Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź. Dr Paweł Krzyczmonik

Transkrypt

1 Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź Dr Paweł Krzyczmonik Łódź, maj 2015

2 Plan wykładu Zastosowania sensorów chemicznych Wstęp Zastosowania przemysłowe Kontrola analityczna w procesach technologicznych Zastosowania w chemii klinicznej Zastosowania w ochronie środowiska Miniaturyzacja w analityce Układy Lab-on-a-chip Printed screen electrodes 2

3 Zastosowania sensorów chemicznych - wstęp Oksydaza a-d-glukoza + ½ O 2 + H 2 O kw. glukonowy + H 2 O 2-7kcal glukozowa Elektroda tlenowa H + Amperometria Fotometria Luminescencja Kalorymetria Elektroda ph ISFET

4 Zastosowania sensorów chemicznych - wstęp Typ sensora Rodzaj detekcji Typ próbki Zakres pomiarowy Amperometryczny (elektroda Clarka) Amperometryczna z membraną Ciekła lub gazowa 0.1ppm-100% obj. Potencjometryczny (sonda lambda) Ogniwo ze stałoelektrolitowym przewodnikiem w podwyższonej temperaturze Gazowa 1-100% obj. Optyczny Wygaszanie fluorescencji immobilizowanego barwnika Tlen rozpuszczony w cieczach 0.01ppmroztwór nasycony paramagnetyczny Wykorzystywanie paramagnetyzmu O 2 Gazowa % obj.

5 Zastosowania przemysłowe Przemysł motoryzacyjny sonda lambda Kontrola stężenia gazów (CO, NO x, CH 4, NH 3 itp.) Np. konduktometryczne sensory na bazie SnO 2 instalacje alarmowe w tunelach, garażach, kopalniach w urządzeniach kontrolujących emisję zanieczyszczeń przemysłowych Kontrola analityczna w procesach technologicznych elektroda szklana ph, inne elektrody ph, inne sensory wg potrzeb.

6 Kontrola analityczna w procesach technologicznych Problemy techniczne występujące w zastosowaniach sensorów do kontroli procesów technologicznych on-line Uwzględnienie warunków prowadzenia procesu T, p Problem miejsca i sposobu montażu sensorów Możliwość wymiany uszkodzonych sensorów Zabezpieczenie sensorów przed uszkodzeniem Elektrody z ciekłym elektrolitem muszą pracować z wewnętrznym nadciśnieniem Problem korozji

7 Kontrola analityczna w procesach technologicznych Nazwa urządzenia Analit Zakres pomiarowy Zastosowania AEG NO x Monitor NO x ppm Gazy spalinowe MSI (Drager) Komputerowy analizator gazów O 2 CO SO 2 NO NO % obj ppm ppm ppm ppm Gazy spalinowe Unitronic (Figaro) Monitor gazów CH 4 C 3 H 8 C 4 H 10 CO NH 3 H 2 S H 2 O ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm Alarmy gazowe (tunele, kemping, garaże) Wilgotność Transducer Res. Inc. Monitor gazów NO 2 H 2 S CO 10 ppb-50 ppm ppm ppm Alarmy gazowe

8 Kontrola analityczna w procesach technologicznych Sensor Analit Zakres Próbka Czas życia ISFET H + ph 2-12 ciekła miesiące CHEMFET Na mol/l ciekła tygodnie ISE H + ph 0-14 ciekła lata Na mol/l ciekła lata F mol/l ciekła lata K + NO mol/l mol/l ciekła ciekła miesiące miesiące Elektroda Clarka Sonda Lambda O x10-4 mol/l O 2 w cieczy lata O % obj. gazowa lata Alarmy gazowe CO, H 2 alkany 1-100% obj. gazowa lata Optrody K + O mol/l mol/l ciekła O 2 w cieczy tygodnie miesiące

9 Zastosowania w chemii klinicznej Początki 1909 prezentacja elektrody szklanej 1934 Arnold Beckman konstruuje ph-metr Pierwszy trójkanałowy analizator krwi (ph, p CO2 p O2 ) 1962 fluorkowa elektroda jonoselektywna 1967 opisano pierwszą elektrodę enzymatyczną (oznaczanie glukozy) Jon Stęż. Fizjologiczne [mmol/l] Zakres pomiarowy [mv] H Li Na K Mg 2* Ca Cl HCO

10 Zastosowania w chemii klinicznej Schemat wieloelektrodowego analizatora krwi umożliwiającego pomiar kilku parametrów w pełnej krwi

