Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA BIOSENZORY Trochu historie S koncepcí biosenzorů přišel profesor L.C.Clarc, který v roce 1956 publikoval svůj článek o kyslíkové elektrodě. Na základě této zkušenosti v roce 1962 na symposiu v New Yorku popsal, jak učinit „ elektrochemické senzory inteligentnějšími“. Toto pojetí bylo představeno na experimentu, v kterém byl oxidoredukční enzym glukózooxidáza uchycen na dialyzační membránu a s ní na kyslíkovou elektrodu. Zde se poprvé objevil termín enzymová elektroda. Primárním cílovým substrátem pro tento systém byla glukóza. Systém umožnil vývoj prvního glukózového analyzátoru pro měření glukózy přímo v krvi. První model se na trhu objevil v r. 1974 a stejná technika, jaké bylo využito v tomto případě, byla použita pro řadu dalších oxidoreduktázových enzymových systémů. Klíčovým problémem ve vývoji výše uvedeného senzoru byl technologický požadavek na membrány, neboť se požadovala eliminace interference s dalšími elektro aktivními látkami média. Enzym glukózooxidáza katalyzuje reakci glukóza + O2 → kyselina glukonová + H2O2, a tak z hlediska měřeného peroxidu vodíku při 0,6 V bylo nutné zabránit interferenci s kyselinou askorbovou. Pro sendvičové uspořádání senzoru bylo třeba splnit tato kritéria: • membrána mezi elektrodou a enzymovou vrstvou musí dovolit průchod peroxidu vodíku ale zabránit průchodu askorbátu nebo jiné interferující látky • membrána mezi enzymovou vrstvou a vzorkem musí umožnit průchod substrátu k enzymové vrstvě. To bylo ve výše uvedeném senzoru dokonale splněno např. sendvičovou enzymovou vrstvou mezi membránou z acetát celulózy a membránou z polykarbonátu. Biosenzory jsou složeny ze dvou složek: z bioreceptoru a převodníku. Bioreceptory jsou biomolekuly, které rozpoznávají analytický cíl (látku, která má být analyzována), který je převodníkem převeden na měřitelný signál. Biomolekula i převodník jsou integrovány v jednom senzoru. Tato kombinace otevírá možnost měření cílové látky bez užití chemikálií. Nejčastěji jsou jako bioreceptory využívány enzymy. Např. v lidském těle všechny anabolické i katabolické procesy jsou katalyzovány enzymy. Proto je enzym schopen poznat specifickou cílovou molekulu a tato jejich schopnost je v biosenzorech využívána. Enzym stejně jako bílkoviny je tvořen řetězcem aminokyselin a má trojrozměrnou strukturu. Jsou specifické jen pro určité substráty. Enzym je bílkovina syntetizovaná v buňce z aminokyselin na základě informace uložené v DNA. K udržení vysoké enzymové aktivity je nutné udržení vhodné teploty a pH prostředí. Bylo izolováno několik tisíc enzymů a jen několik set je vhodných pro komerční užití v senzorech. Klasifikovány jsou podle reakcí, které katalyzují. Velmi často se užívají oxidoreduktázy, katalyzující oxidaci (odnímání elektronů) nebo redukci (dodávání elektronů) enzymového substrátu. Jelikož oxidoreduktázy jsou spojeny s elektrochemickými procesy, je snadnější jejich přeměnu sledovat elektrochemickou detekcí. Reálným problémem je ale přenos elektronů z nebo na aktivní místa. Přesto řada biosenzorů již našla své praktické využití. Např. koncentrace glukózy v krvi může být měřena přímo biosenzorem konstruovaným právě pro toto měření. V kontrastu s konvenčními metodami, které sestávají z mnoha kroků, přičemž každý krok vyžaduje řadu chemikálií, biosenzory vynikají jednoduchostí a rychlostí. Uhrová H.
