Traducatori Si Electrozi

CUPRINS

INTRODUCERE – O scurtă privire asupra senzorilor

Capitolul I. Senzorii

1.1. Tipuri de senzori

1.2. Considerații generale. Ce este senzorul?

1.3. Clasificarea senzorilor chimici și biochimici

1.4. Senzorii chimici

1.5. Senzorii electrochimici: Scurt istoric

1.6. Electrozi chimici modificați electrocatalitic

1.6.1. Principiul de construcție și de funcționare

1.6.2. Mediatori redox utilizați în construcția electrozilor

1.6.3. Proprietățiile mediatorilor redox

1.6.4. Aplicațiile mediatorilor redox

1.6.5. Electrozi chimici modificați bazați pe enzime

Capitolul II. Introducere în biochimie

2.1. Biochemosenzorii

2.2. Biosenzorii

2.2.1. Componentele biologice ale biosenzorilor

2.2.2. Tipuri de componente biologice

2.2.3. Clasificarea biosenzorilor în funcție de componenta

biologică

2.3. Bioelectrocataliza

2.4. Elemente specifice în tehnologia biosenzorilor

Capitolul III. Traducatori și electrozi

3.1. Traductorii

3.1.1. Clasificarea traductorilor

Tipuri de traductoril

3.2. Electrozii

3.2.1. Clasificarea electrozilor

3.2.2. Tipuri de electrozi

3.3. Biosenzorii electrochimici

3.3.1. Clasificarea biosenzorilor electrochimici

3.3.2. Biosenzorii cu fibră optică

3.4. Biosenzorii și nanotehnologia

3.4.1. Biosenzorii și nanoparticulele

3.4.2. Biosenzorii cu undă acustică

3.4.3. Biosenzorii optici

3.4.4. Biosenzorii magnetici

Capitolul IV. Partea experimentală

Capitolul V. Perspective pentru viitor

5.1.Viitorul senzorilor

5.2. Viitorul biosenzorilor

5.3. Proiecte de cercetare în domeniu

Capitolul VI. Concluzii

Capitolul VII. Bibliografie

Capitolul VIII. Aspecte metodico-pedagogice

INTRODUCERE

Cine, unde, când si cum? – O scurtă privire asupra senzorilor

Gândiți-vă că sunteți la bordul unui autovehicul. La un moment dat temperatura apei din radiator crește. Sunteți avertizat de acest lucru fie prin intermediul acului indicator, care trece pe zona periculoasă, fie prin intermediul unui semnal optic sau sonor de alertă. Poate v-ați întrebat cum de știe "mașina" că apa din radiator s-a încins? Pe scurt, temperatura apei este măsurată de un senzor, iar semnalul electric de la acesta este interpretat de un circuit de procesare.

Vă invit să aruncăm o scurtă privire asupra acestor dispozitive pe care le numim generic senzori și să vedem cum vor continua să influențeze viața oamenilor.

Definiția generică a senzorilor susține că aceștia sunt niște dispozitive care convertesc o mărime fizică într-un semnal informațional. Nimic mai adevărat!

Acest semnal informațional poate fi electric (cel mai des întalnit), mecanic sau optic (noua tendință în acest domeniu).
Pasul care urmează conversiei de care vorbeam este introducerea mărimii electrice într-un computer sau un microprocesor pentru a fi prelucrată, analizată și, după caz, afișată sau trimisă ca semnal de comandă pentru alte circuite.

Sistemele care folosesc senzori pot fi împărțite în:
-sisteme de măsură – unde o cantitate sau o proprietate este măsurată și valoarea ei este afișată;
-sisteme de control – informația este folosită pentru ca valoarea măsurată să îndeplinească anumite criterii ( spre exemplu, să fie egală cu o valoare dorită). [1]

Această lucrare prezintă lumea senzorilor chimici și a celor biochimici ce sunt prezenți în jurul nostru în viața de zi cu zi. Aici vom întalni și ne vom familiariza cu:

Definiția senzorilor;

Clasificarea senzorilor chimici și biochimici;

Senzorii electochimici;

Electrozi chimici modificați electrocatalitic;

Mediatori redox utilizați în construcția electrozilor chimic modificați;

Biosenzorii;

Traductori și electrozi ;

Tipuri de electrozi ;

Biosenzorii electrochimici ;

Biosenzorii cu fibră optică ;

Biosenzorii și nanoparticulele ;

Biosenzorii cu undă acustică ;

Biosenzorii optici ;

Biosenzori magnetici ;

Perspective asupra viitorului senzorilor și al biosenzorilor ;

Proiecte de cercetare în domeniu.

Capitolul I. Senzorii

1.1. Tipuri de senzori

O clasificare generală poate fi facută după tipul transferului de energie detectat. Astfel, am încadrat aceste dispozitive în câteva grupe majore:

– Senzori acustici – folosiți la măsurarea amplitudinii undei sonore, a fazei acesteia, a spectrului, a lungimii de undă etc. 
Exemple de aplicații practice în care sunt încorporați astfel de senzori includ microfoanele, seismometrele, SONAR-ele folosite pe submarine pentru calcularea distanței și altele.

Figura 1: Exemplu de senzor acustic: Sonarul.

– Senzori biologici – măsoară unii parametrii biologici, cum ar fi tipul de biomasă și concentrația acesteia.

Figura 2: Exemplu de senzor biologic: Biometrul.

– Senzori chimici – detectează prezența unor substanțe chimice specifice sau ale unor clase de astfel de substanțe (senzor de oxigen, pH-metru etc.).

Figura 3: Exemplu de senzor chimic : pH-metrul.

– Senzori electrici – aceștia ajută la evaluarea mărimilor electrice. Curentul, tensiunea, câmpul electric, conductivitatea, permitivitatea sunt măsurate și transmise apoi pentru afișarea sau prelucrarea multimetrelor și a celorlalte dispozitive care încorporează astfel de senzori.

Figura 4: Senzori electrici: Voltmetrul.

– Senzori magnetici – măsoară mărimi de genul câmpului magnetic, a conductivității și permitivității magnetice etc. Busolele magnetice electronice și aparatele ce se bazează pe efectul Hall (efect ce constă în devierea electronilor într-un semiconductor în prezența câmpului magnetic) sunt doar câteva exemple ale aplicațiilor ce înglobează senzori magnetici.

Figura 5: Exemplu de senzori magnetici: Busola electronică.

– Senzori mecanici – această categorie cuprinde foarte multe tipuri de mărimi ce pot fi "transmise electric" pentru prelucrare. Poziția poate fi ușor determinată prin intermediul acestor senzori. La fel si accelerația, presiunea, masa, densitatea, vâscozitatea etc. Un cântar electronic este o aplicație ce încorporează un senzor de masă. 

Apometrele utilizate în mod comun în apartamentele noastre cuprind senzori care măsoara fluxul de apă (cele mai multe sunt pur mecanice, dar, desigur, în varianta electronică, în care un procesor coordonează afișarea cifrelor pe un ecran sau prin intermediul unor digiți).

Și pentru că tot am amintit la început de automobile, trebuie mentionat că și vitezometrul și turometrul sunt exemple de dispozitive care au la bază senzori mecanici.

Figura 6: Exemplu de senzori mecanici: Cântar electronic.

– Senzori optici – detectează radiația luminoasă și măsoară anumite mărimi: amplitudinea și faza radiației, lungimea de undă, indicele de refracție, reflectivitatea etc. Exemple de implementări practice ale acestor senzori includ fotocelulele (utilizate, spre exemplu, la aprinderea automată a farurilor atunci când lumina ambiantă scade sub un prag), senzorii CCD si CMOS (utilizați la camere digitale foto și video), senzori de imagine etc.

În ultima vreme au prins teren în domeniul securității senzorii optici de recunoaștere biometrică. Accesul într-o incintă se poate realiza numai pe baza amprentei unei persoane sau (mai avansat) prin intermediul unei scanări de retină.

Figura 7: Exemplu de senzori optici: Aparat oftalmologic utilizat la scanarea retinei.

– Senzori de radiație – se folosesc de o radiație electromagnetică emisă sau detectată pentru a evalua diverse mărimi. 

De exemplu, sistemul RADAR este un exemplu tipic de dispozitiv care are la bază senzori de radiație. RADAR-ul emite o undă electromagnetică, putând determina poziția unor obiecte în spațiu în funcție de timpul și unghiul de întoarcere al undei reflectate de acel obiect.

Figura 8: Exemplu de senzori de radiație: Aparat RADAR.

– Senzori termici- sesizează schimbări ale temperaturii în diverse medii de propagare. Un termocuplu este un ansamblu format din două fire de metale diferite care intră în contact la un capăt. Schimbările de temperatură au ca efect crearea unei tensiuni între cele doua metale, aceasta putând fi tradusă pentru a fi afișată sau prelucrată. Termocuplele se folosesc pe scară largă.

Alte exemple de senzori termici includ termistoarele, termostatele, calorimetrele etc.).

Figura 9: Exemplu de senzori termici: Termistoare, termostate.

După cum se observă, am încercat să oferim și câteva exemple reprezentative pentru fiecare clasă de senzori despre care am amintit. 

Odată cu avansul tehnologiei, senzorii au pătruns în domenii în care cu câteva decenii în urmă nici nu se credea că vor putea aduce o contribuție însemnată. Și dacă ne uitam bine în jurul nostru, este aproape imposibil să nu vedem sau să nu știm că există măcar un senzor în preajmă. [1,2]

1.2. Connsiderații generale. Ce este senzorul?

Dicționarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul "senzor". Acesta a apărut odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreună cu alte noțiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adăugând o noțiune nouă unei terminologii tehnice.

Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de traductor.

Un traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

În unele domenii, în special în sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizează termenul de detector (detector în infraroșu, fotodetector,detectoare de mișcare etc.).

Figura 10: Exemplu de detector de mișcare.

Traductoarele introduse într-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie largă o constituie sistemele terminate în "-metru": de exemplu, "accelerometru" pentru măsurarea accelerației, "tahometru" pentru măsurarea vitezei unghiulare, “pH-metru” pentru măsurarea pH-ului, etc.

Ce este senzorul?

Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care aici au fost numite „senzori”.

Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supervizarea proceselor de producție de către om.

Cea mai solicitată și importantă funcție senzorială este cea vizuală, care asigură cantitatea preponderentă de informație, având și cea mai mare viteză de transfer (circa 3.106 biți/s). Vederea facilitează omului cantitate aproape totală a acțiunilor de investigare a mediului, identificarea obiectelor și a configurației, poziției și orientării lor, aprecierea distanțelor. Extraordinara perfecționare a simțului vizual explică, poate, absența altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci, delfini, balene ș.a. Funcția ochiului nu se rezumă la simpla preluare a unei imagini pe retină și transmiterea ei către creier, ci presupune și o serie de reglări inteligente, prin intermediul mușchilor optiză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care aici au fost numite „senzori”.

Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supervizarea proceselor de producție de către om.

Cea mai solicitată și importantă funcție senzorială este cea vizuală, care asigură cantitatea preponderentă de informație, având și cea mai mare viteză de transfer (circa 3.106 biți/s). Vederea facilitează omului cantitate aproape totală a acțiunilor de investigare a mediului, identificarea obiectelor și a configurației, poziției și orientării lor, aprecierea distanțelor. Extraordinara perfecționare a simțului vizual explică, poate, absența altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci, delfini, balene ș.a. Funcția ochiului nu se rezumă la simpla preluare a unei imagini pe retină și transmiterea ei către creier, ci presupune și o serie de reglări inteligente, prin intermediul mușchilor optici, ale cristalinului și irisului, precum și o prelucrare și compresie a datelor transmise.

Simțul auzului permite omului recepționarea undelor sonore din domeniul "audio", având frecvențe cuprinse între aproximativ 16 Hz și 16 kHz. Rata de transfer a informației auditive este de circa 2.104 biți/s. Acest simț stă la baza comunicației dintre oameni; asigură și funcții de investigare a mediului, prin receptarea unor sunete, precum și funcții de supraveghere a procesului de producție, în baza unor semnale sonore provenite de la sisteme de avertizare, a unor zgomote anormale.

Foarte importantă, inclusiv în procesele de producție, este sensibilitatea cutanată a omului, asigurată de multipli receptori implantați în piele. Au fost identificate următoarele forme de sensibilitate cutanată: sensibilitatea tactilă, sensibilitatea termică și sensibilitatea dureroasă.

Cele trei feluri de sensibilitate cutanată nu sunt răspândite uniform pe suprafața pielii. Sensibilitatea tactilă este dezvoltată, în special, pe pielea de pe fața volară a vârfurilor degetelor, iar sensibilitatea termică este mai accentuată pe fața dorsală a mânii, unde există și o sensibilitate dureroasă accentuată. Receptorii cutanați sunt specializați.

Simțul mirosului (olfactiv) de 102 biți/s și cel gustativ de 10 biți/s sunt extrem de utile umanității în viața de zi cu zi. Ele sunt utilizate de om într-un număr restrâns de procese de producție din industria alimentară, cea cosmetică și multe alte domenii.

Sistemele mecatronice trebuie să fie capabile să identifice, în anumite condiții și limite, parametri ai mediului ambiant și să reacționeze la modificări ale acestora.

Extrapolând considerațiile despre sistemele senzoriale ale lumii vii la sistemele mecatronice, prin senzor se va înțelege dispozitivul tehnic destinat înzestrării mașinilor cu simțuri. Are rolul determinării unei sau unor proprietăți, și, în funcție de nivelul de integrare, poate avea funcții mai simple sau mai complexe (figura 11 ).