11 Zastosowania w chemii klinicznej AUTOMATYCZNY ANALIZATOR PARAMETRÓW STANÓW KRYTYCZNYCH OPTI CCA Przeznaczenie : - medycyna ratunkowa ( w tym ambulans, helikopter, służby ratownicze itp.), - placówki służby zdrowia o małej ilości oznaczeń, - metoda pomiarowa : - pomiar metodą fluorescencji i reflektancji, - pomiar w oparciu o elektrody w kasecie jednorazowego użytku, bez użycia odczynników, - parametry mierzone (w zależności od typu użytej kasety pomiarowej) : ph, pco 2, po 2, thb, Na +, K +, Cl -, Ca 2+, Glu, SO 2,

12 Zastosowania w chemii klinicznej Badania in vivo, ex vivo i in vitro Specyficzne rodzaje próbek krew, osocze, surowica, mocz itp. Pomiary z zastosowaniem ISE bezpośrednio w nierozcieńczonej próbce dają możliwość oznaczania tylko nieskompleksowanych jonów. Najczęściej stosując metodę dodatku wzorca. Na wyniki oznaczeń wpływają: Błędy przy pobieraniu próbek. Dodatek zbyt dużych ilości heparyny. Wpływ ma temperatura w której prowadzimy oznaczenie. Niektóre elektrody ulegają zanieczyszczeniom biologicznymi składnikami próbki (np elektroda szklana).

13 Zastosowania w ochronie środowiska Monitorowanie stężeń substancji występujących w środowisku. Możliwości pracy w systemie on-line Konieczność porównywania aktualnych wskazań ze stężeniem przyjętym jako granica toksycznego działania danej substancji Wykorzystanie biosensorów do detekcji substancji toksycznych i mutagennych (np. fosforany organiczne inhibitują działanie acetylocholinoesterazy) Możliwość określania ogólnej toksyczności np. roztworu po przez monitorowanie metabolizmu komórek bakterii elektrodą tlenową

14 Miniaturyzacja w analityce - układy Lab-on-a-chip MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), lub też Mikrosystemy, określenie zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1-100 μm) MicroTAS (µtas) (Total Analysis Systems), Miniaturowe zintegrowane systemy (skala Mikro) w których możliwe jest przeprowadzanie pełnych sekwencji procesów labolatoryjnych. Lab-on-a-chip (LOC) to urządzenie, które łączy w jedną lub kilka funkcji laboratoryjnych na jednym chipie o wymiarach od kilku milimetrów do kilku centymetrów kwadratowych. LOC umożliwia pracę z bardzo małymi ilościami płynów, aż do objętości poniżej 1pl (pico litra). Określenie "Lab-on-a-Chip" zostało wprowadzone później, kiedy okazało się, że technologie μtas zaczęły być szerzej stosowane niż tylko do celów analizy.

15 Układy Lab-on-a-chip Budowa układów LOC

16 Układy Lab-on-a-chip Przykłady układów LOC

17 Lab-on-a-chip Układ do kapilarnej elektroforezy w wykonaniu LOC (Lab-on-a-chip) a) poli (dimetylosiloksan) na szkle (PDMS-glass) b) poli(metakrylan metylu) (PMMA) c) Polieteroeteroketon (PEEK)

18 Selektywność enzymów Zastosowanie w diagnostyce medycznej terapia chorób depresyjnych litem Rozdzielanie i ilościowe oznaczanie Li + w sztucznej krwi w próbkach surowicy.

19 Selektywność enzymów 1. siarczan 2. kwas winowy 3. kwas jabłkowy 4. kwas bursztynowy 5. kwas octowy 6. kwas mlekowy Odciski palców kwasów organicznych w winie i soku

20 Selektywność enzymów 1. Fruktoza 2. Glukoza 3. Laktoza 4. sacharoza Wykrywanie cukrów w nektarach i sokach

21 Selektywność enzymów Rozdział i oznaczenie aminokwasów biogennych 1. Lizyna 2. Arginina 3. Histydyna 4. Glicyna 5. Alanina 6. Walina 7. Luecyna 8. Treonina 9. Metionina 10. Tryptofan 11. Fenyloalanina 12. Tyrozyna 13. Cysteina

22 Układy Lab-on-a-chip Przykład systemu pomiarowego do analiz biochemicznych opartego na układach LOC

23 Printed screen electrodes

24 Printed screen electrodes

25 Printed screen electrodes Układ LOC z zastosowaniem printed screen electrodes Oznaczanie stężenia jonów cynku w osoczu krwi metodą woltamperometrii stripingowej

26 Literatura 1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, Sensory chemiczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki Miniaruryzacjia w analityce, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa J. Janata, Principles of Chemical Sensors, Springer, wyd. 2, P. Gründler, Chemical Sensors, An Introduction for Scientists and Engineers, Springer, P. N. Bartlett (ed.), Bioelectrochemietry, fundamentals, experimental techniques and applications, Willey & Sons, W. Szczepaniak, Metody Instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary Springer,

27 Dziękuje za uwagę 27