chip

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Uniwersytet Łódzki
ul.Tamka 12, 91-403 Łódź
Dr Paweł Krzyczmonik
Łódź, maj 2015
Plan wykładu
Zastosowania sensorów chemicznych
Wstęp
Zastosowania przemysłowe
Kontrola analityczna w procesach technologicznych
Zastosowania w chemii klinicznej
Zastosowania w ochronie środowiska
Miniaturyzacja w analityce
Układy Lab-on-a-chip
Printed screen electrodes
2
Zastosowania sensorów chemicznych - wstęp
a-D-glukoza + ½ O2 + H2O
Oksydaza
glukozowa
kw. glukonowy + H2O2
Elektroda
tlenowa
-7kcal
Kalorymetria
H+
Amperometria
Fotometria
Luminescencja
Elektroda pH
ISFET
Zastosowania sensorów chemicznych - wstęp
Typ sensora
Rodzaj detekcji
Typ próbki
Zakres
pomiarowy
Amperometryczny
(elektroda Clarka)
Amperometryczna z membraną
Ciekła lub
gazowa
0.1ppm-100%
obj.
Potencjometryczny
(sonda lambda)
Ogniwo ze stałoelektrolitowym
przewodnikiem w
podwyższonej temperaturze
Gazowa
1-100% obj.
Optyczny
Wygaszanie fluorescencji
immobilizowanego barwnika
Tlen
rozpuszczony w
cieczach
0.01ppmroztwór
nasycony
paramagnetyczny
Wykorzystywanie
paramagnetyzmu O2
Gazowa
0.1 – 100% obj.
Zastosowania przemysłowe
Przemysł motoryzacyjny –sonda lambda
Kontrola stężenia gazów (CO, NOx, CH4, NH3 itp.) –
Np. konduktometryczne sensory na bazie SnO2
instalacje alarmowe w tunelach, garażach, kopalniach w
urządzeniach kontrolujących emisję zanieczyszczeń
przemysłowych
Kontrola analityczna w procesach technologicznych –
elektroda szklana pH, inne elektrody pH, inne sensory wg
potrzeb.
Kontrola analityczna w procesach technologicznych
Problemy techniczne występujące w zastosowaniach sensorów do
kontroli procesów technologicznych on-line
•Uwzględnienie warunków prowadzenia procesu – T, p
•Problem miejsca i sposobu montażu sensorów
•Możliwość wymiany uszkodzonych sensorów
•Zabezpieczenie sensorów przed uszkodzeniem
•Elektrody z ciekłym elektrolitem muszą pracować z wewnętrznym
nadciśnieniem
•Problem korozji
Kontrola analityczna w procesach technologicznych
Nazwa urządzenia
Analit
Zakres pomiarowy
Zastosowania
AEG NOx Monitor
NOx
0-600 ppm
Gazy spalinowe
MSI (Drager)
Komputerowy
analizator gazów
O2
CO
SO2
NO
NO2
0-20.9% obj.
0-1500 ppm
0-1500 ppm
0-1000 ppm
0-200 ppm
Gazy spalinowe
Unitronic (Figaro)
Monitor gazów
CH4
C3H8
C4H10
CO
NH3
H2S
H2O
500-10000 ppm
500-10000 ppm
500-10000 ppm
50-1000 ppm
30-300 ppm
5-100 ppm
0-100 ppm
Alarmy gazowe
(tunele, kemping, garaże)
Wilgotność
Transducer Res. Inc.
Monitor gazów
NO2
H2S
CO
10 ppb-50 ppm
0-1000 ppm
0-1000 ppm
Alarmy gazowe
Kontrola analityczna w procesach technologicznych
Sensor
Analit
Zakres
Próbka
Czas życia
ISFET
H+
pH 2-12
ciekła
miesiące
CHEMFET
Na+
10-5-1 mol/l
ciekła
tygodnie
ISE
H+
Na+
FK+
NO-3
pH 0-14
10-5-10-1 mol/l
10-6-10-0 mol/l
10-5.5-10-0 mol/l
10-5-10-0 mol/l
ciekła
ciekła
ciekła
ciekła
ciekła
lata
lata
lata
miesiące
miesiące
Elektroda
Clarka
O2
10-5-2x10-4 mol/l
O2 w cieczy
lata
Sonda
Lambda
O2
1-100% obj.
gazowa
lata
Alarmy
gazowe
CO, H2
alkany
1-100% obj.
gazowa
lata
Optrody
K+
O2
10-3-10-1 mol/l
10-3-10-0 mol/l
ciekła
O2 w cieczy
tygodnie
miesiące
Zastosowania w chemii klinicznej
Początki
1909 – prezentacja elektrody szklanej
1934 – Arnold Beckman konstruuje ph-metr
Pierwszy trójkanałowy analizator krwi (pH, pCO2 pO2)
1962 – fluorkowa elektroda jonoselektywna
1967 – opisano pierwszą elektrodę enzymatyczną
(oznaczanie glukozy)
Jon
Stęż. Fizjologiczne [mmol/l]
Zakres pomiarowy [mV]
H+
4.5·10-5 – 5.6·10-5
6.8
Li+
0.7-1.5
19.3
Na+
135-150
2.4
3.5-5.0
9.1
Mg2*
0.45-0.8
7.4
Ca2+
1.0-1.2
2.4
Cl-
95-110
3.8
21.3-26.5
5.6
K+
HCO3-
Zastosowania w chemii klinicznej
Schemat wieloelektrodowego analizatora krwi
umożliwiającego pomiar kilku parametrów w pełnej krwi
Zastosowania w chemii klinicznej
AUTOMATYCZNY ANALIZATOR PARAMETRÓW STANÓW KRYTYCZNYCH OPTI CCA
Przeznaczenie :
- medycyna ratunkowa ( w tym ambulans, helikopter, służby ratownicze itp.),
- placówki służby zdrowia o małej ilości oznaczeń,
- metoda pomiarowa : - pomiar metodą fluorescencji i reflektancji,
- pomiar w oparciu o elektrody w kasecie jednorazowego użytku, bez użycia odczynników,
- parametry mierzone (w zależności od typu użytej kasety pomiarowej) :
pH, pCO2, pO2, tHb, Na+, K+, Cl-, Ca2+, Glu, SO2,
Zastosowania w chemii klinicznej
•Badania in vivo, ex vivo i in vitro
•Specyficzne rodzaje próbek – krew, osocze, surowica, mocz itp.