Figura 11 : Structuri ale sistemelor senzoriale

Senzorul cuprinde traductorul sau traductoarele pentru transformarea mărimii de intrare

într-un semnal electric util, dar și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor și, eventual, pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor. [1,21]

1.3. Clasificarea senzorilor chimici și biochimici

Senzorii sunt în mod normal construiți pentru a opera în condiții particulare bine stabilite pentru detectarea de analiți specifici din anumite tipuri de probe.Astfel, nu este mereu necesar ca un senzor să răspundă specific la un singur analit. În condiții de operare bine controlate, semnalul analitic poate fi independent de alte componente ale probei. De altfel, senzorii nespecifici, dar cu o reproductibilitate satisfăcătoare pot fi utilizați în serie pentru analiza mai multor componenți, utilizând o procesare a semnalului bazată pe o calibrare multivariată. Asemenea sisteme se numesc „rețele de senzori”.

Dezvoltarea instrumentației, a microelectronicii și computerelor fac posibilă realizarea de senzori mai performanți bazați pe utilizarea de fenomene chimice, fizice și biologice aplicate deja în chimia analitică.

Senzorii chimici și biochimici pot fi clasificați în funcție de principiul de operare al traductorului astfel:

Dispozitivele optice: transformă în semnal analitic modificarea diferitelor fenomene optice produse de interacția analitului cu receptorul senzorului.În funcție de tipul de fenomen optic care e utilizat, avem:

Absorbanța, măsurată într-un mediu transparent,cauzată de absorbtivitatea analitului însuși sau de o reacție a acestuia cu un indicator corespunzător.

Reflectanța, este masurată în medii netransparente, în mod uzual utilizând un indicator imobil.

Luminiscența, bazată pe măsurarea intensității luminii emise de o reacție chimică.

Indicele de refracție, măsurat ca rezultat al schimbărilor în compoziția soluției.

Efectul optotermic, bazat pe măsurători ale efectului termic cauzat de lumina absorbită.

Dispersia luminii, produsă de particule de un anumit volum prezente în probă.

Dispozitivele electrochimice: transformă efectul interacției electrochimice analit-electrod în semnal analitic. Interacțiile pot avea loc spontan sau pot fi stimulate electric (exemplu: prin aplicarea unui potential).Se disting următoarele subgrupe:

Senzorii voltametrici, în care este măsurat un curent alternativ sau continuu. Această subgrupă include senzorii bazați pe electrozi chimici inerți și electrozi chimici modificați. De asemenea sunt incluși senzorii cu sau fără sursă externă de potențial.

Senzorii potențiometrici, în care potențialul electrodului indicator (electrod ion selectiv, electrod redox etc.) este măsurat față de electrodul de referință.

CHEMFET (tranzistor cu efect de câmp), în care efectul interacției între analit și suprafața activă este transformată într-un semnal cuantificabil.

Figura 12: Reprezentare schematică a unei modificări chimice a unui tranzistor cu efect de câmp, FET-CHEMFET.

Dispozitivele electrice în care se măsoară un semnal produs de modificările de natură electrică indusă de analit, dar care nu implică procese electrochimice. În această categorie avem:

Senzorii bazați pe măsurarea conductivității electrice.

Senzorii semiconductori din oxizii de metale bazați pe procese redox reversibile utilizați în general pentru detecția gazelor.

Dispozitivele sensibile la masă: care transformă variații ale masei pe suprafața modificată în mod specific, în schimbări ale proprietăților suportului. Modificarea masei e produsă de acumularea analitului.

Dispozitive piezoelectrice bazate pe măsurarea schimbării frecvenței unui cristal de cuarț produsă de absorbția analitului pe oscilator.

Dispozitive bazate pe unde acustice de suprafață care înregistrează modificarea vitezei de propagare a unei unde acustice afectată de depunerea unei mase definite de analit.

Dispozitive magnetice în care se măsoară variația proprietății magnetice a unui gaz. În această categorie sunt incluși anumiți detectori de O2 .

Dispozitivele termometrice bazate pe măsurarea căldurii produsă de o reacție chimică sau absorbția analitului. Măsurarea variației de temperatură poate fi bazată pe mai multe principii de funcționare cum ar fi catalizarea unei reacții de combustie sau a unei reacții enzimatice.

Alte proprietăți fizice cum ar fi , de exemplu: radiația electromagnetică cu energie înaltă de tip X, β sau δ utilizată pentru detectarea compoziției chimice a probei.

Această clasificare reprezintă una din posibilele alternative, numeroase dispozitive fiind la granița dintre categorii. Exemple de aplicații pentru senzori chimici și biochimici avem în tabelul 1.

Tabelul 1: Exemple de analiți pentru senzorii chimici și biochimici din diferite domenii.

1.4. Senzorii chimici

Senzorul chimic este un dispozitiv ce furnizează un semnal analitic utilizat pentru a caracteriza din punct de vedere chimic o probă, obținându-se o informație chimică pentru determinarea concentrației unui anumit component al probei până la analiza compoziției totale. Informația chimică, poate proveni fie de la o reacție chimică specifică analitului, fie de la o proprietate fizică particulară a sistemului investigat. Un senzor chimic este o componentă esențială a unui analizor. Analizorul poate conține dispozitive care îndeplinesc următoarele funcții: prelevarea și prelucrarea probei, transportul probei, procesarea semnalului. În cazul în care analizorul ne poate furniza informații analitice continuu, în timp el devine un sistem de monitorizare.

Senzorii chimici conțin două unități funcționale de bază: receptorul și traductorul. Unii senzori pot conține și un separator care, de exemplu poate fi o membrană. Rolul receptorului este de a transforma informația chimica într-o formă de energie care poate fi măsurată de traductor.

Traductorul este un dispozitiv capabil să transfere informația chimică despre probă într-un semnal analitic util. Traductorul fără receptor nu posedă selectivitate față de compoziția chimică. Funcționarea receptorului se poate baza pe numeroase principii:

Fizic, unde nu are loc reacția chimică. Exemple tipice sunt cele bazate pe măsurători de absorbanță, indice de refracție, conductivitate, temperatură sau schimb de masă.

Chimic, în care o reacție chimică cu participarea analitului duce la apariția semnalului analitic.

Biochimic, în care procesul biochimic este sursă de semnal analitic. Exemple tipice sunt senzorii enzimatici, imunologici sau microbiologici. Acești senzori se numesc și biosenzori și pot fi considerați o subclasă a senzorilor chimici. [2,3]

1.5. Senzorii electrochimici: Scurt istoric

Cei mai vechi senzori electrochimici datează încă din anii 1950 și au fost utilizați pentru monitorizarea oxigenului. Mai recent, din momentul în care OSHA (Occupational Safety and Helath Administration) a început să ceară monitorizarea gazelor toxice și combustibile în aplicațiile din spații închise, au început să se dezvolte senzori noi mult mai performați. Pe la mijlocul anilor 1980, au apărut o serie de senzori electrochimici miniaturali utilizați pentru detectarea multor gaze toxice, cu senzori care prezintă o bună sensibilitate și selectivitate. În prezent, o mare varietate de senzori electrochimici sunt utilizați în multe aplicații de laborator sau sunt portabili.

Dimensiunea fizică, geometria, selectarea diferitelor componente și construcția unui senzor electrochimic de obicei depinde de utilizarea ulterioară. În fapt, aspectul senzorilor electrochimici utilizați în determinarea diferitelor gaze poate fi similar, dar funcțiile acestora să fie foarte diferite.

De exemplu, un senzor pentru determinarea concentrațiilor scăzute de gaz cu o sensibilitate foarte mare, utilizează o membrană hidrofobică cu porozitate mare și capilaritate mai puțin restrictivă pentru a permite trecerea unui număr mai mare de molecule și de a produce un semnal mai puternic pentru o sensibiliate mai bună.

Astfel, un senzor electrochimic cu sensibilitate mai mare va avea un timp de viață releativ mai scurt datorită pierderii umidității prin membrana poroasă.

Figura 13: Senzor de presiune cu membrană

În mod similar, compoziția electrolitului și materialul folosit pentru electrod sunt selectate pe baza reactivității chimice a gazului de măsurat. Prin selectarea atentă a electrolitului și a electrodului, se poate obține o selecție adecvată pentru gazul de măsurat, dar sensibilitatea de măsurare poate fi redusă.

Prin urmare, senzorii electrochimici diferiți pot să fie foarte asemănători dar, să fe construiți din materiale diferite precum electrodul, compoziția electrolitului și porozitatea barierelor hidrofobe. În plus, o serie de senzori electrochimici utilizează energie electrică externă pentru ai face să reacționeze cu gazul de măsurat. Toate componentele senzorului joacă un rol foarte mare în determinarea tuturor caracteristicilor acestuia. [4]

Figura 14 : Elementele componente ale unui senzor de temperatură: 1.blocul motor; 2.carcasa metalică; 3.termistorul; 4.contactele electrice.

1.6. Electrozi chimici modificați electrocatalitic

1.6.1. Principiul de construcție și de funcționare

Un electrod chimic modificat poate fi definit ca reprezentând o modificare rațională intenționată a structurii moleculare, a suprafeței electrozilor convenționali, în scopul utilizării lor în cadrul unor aplicații specifice .

Electrozii chimic modificați (CMEs) se bazează pe fixarea unui centru redox pe suprafața electrodului. Acesta funcționează ca un mediator pentru transferul rapid de electroni spre molecula de substrat, fiind oxidat sau redus lent (sau deloc în unele cazuri) la suprafața unui electrod convențional.

În principiu, mediatorul poate fi considerat că funcționează ca un transportor de electroni între electrod și compusul de analizat. Cazul discutat mai sus reprezintă unul ideal, care în practică poate fi mult mai complex.

Necesitatea unei astfel de medieri apare ori de câte ori viteza directă a transferului de electroni este mică, atunci când la nivelul unui electrod convențional este necesară aplicarea unui suprapotențial pentru a face ca reacția redox să aibe loc cu o viteză apreciabilă.

Prin utilizarea unui CME oxidarea sau reducerea compusului de analizat are loc la valoarea potențialului redox al mediatorului.

În concluzie, prin fixarea intenționată a unui mediator adecvat pe suprafața electrozilor convenționali, aceștia pot căpăta noi proprietăți, cum ar fi: mărirea vitezelor de reacție electrochimică și a selectivității, eliminarea fenomenelor de adsorbție, precum și obținerea unor caracteristici optice speciale.

Un electrod chimic modificat ideal pentru aplicații analitice presupune funcționarea continuă și de durată în sisteme în flux și trebuie să prezinte următoarele caracteristici:

O bună stabilitate mecanică și chimică atât ale electrodului de bază și a grupării modificatoare, precum și a legăturii dintre electrod și acesta din urmă;

Reproductibilitatea pe o anumită perioadă și stabilitate în timp a activității grupării modificatoare, față de compusul de analizat;

Flexibilitate în capacitatea de legare a grupării modificatoare;

Un domeniu larg de linearitate a răspunsului;

Curenți de bază mici și stabili pe domeniul de potențial utilizat;

Compatibilitatea cu o gamă largă de solvenți apoși și organici.

În ultima perioadă au fost folosite diferite procese de imobilizare a unor compuși chimici pe electrozi de diferite tipuri ( în ceea ce privește materialul și construcția acestora), dar majoritatea proceselor au avut la bază câteva tehnici:

Adsorbția directă a modificatorului pe suprafața electrodului;

Legarea covalentă a modificatorului la un centru specific al suprafeței;

Acoperirea fizică a suprafeței cu un polimer conținând modificatorul;

Amestecarea modificatorului cu o matrice conductivă (pastă conductivă).

Dintre cele patru metode de fabricare prezentate, ultimele două par să facă cea mai posibilă obținerea unui electrod ideal.

Folosirea CMEs în chimia analitică se bucură de un succes considerabil. Prin modificarea chimică a suprafeței electrozilor, a fost posibilă obținerea unei varietăți de electrozi chimic modificați, prin intermediul cărora pot fi determinați un număr mare de compuși chimici. Datorită selectivității și sensibilității mărite, electrozii chimic modificați sunt ideali pentru electroanalize. CMEs și-au găsit largi aplicații, dintre care în: electroanaliză, preconcentrare, permeabilitate selectivă și recunoaștere specifică, calea fiind încă deschisă și spre alte aplicații . [6]

1.6.2. Mediatori redox utilizați în construcția electrozilor

Mediatorii redox sunt utilizați în construcția senzorilor biochimici în diferite scopuri. Datorită dificultăților de a realiza un transfer direct de electroni între enzime și electrozi s-a apelat la utilizarea unor molecule mici electroactive, care se numesc ˝mediatori˝, aceștia mărind viteza cu care are loc transferul de electroni.

Mediatorii redox sunt molecule chimice organice sau complecși organici care pot avea proprietăți catalitice asupra unor compuși. Compusul de analizat (substratul în forma redusă Sred) difuzează în soluție spre suprafața electrodului, unde este oxidat în urma reacției chimice. cu forma oxidată a mediatorului (Mox). La nivelul electrodului se aplică un potențial suficient de pozitiv pentru ca forma stabilă a mediatorului (Mred) rezultată în urma reacției electrochimice cu schimb de electroni, să fie rapid reoxidată la forma activă catalitic.

Figura 15 : Formarea unui mediator redox

1.6.3. Proprietățiile mediatorilor redox

Un mediator ideal prezintă următoarele proprietăți:

1. stoechiometria reacției cu transfer de electroni bine definită.

2. un potențial formal E0 cunoscut.

3. un transfer electronic omogen și heterogen rapid.

4. solubilitate mare în mediul apos, la pH apropiat de 7.

5. stabilitate în formă oxidantă cât și redusă.

6. să nu prezinte interferențe optice în domeniul în care se face determinarea compusului de analizat.

7. să nu interacționeze cu compusul de analizat într-o manieră care să altereze potențialul său redox.

