Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Κλαρκ Αλέξιος Σεμινάριο Φυσικής 2009 Υπεύθυνη Καθηγήτρια: Μακροπούλου Μ. Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Και Βιοενεργοποιητές

Βιοαισθητήρες-Βιοενεργοποιητές: Ορισμός: Βιοαισθητήρας ονομάζεται μια αναλυτική συσκευή ευαίσθητη σε ένα φυσικό ή χημικό ερέθισμα,η οποία μετατρέπει μια βιολογική απόκριση σε ηλεκτρικό σήμα μεταδίδοντας πληροφορίες για μια ζωτική διαδικασία. Την αντίστροφη διαδικασία υλοποιούν οι βιοενεργοποιητές.

Ιστορική Αναδρομή 1916 Πρώτη αναφορά για την δυνατότητα ακινητοποίησης πρωτεινών. 1956 Ανακάλυψη του πρώτου ηλεκτροδίου οξυγόνου [Leland Clark]. 1962 Πρώτη παρουσίαση ενός βιοαισθητήρα: Αμπερομετρικός ενζυμικός βιοαισθητήρας γλυκόζης. [Leland Clark, New York Academy of Sciences Symposium]. 1969 Πρώτος ποτενσιομετρικός βιοαισθητήρας [Guilbault and Montalvo]. 1972/5 Πρώτος εμπορικός βιοαισθητήρας: Βιοαισθητήρας γλυκόζης από την εταιρία Yellow Springs Instruments. 1980 Πρώτος αισθητήρας οπτικών ινών για την ανίχνευση in vivo αερίων στο αίμα. 1982 Πρώτος βιοαισθητήρας οπτικών ινών για την ανίχνευση γλυκόζης. 1983 Πρώτος βιοαισθητήρας τεχνολογίας συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων (SPR).

Βιοαισθητήρες Όργανο επεξεργασίας σήματος Δείγμα (Αναλύτης) Βιοκαταλύτης Μετατροπέας

Ένας βιοαισθητήρας αποτελείται από: 1. βιοκαταλύτης 2. μετατροπέας 3 Ένας βιοαισθητήρας αποτελείται από: 1.βιοκαταλύτης 2.μετατροπέας 3.επεξεργαστής

Βιοκαταλύτης Ανάλογα με το είδος του βιοκαταλύτη οι βιοαισθητήρες χωρίζονται σε: Βιοκαταλυτικοί Ένζυμα Κύταρρο Ιστός Βιοσυγγενικοί DNA ή RNA Αντίσωμα

Μετατροπέας Ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιούν οι βιοαισθητήρες χωρίζονται σε: Αγωγιμομετρικοί Ποτενσιομετρικοί Χωρητικοί Αμπερομετρικοί Θερμιδομετρικοί Σταθμικοί Οπτικοί Ακουστικοί-Συντονισμού Φθορισμού

Οπτικοί-Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Φθίνοντος Κύματος (Evanescent wave): Φθορισμοβιοαισθητήρες (επίπεδοι, τριχοειδείς, οπτικών ινών) Συμβολομετρικοί Φράγματος σύζευξης Συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance) Συντονιζόντων κατόπτρων

Φθίνον Κύμα (Evanescent wave) Δημιουργείται κατά την διάδοση φωτός μέσα σε κυματοδηγούς. Μέρος του φωτός διαδίδεται έξω από τον πυρήνα του κυματοδηγού Η αντίδραση που συμβαίνει στο περίβλημα αλλάζει τις οπτικές ιδιότητες της οπτικής ίνας (δείκτης διάθλασης)

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Συντονισμού Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance) Για συγκεκριμένες γωνίες πρόσπτωσης έχουμε το φαινόμενο του συντονισμού το οποίο και παρατηρούμε με μια απότομη μείωση της έντασης του ανακλώμενου φωτός.Το φαινόμενο αυτό είναι εξαιρετικά ευαίσθητο ως προς τον δείκτη διάθλασης του μέσου. Δημιουργείται έτσι ένα κύμα παράλληλο στην επιφάνεια του μετάλλου.

eδείγματος eμετάλλου eΥποστρώματος Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Συντονισμού Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance) Surface Plasmon wave eδείγματος eμετάλλου Λεπτό (~50nm) στρώμα μετάλλου eΥποστρώματος Διαφανές Υπόστρωμα q2 q1

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Συντονισμού Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance) Ένταση Φωτός Ανιχνευτής Kx(ηλεκ.) D(δ.δ) a Kz (μαγν.) dz = 200nm δ.δ t Φθίνον πεδίο

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Συντονισμού Επιφανειακών Πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance) Αντίδραση Αναλύτη-Βιομορίων Μετατόπιση της γωνίας συντονισμού θ λόγω μεταβολής του δείκτη διάθλασης Μέτρηση της αλλαγής δθ από CCD ή συστοιχία φωτοδιώδων. Αντίδραση Αναλύτη-Βιομορίων Μετατόπιση της γωνίας συντονισμού θ λόγω μεταβολής του δείκτη διάθλασης Μέτρηση της αλλαγής δθ από CCD ή συστοιχία φωτοδιώδων.