-1-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA V poslední době roste využívání dalších biomolekul, schopných rozpoznávání; jsou jimi protilátky, nukleové kyseliny a bílkovinné receptory. Protilátky představují významnou skupinu bílkovin: tvoří okolo 20% veškerých bílkovin plasmy a jsou souhrnně označovány jako imunoglobiny. Nejjednodušší protilátky jsou obvykle označovány jako „molekuly tvaru Y“ s dvěma identickými vazebnými místy pro antigen. Antigen je makromolekula, která je schopna vyvolat obrannou reakci. Protilátka má základní strukturní jednotku složenou ze 4 řetězců – 2 lehkých a 2 těžkých. Protilátka se reversibilně váže se specifickým antigenem. Na rozdíl od bílkovinných enzymů nepůsobí protilátky jako katalyzátory. Receptory jsou bílkovinné molekuly se specifickou afinitou k hormonům, protilátkám, enzymům a dalším biologicky aktivním látkám. Tyto bílkoviny jsou nejčastěji vázány na membrány. Patří k nim chuťové receptory, čichové receptory i fotoreceptory očí. Hlavním požadavkem pro biosenzory je, aby molekula bioreceptoru byla imobilizována a uložena do převodníku. Imobilizace se provádí buď fyzikálním zachycením nebo chemickým připojením. Nukleové kyseliny Mikroorganismy Rostlinné a zvířecí tkáně Membrány Membrány s rozlišovací schopností jsou nezbytnou součástí biosenzorů. Jsou využívány k ochraně před usazeninami, eliminují interference a kontrolují operační režim biosenzorů. Pro transport molekul s nábojem jsou vhodné iontoměničové typy membrán. Kombinací membrán s různou rozlišovací schopností lze blokovat průchod látek, které by mohly interferovat s měřenou látkou. Převodníky Převodník musí být schopen převést biologické rozpoznání na měřitelný signál. Provádí se měřením změn zaznamenaných v reakci bioreceptoru. Typickou, již zmíněnou reakcí, je reakce glukózooxidázy, katalyzující reakci glukóza + O2 → kyselina glukonová + H2O2. K měření koncentrace glukózy mohou být užity tři různé senzory: • Kyslíkový senzor k měření koncentrace kyslíku • Senzor pH měřící produkci kyseliny glukonové • Senzor peroxidový, měřící koncentraci peroxidu vodíku. Nejvíce senzorů využívá elektrochemické převodníky pro jejich konstrukční jednoduchost a cenu. Pro stanovení organických látek přítomných v potravinách jsou s úspěchem využívány. Podle metody detekce lze převodníky a tak i biosenzory rozdělit do skupin: 1) Potenciometrické biosenzory – vyžadují měření potenciálu při nulovém proudu. Potenciál je úměrný logartimu koncentrace stanovované látky. Využívají např. ion-selektivních elektrod k stanovení změn koncentrace vybraných iontů (např.H+). 2) Ampérometrické biosenzory – stanovují proud vznikající při uvolnění elektronů během redox procesu. 3) Konduktometricko/impedimetrických biosenzory – stanovují změny v konduktanci či impedanci náboji vyvolaných změn daného prostředí. Uhrová H.
-2-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
Ad 1) Jsou složeny z iontově selektivní elektrody (ISE) kombinované s imobilizovaným enzymem. V ISE je elektrodový potenciál generovaný v rovnováze u povrchu membránové elektrody úměrný logaritmu koncentrace analytu. Jednoduchost potenciometrických technik je založena na závislosti koncentrace na potenciálu E, odpovídajícího u reversibilní redox elektrody Nernstově rovnici (v ideálních roztocích jsou aktivity nahrazeny koncentracemi)
RT ⎡ aox ⎤ ln ⎢ ⎥. nF ⎣ ared ⎦ Tak byla klasická skleněná pH elektroda v podstatě první rutinně využívanou ISE v praxi. V literatuře existuje ohromné množství odkazů založených na této metodě, které bylo využito k měření žádoucích analytů. Navzdory jejich vynikající selektivitě pro H+ ionty, jsou využívány zřídka v enzymových elektrodách pro jejich velký odpor, rozbitnost, erozivitu a citlivost na kapacitu pufrů při měření roztoků. Byla prozkoumána řada pH citlivých materiálů. Miniaturizace elektrod se docílilo potažením drátěných elektrod. ISE vykazují jen velmi malé proudy a tak vyžadují velké