În general, se recomandă utilizarea mai multor mediatori redox în scopul studierii interacției dintre aceștia și biocomponentul de analizat. Este de dorit ca potențialul redox al biocomponentului să nu varieze, în caz contrar, se poate presupune existența unei interacții între mediatorul redox și biocomponent. Potențialul formal al compusului de analizat este un alt criteriu important în alegerea mediatorului. Potențialul formal al mediatorului ar trebui să fie nul la începerea studierii biocomponentului. Parametrul care urmează să fie măsurat, nu trebuie să varieze la utilizarea unui variator, astfel interacția mediator-compus nu mai are loc corespunzător.

1.6.4. Aplicațiile mediatorilor redox

Dintre mediatorii cu proprietăți catalitice se menționează: ftalocianinele, porfirinele, compușii fenantrolinici. Dintre cei mai bine cunoscuți mediatori putem menționa Co-ftalocianinele (depuse pe un electrod de pasta de carbon) și polimerul de ruteniu organic, electrod depus pe electrodul de Pt sau de carbon sticlos.

Aceștia au fost frecvent folosiți datorită activității lor catalitice pentru o mare varietate de analiți, și datorită solubilității limitate care le permite să fie stabili după depunerea pe suprafața electrodului.

În figurile 16 și 17 sunt ilustrate reprezentările schematice ale electrozilor pastă de carbon modificați.

Figura 16: Reprezentarea schematică a electrodului pastă de carbon modificat cu silicea mezoporoasă hexagonal organofuncționalizată HMS-NH2AcAc

Figura 17: Reprezentarea schematică a electrodului pastă de carbon modificat cu silicea mezoporoasă hexagonală funcționalizată HMS-GlyGlyHis

Compușii asupra cărora au acțiune O-ftalocianinele depuse pe electrod sunt: hidrazinele, tiolii, acidul uronic. În procesul redox ce are loc, se realizează electrooxidarea Co(II) din centrul catalitic activ, la Co(III). Baldwin și colaboratorii săi au descris metode pentru determinarea hidrazinei, cisteinei, glutationului, carbohidraților și polialcoolilor.Alți mediatori sunt complecșii cu Mn(III) și Fe(III) depuși pe electrodul de pastă de carbon. Ei pot cataliza reducerea oxigenului.

Recent, complecșii de Fe(II)-fenantrolină au fost introduși ca mediatori pentru electrozii de pastă de carbon în scopul oxidării sau reducerii catalitice a oxizilor de N, SO2 și H2S, în sisteme speciale în flux.

Albastrul de Prusia prezintă activitate catalitică față de reducerea oxigenului sau a compușilor peroxidici în medii acide și a fost utilizat ca mediator depus pe electrod de Au.

A fost menționat și un grup de electrozi pe care se depun straturi de oxizi metalici. Deși nu puteau fi considerați CMEs, ei se asemănau cu aceștia datorită aplicațiilor numeroase în cromatografia de lichide. Dintre metalele folosite pot fi amintite Pt, Au, Ni, Cu, Ru. La folosirea metalelor nobile ca Au sau Pt, stratul de oxid a dovedit o activitate catalitică capabilă să medieze reacții de dehidrogenare sau oxidare a unui număr important de compuși. Întotdeauna produșii de reacție ai procesului anodic sunt puternic adsorbiți pe metal, ceea ce conduce la întreruperea semnalului, datorită blocării sistemelor active de pe suprafață, necesare pentru noi procese de oxidare.

Alți compuși foarte importanți detectați cu acești electrozi sunt: carbohidrații, derivați ai acestora, aminoacizii. Electrozii de pastă de cărbune care conțineau eteri coroană, tropolone și fenantroline, au fost folosiți la determinarea Co și Pb. Unii electrozi au fost modificați prin folosirea la suprafața lor a unui film polimeric care conține compuși de tip violagenic, chinone și bipiridin ruteniu legat de polivinil-piridina.

O serie de mediatori redox au fost utilizați în construcția electrozilor chimic modificați cu enzime: ferocenii, O-fenilendiamine, chinone, fenoxazine, fenazine, tetrahidrofulvene (TFF). Dintre aceștia, ferocenii și derivații lor au fost cel mai des folosiți. Ferocenilor li s-a acordat o atenție deosebită datorită proprietăților  lor legate de hidrofobicitate, proprietăților electrochimice, posibilității de a fi modificați structural inducându-se astfel o modificare a potențialului lor redox. Hidrofobicitatea este un factor important deoarece previne desprinderea mediatorului de suprafața electrodului când acesta este utilizat în sisteme apoase.

Electrozii enzimatici amperometrici pentru glucoză, acid lactic și acid glutamic au fost construiți utilizând glucozo-oxidaza (GOX), lactato-oxidaza și glutam-oxidaza imobilizați pe un electrod cărbune sticlos, modificat cu polianilinometilferocen. În acești biosenzori enzimatici, H2O2 formată în reacția enzimatică a glucozei, acidului lactic și acidului glutamic, cu O2 în reacția enzimei corespunzătoare, a fost detectată la –50mV.

Figura 18 : Ferocen pentru sinteză

Datorită detecției la potential mic aplicat, compușii electroactivi ca acidul ascorbic, acidul uric, nu interferă în analiză.

Un ferocen substituit mediază transportul de electroni dintre glucozoxidaza imobilizată și un electrod de grafit. Acest sistem este independent de oxigen; ionii de fericiniu înlocuiesc O2, drept cofactor. Odată reduși, acești ioni pot fi generați la suprafața electrodului.

Biosenzorii care au la bază enzime din clasa oxido-reductazelor utilizează O2 ca acceptor de electroni, având rolul de a reduce enzima în starea redox inițială. În tabelul 2. sunt redate o serie de enzime electroactive din clasa oxido-reductazelor.

Tabelul 2. : Oxido-reductaze electrocatalitic active

O problemă care se ridică în cazul utilizării oxidoreductazelor este aceea că O2 este un factor limitativ în condițiile operării biosenzorilor la concentrații mari de substrat. De asemenea, H2O2 rezultat în urma reacției enzimatice conduce la inactivarea multor enzime. [5]

Dehidrogenazele sunt folosite mai rar în construcția unor astfel de electrozi comparativ cu oxidorectazele, deoarece cofactorul enzimatic NAD+/ NADH este mult mai dificil de a fi redus în mod reproductibil la suprafața electrozilor.

În figura 19, avem oxido-reducerea NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide ).

Figura 19: Reprezintă oxido-reducerea NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide )

În majoritatea cazurilor de construire a unor senzori bazați pe dehidrogenaze este aplicată reacția de oxidare. La nivelul electrozilor metalici această reacție apare la o valoare de suprapotențial de aproximativ 1 V și decurge printr-un mecanism radicalic, fapt care ridică o serie de probleme legate de acoperirea suprafeței electrodului și interferențele posibile datorită unor specii în soluția de analizat. Toate acestea fac ca metoda de regenerare a NAD+ să nu fie cea mai adecvată în cazul electrozilor enzimatici ampermetrici.

Un număr de cercetători au căutat să găsească suprafețe de electrod catalitice, la care reacția să apară rapid la valori mici de potențial. Aceste studii au avut la bază electrozi chimic modificați (CMEs). În cazul CMEs, un mediator redox este modificat printr-o metodă oarecare la suprafața electrodului, iar transferul de electroni dintre speciile de determinat din soluție, NADH și electrod, are loc prin intermediul acestuia.

În general un mediator trebuie să combine o cinetică omogenă a reactivilor cu molecula de interes și cu o cinetică de electrod rapidă.

Cercetările inițiale au fost axate pe studiul ortochinonelor ca mediatori pentru oxidarea NADH-ului, dar electrozii obținuți nu ar fi putut fi folosiți cu success în construcția biosenzorilor datorită stabilității lor reduse.

1.6.5. Electrozi chimici modificați bazați pe enzime

Unul din factorii care limitează aplicațiile practice în chimia analitică a senzorillor chimici este selectivitatea. Folosirea enzimelor imobilizate, ( pe lângă mediatorul redox M) , la construcția electrozilor, rezolvă problema selectivității. Apărând astfel și o nouă clasă de detectori numiți electrozi chimic modificați bazați pe enzime imobilizate (lb. Eng. IECMEs).

Studiile privind IECMEs au luat amploare mai ales în ultimii ani, IECMEs fiind instrumente analitice care combină selectivitatea, specificitatea și capacitatea catalitică a enzimelor pentru substratul lor natural, cu avantajele detecției electrochimice.

În ultima decadă, electrozii chimic modificați, și-au găsit largi aplicații în construcția biosenzorilor, care sunt electrozi chimic modificați bazați pe enzime, ce combină specificitatea, selectivitatea și capacitatea catalitică a enzimelor față de substratul lor natural, cu avantajele detecției electrochimice. Biosenzorii bazați pe enzime pot fi folosiți în mod selectiv în cadrul analizei unor compuși diverși. Un factor care limitează atingerea întregului potențial de proiectare și realizare a acestor senzori este legat de proprietățile enzimei ca atare.

În ultimii ani o atenție deosebită s-a acordat unei noi clase de enzime, quino-proteinele, care prezintă diferite activități enzimatice asupra unor substanțe de importanță biologică.

Se presupune că prin utilizarea acestor quino-proteine în construcția biosenzorilor se poate realiza un transfer direct între centrul activ al enzimei și electrod, eliminându-se utilizarea mediatorilor redox. Schimbul de electroni direct ( fără mediatori) între o grupare redox a proteinei și suprafața electrodului, a fost studiată pentru un număr de proteine ca: citocromul, plastocianina, azurine, glucoz-oxidaza.

Figura 20 : Schema reacției dintre oxidarea metanolului la quinoproteina.

În ultimii ani au fost realizați biosenzori amperometrici și potențiometrici, care pe lângă mediatorul redox include și biomolecule, rezultând o nouă clasă de detectori numiți electrozi chimici modificați bazați pe enzime imobilizate. În literatura de specialitate, există o serie de revizuiri prezentând principiul de construcție și funcționare, precum și principalele caracteristici și aplicațiile electrozilor chimicii modificați bazați pe enzime imobilizate.

Sunt două căi de cuplare a procesului de electrod cu reacția enzimatică. Prima aproximare este bazată pe utilizarea mediatorilor de mărime moleculară mică. În acest caz reacția de transfer de electroni are loc fără mediatori. Regenerarea mediatorului are loc pe suprafața electrodului. Tehnicile de imobilizare constau în metode fizice și chimice de imobilizare, cât și în combinații ale acestora. Principalele metode fizice sunt adsorbția pe matrici insolubile și entraparea în geluri insolubile. Imobilizarea chimică este efectuată prin legarea covalentă pe suporturi derivatizate sau legarea încrucișată intermoleculară a biomoleculelor. [7, 8]

Procedeele de imobilizare a enzimelor sunt prezentate sistematizat în tabelul 3.

Tabelul 3. Procedee de imobilizare a enzimelor.

Capitolul II. Introducere în biochimie

Biochimia este o ramură de studiu a proprietăților și a comportamentului unor importante substanțe biochimice de tipul proteinelor, enzimelor, hormonilor, imunoglobulinelor și a acizilor nucleici. Cele mai recente cercetări în domeniul biologiei și medicinei se bazează pe dezvoltarea noilor tipuri de electrozi ion-selectivi cu membrană și a senzorilor cu membrană biocatalitică. În ultimii ani, s-a demonstrat că electrozii posedând anumite grupări chimice legate în mod intenționat pe suprafața lor, prezintă anumite avantaje comparativ cu electrodul de bază. Una din proprietățile lor cele mai importante, care au făcut obiectul unor studii intensive, o reprezintă capacitatea CMEs de a cataliza oxidarea sau reducerea anumitor compuși chimici, care prezintă suprapotențiale mari la nivelul electrozilor nemodificați, ei putând fi determinați cantitativ prin intermediul metodei electrochimice tradiționale.

O alternativă pentru micșorarea suprapotențialului, o reprezintă utilizarea CMEs conținând mediatori redox adecvați, imobilizați pe suprafața electrozilor convenționali. În scopul studierii comportării electrochimice a unor compuși, se folosesc, acești mediatori redox, pentru a facilita procesele de transfer a electronilor. Deoarece CMEs conduc la micșorarea potențialului formal de oxidare sau reducere a unor compuși chimici de importanță biochimică, acești electrozi au implicații directe în domeniul chimiei analitice.

În particular, ei pot înbunătăți mult posibilitățile de detecție electrochimică în cadrul cromatografiei de lichide (LC), unde selectivitatea și sensibilitatea sunt direct dependente de potențialul impus de electrod, în scopul realizării reacției dorite.

În acest sens, CMEs prin caracteristicile lor, și-au găsit multiple aplicații ca detectori amperometrici, în cadrul cromatografiei de lichide de înaltă performanță (HPLC). 

Figura 21 : Fotografie a unui aparat HPLC

Biochemosenzorii

Biochemosenzorii sau senzorii biochimici, sunt dispozitive care introduse într-un mediu biologic, oferă la ieșire semnale electrice măsurabile ce caracterizează acest mediu. Aceștia pot avea la bază o serie de senzori chimici, cum ar fi: electrozii de pH, electrozii ionselectivi (EIS) etc. Modelul schematic este similar cu cel prezentat în figura 23.

Figura 22: Schema tipică a unui instrument de control și măsurare în senzor.

Semnalul de la senzor trece într-un buffer (amplificator operațional), cu impedanță mare de intrare și protecție. Semnalul este digitizat de către ADC transformându-se din analog în digital. În formă digitală poate fi procesat, stocat, afișat, disponibil spre alte locații prin rețeaua de comunicații.

 Biochemosenzorii convenționali utilizează un electrod electrochimic, ca element de conversie a semnalului biochimic, într-un semnal electric, în timp ce tipurile mai noi utilizează traductori cum ar fi: fibrele optice, dispozitivele piezoelectrice, tranzistorii cu efect de câmp (FET), SAW (unde acustice de suprafață). Biochemosenzorii detectează, practic, specii electroactive produse sau consumate într-o reacție de orice tip.Toți biosenzorii sunt mai mult sau mai puțin selectivi (non-specifici) pentru un anumit analit, unii sunt prin construcție și concepere doar specifici pe o anumită clasă de analiți, dacă folosesc clasa enzimelor (ex: biosenzori pentru detecția fenolului) sau celule (ex: în măsurarea consumului biologic de oxigen).