•Pomiary z zastosowaniem ISE bezpośrednio w nierozcieńczonej
próbce dają możliwość oznaczania tylko nieskompleksowanych
jonów. Najczęściej stosując metodę dodatku wzorca.
•Na wyniki oznaczeń wpływają:
•Błędy przy pobieraniu próbek.
•Dodatek zbyt dużych ilości heparyny.
•Wpływ ma temperatura w której prowadzimy oznaczenie.
•Niektóre elektrody ulegają zanieczyszczeniom biologicznymi
składnikami próbki (np elektroda szklana).
Zastosowania w ochronie środowiska
Monitorowanie stężeń substancji występujących w środowisku.
Możliwości pracy w systemie on-line
Konieczność porównywania aktualnych wskazań ze stężeniem
przyjętym jako granica toksycznego działania danej substancji
Wykorzystanie biosensorów do detekcji substancji toksycznych i
mutagennych (np. fosforany organiczne inhibitują działanie
acetylocholinoesterazy)
Możliwość określania ogólnej toksyczności np. roztworu po przez
monitorowanie metabolizmu komórek bakterii elektrodą tlenową
Miniaturyzacja w analityce - układy Lab-on-a-chip
MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), lub też
Mikrosystemy, określenie zintegrowanych układów
elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar
szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 - 100 μm)
MicroTAS (µTAS) (Total Analysis Systems), Miniaturowe
zintegrowane systemy (skala Mikro) w których możliwe jest
przeprowadzanie pełnych sekwencji procesów labolatoryjnych.
Lab-on-a-chip (LOC) to urządzenie, które łączy w jedną lub kilka
funkcji laboratoryjnych na jednym chipie o wymiarach od kilku
milimetrów do kilku centymetrów kwadratowych. LOC umożliwia pracę
z bardzo małymi ilościami płynów, aż do objętości poniżej 1pl (pico
litra). Określenie "Lab-on-a-Chip" zostało wprowadzone później, kiedy
okazało się, że technologie μTAS zaczęły być szerzej stosowane niż
tylko do celów analizy.
Układy Lab-on-a-chip
Budowa układów LOC
Układy Lab-on-a-chip
Przykłady układów LOC
Lab-on-a-chip
Układ do kapilarnej elektroforezy w wykonaniu LOC (Lab-on-a-chip)
a) poli (dimetylosiloksan)
na szkle (PDMS-glass)
b) poli(metakrylan metylu)
(PMMA)
c) Polieteroeteroketon
(PEEK)
Selektywność enzymów
Zastosowanie w diagnostyce medycznej
– terapia chorób depresyjnych litem
Rozdzielanie i ilościowe oznaczanie Li + w sztucznej krwi w próbkach surowicy.
Selektywność enzymów
1.
2.
3.
4.
5.
6.
siarczan
kwas winowy
kwas jabłkowy
kwas bursztynowy
kwas octowy
kwas mlekowy
Odciski palców kwasów organicznych w winie i soku
Selektywność enzymów
1.
2.
3.
4.
Wykrywanie cukrów w nektarach i sokach
Fruktoza
Glukoza
Laktoza
sacharoza
Selektywność enzymów
Rozdział i oznaczenie aminokwasów biogennych
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Lizyna
Arginina
Histydyna
Glicyna
Alanina
Walina
Luecyna
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Treonina
Metionina
Tryptofan
Fenyloalanina
Tyrozyna
Cysteina
Układy Lab-on-a-chip
Przykład systemu pomiarowego do analiz
biochemicznych opartego na układach LOC
Printed screen electrodes
Printed screen electrodes
Printed screen electrodes
Układ LOC z zastosowaniem printed
screen electrodes
Oznaczanie stężenia jonów cynku w
osoczu krwi metodą woltamperometrii
stripingowej
Literatura
1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, „Sensory chemiczne”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa 1999.
2. Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki „Miniaruryzacjia w analityce”,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa 2005
2. J. Janata, „Principles of Chemical Sensors”, Springer, wyd. 2,
2009
3. P. Gründler, “Chemical Sensors, An Introduction for Scientists
and Engineers”, Springer, 2007
4. P. N. Bartlett (ed.), “Bioelectrochemietry, fundamentals,
experimental techniques and applications”, Willey & Sons,
2008.
5. W. Szczepaniak, „Metody Instrumentalne w analizie chemicznej”,
PWN, W-wa 2010.
6. A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary
Springer,2008
26
Dziękuje za uwagę
27