impedance. Signál je přesto velmi citlivý na elektrický šum. Semikonduktivní struktury se proto stále častěji používají jako převodníky pro výrobu biosenzorů. Molekuly enzymů jsou imobilizovány do iontově citlivé povrchové vrstvy zařízení a výsledný povrchový náboj mění rozmístění náboje v oblasti rozhraní polovodič-izolátor. Jako referenční elektrody se užívají spíše než vodíková elektrody Ag/AgCl nebo nasycené kalomelové elektrody. Ad 2) Ampérometrický převodník měří proudy, které jsou úměrné koncentraci anylytu. První generace zařízení tohoto druhu využívaly buď kyslíkových nebo peroxidových elektrod, tj. spotřeby kyslíku nebo produkce peroxidu. Elektrody. Při použití těchto enzymových elektrod se však vyskytly vážné problémy: kyslíková elektroda snadno podléhá změnám kyslíku ve vzorku a peroxidová elektroda, založená na iontech H+ a molekule peroxidu vodíku má velmi špatnou odezvu v biologických tekutinách. Mnoho z těchto tekutin interferuje, neboť jsou elektrochemicky aktivní při vysokém polarizačním napětí, které vyžaduje detekce vodíku při rozkladu peroxidu. (Pro některé substráty je možné použít alternativu v podobě difusi limitující externí membrány – polyuretan, acetát celulozy. Jinou možností je použít prostředníka pro dopravu elektronů přímo k elektrodě, tím že obejdeme redukci kyslíku co-substrátu.). Vlastnosti ampérometrických biosenzorů založených na enzymech jsou určovány především schopností imobilizovaných enzymů vyměňovat elektrony s elektrodou a zjevně měnit poměr přenosu elektronů. Metody jako spojení příčnou vazbou, kovalentní vazba nebo fyzikální záchyt jsou již tradiční. Existují však i nové metody. Slibnou imobilizační metodou se jeví spojení bílkoviny /enzymu ve vodivém polymerním filmu. Nejnovějším a sílícím trendem jsou ampérometrické biosenzory se začleněným biokatalytickým uhlíkovým základem. Výsledky modifikovaných bioelektrod nabízejí několik výhod: blízkost biokatalyzátoru a citlivého místa, možnost začlenění dalších komponent např. kofaktorů nebo redox prostředníků, snadnou obnovu povrchu, jednoduchou ekonomickou výrobu a vysokou citlivost inkorporovaného biokatalyzátoru. E = E0 +
Ad 3) Konduktance je důsledkem migrace všech iontů přítomných v roztoku, substrátové selektivity je dosaženo specifikou enzymových reakcí. Konduktometrické biosenzory tvoří širokou Uhrová H.
-3-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
základnu pro biosenzory s přímou elektrickou odezvou, nevyžadující referenční elektrodu, s možností výroby tenkovrstvou technologií a přesto dobře kompatibilní s elektrickými obvody a počítačovým rozhraním. Měření kapacitance biosenzory má úspěch pouze v případě že biomolekulární vrstvy připojené na heterostruktury jsou dostatečně elektricky izolované a dokáží si udržet svou rozpoznávací schopnost. Z ostatních typů lze jmenovat kategorii piezoelektrických převodníků (Elektrický proud je generován vibrujícím krystalem. Frekvence vibrace je ovlivněna hmotou materiálu adsorbovaného na jeho povrchu, změna hmotnosti může souviset s reakčními změnami.). Vodivostní převodníky jsou založeny na změně vodivosti, kapacitní převodníky na změně dielektrické konstanty a termometrické převodníky na změně teploty. Optické převodníky souvisí s vývojem optických vláken. jejich výhodou je velká přizpůsobivost a možnost miniaturizace. Vyhodnocování signálu Analogově-číslicové a číslicově-analogové převodníky Většina používaných snímačů poskytuje informace v analogovém tvaru, který převádíme prostřednictvím A/Č převodníků na číslicový tvar. Zpětný převod číslicového signálu na analogový umožňují Č/A převodníky. Statická (převodová) charakteristika A/Č převodníku je na obrázku. Vstupní analogová veličina je označena symbolem A, výstupní veličina v binárním kódu je vyznačena symbolem K. Z obrázku je patrné, že ideální charakteristika má stupňovitý průběh, přičemž určitému napětí hodnot analogové veličiny je přiřazeno na výstupu jedno kódové slovo.