Noțiunea de recunoaștere este deseori folosită la biosenzori sau în sistemele biosenzoriale, prin asociere cu sistemele senzoriale ale corpului uman. Simțurile ca mirosul sau gustul, sunt alcătuite din sisteme ce conțin o celulă receptoare pentru identificare, cuplate cu căi neurotransmițătoare de procesare și prelucrarea semnalelor.

Fenomene de acest tip au loc și în biochemosenzori dar la nivel mult simplificat față de complexitatea recunoașterii moleculare din sistemele vii. De reținut că toți biosenzorii indiferent de tipul de clasificare, trebuiesc tratați unitar ca un microsistem, elementul de recunoaștere biologic fiind în contact direct cu elementul traductor .

Biosenzorii

Biosenzorul constă în cuplarea spațială între un substrat biologic activ (receptorul), imobilizat pe un traductor de semnal (dispozitiv electronic) și un circuit electronic de amplificare. Toate aceste elemente integrate într-o singură capsulă, poartă numele de biocip. În figura 24 este prezentată schematic structura bloc a unui biosenzor.

Figura 23 : Prezentarea schematică a unui biosenzor.

O problemă specifică a biosenzorilor este imobilizarea receptorilor pe suprafețele dispozitivelor electronice. Doar informativ, dăm ca exemple câteva metode:

adsorbția biomoleculelor pe suprafețe ce utilizează forțele de adeziune, iar alteori forțele de atracție electrostatică;

captarea biomoleculelor în geluri din polimeri, deoarece fixarea moleculelor este mai sigură;

crearea unor reacții chimice prin care biomoleculele se leagă covalent de elementele traductorului.

Substanța purtătoare a diverșilor liganzi, poate fi: ser, limfă, sânge; generic o vom denumi biolichid. Spre exemplu, în sânge există o multitudine de liganzi. Receptorii au rolul de a extrage din acel amestec o singură substanță, pentru care au afinitate.

Această substanță, pentru analiza căreia a fost conceput biosenzorul, o vom numi analit. Spre exemplu, dacă se dorește măsurarea concentrației de glucoză din sânge, se folosește ca receptor enzima GOD (glucozoxidază), iar analitul este glucoza.

Modificările ce au loc în biosenzor la reținerea analitului, pot fi: modificarea grosimii unui strat, schimbarea indicelui de refracție, schimbarea temperaturii, modificări în absorbția luminii, creșterea sarcinii electrice, modificări de potențial electric sau de curent electric. [9]

2.2.1.Componentele biologice ale biosenzorilor

Un senzor ideal este un dispozitiv care va detecta un “analit”, țintă supusă analizei, și care este prezent într-o probă dată. Majoritatea probelor conțin și alți “analiți” care pot interfera cu răspunsul biosenzorului. Acesta trebuie să posede o selectivitate specifică pentru a identifica “analitul” țintă. Prin urmare, este necesar să se proiecteze biosenzori cu selectivitate pentru un “analit” cu capacitatea de discriminare a interferențelor produse de ceilalalți componenți din proba analizată.

Figura 24:  Diagrama schematică a principalelor componente ale unui biosensor:

Bioreceptor (a) 2. Traductor (b) 3. Amplificator (c).

Capacitatea de identificare și selectivitate specifică reprezintă componenta cheie a recunoașterii moleculare.

Recunoașterea moleculară se realizează prin componenta din senzor formată din o moleculă gazdă , ce se leagă selectiv cu “analitul” țintă ce necesită a fi identificat.

2.2.2.Tipuri de componente biologice

Biosenzorii utilizează sisteme biologice cu diferite nivele de recunoaștere ale substanțelor ce vor fi determinate. Primul pas în această identificare este formarea complexului specific al substanței biologice active, imobilizate, R ( substratul cu componentă biologică senzitivă) cu analitul A (definit adeseori ca semnal chimic). În tabelul 4, sunt prezentate succint scheme specifice după care este conceput un biosenzor în relație cu natura receptorului și a semnalului chimic sau biochimic. Se constată că există două clase generale de biosenzori care sunt bazați pe răspunsul datoriat bioafinității dintre R cu A, ce poate modifica distribuția de sarcini electrice și care poate fi măsurată cu ajutorul traductorilor specifici.

Tabelul 4: Clasificarea biosenzorilor după activitatea biologică:

Componenta biologică din care este alcătuit elementul de recunoaștere moleculară (R), este reprezentată prin diferite specii active ce pot fi: enzime sau sisteme enzimatice, anticorpi (Ab) sau antigeni (Ag), receptori, populații de bacterii sau celule eucariote, fragmente de țesuturi, uneori chiar celule embrionare. Analiții sau substanțele ce pot fi analizate (A) sunt: glucoza sau alte zaharuri, aminoacizi, alcooli, lipide, nucleotide. Ei pot fi identificați prin interacția lor specifică, sau poate fi masurată concentrația lor prin diverse metode. Atât R cât și A reprezintă specii moleculare distincte, cu înaltă specializare macromoleculară (anticorpi, antigene, enzime, receptori, etc), sau sunt sisteme complexe (celule, țesuturi, chisturi de protozoare, ouă de paraziți intestinali).

Din cele prezentate mai sus și din tabelul 4 observăm că biosenzorii se pot clasifica în general în două grupe, după componenta biologică :

Senzori catalitici ce utilizează enzime, microorganisme sau celule pentru a cataliza o reacție cu o substanță țintă.

Senzorii de afinitate ce utilizează anticorpi, receptori și acizi nucleici ce se leagă de o substanță țintă. Reacțiile sunt cuantificate prin traductori electrochimici, optici.

2.2.3. Clasificarea biosenzorilor în funcție de componenta biologică

După componenta biologică activă, ei pot fi subclasificați după cum urmează:

Biosenzorul enzimatic.

Enzimele sunt proteine cu înaltă energie, caracterizate prin funcția lor catalitică. Moleculele de substrat modificate, conduc la reacții de oxidare,reducere, hidroliză, ce pot fi măsurate cu ajutorul biosenzorului enzimatic. Biosenzorul enzimatic produce un răspuns linear in funcție de concentrația substratului.

Biosenzorul se bazează pe faptul că enzima glucozoxidaza (GOD – Glucose OxiDase), catalizează oxidarea glucozei în acid gluconic.

Reacția de oxidarea a glucozei în acid gluconic:

Figura 25 : Reprezentarea biosenzorul enzimatic

Imunosenzorul.

Anticorpii sunt glicoproteine produse de sistemul imunitar, la intervenția unei substanțe din exterior, antigenul. Teoretic este posibilă producerea de anticorpi și fără să se identifice un antigen. Imunosenzorul, este un senzor de mare sensibilitate. Principiul de funcționare se bazează pe interacțiunea Ac-Ag. Reacția dintre anticorp și antigen :

Biosenzorul cu receptori.

Normalitatea proceselor biologice este asigurată de procese moleculare de sensibilitate mare, bazate pe specializarea unor proteine structurale, numite receptori capabile de a recunoaște un număr de semnale fiziologice. Este și cazul neurotransmițătorilor, a căror acțiune este mediată prin prezența unor receptori, în membrana plasmatică sau ținte celulare.

Receptorul pentru acetilcolină este primul receptor cunoscut în fenomenele de neurotransmisie.

Figura 26:Mecanismul patogenetic constând în blocarea prin autoanticorpi a receptorilor pentru acetilcolină.

Biosenzorul bazat pe celule sau țesuturi

Măsurarea speciilor moleculare în acest caz nu se rezumă la interacția cu compușii de analizat, transformările ce au loc pot fi măsurate ca produși rezultați. Este de dorit să se opereze cu populații de celule a căror căi metabolice principale să fie cunoscute.

Figura 27 : Biosenzorul bazat pe celule

Biosenzori cu proteine redox.

Proteinele redox sunt implicate în procese biochimice precum: respirația celulară și reacțiile caracteristice sistemului de fotosinteză.

2.3. Bioelectrocataliza

Bioelectrocataliza se preocupă cu utilizarea materialelor biologice drept catalizatori pentru procesele electrochimice de oxidare și reducere. Bioelectrocataliza se referă la transferul direct de electroni fără mediatori.

În 1978, a fost demonstrat că enzime ca lacaza au capacitatea de a cataliza electroreducerea O2. A fost arătat că O2 este redus la electrod în prezența lacazei print-un mecanism direct (fără mediatori).

Tot în același an s-a descoperit că citocrom b2 (FMN) și hemul său conținând lactat dehidrogenază, catalizează electro-oxidarea lactatului.Electro-oxidarea lactatului a fost studiată pe un electrod de cărbune modificat cu o sare organică conductivă. Mecanismul de reacție al oxidării lactatului implică transferul direct de elecroni între enzimă și electrod. Mecanismului de transfer de electroni pentru sistemul enzime-catalizatori nu a fost elucidat.

Ipoteza sugerând transferul de electroni mediat de grupările active de la suprafața electrodului, ce a fost propusă de unii autori.

S-a descris electroreducerea H2O2 cu peroxidaza pe suprafața electrodului. Enzima accelerează electroreducerea H2O2, fiind mediată de grupările active de la suprafața electrodului.

Proprietățile electrocatalitice ale enzimelor redox au fost observate pe o varietate de electrozi incluzând : cărbune sticlos, electrod pastă de cărbune, electrozi chimici modificați cu polimer organic.

Studii ale transferului redox, ale grupărilor prostetice ale enzimei indică următoarele:

posibilitatea sau imposibilitatea de a obține transferul electrochimic a grupării prostetice ale enzimei;

nu indică prezența proprietăților electrocatalitice ale enzimei;

gruparea prostetică a enzimei nu poate fi considerată ca un mediator redox intramolecular.

Cercetări ale cineticii formale ale enzimelor-catalizatori ale reacțiilor de electrod, sunt valabile pentru lactază, hidrogenază și peroxidaze. Modelele cinetice ale peroxidazei ( catalizator al reducerii H2O2 ) au fost studiate amănunțit și comparate cu datele experimentale, din care reiese că 42% din cantitatea totală de enzime adsorbite pe suprafața electrodului, sunt accesibile pentru transferul direct de elctroni. Aceste studii sunt esențiale pentru înțelegerera proceselor de electrocataliză.

În general, mecanismele catalizei enzimatice a reacțiilor de electrod, nu au fost încă cercetate în detaliu. Încă nu este clar ce parametri determină posibilitatea enzimelor redox de a cataliza reacțiile de electrod.

Există o serie de nelămuriri în ceea ce privește:

rolul grupărilor prostetice ale enzimei în electrocataliză;

rolul moleculelor de proteină în procesul de transfer de elctroni;

influența orientării moleculelor de enzime pe suprafața electrodului în procesul de bioelectrocataliză;

influența naturii materialului din care este realizat electrodul și structura suprafeței electrodului în bioelectrocataliză;

relațiile dintre mecanismul catalitic de acțiune a enzimei și manifestarea capacității electrocatalitice.

2.4.Elemente specifice în tehnologia biosenzorilor

Imobilizarea receptorilor

În domeniul biosenzorilor există o serie de metode tehnologice pentru fixarea enzimelor, anticorpilor, celulelor sau a altor elemente receptoare pe un suport rigid, ce reprezintă de obicei suprafața elementului traductor. Metodele de imobilizare a receptorilor influiențează: stabilitatea enzimelor, eliminarea complexului receptor-analit după măsurătoare, refacerea substratului pentru o nouă măsurătoare, timpul de răspuns și nu în ultimul rând costul biosenzorului, ce înseamnă în ultimă instanță costul respectivei analize medicale.

Tehnicile de imobilizare a agenților biologici activi, se bazează pe metode fizice, pe metode chimice sau pe combinații între ele.

Principalele metode fizice sunt: adsorbția biomoleculelor și captarea biomoleculelor în gel.

a). adsorbție; b) entrapare în gel.

Figura 28 : a) adsorbția și b) entraparea în gel

Imobilizarea moleculelor prin:

Metoda adsorbției biomoleculelor

Captarea (entraparea) în gel

a). Metoda adsorbției biomoleculelor

Cea mai simplă metodă este adsorbția biomoleculelor de receptor la suprafața unui suport insolubil în apă, frecvent numit “purtător”. Săgețile din figura 28 a). pot sugera fie forțe de atracție electrostatică, fie rezultanta forțelor de adeziune-coeziune ale peliculei cu receptori la suport, fie rezultanta forțelor de tensiune superficială din pelicula cu receptori, fie combinații între acestea.

Tehnologic se procedează astfel: o soluție apoasă, conținând biomoleculele de receptor, este pusă în contact cu suprafața purtătoare pentru o perioadă de timp definit. Biomoleculele care nu sunt adsorbite în acest timp, sunt eliminate prin spălare.

Materialele purtătoare mai des utilizate sunt: anioni și cationi de rășini, siliciuri, oxid de aluminiu, sticlă poroasă, clei, materiale ceramice. Aceste materiale trebuie să fie biocompatibile cu elementele receptoare, adică: să prezinte o mare afinitate pentru acel tip de molecule, să le asigure stabilitate cât mai mare în timp (biomoleculele trebuie să rămână active , capabile să capteze analiți, în stratul în care au fost adsorbite), materialul purtător nu trebuie să adsoarbă produșii de reacție și nici inhibitorii biocatalizatorului.

