Sensing elements for multichannel electrochemical (bio)sensors

Mgr. Karel Lacina, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Biosenzory jsou analytické přístroje převádějící studovanou vlastnost vzorku na informaci. Informace může být buď kvalitativní (ne/přítomnost) či kvantitativní (mnoho nebo málo). Pro biosenzor je význačné spojení biologické rekogniční složky a chemicko-fyzikálního převodníku. Rekogniční složka zprostředkovává interakci s analytem, jež je převodníkem převáděna do podoby měřené fyzikální veličiny a posléze na dnes již výhradně digitální signál. Ze své podstaty by biosenzor měl být přístroj snadno přenosný, malých rozměrů, použitelný mimo specializovanou laboratoř. Takový přístroj však klade vysoké nároky na instrumentaci a spolehlivost jednotlivých komponent. Proto lze použít pouze robustní a jednoduché principy a technologie. V první části předkládané práce se nachází stručný úvod do elektroanalytických metod. Tyto metody představují z pohledu potřeb biosenzorů vhodné techniky pro převod sledovaných vlastností do podoby měřitelného signálu. Představeny jsou i prostředky jimiž se tyto informace získávají – modifikované elektrody. Obecně je pro zisk dat vhodné či spíše nutné použít jednoduchých (tudíž robustních a spolehlivých) experimentálních systémů. Takový systém představuje průtočná cela vyvinutá pro analýzu vzorku ve čtyřech parametrech současně. Princip, z něhož vychází tato cela, lze využít pro návrh vícekanálové cely nejenom s elektrochemickou detekcí a použitelnou v jakémkoli průtočném systému. Velice zajímavý a lze říci i moderní analytický přístup představuje technologie umělého jazyk či umělého nosu. Tento přístup využívá dnes velice rozvinuté počítačové metody k rozboru dat získaných při analýze vzorku několika málo selektivními senzory. Principy a metody těchto systémů jsou zde popsány a aplikovány pro charakterizaci vína. Při návrhu a během vývoje vícekanálových senzorů (čímž umělý jazyk i nos v podstatě jsou) lze využít skenovací elektrochemické mikroskopie. Popis principů a jiných možných uplatnění lze nalézt v předposlední kapitole. Tak jako pro všechny elektrochemické (bio)senzory i pro umělý jazyk je zásadní rekogniční vrstva, která je v kontaktu s převodníkem. Chemosenzory jakožto látky „ušité na míru“ daného analytu by mohly nabídnout obecně použitelnou, jednotící technologii pro různé analytické přístupy. Tím spíše, že je možné navrhnout daný chemosenzor tak, aby již nebyl nutný přídavek dalších reagencií. Takové řešení pro detekci cukrů představuje připravený derivát kyseliny borité s ferocenem a thiofenem - 4-[(ferocenylamino)metyl]thiofen-3-boritá kyselina. Zbytek borité kyseliny zprostředkovává interakci s molekulou cukru, ferocen zajišťuje elektrochemickou detekci této vazby a diky thiofenu je možné ukotvit celou molekulu na povrch ušlechtilých kovů.

Abstract:

Biosensors are analytical devices converting a studied property of a sample to information. The information can be either qualitative or quantitative. The biosensors are characterized by the combination of a biological recognition element and a chemical-physical transducer. The recognition element provides interaction with an analyte. The event of the interaction is mediated by the transducer to the form of measurable physical quantity and nowadays exclusively further to the digital signal. Biosensor should essentially be device easy transportable and handheld, utilizable for in-field applications. Such device makes real demands on an instrumentation and reliability of particular components. Therefore only robust and simple principles and technologies can be employed. In the first part of the presented thesis a brief introduction to the electroanalytical methods can be found. These methods from the viewpoint of biosensors represent suitable techniques for the conversion of studied properties to the form of measurable signal. The tools used for this purpose – modified electrodes are introduced as well. Generally it is suitable to utilize simple (thus robust and reliable) experimental systems for the data obtaining. Flow-through cell developed for the analysis of the sample in four parameters simultaneously represents such system. The principles, according which the cell is constructed, can be employed for the design of multi-channel cell with not only electrochemical detection and applicable in any flow system. A technology of artificial tongue or nose is very interesting and modern analytical approach. That takes advantage of the nowadays highly developed computational methods for the analysis of the data obtained with low-selective sensors. The principles and methods of these systems are described there and applied for the wine characterization. Through the course of the design and development of multi-channel sensors (which artificial tongue and nose actually are) Scanning electrochemical microscopy can be used. A description of its principles and other applications can be found in the last but one chapter. Same as for all electrochemical (bio)sensors, the recognition layer neighbouring with the transducer is of crucial importance for the artificial tongues. Chemosensors as compounds “tailored” for the particular analyte can be employed as generally utilizable and unifying technology for diverse analytical approaches. Furthermore chemosensor can be designed in the way that no other reagent is necessary. Reagentless sensor is thus obtained. A derivative of boronic acid with ferrocene and thiophene - 4-[(ferrocenylamino)methyl]thiophene-3-boronic acid represents such solution for the detection of sugars. Residuum of boronic acid mediates the interaction with the molecule of sugar, ferrocene serves as electrochemical label and due to the presence of thiophene the anchorage of the molecule is enabled.

Keywords

vícekanálové elektrochemické senzory, modifikované elektrody, průtoková analýza, detekce cukrů

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 9. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 23. 11. 2011
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: doc. Ing. René Kizek, Ph.D., doc. Ing. Ludmila Zajoncová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biochemistry