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Οπτικών Ινών. Ανιχνεύουν αλλαγή φάσης ή έντασης Χρησιμοποιούν την αρχή του νόμου των Beer-Lambert:

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες Οπτικών Ινών. Μια οπτική ίνα για την πηγή του φωτός και μια για τον ανιχνευτή Αν χρησιμοποιούνται οπτικές ίνες για ανίxνευση αλλαγής φάσης τότε έχουμε μια ίνα αναφοράς και μια ίνα ανίχνευσης Με την βιολογική αντίδραση του αναλύτη έχουμε αλλαγή των οπτικών παραμέτρων στην ίνα ανίχνευσης Η αλλαγή αυτή δημιουργεί διαφορά φάσης ανάμεσα στις δυο ίνες

Πλεονεκτήματα Οπτοηλεκτρονικών Βιοαισθητήρων Ποικιλία μεταλλακτών και ιχνηθετών Σήμα λιγότερο ευάλωτο σε παρεμβολές συστατικών του δείγματος Αυξημένες δυνατότητες σμίκρυνσης Αυξημένες δυνατότητες ταυτόχρονου προσδιορισμού διαφορετικών ουσιών στο ίδιο δείγμα Ταχύτητα στη μέτρηση του σήματος Δυνατότητα παρακολούθησης της ανοσοαντίδρασης σε πραγματικό χρόνο

Μειονεκτήματα Οπτοηλεκτρονικών Βιοαισθητήρων Ευαισθησία των βιομορίων αναγνώρισης σε αλλαγές θερμοκρασίας και PH Υψηλό κόστος των υλικών Προβληματική επανεργοποίηση χρησιμοποιημένων βιομορίων Δυσκολίες στην ακινητοποίηση των βιομορίων στην επιφάνεια του βιοκαταλύτη

Εφαρμογές Οπτοηλεκτρονικών Βιοαισθητήρων Κλινική διάγνωση και στη βιοιατρική Ποιοτικό έλεγχο και φαρμακευτική ανάλυση Μικροβιολογία: Ανίχνευση ιών και βακτηρίων Παραγωγή και τον ποιοτικό έλεγχο των τροφίμων Κτηνιατρική διάγνωση Έλεγχος βιομηχανικών αποβλήτων Προσδιορισμός βιομηχανικών (τοξικών) αερίων Έλεγχος της ρύπανσης του περιβάλλοντος Στρατιωτικές εφαρμογές: Ανίχνευση ουσιών χημικού/βιολογικού πολέμου

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Οπτοηλεκτρονικός Βιοαισθητήρας Γλυκόζης: Οπτοηλεκτρονικός Βιοαισθητήρας Γλυκόζης: Ο πρώτος βιοαισθητήρας που κυκλοφόρησε στο εμπόριο Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της γλυκόζης στο αίμα σε ασθενείς που πάσχουν από διαβήτη Ο ασθενής παίρνει ένα δείγμα από το αίμα και το τοποθετεί μέσα στην συσκευή Ο πρώτος βιοαισθητήρας που κυκλοφόρησε στο εμπόριο Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της γλυκόζης στο αίμα σε ασθενείς που πάσχουν από διαβήτη Ο ασθενής παίρνει ένα δείγμα από το αίμα και το τοποθετεί μέσα στην συσκευή

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Πηγή Ανακλώμενες ακτίνες Το δείγμα φωτίζεται από μια πηγή Ανάλογα με την ποσότητα γλυκόζης στο αίμα έχουμε εντονότερη ή ασθενέστερη ανάκλαση

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Οξύμετρο: Μη επεμβατικό όργανο ανίχνευσης οξυγόνου στο αίμα Χρησιμοποιεί 2 LED, ένα στα 660nm και ένα στα 910nm και έναν φωτο ανιχνευτή

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Τσιπακι ¨Ηλεκτρονικής Μύτης¨: Τσιπακι ¨Ηλεκτρονικής Μύτης¨: Χρησιμοποιεί μια συστοιχία πριονισμένων αντιστάσεων που μπορούν να ανιχνεύσουν διαφορές μεταξύ οσμών, καθώς και μια ποικιλία αγώγιμων πολυμερών που αντριδρούν σε μόρια οσμών. Αμέτρητες εφαρμογές:Ανίχνευση εκρηκτικών, βιομηχανία τροφίμων, συστήματα υποστήριξης διαστημικών σταθμών, βιομηχανία αυτοκινήτων, ιατρικές εφαρμογές. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία πριονισμένων αντιστάσεων που μπορούν να ανιχνεύσουν διαφορές μεταξύ οσμών, καθώς και μια ποικιλία αγώγιμων πολυμερών που αντριδρούν σε μόρια οσμών. Αμέτρητες εφαρμογές:Ανίχνευση εκρηκτικών, βιομηχανία τροφίμων, συστήματα υποστήριξης διαστημικών σταθμών, βιομηχανία αυτοκινήτων, ιατρικές εφαρμογές.