Pentru refacerea substratului pentru o nouă analiză, trebuie împrospătată pelicula cu receptori. Deoarece procesul de adsorbție este unul reversibil, există metode simple pentru detașarea biomoleculelor “uzate”: schimbări de pH în mediul lichid adiacent, schimbarea încărcăturii electrostatice, eliminarea prin variația temperaturii.

b). Captarea (entraparea) în gel

Captarea biomoleculelor de receptor în geluri polimerice, împiedică orice difuzie sau deplasare a moleculelor. În plus, această metodă vizează în principal conservarea proprietăților native ale proteinelor, dar și asigurarea unei bune fixări spațiale, a unui suport inert chimic și a unei bune stabilități termice.

Imobilizarea prin metode chimice se realizează: prin cuplarea covalentă a receptorului la suport, metoda “crosslink”.

(a). legături covalente; (b). metoda “crosslink”

Figura: 29: Imobilizarea biomoleculelor

Este eficientă și în următoarele privințe: captarea efectorilor se face prin același material – gelul, suprafețele substraturilor pot fi mult mai mici ca la metoda adsorbției. Așa cum se observă și în figura 29.b)., substratul seamănă cu o matrice, pe ale cărei linii și coloane se află captate în diverse puncte moleculele de receptor.

Gelurile utilizate mai des sunt: alginat, colagen, celuloză-triacetat, poliacrimidă, gelatină, polivinil, poliuretan. Spre exemplu, a fost raportată captarea GOD în matrice sol-gel din compuși ai siliciului.

a). Cuplarea covalentă

Cuplarea covalentă a biomoleculelor, precum enzime și anticorpi, de către substratul purtător are loc atunci când proteinele reacționează cu un purtător activat, insolubil în apă sau care copolimerizează cu un monomer reactiv.

Stabilirea legăturilor covalente trebuie să implice doar acele grupări ce nu sunt esențiale pentru activitatea biologică a receptorului. Imobilizarea urmează 3 părți: activarea purtătorului, cuplarea covalentă a biomoleculelor și eliminarea biomoleculelor adsorbite. Purtătorii pot fi: colagen, albumină, polizaharide insolubile în apă, polimeri sintetici, sticlă poroasă.

b). Metoda “crosslink”

Moleculele de proteine (cerculețele goale din figura 29.b)., pot stabili legături cu alte molecule inerte funcțional (cerculețele negre) sau ele între ele printr-un lanț de legături “intermediare”. Metoda este folosită în special la imobilizarea bio-macro-moleculelor.

Există și metode hibride pentru moleculele mari de receptor. Ele pot fi atrase spre suprafața suportului, mai întâi prin adsorbție sau entrapare în gel, apoi se introduc și molecule intermediare pentru a realiza “crosslink-ul”.

Avantajele “crosslinkului” sunt: simplitatea procedurii tehnologice, stabilirea unor legături chimice puternice pentru elementele receptoare cu molecule mari.

Principalul dezavantaj este scăderea capabilității biomoleculelor de a reacționa cu analiții, datorită alterărilor chimice ce au loc. Substraturi bi și multifuncționale folosite sunt: glutaraldehide și gelatine.

Efecte ale imobilizării receptorilor

Calitatea imobilizării enzimelor pe un substrat purtător este furnizată de un parametru numit “activitatea măsurabilă”. În sistemele cu enzime imobilizate, viteza de reacție nu depinde doar de concentrația de analit și de constantele KM ( lui Michaelis) și vmax (viteza maximă de reacție), ci și de așa numitele efecte de imobilizare.

Aceste efecte sunt:

– modificări conformaționale ale enzimelor, cauzate de imobilizare. Acestea au ca efect scăderea afinității receptorilor pentru analit, prin creșterea lui KM.

– inactivare parțială sau totală a enzimelor imobilizate din punct de vedere biologic, fapt ce duce la scăderea lui Vmax.

– interacțiuni ionice, hidrofobice, capilare sau de altă natură între enzime și matricea suport, care influențează de asemenea KM și Vmax.

– distribuția neuniformă a substratului sau a enzimelor între matricea enzimatică și soluția înconjurătoare.

La biosenzori, biocatalizatorul și traductorul de semnal sunt aranjați spațial în așa manieră încât reacția asistată enzymatic, să aibă loc într-un strat separat de soluția măsurată, printr-o membrană semipermeabilă. Viteza acestui proces de transport extern depinde foarte mult de gradul de amestecare. Transferul de masă ce are loc în și dinspre matricea enzimatică, duce la concentrații diferite ale partenerilor de reacție în soluții cuplate într-o manieră complexă.

În timpul operării biosenzorilor, condițiile de curgere a biolichidului sunt ajustate pentru a furniza o viteză a transferului de masă prin dufuzie. Optimizări ale performanței senzorului vizează variații ale coeficienților de difuzie ale analiților, prin membranele semipermeabile.

Scopul biosenzorilor multifuncționali, este acela de a furniza cât mai multe analize după o singură incizie în țesut. Astfel au fost realizați senzori ce măsoară și semnale fizice (temperatura, potențiale electrice) și semnale chimice (concentrația ionilor K+, Na+, pH). [10,11]

Capitolul III. Traductori și electrozi

Traductorii

Orice eveniment al interacției receptor-analit (R-A) este identificată și transpusă spre traductori prin intermediul electrozilor. Prin urmare, traductorul transformă detecția indusă de variația fizico-chimică din elementul senzitiv al biosenzorului într-un semnal, de regulă electric care este amplificat de un circuit electronic. Traductorul este în contact intim prin intermediul electrozilor cu materialul biologic, iar activitatea acestor componente poate fi masurată cu un sistem electric, termic sau optic. Traductorii sunt necesari pentru transformarea mărimii primare de intrare într-o mărime electrică, și reprezintă unul din elementele cheie al întregului sistem.

Clasificarea traductorilor

Traductori de tensiune sau de curent ce măsoară între doi electrozi o diferență de potențial sau un curent electric. În acest caz electrozii nu reprezintă un traductor în adevăratul sens al cuvantului, deoarece nu transformă o mărime de altă natură într-una electrică, ci doar intermediază preluarea și transmiterea semnalelor electrice dintr-un mediu cu proprietăți fizico-chimice aparte spre exterior.

Pot fi traductori cu electrozi de suprafață (în contact), sau de volum (imersați în mediu). Electrozii sunt în general mini sau microminiaturizați.

Traductori de temperatură:

prin contact:

termistorii,

termocupluri,

joncțiuni semiconductoare,

tranzistori,

circuite integrate specializate

prin radiație termică:

detectori semiconductori ,

bolometre rezistive,

bolometre piroelectrice.

Traductori de debit :

– mecanici,

– optici, prin efect Doppler;

ultrasonici, prin efect Doppler;

– magneto-electrici, bazați pe tensiunea electromotoare produsă de particule încărcate care se mișcă într-un câmp magnetic. Sunt folosiți pentru măsurarea debitului de aer, sânge, fluide biologice, în general cu aplicații în micro și nano-fluidica sistemelor biologice;

Traductori de presiune:

manometre clasice, cu membrană și traductor de deplasare;

– piezoelectrici, piezorezistivi, inductivi;

– cu semiconductori, circuite integrate;

Traductori de deplasare:

potențiometrici;

optici;

Traductori pentru măsurarea concentrațiilor (pH-metre):

– semiconductori cu proprietăți de suprafață, dependente de concentrația diferitelor substanțe;

3

– traductori spectrometrici;

Traductori de radiație:

– ecrane fluorescente;

scintilatori;

– semiconductori ;

3.1.2. Tipuri de traductori

Traductori termici

La senzorii de metabolism, există reacții chimice între analiți și anumiți receptori enzimatici cu degajare sau absorbție de căldură. În acest caz nu se măsoară cantitatea analitului, ci variația de temperatură, T. tabelul 5 prezintă entalpiile molare, H, a câtorva reacții catalizate de enzime.

Tabelul 5. Entalpiile molare a câtorva reacții catalizate de enzime.

Enzima-receptor se imobilizează pe sticlă poroasă pe suprafața unui termistor. Se imersează totul în soluția de măsurat. Termistorul joacă rolul traductorului și furnizează T. De aici rezultă numărul de moli de analit, conform relației :

,unde ν este numărul de moli de analit, C este căldura molară a dispozitivului (ce se determină anterior prin măsurători calorimetrice). Dezavantajul principal este schimbul de căldură ce apare între diversele componente ale experimentului, ceea ce va induce erori mari în evaluarea lui T. Optimizările vizează izolarea calorimetrică a biosenzorului într-un reactor.

Traductori optoelectronici

Cu ajutorul traductorilor optici, se poate indica variația unor parametri precum: coeficient de absorbție a luminii, lungime de undă, indice de refracție, grosimi ale unor straturi transparente. Ca exemplu, în figura 30, este prezentat principiul de detectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic.

Figura 30 : Principiul de detectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic.

Receptorul a fost imobilizat pe o membrană de bromcrezol transparent. Curgerea biolichidului purtător de albumină a determinat captarea ei pe receptori. Creșterea grosimii stratului de analit se face între o sursă de lumină (led) și un detector de lumină (fotodiodă). Curentul prin fotodiodă scade pe măsură ce crește grosimea stratului de albumină depus pe receptor.

Figura 31: Traductor de presiune optoelectronic

Traductori piezoelectrici

Principiul pe care se lucrează aici urmărește scăderea frecvenței de rezonanță a unui cristal piezoelectric, când se absoarbe un material străin la suprafața sa și-l comprimă. Cristalul este acoperit cu un material receptor. Efectele zgomotului electric au putut fi înlăturate prin utilizarea de cristale pereche. Acești traductori au fost utilizați pentru detectarea: NOx, COx, H+, microorganisme.

Figura 32 : Traductor piezoelectric

Traductori electrochimici

Reacțiile electrochimice se produc la interfața electrod – soluție, iar reacțiile biologice cu transfer de electroni se produc la interfața enzimă-soluție. Se utilizează potențiometria, când se determină variația potențialului electric al unui electrod receptor în funcție de concentrația ionilor de analit dintr-o soluție. Metoda tradițională de detecție a unor ioni într-o substanță purtătoare folosește ISE (Ion Selective Electrodes).

Figura 33 : Montarea electrozilor ion-selectivi

Din punct de vedere electronic ISE, poate fi privită ca o sursă de tensiune electromotoare (de sute de milivolți pentru biosenzori) și cu o impedanță de ieșire mare (până la sute de M). Masa electrică este soluția, iar ieșirea sursei este electrodul de referință. Dacă concentrația ionilor de analit din soluție se modifică, atunci potențialul electrodului sensibil la acești ioni (receptorul) se modifică după relația lui Nernst. Spre exemplu, în cazul pH-ului (concentrația ionilor de H+), o scădere a acestuia cu o unitate, determină creșterea tensiunii furnizate cu circa 55mV.

Mulți biosenzori electrochimici folosesc amperometria. În acest caz au loc reacții chimice de oxido-reducere cu transfer de electroni în medii electrolitice. În domeniul biosenzorilor, această tehnică a însemnat detectarea unui analit, prin măsurarea concentrației unui produs de metabolism, mult mai ușor de determinat.

Traductori biologic intacți

Pentru determinarea unui analit, aceste traductoare folosesc chemoreceptori direct din lumea vie. Spre exemplu, s-a realizat un receptor de acetilcolină, utilizând organul electric al peștelui Torpedo și un senzor capacitiv. Când biolichidul purtător conținea acetilcolină în concentrație mărită, creștea tensiunea electrică furnizată de traductorul organic al peștelui, ceea ce încărca senzorul capacitiv.

Altă direcție de lucru este cuplarea unor celule receptoare vii cu una sau mai multe fibre nervoase. Stimularea unor celule olfactive sau gustative cu un anumit analit conduce la generarea unui impuls nervos detectabil către neuronii din fibră.

Figura 34 : Cuplatea celulelor receptoar

Structura și funcțiile traductorilor

Traductorii trebuie să convertească în mărimi electrice parametri generali ca: entalpia de reacție (termistorul), modificări ale masei depuse (cristal piezoelectric), grosimi ale unor straturi transparente (dispozitive optoelectronice), concentrații de substanțe sau ioni (traductoare ISE). [12]

Electrozii

3.2.1 Clasificarea electrozilor

A. Electrozi externi sau de suprafață; sunt în general electrozi metalici, care fac contact cu componenta bioactivă din senzor, fie în mod direct (electrozi uscați sau solizi), fie prin intermediul unei soluții electrolitice (electrozi lichizi). Electozii solizi sau uscați sunt realizați în general din argint, platină, aur, sau nichel.

Pentru cazul în care avem contact direct cu epiderma, va trebui să se ia în considerare că suprafața pielii nu este în general uscată sau inertă chimic, ci există poluări electrochimice care au ca principală componentă NaCl. O condiție pe care trebuie să o îndeplinească electrozii este aceea că metalele din care sunt confectionați, să nu fie solubile în electroliții prezenți pe suprafața pielii, sau dacă sunt solubile, reacțiile chimice apărute să fie total reversibile la aplicarea unui potențial electric pe electrozi.

Figura 35 : Electrozi externi

B. Electrozi interni : sunt în general realizați din fire foarte subțiri, dintr-un metal rezistent: oțel inoxidabil, platină, wolfram. Porțiunea activă a electrodului poate fi acoperită cu cu un strat metalic bun conducător (aur, argint), iar cea inactivă cu un strat izolator, de exemplu un polimer sau o peliculă subțire de sticlă. Suprafețele de contact cu componenta activă din senzor au totuși dimensiuni mari în comparație cu dimensiunile celulare, de aceea se folosesc pentru înregistrări extracelulare.

Figura 36 : Electrozi interni

C. Microelectrozii; sunt tot electrozi interni, însă sunt asfel construiți încît să poată măsura potențialele în contact direct cu receptorul din biosenzor. Suprafața de contact cu R (receptor) are dimensiuni micronice.