Rozlišovací schopnost převodníku je dána počtem rozlišitelných úrovní analogového signálu. Pro n-bitový binární převodník je to 2n úrovní, pro m-místný dekadický převodník je to 10m úrovní. Krok kvantování, někdy označovaný jako citlivost převodníku, je nejmenší rozlišitelná velikost analogové veličiny. Je to rozdíl dvou hodnot analogové veličiny, při kterých nastává přechod od jednoho kódového slova k druhému. Chyba kvantování je maximální rozdíl mezi hodnotou analogové veličiny a hodnotou odpovídající danému kódovému slovu. Obvykle je to polovina kroku kvantování. Rychlost převodníku se určuje počtem převodů za jednotku času. Uhrová H.
-4-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
Kód převodníku určuje v jakém kódu převodník pracuje. Nejčastěji to bývá přímý binární kód a binárně-dekadický tzv. BCD-kód. Přesnost převodníku je dána chybou převodníku, která má dvě složky. • Součtová (aditivní) chyba je nezávislá na hodnotě analogového signálu a je pro celý rozsah konstantní. Je způsobená např. posunutím nuly, chybou kvantování apod. • Součinová (multiplikativní) chyba závisí na hodnotě analogového signálu a je způsobená chybou zesílení analogových částí a nelinearitou převodníku. Stabilita převodníku vyjadřuje stálost vlastností převodníku při působení různých rušivých vlivů, jako je teplota, čas, vlhkost apod. Číslicově-analogové převodníky převádí vstupní slovo na analogovou veličinu (napětí nebo proud), která je přímo úměrná vstupní informaci. Vstupní slovo je číslo, které vyjadřuje okamžitou hodnotu určité veličiny a sestává z určitého počtu bitů. Pro vyjádření tohoto čísla se používá nejčastěji přirozeného binárního kódu nebo kódu BCD.
Podle způsobu spínání proudových vstupů operačního zesilovače dělíme Č/A převodníky na převodníky s napěťovými spínači a převodníky s proudovými spínači. Obecné schéma 3-bitového Č/A převodníku s napěťovými spínači je na obr.
Uvýst =
Uhrová H.
R Uref Rx
Uvýst = - Uref (b3.2-1 + b2.2-2 + b1.2-3) .
-5-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
Moderní Č/A převodníky jsou realizovány na jediném čipu, který obsahuje spínané proudové zdroje i potřebné logické obvody. Odpory odporové sítě jsou vytvořeny difúzní technologií. Převodník je vybaven obvodem pro kompenzaci vlivu teploty. Analogově-číslicové převodníky
Analogově-číslicový převod lze rozdělit na tři základní fáze: vzorkování, kvantování a kódování. v ýs t up n í s lo v o
a n a lo g o v ý s ig ná l V ZO R K O V ÁN Í
K V AN TOV ÁN Í
KÓ D OVÁNÍ
Při vzorkování se pravidelně odebírají vzorky amplitudy analogového signálu (obr. 6a). Získané signálové vzorky (obr. 6c) jsou diskrétní, ale mohou stále ještě nabývat nekonečně mnoha amplitudových hodnot v rozsahu analogového signálu. Jejich přiřazení k pevně zvoleným napěťovým úrovním se nazývá kvantování. Mezi kvantovacími úrovněmi leží rozhodovací úrovně, podle nichž se rozhoduje, zda se amplituda vzorku přiřadí k nižší nebo vyšší kvantovací úrovni (obr. 6d). Počet rozhodovacích úrovní odpovídá počtu bitů pro vyjádření hodnoty jednoho vzorku. Nakonec se provede kódování, při kterém se kvantovaná úroveň vyjádří v určitém kódu, např. binárním (obr. 6e). Číslicový signál je zde symbolicky vyjádřen tříbitovými slovy.
V praxi se používá několika různých způsobů A/Č převodu. Principy nejběžnějších A/Č převodníků jsou:
Uhrová H.
