Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do zastosowań w

Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe
do zastosowań w biologii i medycynie
Zadanie 17
„Opracowanie podstaw działania sensorów na bazie
bioogniw i fotoogniw”
Krzysztof Noworyta, Piotr Pięta, Agnieszka Pietrzyk,
Włodzimierz Kutner
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk,
ul. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Czym się zajmujemy?
Nowe chemoczujniki do selektywnego oznaczania związków o znaczeniu
biologicznym
- Polimery wdrukowywane molekularnie jako warstwy rozpoznające
- Zastosowanie makrocyklicznych receptorów molekularnych do
przygotowywania warstw rozpoznających.
Wykorzystanie opracowanych warstw rozpoznających do budowy
czujników elektrochemicznych, mikrograwimetrycznych, czujników
opartych na tranzystorach ChemFET oraz na rezonansie plazmonów
powierzchniowych.
Wytwarzanie i badanie ultracienkich warstw fulerenów, metaloporfiryn i
nanorurek węglowych metodą Langmuira i Langmuira-Blodgett.
Elektrochemiczne i elektroforetyczne osadzanie cienkich warstw
materiałów kompozytowych (fulereny, nanorurki, metaloporfiryny) do
budowy urządzeń do przetwarzania i magazynowania energii.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Dostępna aparatura badawcza
Nowoczesne zestawy elektrochemiczne (potencjostaty/galwanostaty,
bipotencjostat, pomiary impedancji elektrochemicznej)
Zestaw do przygotowywania warstw Langmuira i Langmuira-Blodgett
(waga Langmuira wraz czujnikami ciśnienia i potencjału powierzchniowego oraz mikroskopem kąta Brewstera).
Mikroskop AFM/STM wraz z naczyńkiem elektrochemicznym.
Elektrochemiczne mikrowagi kwarcowe (w tym przepływowe).
Analizator sieciowy.
Przyrząd do pomiarów rezonansu plazmonów powierzchniowych (SPR).
Gradientowy wysokosprawny chromatograf cieczowy.
Przyrząd do testowania chemoczujników typu ChemFET.
Spektrofotometr UV-vis z przystawka do badań w trybie odbiciowym i w
świetle spolaryzowanym liniowo.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
It is there !!
Transducer
Recognition elements of
biosensors:
Recognition
element
- antibody receptors
Signal
processing
- enzyme receptors
- cell receptors
- microorganisms
- living plant or animal
tissues
Analyte
Interferants
A biosensor, an integrated receptor-transducer device,
provides selective quantitative or semi-quantitative
analytical information using a biological recognition
element.
D. R. Theavenot, et al., Pure Appl. Chem., 1999, 71, 2333.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Wdrukowywanie molekularne
Wdrukowywanie
niekowalencyjne
Wdrukowywanie
kowalencyjne
Przygotowanie zespołu cząsteczek
do polimeryzacji
Pre-aranŜacja
Polimeryzacja
Ekstrakcja
Substancja oznaczana
Monomery funkcyjne
Ekstrakcja z rozerwaniem
wiązań kowalencyjnych
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Zalety polimerów wdrukowywanych molekularnie
Wysoka odporność chemiczna.
MoŜliwość pracy w rozpuszczalnikach organicznych.
MoŜliwość pracy w szerokim zakresie kwasowości, mocy
jonowych i temperatur roztworu.
Wysoka selektywność.
Prostota i wysoka powtarzalność zarówno syntezy jak i działania.
Niski koszt wytwarzania.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Zalety osadzania polimerów wdrukowywanych molekularnie za
pomocą elektrochemicznej polimeryzacji
Brak konieczności stosowania inicjatora, światła UV lub podwyŜszonej
temperatury.
Osadzanie bezpośrednio na elektrodzie.
Łatwa kontrola grubości warstwy za pomocą wielkości przeniesionego
ładunku.
MoŜliwość kontrolowania morfologii powierzchni za pomocą doboru
odpowiednich rozpuszczalników i elektrolitów.
MoŜliwość kontrolowania zarówno właściwości wiskoelastycznych jak
i porowatości warstwy poprzez inkluzję jonów elektrolitu
podstawowego i dobór odpowiedniego rozpuszczalnika.
Dobra adhezja warstw polimerów do powierzchni elektrod.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Biblioteka monomerów funkcyjnych zdolnych do
polimeryzacji elektrochemicznej
R
S
S
S
OH
R=
S
Bis(2,2'-bithienyl) methane
R=
OH
O
O
O
O
O
O
Bis(2,2'-bithienyl)-3,4-dihydroxyphenyl methane
OH
Bis(2,2'-bithienyl)-benzo-[18-crown-6] methane
O
R=
R=
B
O
OH
Bis(2,2'-bithienyl)-3,5-dihydroxyphenyl
methane
Bis(2,2'-bithienyl)-4,4,5,5-tetramethyl2-phenyl-[1,3,2]dioxaborolane methane
R. Chitta and F. D’Souza, Chem. Dep., Wichita State University, Wichita, KS, USA
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Biblioteka polimerów sieciujących
α2 α2
X
α2
α1
α2
Y
S
S
S
S
S
α1
S
S
α2
α2
α2
S
S
S
S
α1
S
S
S
S
S
S
S
S
S
α1
α1
S
S
S
S
X=Y=H
T95
X=Y=D
T95(d2)
S
S
S
S
S
S
T146
S
S
α2
α2
S
S
S
S
α2
α2
T197
S
S
S
α2
S
S
S
S
SS
S
S
S
2,2'-bis(2,2'-bithiophen-5-yl)-3,3'-bi-1-benzothiophene
F. Sannicolòa, M. Capaccioa, P. Traldib, L. Falciolac, P. Mussinic
a
Department of Organic and Industrial Chemistry and Interdisciplinary Center for Nanostructured Materials and
Interfaces (CIMAINA), University of Milano, Milano, Italy.
b
CNR-ISTM Padova, Padova, Italy.
c
Department of Physical Chemistry and Electrochemistry and CIMAINA, University of Milano, Milano, Italy.
α1
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Zastosowanie elektrochemicznie osadzonego
polimeru wdrukowanego do wykrywania histaminy
15
10 20 30 40 50 60
70 80
90 100 mM
S
S
O
B
S
O
0
S
N
O
S
Resonant frequency change , Hz
HN
S
-15
O
S
+
N H3 O
O
O
O
S
n
-30
Warstwa MIP osadzona na
elektrodzie Pt
10 20 30 40 50 60
70 80
a
90 100 mM
0
-20
-40
Warstwa MIP osadzona na
warstwie poli(bitiofenu)
0
10
20
30
Time , min
b
40
A. Pietrzyk, S. Suriyanarayanan, W. Kutner, R.. Chitta, F.
D’Souza, “Histamine piezoelectric chemosensor using a
recognition film of the molecularly imprinted polymer of
bis(bithiophene) derivatives”, praca wysłana do druku.
Instytut Fizyki PAN, Warszawa 3-4.02.2009
Warstwy materiałów kompozytowych na bazie elektroforetycznie
osadzanych jednościennych nanorurek węglowych powierzchniowo
modyfikowanych kwasem 1-pirenobutanowym
a
b
Warstwa pyr-SWCNTs
pyr-SWCNTs|(C60-Pd)-PBT
O
CH
CH
O
O
O
O
HC
HC
HC
O
O
CH
CH
P.Pieta, E. Grodzka, K. Winkler, A. L. Balch, G. M. Venukadasula, F. D’Souza, W. Kutner, zgłoszenie patentowe
P386921 z dnia 24.12.2008