Belinda Adler Avd. Biomedicinsk teknik Dr. Belinda Adler Bioteknik på LTH Wien Exjobb på BME Prostatacancer Doktorand på BME Prostatacancer Proteiner 1

2 Kemiska- och biosensorer Industri, miljö, och kliniska applikationer En sensor är ett samlingsbegrepp på en anläggning som samlar in, konverterar och i vissa fall distribuerar någon form av signal. Våra fem sinnen kan betraktas som olika biologiska sensorer. Kemiska sensorer mäter och karaktäriserar kemiska föreningar. Tex. elektriska sensorer, katalytiska sensorer och gas sensorer. Biosensorer mäter och karaktäriserar biologiskt material. Tex. Enzym sensorer och DNA sensorer. Vad vill vi mäta? Närvaro/frånvaro av molekyl Bestämma identitet Koncentration Kvantitativ eller kvalitativ... 2

3 Var vill vi mäta? urin blod mjölk gasflöde... Hur kan vi mäta? Magnetiska och elektriska fält Resistans Kapacitans Induktans Frekvens Optiskt... 3

4 Förminska Man kan förminska sensorer och processer Lab-on-a-chip Vad kan vi tjäna på micro/nanoteknologi? Microdomän laminärt flöde ingen omrörning Diffusion: Kortare avstånd att diffundera Snabb diffusionsblandning Ratio yta till volym ökar med r -1 ytpåverkan ökar Ytspänning och viskositet blir de regerande flödesparametrarna, istället för tröghet Evaporering väldigt inflytelserik Miniatyriserade provvolymer multipla/alternativa analyser 4

5 MEMS (MicroElectroMekaniska System) 1µm - 1 mm beståndsdelar en central del som processar data Material: kisel, polymerer, metaller Fotolitografi och etsning Vilka är de potentiella problemen? Brus Blockeringar Stabilitet i systemet Återanvändbar? Samplings problem Komplexitet och kostnad Kräver hög känslighet Låg kapacitet (mindre volym, mindre analyt) Integration (mätsystem och kopplingar) Användarfördommar mot teknologin? 5

6 Kemiska sensorer Avläsning Resistans gas/analyt Kapacitans Fysio-kemiska interaktioner Kalorimetri Känsligt lager Omvandlare Massa Optik Gassensorer adsorption/desorption or chemical reactions on surfaces or in (thin) films mass cause PHYSICAL CHANGES temperature conductivity polarisation optical properties which depend on MOLECULAR PROPERTIES size polarity reactivity affinity polarisability which can be used in several types of DEVICES calorimetric fibre optic resistive acoustic field effect 6

7 Resistiv fuktsensor Kapacitiv fuktsensor 7

8 Metal-oxidsensorer Kolmonoxidsensor på vägg Styra ventilationen Pris 3400 sek Metal-oxidsensorer CO sensor Består av ett tunt laget av SnO 2 vars ledningsförmåga ändras 8

9 Metal-oxidsensorer Konduktiviteten av oxid kan skrivas likt: = 0 + kp m 0 är konduktiviteten av tennoxid vid 300 C, utan CO närvarande P är koncentrationen av CO gas i ppm (parts per million), k är en känslighetskoefficient (fastställd experimentellt för olika oxider) m är ett experimentellt värde - ca 0.5 för tennoxid Parallel-platt-kapacitans detektion Applikation: Detektera partikel koncentration i vätskeprov.» dielektrisitetskonstanten fluktuerar mäter koncentrationen i vätskan Lung-Ming Fu, National Pingtung University, Tawain 9

10 MOSFET kemisk sensor MOS FET=metal oxid semikonduktor fält-effekt transistor Exempel: vätesensor, genom att använda palladium som metall gate Termistor baserad kemisk sensor Små temperaturändring pga kemiska reaktioner Referenstemperatursensor koncentrationen av substansen Enzym baserad reaktion, som är väldigt selektiv. 10

11 Mass-sensor Piezoelektriska kristaller, tex kvarts Svängning i deras resonansfrekvens Ändring av massan ändring av resonansfrekvensen Känsligheten är vanligtvis hög, 10 g/hz, med en gräns på 10 g. Mass sensor - cantilevers Massförändringen mäts med hjälp av hur böjd balken är. Man mäter utböjning i balken med tex optik. 11