-6-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA 1) Komparační metody převodu jsou založené na principu porovnávání vstupní spojité veličiny s kvantovanou referenční veličinou. Podle toho, zda se porovnání uskutečňuje současně se všemi možnými úrovněmi referenční veličiny anebo postupně v čase, rozeznáváme paralelní a postupné komparační A/Č převodníky. Paralelní A/Č převodník na horním obrázku porovnává analogové vstupní napětí s referenčními hodnotami pomocí komparátorů. Pro nbitový binární převodník je zapotřebí 2n – 1 komparátorů. Referenční úrovně se nejčastěji realizují pomocí děliče napětí složeného z 2n přesných odporů. Celý dělič je připojený na zdroj přesného referenčního napětí. Výstupy komparátorů se dekódují v logickém obvodu. Výsledkem dekódování je výstupní kódové nbitové slovo, jehož hodnota odpovídá hodnotě měřené veličiny. 2) Kompenzační metody A/Č převodu jsou založené na komparaci vstupní analogové veličiny vhodnou kompenzační veličinou. Velikost kompenzační veličiny se mění tak dlouho, až rozdíl mezi hodnotami kompenzované a kompenzační veličiny je menší než chyba kvantování.
Převodník pracující kompenzační metodou postupné aproximace je na dolním obrázku.
3) Integrační metody A/Č převodu jsou založené na integraci vstupního analogového signálu. Při dalším zpracování signálu se využívá buď převodu na časový interval nebo na frekvenci impulzů.
UI =
1 RC
t
∫U
x
dt
0
f = k Ux .
Metody imobilizace
Uhrová H.
-7-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
K převodníku musí být připojen selektivní element. Existuje několik klasických metod: • Adsorpce na povrchu – nejjednodušší metoda. • Mikrozapouzdření – termín používaný pro zachycení mezi dvěma membránami - jedna z dříve často užívaných metod. • Záchyt – selektivní element je zachycen v gelové matrici, pastě nebo polymeru – velmi populární metoda. • Kovalentní vazba – jsou vytvořeny chemické kovalentní vazby mezi selektivní složkou a převodníkem. • Příčné vazby – selektivní složka je chemicky vázána dvojfunkčním činidlem k převodníku. |Často se užívá v kombinaci s metodami adsorpce či mikrozapouzření. CO OD SENZORŮ POŽADUJEME Selektivitu Požadujeme schopnost rozlišovat mezi dvěma různými substráty. Takové chování je obecně funkcí selektivní složky, přestože mnohdy operace převodníku přispívají k selektivitě. Citlivost Požadavky na citlivost biosenzorů jsou různé, protože rozsah a typ sledovaných látek nelze shrnout do jedné kategorie. Např. koncentrace metabolitů se pohybuje běžně nad hladinou 10-6 mol/l, u hormonů je v rozmezí 10-10 – 10-5 mol/l, přičemž jsou žádoucí i hodnoty 10-20 mol/l. Pro viry je žádoucí koncentrace 10-12 mol/l. Přesnost Požaduje se lepší přesnost než ± 5 %. Pracovní podmínky Je třeba brát v úvahu pH, teplotu a iontovou sílu roztoků. Doba odpovědi Bývá u biosenzorů mnohem delší než u chemických senzorů (30 s a více). Relaxační čas Doba potřebná k regeneraci senzoru před měřením dalšího vzorku. Neměl by být větší než několik minut. Životnost Životnost je obvykle dána stabilitou selektivní komponenty. Pro biologické materiály bývá krátká, pohybuje se pro různé materiály od několika dní až po několik měsíců i více. Uplatnění biosenzorů v praxi Uplatnění biosenzorů v praxi roste s rostoucími požadavky na prevenci a s nárůstem požadavků na detekci nižších limitních hodnot ve stále více oblastech. Jednou z největších je oblast klinického testování ve farmakologii a v medicíně ( měření metabolitů, insulinová terapie diabetu). Dále se sem řadí testování životního prostředí (monitorování škodlivin ve vzduchu, vodě či půdě) a rychlá testování v kritických situacích (znečištění jedovatými, karcinogenními apod. látkami) – aplikace v armádě. Neméně důležitou oblastí je zemědělství (analýzy v oblasti živočišné i rostlinné výroby). Ani testování řady procesů z průmyslové oblasti nezůstává pozadu, především v potravinářském průmyslu (kontrola fermentačních procesů a analýzy při výrobě nápojů i potravin).
Uhrová H.