3.2.2. Tipuri de electrozi

1.Electrodul de hidrogen

Este electrodul de referință primar, adoptat în mod convențional pentru a defini originea scalei potențialelor de electrod. În practică însă nu se utilizează acest electrod datorită dificultății de a asigura parametrii de lucru la valoarea necesară, fiind preferați alți electrozi ca electrozi de referință, mai ușor de manevrat.

Cei mai utilizați electrozi de referință sunt: AgAgClKCl(c) și HgHg2Cl2KCl(c)

, unde c este concentrația anionului Cl−, cunoscută cu exactitate.

2.Electrodul de calomel

Este un electrod de referință utilizat pe scară largă. Reprezentarea schematică a unui electrod de calomel este redată în Figura. 38 (a). Acest electrod constă dintr-un tub din sticlă sau material plastic cu lungime de 5-15 cm și diametrul de 0,5-1 cm, în care se află soluția de KCl. În interiorul acestui se află un tub umplut cu o pastă compusă din Hg, Hg2Cl2 și KCl, care comunică cu soluția de KCl printr-un mic orificiu. Contactul între soluția internă de KCl și soluția studiată se realizează printr-o joncțiune lichidă.

În mod frecvent această joncțiune este un disc confecționat dintr-un material ceramic poros. Joncțiunile de acest tip au o rezistență electrică de ordinul 2000 – 3000 . Atunci când proba de analizat conține ioni care pot perturba funcționarea electrodului de referință este necesară utilizarea unei joncțiuni duble.

Figura. 37 : Reprezentarea schematică a unor electrozi de referință: a).de calomel; b).de referință AgAgClCl-

3.Electrodul de referință argint – clorură de argint (Figura. 38 (b)) se aseamănă din punct de vedere constructiv cu electrodul de calomel, fiind de asemenea frecvent utilizat ca electrod de referință. Principalele sale avantaje în utilizare sunt ușurința în preparare și buna funcționare, chiar la temperaturi mai mari de 70C. Utilizarea sa, trebuie să se facă cu precauție atunci când proba conține componente care pot reacționa cu ionii de Ag+ din interiorul electrodului (de exemplu proteine).

4.Electrozii indicatori metalici

Un electrod indicator metal este format dintr-un metal (M) în contact cu soluția unui ligand care formează un complex foarte stabil cu ionul Mz+. Soluția conține încă un cation, capabil de a fi complexat de același ligand. Dacă se îndeplinesc anumite condiții, potențialul de electrod va fi determinat de concentrația celui de-al doilea ion metalic.

Spre exemplificare se consideră un electrod de Hg, aflat într-o soluție care conține o cantitate mică de HgY2-. Pentru cuplul redox HgY2- / Hg(l) se formulează reacția:

HgY2− + 2e− ⇆ Hg(l) + Y4−

iar expresia potențialului de electrod:

5.Electrozi redox pentru determinarea pH-ului

Atunci când un sistem redox implică participarea ionilor hidroniu, potențialul redox al cuplului respectiv va depinde de pH. Acest fapt este ilustrat în continuare prin două exemple consacrate, care evidențiază posibilitatea de a determina activitatea ionului H3O+ cu ajutorul electrozilor metalici pentru sisteme redox: electrodul de chinhidronă și electrodul de hidrogen.

Conform definiției date de Sörensen, pH-ul unei soluții se exprimă ca logaritmul cu semn schimbat din activitatea ionilor de hidroniu:

5.a).Electrodul de chinhidronă constă dintr-un fir de Pt sau Au imersat în proba de analizat în care s-au introdus câteva cristale de chinhidronă (amestec echimolecular de chinonă (Q) și hidrochinonă (H2Q) ). Solubilitatea în apă a chinhidronei este mică, și drept urmare soluția este saturată cu chinhidronă. La dizolvare se stabilesc următoarele echilibre:

QH2Q(s) ⇆ QH2Q(aq) ⇆ Q(aq) + H2Q(aq)

Acest electrod se reprezintă schematic astfel. PtQ, H2Q.

Potențialul de electrod va fi determinat de cuplul redox Q/H2Q, conform relației:

Concentrațiile speciilor Q și H2Q se pot considera practic constante, datorită prezenței unui exces de chinhidronă solidă, în condițiile în care disocierea acido – bazică a hidrochinonei nu este importantă (pH < 8). Ca urmare, relația de mai sus se poate reformula astfel:

Această ultimă relație indică faptul că potențialul electrodului metalic se corelează cu concentrația ionilor de hidroniu din probă, și reprezintă funcția de etalonare a electrodului de chinhidronă, funcționând ca senzor de pH.

Electrodul de chinhidronă funcționează în domeniul de pH de la 2 la 8.

Cu anumite precauții, electrodul de chinhidronă se poate utiliza în medii oxidante, deoarece chinhidrona este un agent reducător slab.

5.b).Electrodul de hidrogen

S-a arătat mai înainte că măsurarea valorii absolute a potențialului de electrod este imposibilă, singura mărime accesibilă măsurării fiind tensiunea electromotoare. La rândul ei, aceasta depinde de potențialele a doi electrozi și poate avea o dependență complexă de compoziția soluției, ceea ce ar face dificilă utilizarea ei pentru determinări analitice. Din acest motiv, este convenabil ca una dintre semicelule, denumită uzual "electrod de referință", să fie definită ca semicelulă de referință. Reacția acestei semicelule este astfel aleasă încât potențialul de electrod de referință, , să rămână constant, indiferent de condițiile experimentale. Cealaltă semicelulă este astfel structurată încât potențialul ei, să depindă de compoziția soluției, conform ecuației lui Nernst. Această semicelulă reprezintă semicelula indicatoare, denumită în mod uzual "electrod indicator,". În acest caz, tensiunea măsurată este: , și depinde de compoziția soluției numai prin intermediul primului termen.

Din considerente practice s-a adoptat ca semicelulă de referință o semicelulă bazată pe reacția următoare: 2H+(aq) + 2e− ⇆ H2 (g)

Schimbul de electroni cu circuitul exterior se realizează prin intermediul unui electrod de platină. Semicelula respectivă este de obicei denumită “electrod de hidrogen”. Un electrod de hidrogen (figura 38), constă dintr-o placă de platină platinată (platină acoperită cu un strat de platină poroasă), imersată într-o soluție acidă, având activitatea ionilor H+ constantă. Această soluție este saturată cu hidrogen, prin barbotare de hidrogen gazos, la presiune constantă. Platina nu participă la reacția electrochimică, fiind doar un suport al electronilor transferați pe parcursul reacției. Platinarea electrodului de Pt are ca scop mărirea suprafeței de contact electrod – soluție. Platina are rolul de catalizator al reacței și face ca aceasta să se poată desfășura cu viteze foarte mari în ambele sensuri. Atunci când vitezele de reacție sunt egale, reacția se află în stare de echilibru iar potențialul de electrod depinde de temperatură și de activitățile speciilor H+ și H2 conform ecuației lui Nernst, în forma următoare:

Figura 38. Reprezentarea schematică a electrodului de hidrogen.

Electrodul standard de hidrogen constituie electrodul de referință primar. Datorită dificultăților de construcție și manipulare, acesta se utilizează numai pentru măsurători de mare precizie. De aceea au fost definite alte semicelule de referință, care prezintă avantajul accesibilității experimentale și a ușurinței în manevrare, fiind mult mai potrivite pentru aplicațiile practice obișnuite. Acestea sunt denumite semicelule de referință secundare sau electrozi de referință secundari.

Electrodul de hidrogen se reprezintă schematic astfel: PtH2 ()H+ ().

Electrodul metalic poate fi confecționat dintr-un metal cu proprietăți catalitice (Pt sau Pd).

La 25C, panta dreptei de etalonare în coordonate E – pH este:

Electrodul de hidrogen se caracterizează prin precizie foarte bună, valoare mare a pantei, accesibilitate pe întreg domeniul de pH, posibilitate de utilizare atât în medii apoase cât și în medii neapoase.

Principalele limitări sunt legate de imposibilitatea utilizării în medii care conțin substanțe cu caracter reducător, necesitatea de a utiliza hidrogen gazos de înaltă puritate și de a asigura saturarea cu hidrogen a probei analizate prin barbotarea acesteia cu gaz, timp îndelungat.

6.Electrozi indicatori cu membrană

Spre deosebire de electrozii indicatori metalici, care au la bază procese cu transfer de sarcină, electrozii indicatori cu membrană funcționează pe baza echilibrului proceselor de transfer de ioni de la interfața membrană/soluție. Membranele utilizate la construcția acestor electrozi pot fi solide (cristaline sau necristaline) sau lichide. Primul electrod cu membrană, și mult timp singurul electrod cu membrană, a fost electrodul cu membrană de sticlă pentru determinarea pH-ului, adoptat în practica de laborator după 1930 și denumit pe scurt "electrod de sticlă". În ultimii 40 de ani au fost inventați un mare număr de electrozi cu membrană, specifici pentru diverși ioni pozitivi sau negativi. Aceștia au format o categorie aparte, cea a "electrozilor ion-selectivi".

6.a).Electrodul cu membrană de sticlă pentru determinarea pH-ului

Membrana de sticlă utilizată în determinări de pH are o compoziție chimică specială. De exemplu, sticla Corning 0150 este constituită în principal din Na2O 22%, CaO 6% și SiO2 72%. În interstițiile rețelei tridimensionale a sticlei se află cationi care asigură neutralitatea electrică a rețelei.

Una dintre caracteristicile de bază ale acestei sticle este higroscopicitatea. Hidratarea membranelor de sticlă utilizate ca senzori de pH se realizează prin menținerea timp îndelungat, 1 – 2 zile, a membranei în contact cu o soluție apoasă slab acidă, rezultând astfel un strat superficial, puternic hidratat. Simultan, o parte din ionii de sodiu din stratul superficial vor fi substituiți, printr-un proces de schimb ionic, cu ioni de hidrogen, proveniți din soluție.

Constanta de echilibru a acestui proces este atât de mare încât practic suprafața membranei de sticlă constă dintr-un gel de acid silicic. Grosimea acestui strat (gel) este de ordinul 10-4 mm. În interiorul membranei structura sticlei nu se modifică în urma contactului cu soluția.

În consecință, va apare un exces de grupări anionice la nivelul fiecăreia din cele două interfețe, figura 39. Cantitatea de electricitate astfel acumulată depinde de concentrația ionilor de hidrogen din soluție. Cu cât aceasta este mai mică, cu atât va fi mai mare numărul de grupări negative în zona interfacială.

Diferența de potențial determinată se numește "potențial de membrană", notat Em. Pentru a măsura potențialul de membrană, se introduce în fiecare din cele două soluții câte un electrod de referință iar aceștia se conectează la un instrument pentru măsurarea tensiunii electrice. O astfel de măsurătoare presupune existența unui curent electric (extrem de mic) în circuit. De aceea, sticla din care este confecționată membrana trebuie să fie extrem de subțire (grosimea sub 1 mm) și să aibă o anumită conductivitate electrică. Conductivitatea electrică a sticlei este asigurată de deplasarea cationilor Na+ în interiorul membranei.

Figura 39. A) Celulă electrochimică cu membrană B) Separarea sarcinilor electrice la interfața

indicatoare pentru pH: 1 și 2 – electrozi de referință membrană – soluție.

3 – membrana de sticlă;

Sensibilitatea electrodului depinde de temperatură, având valoarea de -0,0592 V/unitate de pH la 25C.

Determinarea potențiometrică a pH-ului

Celula electrochimică utilizată în determinarea potențiometrică a pH-ului se figurează astfel:

iar potențialul celulei măsoară activitățiile ionului de hidroniu din soluțiile de analizat, conform funcției de etalonare:

Relația de mai sus este valabilă dacă potențialul de joncțiune nu variază în cursul determinărilor, iar potențialul de asimetrie a fost corectat în etapa de etalonare. Prin S s-a notat sensibilitatea reală a electrodului de sticlă.

Instrumentul folosit în determinarea pH-ului se numește pH-metru și este un milivoltmetru a cărui scală este gradată direct în unități de pH. Instalația experimentală utilizată în determinările de pH cu electrod cu membrană de sticlă simplu, sau combinat, este prezentată în figura.39.

Caracteristicile electrodului de sticlă

1) Domeniul de răspuns liniar este în general situat în domeniul de pH de la 1 la 11. În afara acestui domeniu determinările sunt afectate de erori. Astfel, la pH < 1 se înregistrează erori pozitive, care sunt nereproductibile și fac imposibilă utilizarea electrodului de sticlă pentru a măsura pH-ul soluțiilor puternic acide. În medii puternic alcaline (pH > 11) se înregistrează o eroare negativă (pH-ul indicat este mai mic decât cel real).

Erorile alcaline pot fi corectate cu ajutorul unor date puse la dispoziție de producătorul electrodului de sticlă.

2) Sensibilitatea electrodului de sticlă.Marea majoritate a electrozilor prezintă o sensibilitate reală (S) mai mică decât valoarea teoretică, iar acest lucru se poate exprima în forma:

Coeficientul s exprimă abaterea electrodului de la comportarea ideală, iar valoarea sa în general este cuprinsă între 0,95 și 1.

Sensibilitatea depinde de temperatură, ceea ce solicită controlul acestui parametru atât în etapa de etalonare, cât și în etapa de măsurare a pH-ului.

3) Precizia în determinările de pH cu electrod de sticlă depinde de precizia cu care se efectuează etalonarea și de variațiile în valoarea potențialului de joncțiune, , care se produc pe parcursul măsurătorilor. De aceea, eroarea minimă este în jur de 0,01 unități de pH. Această precizie este suficientă pentru majoritatea aplicațiilor.

4) Rezistența mecanică și electrică a membranei. Membrana este confecționată din sticlă subțire, având grosimea sub 1 mm, ceea ce determină o slabă rezistență mecanică și impune manipularea extrem de atentă a electrodului. Rezistența electrică a membranei este mare (peste 108 ), motiv pentru care instrumentul utilizat la măsurarea potențialului celulei trebuie să aibă o rezistență internă de ordinul 1014 –1016 .