12 Optisk/kemiska sensorer Finna önskade substanser Fluorescence Absorbans - UV Kemiluminiscensen Mycket vanlig vid detektion 12

13 Biosensorer Biosensorer mäter och karaktäriserar biologiskt material. Enzym äter glukos 0.3 µl blod 5 sekunder Pris 400 sek Blodsocker Blodprovstagare Teststicka Mätare 13

14 Biosensor = ett biologiskt detektionssystem Mikroorganism Vävnad Cell Organell Aminosyra Enzym Receptor Antigen Bindingsmolekylen måste vara specifik och stabil, vid lagring och immobilisering. Antikropp som biosensor Immunförsvaret kroppens system mot infektioner Detektion av prostatacancer 14

15 Protein chips på poröst kisel ökad yta reducerad spot storlek homogen spot profil Förstärka antikroppssignalen ELISA Enzyme-Linked Immunosorbent Assay RCA Rolling circle amplification 15

16 Quantum dot's Används som etikett på tex antikropp 2-10 nanometer, motsvarar atomer Storleken identifierar färgen av det emitterade ljuset Bleks ej Bioluminescenta quantum dots So, M. K.;Xu, C.;Loening, A. M.; Gambhir, S. S.; Rao, J.Self-Illuminating Quantum Dot Conjugates for in vivo Imaging. Nat. Biotechnol.2006, 24,

17 Detektion av magnetiska kulor Hall Sensor (Source: B. Boser, European IAB, 2004) Molecularly Imprinted Polymer (MIP) Sensor Array Greene, N.T.; Shimizu, K.D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,

18 Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment (SELEX) Schematic Reproduced From: Elektrokemiska biosensorer substrat produkt electrode Enzym Applicera spänning Mät strömmen proportionerligt mot koncentrationen av substratet 18

19 Nanowire FET (Fälteffekt transistor) Label free långt fm känslighet Patolsky, F. et al Electrical detection of single viruses. Proceedings of the National Academy of Sciences 101: Eric Stern, et. al., Nature 445, (1 February 2007) SPR - Surface plasmon resonance Surface plasmons, are surface electromagnetic waves that propagate parallel along a metal/dielectric interface 19

20 Kalorimetrisk biosensor Om enzymkatalyserade reaktionen är exotermisk Termistorer mäter skillnaden i resistans analyt koncentrationen Geler Livsmedelindustrin Paketera mat 20

21 Atomkraftmikroskop Detektera cancer Elasticiteten av celler undersöks mekaniskt T. Sulchek et al., Dynamic Force Spectroscopy of Parallel Individual Mucin1-Antibody Bonds, Proc. Natl. Acad. Sci. 102, (2005). DNA nanopore läsare DNA sträng - por med elektroder på insidan Elektrisk ström genom DNA strängen Genom att detektera ändringen i strömmen som korresponderar till de fyra basparen (A, T, C, G) som bygger upp en DNA sträng kan man avläsa DNA sekvensen. Meller, A., L. Nivon, E. Brandin, J. Golovchenko, and D. Branton Rapid nanopore discrimination between single polynucleotide molecules. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97:

22 Rättsmedicinska applikationer Narkotika (affinitet), bomber (GC), biologiska vapen (affinitet)... Kemiska sensorer Vätecyanid (HCN) Ammoniak (NH 3 ) Klorgas (Cl 2 ) Acetaldehyd (CH 3 CHO) Svaveldioxid (SO 2 ) Saltsyra (HCl) Rättsliga applikationer Narkotika avslöjande utan hund 22

23 Micro-kapillärelektrofores Microfluidikchip för integrerad DNA Assay (University of Michigan) Multi-analyt sensorer Naturen använder ibland receptorer som inte är så selektiva Olika receptorer används i en array Respons från olika receptorer bilar ett mönster 23

24 Slutanvändare för teknologin Forskning: hitta ny biologi med snabbare och känsligare analyser Diagnostik: biomarkörer, Point-of-care, personlig medicin Bioläkemedel, screening, kvalitetssäkring mm + Livsmedelsindustrin, miljön, rättsmedicinalt och militär applikationer Avslutning 24