-8-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
Při kontrole bioreaktorů jsou monitorovány zdroje uhlíku či rozpuštěné plyny, což může u fermentačních procesů vést k optimalizaci procesů, které následně vedou ke zvýšení výtěžku a poklesu ceny materiálu. Doba skutečného monitorovacího času se zpětně-vazebnou kontrolou se týká existujících automatizovaných systémů, v současnosti je on-line měřeno pouze několik běžných proměnných (např. pH, teplota, CO2 a O2), které často s procesem kontroly souvisí pouze nepřímo. Metody kontrol v bioreaktorech lze rozdělit do 3 skupin: • Off-line: ve vzdálených laboratořích s významnou dobou zdržení • Off-line: drobné kontroly s krátkou dobou zdržení • On-line: monitorování i kontrola probíhající v reálním čase Poslední z uvedených metod je nejžádanější. Existuje však při ní řada problémů, včetně sterilizace in situ, životnosti senzoru, usazenin akumulujících se na senzoru apod. Aplikace elektrochemických biosenzorů při sledování kvality potravin a nápojů.
Metodika musí být rychlá a dostupná. Ať už se jedná o stanovení složek nutriční hodnoty nebo látek týkajících se kvality potravin.Laboratoře si pro nízkou marži nemohou dovolit pořizovat nákladný spektrometr, plynový chromatograf, HPLC atd. Další nevýhodou konvenčních metod je, že nemohou být používány kontinuálně. Užití biosenzorů k monitorování může nahradit konvenční metody. Výhodou biosenzorů je rychlá odpověď, jednoduchá práce, vysoká přesnost, nízké náklady, měření vzorku bez předchozí úpravy, malá velikost, on-line monitorování. Pro detekci ethanolu se využívá enzym alkoholdehydrogenáza (ADH) a alkohol oxidasa (AO). ADH je imobilizována zesíťováním, doba odezvy je 1-2 minuty. Výhoda ADH je v její stabilitě a větší přesnosti měření, nevýhodou je rozpustnost koenzymu NAD+, který se přidává při kvantitativním stanovení. Problém lze vyřešit použitím metylénové zeleně. Při měření obsahu ethanolu v ginu užil Sprules pro jednorázový sítotiskový biosenzor medolovou modř. K upevnění stability AO v ethanolovém senzoru byla použita hydrofobní polopevná matrice, enzymové reaktory, polyintové komplexy na sklovité uhlíkové elektrodě či přídavkem lactitolu a derivátu dextranu s pozitivním nábojem. Pro stanovení polyfenolů (např. ve víně) je možné použít ampérometrický biosenzor s enzymem tyrosinasou, která katalyzuje oxidaci fenolů na chinonovou formu. K redukci dochází na grafitovém povrchu polarizovaném při – 200 mV oproti referenční elektrodě Ag/AgCl. Protože řada mikroorganismů je schopna využívat ethanol nebo methanol jako zdroj uhlíku a energie, je možné stanovit asimilaci alkoholu z respirační aktivity mikroorganismů. Respirační aktivity jsou přímo měřitelné kyslíkovou elektrodou. Proto je možné ke konstrukci mikrobiálního biosenzoru pro alkoholy užít imobilizované mikroorganismy a kyslíkovou elektrodu. Mikrobiální elektroda sestává z imobilizované kultury kvasinek nebo bakterií, teflonové membrány propustné pro plyn (CO2) a kyslíkové elektrody upravené pro měření ethanolu nebo methanolu. Senzor dokáže kontinuálně stanovovat obsah alkoholu v mediu, jeho spolehlivost byla ověřována plynovou chromatografií. Problémy, které je nutné pro některé biosenzory brát v úvahu: – není možná jejich sterilace – pracují jen v limitovaném rozsahu koncentrace analytu – při použití enzymů se obvykle liší optimální provozní pH enzymu od pH prostředí.
Uhrová H.
-9-
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky
Biofyzika – Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA
Potenciální složky, které mohou být sledovány pomocí biosenzorů, lze rozdělit do skupin: alkoholy, fenoly: ethanol, methanol, acetaldehyd, fenol, estery glycerolu, katechol organické kyseliny: octová, mravenčí, glukonová, izocitronová, askorbová,mléčná, jablečná, oxaloctová, pyrohroznová, jantarová či nitriloctová, aminokyseliny, aminy a amidy, cukry, kofaktory, plyny, těžké kovy, mutageny, vitaminy, antibiotika, anorganické kyseliny – sulfáty a sulfidy.
Uhrová H.
- 10 -
Tento dokument je k dispozici na http://www.vscht.cz/ufmt/cs/index.html v sekci Elektronické pomůcky