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Βιονικό Μάτι Εισάγεται ένα τσιπάκι στον οφθαλμό Εισάγεται επίσης μια κάμερα στα γυαλιά του ασθενούς Το τσιπάκι δέχεται τις εικόνες από την κάμερα και παράγει ηλεκτρονικούς παλμούς διεγείροντας τα οπτικά νεύρα Γίνονται έρευνες για χρησιμοποίηση και του υπέρυθρου φάσματος για μεγαλύτερη ακρίβεια

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Τεχνητοί Μύες Χρησιμοποιούν ηλεκτροενεργά πολυμερή (ΕΑΡ) Τα ΕΑΡ έχουν την δυνατότητα να παραμορφώνονται με την εφαρμογή τάσης και να επανέρχονται πολύ γρήγορα στην αρχική τους κατάσταση όταν δεν εφαρμόζεται πια αυτή η τάση

Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες και Βιοενεργοποιητές στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Οπτοηλεκτρονικοί Βιοαισθητήρες στην Κλινική Διάγνωση και στην Βιοιατρική Αισθητήρας ¨Οπτικής Βιοψίας¨: Αισθητήρας ¨Οπτικής Βιοψίας¨: Εστίαση φωτός laser κατάλληλου μήκους κύματος στο όργανο μέσω οπτικών ινών Τα κύτταρα του ιστού φθορίζουν λόγω της διέγερσης από το φως του laser Εκπομπή διαφορετικών μηκών κύματος από τα φυσιολογικά και τα κατεστραμένα κύτταρα Εφαρμογές:Καρκίνος του οισοφάγου , διαβήτης (φωτισμός του βολβού του ματιού) κλπ. 98% επιτυχία σε διάγνωση του καρκίνου του οισοφάγου

Ένας Βιοαισθητήρας πρέπει να ικανοποιεί τα εξής χαρακτηριστικά 1) Ευαισθησία και δυνατότητα διαχωρισμού 2) Επιλεκτικότητα και επαναληπτική ικανότητα 3) Ταχύτητα απόκρισης 4) Αξιοπιστία και ικανότητα αυτοελέγχου 5) Δυναμικό εύρος 6) Να μην επηρεάζεται από ηλεκτρικές η περιβαλλοντικές παρεμβάσεις 7) Να έχει συνάφεια το σήμα εξόδου με το περιβάλλον της μέτρησης 8) Διάρκεια ζωής και δυνατότητα επισκευής και επαναχρησιμοποίησης 9) Τιμή

Μελλοντική ανάπτυξη των βιοαισθητήρων: Ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας Ακινητοποίηση ενζύμων και άλλων βιοκαταλυτών Ενωποίηση σε ένα τσιπάκι συστοιχίας αισθητήρων (Lab on a Chip) Χαμηλό κόστος

Παγκόσμια αγορά για τους βιοαισθητήρες Παγκόσμια Αγορά για τις Βιοηλεκτρονικές Συσκευές Η παγκόσμια αγορά για τους βιοαισθτήρες και γενικά τις βιοηλεκτρονικές συσκευές, από τα 6.1 δισεκατομμύρια δολάρια το 2004 αναμένεται να φτάσει τα 8.2 δισεκατομμύρια δολάρια το 2009.(Ετήσια ανοδος 6.3%) Σχεδόν όλη η αγορά των βιοηλεκτρονικών συσκευών το 2003 αφορούσε τους βιοαισθητήρες ενώ αναμένεται μια ελαφριά άνοδος των υπολοίπων συσκευών το 2009 Οι βιοιατρικές εφαρμογές κυριαρχούν στην παγκόσμια αγορά αποτελώντας το 99% με «δεύτερες» τις περιβαλλοντολογικές εφαρμογές Το αν θα συνεχιστεί αυτή η άνοδος και η εμπορευματοποίηση των νέων βιοαισθητήρων εξαρτάται αποκλειστικά στην χρηματοδότηση μεγάλων εταιριών στον τομέα της βιοηλεκτρονικής

Παγκόσμια Αγορά για τους Βιοαισθητήρες Πηγή: http://www.bccresearch.com/ Πηγή: http://www.bccresearch.com/

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ F. S. Ligler, C. A. Rowe Taitt, Optical Biosensors:Present and Future, Elsevier, 2002 I. Willner, E. Katz, Bioelectronics: From Theory to Applications, Wiley-VCH, 2005 F. Schubert, Biosensors, Elsevier, 1992 J. Cooper, A. E. G. Cass, Biosensors: A Practical Approach, Oxford University Press,2004 T. Vo-Dinh, Biomedical photonics handbook, CRC Press, 2003 www.google.com www.wikipedia.org www.sciencedirect.com