6.b).Electrozi ion-selectivi cu membrană cristalină

Electrozii ion-selectivi cu membrană cristalină funcționează pe un principiu asemănător celui expus în cazul electrodului cu membrană de sticlă. Compoziția chimică și structura membranei sunt concepute astfel încât potențialul de membrană să fie dependent de activitatea unui anumit ion. Pe lângă selectivitate, membrana trebuie să îndeplinească o serie de cerințe suplimentare, cum ar fi: conductivitate electrică, rezistență la acțiunea agenților chimici și durabilitate în timp.

Din punct de vedere constructiv (figura. 40), un electrod ion-selectiv (EIS) se compune dintr-un tub confecționat dintr-un material inert (Teflon, PVC) prevăzut la partea inferioară cu un disc solid, care reprezintă membrana. În interiorul tubului există un electrod de referință intern, imersat într-o soluție de referință. Contactul electric cu membrana poate fi realizat, de asemenea, prin intermediul unui conductor metalic.

Membrana poate fi omogenă sau eterogenă. Membrana omogenă este constituită dintr-un material unic, sub formă de monocristal sau de pastilă presată. În cazul membranelor eterogene, materialul activ este incorporat într-o matrice inertă, cum este cauciucul siliconic sau alte materiale polimerice. [13,14,15,16]

Figura. 40 Variante constructive ale EIS: (A) cu electrod de referință intern; (B) cu contact electric direct la membrană.

Biosenzorii electrochimici

Un biosenzor electrochimic este un dispozitiv integrat, autonom, capabil să furnizeze informații analitice cantitative sau semicantitative specifice, folosind ca element de recunoaștere moleculară un receptor biochimic (element de identificare biologică), care se află în contact spațial direct cu un traductor electrochimic. Datorită abilității lor de a fi calibrați, un biosenzor electrochimic se distinge de un sistem bioanalitic care necesită pași adiționali de procesare, ca de exemplu adiționarea de reactiv.

Biosenzorii electrochimici se disting numai prin natura traductorului indiferent de natura componentei biologice . Elementul de recunoaștere biologică are la bază o reacție chimică catalizată sau o reacție de echilibru cu macromolecule ce au fost izolate în prealabil sau sintetizate în mediul lor biologic original. În cazul reacțiilor reversibile, starea de echilibru poate fi în general atinsă dacă nu mai există un consum net de către agentul biocomplexului imobilizat și incorporat în senzor .

Biosenzorul electrochimic este considerat a fi un electrod modificat chimic (CME), ca un conductor electric ce transmite electronii din procesul de interacție spre exterior, în sistemul electronic de măsurare. Electrodul poate fi metal, semiconductor sau material cu conductivitate ionică acoperit cu un film biochimic sau bioactiv .

Biosenzorul electrochimic este un microsistem integrat receptor – traductor, capabil să ofere informații analitice selective, cantitative sau semicantitative folosind un element de identificare biologică. El poate fi folosit pentru a monitoriza atât elemente biologice cât și nebiologice. [19]

Clasificarea biosenzorilor electrochimici

Biosenzorii electrochimici pot fi clasificați:

în funcție de analizele și reacțiile pe care le monitorizează: monitorizare directă a concentrației analiților sau a reacțiilor producătoare sau consumatoare a acestora; alternativ, o monitorizare indirectă a inhibitorului sau activatorului elementului de recunoaștere biologică (receptorul biochimic).

în funcție de specificitatea lor biologică;

după mecanism sau modul de transmitere a semnalului sau;

Ei pot fi:

amperometrici,;

potențiometrici, cu efect de câmp ;

senzori conductometrici (măsurarea conducției electrice) ;

senzori de impedanță ;

Biosenzorii cu fibră optică

Biosenzorii optici corelează variația concentrației masei, cu modificarea unor parametri caracteristici luminii: lungimea de undă, indicii de refracție, polarizarea, absorbanța, extincția, fluorescența, chemiluminiscența, rezonanța plasmonilor de suprafață (SPR).

Figura 41 : Biosenzor optic

Ei încorporează una sau două fibre optice. Dacă este folosită doar o fibră optică, este necesar ca cele două radiații luminoase: cea incidentă și cea de referință, să se modifice în timp și de asemenea să își modifice lungimea de undă. Lumina incidentă trebuie să fie în limitele unghiului de reflexie totală, deci forma geometrică a suprafeței senzorului are o importanță esențială. Cel mai important domeniu de aplicație al unui asemenea tip de senzor este determinarea fluorescenței celulei, care depinde de raportul NADH/NAD intracelular, obținând asfel o măsurare precisă a stării celulei.

Senzorii optici prezintă următoarele avantaje:

Nu sunt perturbați de câmpul electric;

Pot fi utilizați în măsurători repetate;

În timpul măsurătorilor proba rămîne neschimbată, din punct de vedere chimic și fizic;

Se folosește cu protecție la întuneric, deoarece lumina diurnă influențează procesele de măsurare.

Pe lângă fibra optică, acești senzori mai conțin o sursă de lumină și un traductor de semnal.

Principiul de funcționare se bazează pe dependența dintre concentrația substratului și absorbția luminii sau variația oricărui tip de proprietate optică. Membrana sau suportul senzorului, acoperită cu conținut de oxigen sau cu alți indicatori de pH, prezintă reacții de cuplaj cu diferite enzime, cum ar fi conversia glucozei, lactozei, etanolului și complexului antigen – anticorp. [20]

Biosenzorii și nanotehnologia

Biosenzorii și nanoparticulele

Nanoparticulele au numeroase aplicații în domeniul biosenzorilor. De exemplu, nanoparticulele funcționale (electronice, optice și magnetice) și moleculele biologice (peptide, proteine, acizi nucleici) au fost dezvoltate pentru utilizarea acestora în biosenzori, pentru a detecta și amplifica semnale diferite. Unele dintre nanoparticulele bazate pe senzori includ biosenzori cu unda acustică, biosenzorii optici, magnetici și biosenzorii electrochimici.

Figura 42 : Modelul biosenzorului magnetic

Biosenzorii cu undă acustică

Aceștia au fost dezvoltați pentru a îmbunătății foarte mult sensibilitatea și limitele direcției. În masa amplificată a microbalanței cu cristale de cuarț, testul variat de această tehnologie indică anticorpii modificați indirect de particule ce leagă o suprafață de electrozi ,de complexul unui analit, care a fost el însăși prins de către un anticorp imobilizat pe suprafața de electrozi. Masa mare de particule, afectează în mare masură vibrația frecvenței cristalului de cuarț și acesta este utilizat ca bază pentru detecție. Testele pot fi efectuate în moduri comparative.

Figura 43 : Microbalanță cu cristale de cuarț.

Biosenzorii optici

A fost raportat la fel de eficace pentru a fi utilizat în dispositive optice bio-senzoriale. Interacțiunile lecitină-zahăr, antigen-anticorpi și proteină-receptor au fost implicate în acest test. Analiții induși de caracterul obligatoriu sau disocierea de nanoclusteri metalici, trebuie situați la o distanță definită de o reflexie și preferabil la suprafața substratului de electroni conductori. Legarea sau disocierea pot fi traduse într-un semnal clar, detectabil optic prin accesoriul de rezonanță a clusterilor, interacționând cu oglinda dipolilor săi.

Nanoparticulele din aur au fost folosite ca o nouă clasă a florescenței universale pentru a dezvolta un biosensor optic, pentru recunoașterea și detectarea secvențelor de AND specific.

Figura 44 :Biosenzor optin cu cip

Biosenzorii magnetici

Nanoparticulele magnetice sunt un instrument de diagnosticare puternic și versatil în biologie și medicină. Legat de moleculele biorecognitive, nanoparticulele magnetice pot fi folosite pentru a separa sau pentru a îmbogăți analitul, pentru a fi detectat.

Tehnici stabilite, ca separarea celulelor magnetice, folosesc degradeuri de câmp magnetic pentru a manipula și izola celulele magnetice etichetate. Tehnici magnetice de imunodozare , de asemenea au fost dezvoltate în fiecare câmp magnetic generat de obiective magnetice etichetate. [17,18]

Figura 45 : Diferite tipuri de nanoparticule magnetice.

Capitolul VI. Partea experimentală

Partea experimentală a acestei lucrări de diplomă constă în determinarea diferitelor concentrații a unor soluții etalon utilizând mai mulți electrozi cu membrană sensibilă, și anume :

Electrodul de plumb.

Electrodul de fluor.

Electrodul de amoniu.

Electrodul de plumb

Caracteristici ale electrodului de plumb:

Electrod ion selectiv de PLUMB este alcatuit dintr-un cap cu filet ca în imagine.

Figura 46: Electrod ion selectiv de plumb.

Specificații:

Parametrul: Pb2+ ;

Tip: Stare solidă, semicelulă;

Membrana (senzor) : solidă;

Material corp: rașină expoxinică;

Diametrul 12 mm;

Lungimea inserției: 120 mm;

Interferenți : Hg++, Cu++, Ag+ ;

Domeniul de pH : 3 – 7;

Domeniul de măsurare de la 0.1M la 1X 10-6M :de la 20700 la 0.21 ppm;

Domeniul de temperatură 0 – 80 °C;

Se va folosi cu unul din cablurile din seria A94;

Electrod de referinta recomandat REF251/ REF45;

Aplicații posibile: determinarea ionilor de plumb în băile galvanice și ca indicator pentru titrăr

Electrodul de fluor

Caracteristici ale electrodului de fluor:

Electrod ion selectiv de FLUOR este alcatuit dintr-un cap cu filet ca în imagine.

Electrodul ion selectiv de fluor este un electrod de senzori combinat, care nu necesita un electrod de referinta separat.

Electrodul este proiectat pentru detectare si analizarea ionilor de Fl- in diferite solutii.

Figura 47: Electrod ion selectiv de fluor.

Specificații:

Parametrul: Fl ‒;

Tip: Stare solidă, semicelulă;

Membrana (senzor) : solidă;

Domeniul de măsurare de la 0.2-1900 ppm;

Domeniul de temperatură 0 – 80 °C;

Domeniul de pH : 4 – 8;

Diametrul 12 mm;

Lungimea inserției: 120 mm;

Material corp: rașină expoxinică;

Se va folosi cu unul din cablurile din seria A94;

Reproducere: 2%;

Nu necesita electrod de referinta;

Solutie standard utilizata:SCS-DL2-BT de 1000ppm

Aplicații posibile: determinarea ionilor de fluor in diferite solutii;

Utilizare practica: in laboratoare de cercetare, in domeniul ingineriei chimice si este ideal pentru munce de teren.

Electrodul de amoniu

Caracteristici ale electrodului de amoniu:

Electrod ion selectiv de AMONIU este alcatuit dintr-un cap cu filet ca în imagine.

Figura 48: Electrod ion selectiv de amoniu.

Specificații:

Parametrul: NH4+ ;

Tip: Stare solidă, semicelulă;

Membrana (senzor) : solidă;

Domeniul de măsurare de la 0.10 – 18,ppm;

Domeniul de temperatură 0 – 50 °C;

Domeniul de pH : 4 – 7.5;

Diametrul 12 mm;

Lungimea inserției: 155 mm;

Se va folosi cu unul din cablurile din seria A94;

Interferenți : K+ ;

Rezistenta electrodului: 1 – 4 Ω

Reproducere: 4%;

Aplicații posibile: determinarea ionilor de amoniu din fertilizanti sau alte solutii;

Aparatura utilizată: s-a utilizat un aparat de tip CYBERSCAN PCD 6500 ( pH/ ion/ conductivity/ do-meter). Aparatul este reprezentat în figura 49.

Figura 49 : aparat de tip CYBERSCAN PCD 6500

Construcția aparatului:

Electrozii sunt construiți din corpul unui polimer inert, la capatul caruia este montată o membrană senzitivă. Toate conexiunile electrodului sunt în stare solidă, nu există nici un fel de lichid în interiorul acestuia. Suprafața exterioară a membranei este un element esențial de sensibilitate si de performanță maximă. Cablul terminat într-un BNC, este o alternativă specifică.

Aparatul poate măsura până la 10 parametrii. Design-ul avansat asigură ecranarea adecvată pentru a preveni interferențele. În timp real are o funcție avansată a graficei de pe ecran și oferă indicații utile pentru măsurători specifice, cum ar fi titrarea. Ecranele de configurare extinse vă permit să personalizați aparatul la nevoile dumneavoastra, de exemplu: unități de temperatură, metoda Ion, ISE, constanta celulei, coeficientul de temperatură, factor TDS, limite de alarmă și alte funcții. Windows ® CE-driven, touchscreen full-color oferă o usurință de neegalat în utilizarea de operațiuni și setări, cu pictograme ușor de utilizat. USB avansat, conectivitate IRDA, permit capabilități extinse de comunicare gazdă-dispozitiv. Conectare la LAN sau Internet pentru cercetarea on-line rapidă și schimbul de date.

Aplicații:

În laborator sau industrial: Utilizarea în testarea calității apei, tratarea apelor uzate, în prelucrarea produselor alimentare, testarea geologică, aplicații în industria alimentară și farmaceutică, în industria chimică și domenii conexe. Potrivit pentru cele mai multe proceduri de testare EPA ASTM și altele. Educațional: Perfect pentru laboratoare de cercetare, potrivite pentru toate tipurile de laboratoare de chimie și studii de ecologie.

Modul de lucru:

Electrodul de plumb

Se pregatește aparatul și electrodul de plumb. Aparatul se conectează la curent, iar electrodul se montează pe brațul metalic flexibil lângă aparat.

Se spală electrodul de Pb2+ cu apă distilată, apoi se tamponează ușor cu hârtie de filtru pentru a nu exista nici un fel de impurități pe membrana sensibilă a electrodului. Se calibrează aparatul.

Între timp se pregatesc soluțiile cu ioni de Pb2+ de concentrații cunoscute.

Cele 5 soluții pregatite au concentrațiile următoare:

Se introduce electrodul de plumb pe rând în fiecare din soluțiile de concentrație cunoscută. Se lasă cateva minute pentru ca membrana electrodului să intre în regim iar apoi se citește E, potențialul electrodului la aparat; E exprimat în mV.

Relația de calcul este: E=EO + s log ( aplumb + Kplumb/x )2/x

Pentru fiecare dintre cele 5 soluții utilizate s-au citit următoarele valori:

Pentru alte 4 soluții de concentrație necunoscută, s-a calculat teoretic E, potențialul electrodului, concentrația finală fiind aflată cu ajutorul aparatului Cyberscan în prezența electrodului de plumb.

Astfel am obținut:

În final s-a reprezentat curba potențiometrică tipică pentru un electrod ion-selectiv de plumb, și s-a calculat panta Y cu valoarea: Y = -134,56849 +0,44295 X , conform figurii de mai jos.

Figura 50 : Curba de etalonare pentru electrodul de Pb

Electrodul de fluor.

Se pregatește aparatul și electrodul de fluor. Aparatul se conectează la curent, iar electrodul se montează pe brațul metalic flexibil lângă aparat.

Se spală electrodul de Fl- cu apă distilată, apoi se tamponează ușor cu hârtie de filtru pentru a nu exista nici un fel de impurități pe membrana sensibilă a electrodului.

Se calibrează aparatul.

Între timp se pregatesc soluțiile cu ioni de Fl- de concentrații cunoscute.

Cele 7 soluții pregatite au concentrațiile următoare:

Se introduce electrodul de fluor pe rând în fiecare din soluțiile de concentrație cunoscută. Se lasă cateva minute pentru ca membrana electrodului să intre în regim iar apoi se citește E, potențialul electrodului la aparat; E exprimat în mV.

Relația de calcul este: E=EO + s log ( afluor + Kfluor/x )2/x

Pentru fiecare dintre cele 7 soluții utilizate s-au citit următoarele valori:

Figura 2. Curba de etalonare a electrodului de fluor între 1-25 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B1*X

Figura 2. Curba de etalonare a electrodului de fluor între 25-100 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B2*X

În final s-a reprezentat curba potențiometrică tipică pentru un electrod ion-selectiv de fluor, și s-a calculat panta Y cu valoarea: Y = , conform graficului 2 de mai jos.

Figura 2. Curba de etalonare a electrodului de fluor între 1-100 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B1*X + B2*X2

III.Electrodul de amoniu.

Se pregatește aparatul și electrodul de amoniu. Aparatul se conectează la curent, iar electrodul se montează pe brațul metalic flexibil lângă aparat.

Se spală electrodul de NH4+- cu apă distilată, apoi se tamponează ușor cu hârtie de filtru pentru a nu exista nici un fel de impurități pe membrana sensibilă a electrodului.

Se calibrează aparatul.

Între timp se pregatesc soluțiile cu ioni de NH4+ de concentrații cunoscute.

Cele 7 soluții pregatite au concentrațiile următoare:

Se introduce electrodul de fluor pe rând în fiecare din soluțiile de concentrație cunoscută. Se lasă cateva minute pentru ca membrana electrodului să intre în regim iar apoi se citește E, potențialul electrodului la aparat; E exprimat în mV.

Tabelul 1. Valorile potentialelor electrodului de NH4+ .

Relația de calcul este: E=EO + s log ( aamoniu + Kamoniu/x )2/x

Pentru fiecare dintre cele 6 soluții utilizate s-au citit următoarele valori:

Figura 3. Curba de etalonare a electrodului de amoniu între 5-50 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B1*X

Figura 3. Curba de etalonare a electrodului de amoniu între 50-100 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B2*X

În final s-a reprezentat curba potențiometrică tipică pentru un electrod ion-selectiv de amoniu, și s-a calculat panta Y cu valoarea: Y = , conform graficului 3 de mai jos.

Figura 3. Curba de etalonare a electrodului de amoniu între 5-100 ppm

Curba de etalonare s-a realizat dupa relatia: Y= A+ B1*X + B2*X2

Capitolul V. Perspective pentru viitor

Viitorul senzorilor

Dezvoltarea rapidă a microelectronicii, micromecanicii, a opticii integrate și a altor tehnologii de nivel înalt, a permis miniaturizarea elementelor de senzori, precum și integrarea fizică a mai multor funcții și elemente de procesare de semnal pe același substrat.

Matricele de senzori sunt grupări formate din mai mulți senzori identici sau asemănători, care au aceeași funcție sau funcții similare. Multisenzorii sunt alcătuiți din câteva elemente senzoriale, fiecare având o funcție diferită. Un senzor multifuncție este un dispozitiv care poate realiza funcții diferite în condiții diferite.

Există câteva niveluri de integrare a senzorilor cu modulele de condiționare a semnalului. Primul nivel este acela în care se realizează pe rând balansarea offset-ului dintre valoarea "citită" de senzor și etalon, compensarea influenței temperaturii etc. Urmează un nivel superior, care poate include amplificări și conversii ale semnalului. Al treilea nivel, care descrie în mod evident tendința trecerii către senzorii inteligenți ("smart sensors"), presupune încorporarea microprocesorului și a memoriei pentru a realiza diferite funcții inteligente la nivel de senzor, cum ar fi:

– procesarea digitală a semnalului și stocarea sa;

– corecția erorilor din procesul de detecție pentru o mai bună precizie;

– autocalibrarea și autotestarea în cazul în care echipamentul prezintă anomalii în funcționare;

-comutarea automată între gamele de măsură pentru o detecție corectă;

-calculul valorilor medii, ale toleranțelor mărimilor măsurate, necesare în procesul de analiză;

-posibilitatea procesării semnalelor provenite de la multisenzori.

În viitor, cerințele care vor trebui să fie îndeplinite de către producătorii de senzori nu se vor limita în general doar la aspecte tehnice și de fiabilitate. În plus se vor adauga noile "standarde" de calitate, care presupun:

-un cost mic de producție;

-compatibilitate fizică cu circuitele integrate și cu tehnologiile de fabricație și interconectoare, astfel încat să fie posibilă integrarea senzorilor în matrice, împreuna cu modulele de procesare a semnalului;

-compatibilitate electrică cu microprocesoarele – senzorii vor furniza semnal digital.

V-a exista, de asemenea, o cerere din ce în ce mai mare pentru senzorii multifuncție și matricele de senzori integrați, datorită necesității compensării efectelor de interferență. Și, bineânțeles, pentru mărirea functionalității și a independenței acestor dispozitive, accentul va cădea în special pe realizarea de senzori care să poată transmite datele folosind spectrul de radiofrecvență.

Viitorul biosenzorilor

Nanotehnologia revoluționează dezvoltarea biosenzorilor. Tehnologiile nanomaterialelor și nanofabricatelor sunt tot mai mult folosite pentru a proiecta biosenzori. Din păcate este dată o atenție mică studiilor despre variatele nanoefecte, care sunt unice pentru nanomateriale

Noile nanomateriale și nanostructuri trebuie să fie explorate pentru a fi folosite în domeniul biosenzorilor. Preferabil senzorii bazați pe nanotehnologie trebuie să fie integrați în interiorul probelor de manipulare și de analiză. Aceasta va sporii funcționalitatea forte mult, prin furnizarea de dispozitive mici, portabile, ușor de folosit, ieftine, instrumente de diagnosticare unică și extrem de versatile.

Proiecte de cercetare în domeniu

Vom descrie în continuare câteva proiecte interesante destinate îndeplinirii obiectivelor de mai sus de către senzorii viitorului.

Intel Mote este un proiect ambițios care are ca scop construirea unei generații îmbunătățite a tehnologiei "mote", dezvoltată original prin eforturile Universității Berkeley și a laboratorului Intel Research Berkeley. Mote-urile sunt computere mici, încapsulate, alimentate cu baterii și cu legături radio, care le permit să comunice și să schimbe date între ele. Au, de asemenea, capabilitatea de a se autoorganiza in rețele ad-hoc. Mote-urile stau la baza rețelelor wireless de senzori.

Echipa care lucrează în cadrul acestui proiect caută să creeze o nouă arhitectură de platformă, care să asigure un nivel de integrare crescut, dar și funcționarea cu necesități mai mici de putere în cadrul unor dimensiuni fizice reduse. Printre altele, noua platformă va avea un aspect modular atât hardware, cât și software, si v-a dispune de capabilități de control al puterii.

După cum spuneam, mote-urile pot servi și ca elemente de bază în rețelele wireless de senzori. Aceste rețele au fost instalate și testate pe un număr mare de aplicații diverse, cum ar fi managementul agriculturii, monitorizarea structurilor și a cutremurelor, controlul industrial și, bineânțeles, aplicații militare. Domeniile de penetrare ce se întrevăd pentru mote-uri includ transporturile, serviciile de urgență (pompieri, poliție, salvare), automatizarea locuințelor și chiar și jucăriile interactive (un prim pas a fost deja făcut de către Sony, prin lansarea pe piață a cațelului intelligent “Aibo”.)

Figura 40 : Cățelul inteligent , “Aibo”.

Reconfigurable Aperture Program (RECAP) este numele unui proiect care are ca scop mărirea lățimii de bandă a unei antene. Aceasta v-a permite dezvoltarea unor radare și sisteme de comunicare de bandă largă și multibandă care să funcționeze utilizând o singură "deschidere" către exterior. Sistemele vor fi capabile, așadar, să se adapteze în mod dinamic la amenințările bruiajelor electronice, schimbând rapid frecvența și polarizarea. De asemenea, vor putea fi folosite pentru diferite funcții la diferite momente de timp. [1, 22]

Capitolul VI. Concluzii:

Lucrarea de diplomă “Senzori chimici și biochimici” prezintă informații din cercetări teoretice și practice despre senzorii din viața de zi cu zi.

Odată cu avansul tehnologiei, senzorii au pătruns în domenii în care cu câteva decenii în urmă nici nu se credea că vor putea aduce o contribuție însemnată. Și dacă ne uitam bine în jurul nostru, este aproape imposibil să nu vedem sau să nu știm că există măcar un senzor în preajmă.

Tema lucrării a fost tratată sub aspect teoretic și practic, pentru a realiza o descriere cât mai amplă asupra senzorilor atât chimici cât și biochimici, asupra tipurilor de electrozi și de traductori utilizați în laboratoare de specialitate și în industirie.

Experimental s-a folosit un electrod ion selectiv și anume electrodul de plumb, pentru determinare concentrațiilor diferitelor substanțe și alcatuirea graficului potențiometric.

Dezvoltarea rapidă a microelectronicii, micromecanicii, a opticii integrate și a altor tehnologii de nivel înalt a permis miniaturizarea elementelor de senzori, precum și integrarea fizică a mai multor funcții și elemente de procesare și de semnal pe același substrat.

Nanotehnologia revolutionează dezvoltarea biosenzorilor.

Noile nanomateriale și nanostructuri trebuie să fie explorate pentru a fi folosite în domeniul biosenzorilor.

Desigur, există atâtea planuri și proiecte de cercetare pe terenul senzorilor, încât nu ne-ar fi de ajuns nici măcar întreaga lucrare pentru o scurtă descriere a fiecăruia.

Capitolul VII. Bibliografie

http://pcworld.ro/articole/cine-unde-cand-cum-o-scurta-privire-asupra-senzorilor/

A. F. Dăneț, D. Neagu, Rev. Chim., vol. 55, nr. 1, 2004,

B. Bucur, M. P. Dondoi, A. F. Dăneț: Anal. Chim. Acta, 2005,

Grady Hanrahan, Joseph Wang „Electrochemical sensor for environmental monitoring: design, development and applications”, Journal of Environmental Monitoring, 2004

M. Raileanu, L. Stanciu, M. Zaharescu: “Enzymes entrapment in sol-gel silica matrix for biomedical applications”, IEEE Int. Conf. Proc, Sinaia, CAS’2001,

P.T. Kissinger: „Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry”, Eds., Dekker, New York, 1984,

A. Despic and V. Parkhutik: „Modern Aspect of Electrochemistry”, Eds., Plenum, New York, 1989, chap. 6

R.N. Adams, Electrochemistry at Solid Electrodes, New York, 1969

A. Ciucu, Biosensors for Envirommental Monitoring, Niculescu Publishing House, Bucharest 2000,

C.R. Martin and L.S. Van Dyke, In Molecular Desing of Electrod Surface, Ed., John Wiley, New York, 1992

A. Despic and V. Parkhutik, in Modern Aspect of Electrochemistry, Eds., Plenum, New York, 1989, chap. 6

R.N. Ladislau Kekedy: Senzori elctrochimici, metalici si ionoselectivi, editura academiei republicii socialiste Romania, anul 1987, bucuresti

C. Luca, Chimie analitica și analiză instrumental , editura edp, bucuresti , anul 1983

Victor David, Controlul analititc al poluanților atmosferici, editura univesitatea dein bucuresti, anul 1997

E buliga, Chimie analitică și analiză instrumental, universitatea politehnică din , anul 1996

Donald J. Pietrzyk, Chimie analitică, editura Tehnică, Bucuresti, anul 1989,

Adams, Electrochemistry at Solid Electrodes, Marcel Dekker, New York, 1969

Ioan Stamatin : ,,Nanomateriale aplicații în biosenzori, surse de energie, medicină-biologie Elemente de nanotehnologie”, Universitatea din București, 2008

Lupu Stelian: Senzori chimici și biochimici , editura printech, anul 2006

Stanciu Marcel : Senzori chimici și biochimici cu fibre optice ,editura electra, anul 2003

www.DEX.ro

www.sciencedirect.com