2002/zzz

Kémia

Szenzorok az analitikai kémiában

Tóth Klára

az MTA r. tagja, egyetemi tanár,
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,
Általános és Analitikai Kémia Tanszék
ktoth@mail.bme.hu

Gyurcsányi Ervin Róbert

PhD, posztdoktor,
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,
Általános és Analitikai Kémia Tanszék
robertgy@mail.bme.hu

Bevezető gondolatok

A kémiai információ, egy adott minta komponenseinek azonosítása és mennyiségi jellemzése, rendkívül fontos helyet foglal el információs társadalmunkban. A kémiai és biológiai folyamatok megértése, modellezése és kontrollja lehetetlen kémiai információ hiányában. Az analitikai kémia fejlődése hihetetlen mértékben kibővítette a környezetünkből nyerhető kémiai információ mennyiségét és minőségét. Bizonyos becslések szerint a naponta elvégzett kémiai analízisek száma milliárdos nagyságrendű, és ez a szám az alkalmazási területek bővülésével, de leginkább a szigorú minőségellenőrző nemzetközi megállapodások hatására nagymértékben növekedni fog a jövőben. Az analitikai kémiai tudomány a társadalmi elvárásokra válaszolva napjainkban is folyamatosan fejlődik, és a fejlesztés új irányait három általános trenddel lehet jellemezni: automatizálás, miniatürizálás és egyszerűsítés. Kiemelt fontosságúvá válnak a gyors, megbízható és valós idejű kémiai információt szolgáltató analitikai eszközök és méréstechnikák.

A szenzorok (érzékelők) fejlesztése az analitikai kémia egyik legdinamikusabban fejlődő, legvirágzóbb és legváltozatosabb interdiszciplináris tudományterülete. Fejlesztését többek között a környezeti és egészségügyi előírások biztosítása és az életfolyamatok molekuláris szintű feltárására való törekvés motiválja. Számos érzékelő az anyagok, tárgyak, folyamatok fizikai sajátságainak, így hőmérséklet, nyomás, helyzet, gyorsulás stb. jelzésére szolgál. Több különböző típusú fizikai érzékelőt évtizedek óta használnak mechanizált elemzőkben. Környezetünk kémiai összetételéről információt adó kémiai szenzorok (érzékelők), mint minden analitikai mérőrendszer, a kémiai tulajdonságok (koncentráció, szerkezet) fizikai-kémiai jellé való átalakítását végzik. A szenzor által szolgáltatott analitikai jel feldolgozásával egyes alkotók (atomok, molekulák és ionok) koncentrációja vagy szerkezetének megváltozása határozható meg. A kémiai szenzor két részegységből áll: egy molekuláris felismerést biztosító anyagot (például receptort) tartalmazó felismerő részből (felismerő zónából) és egy fizikai-kémiai jelátvivő egységből. A felismerő egység funkciója kettős: szelektív kölcsönhatás révén a szenzor szelektivitásának biztosítása és a kémiai paraméter (általában koncentráció) analitikailag mérhető, hasznos jellé való átalakítása, amelyre a jelátvivő egység reagál. Jellemző tulajdonságuk, hogy a kémiai felismerést biztosító alkotóelem és a fizikai-kémiai jelátalakító egység egy analitikai eszközben van integrálva. Ennek az integrációnak több fontos vonzata is van, amiért, annak ellenére, hogy a detektálási elvek (elektrokémiai, optikai, mikro-tömegmérésre visszavezetett, stb.) nem térnek el a többi analitikai eszközétől, a szenzorok külön fejezetét képezik az analitikai kémiának. A szenzorfejlesztés legnagyobb kihívása a szelektív felismerő zóna (egység) tervezése és a jelátvivő egységhez való rögzítése.

A bioszenzorok (biológiai szenzorok) a kémiai szenzorok alcsoportját alkotják, amelyeknél a felismerő anyag biológiai eredetű, és a szelektív felismerési lépés biológiai folyamatra épül, így lehet enzim-szubsztrát, antigén-antitest, receptor-agonista kölcsönhatás vagy nukleinsav hibridizáció. A különböző biológiai anyagok közül legáltalánosabban az enzimeket használják. A jelátvitel lehet elektrokémiai (amperometriás, potenciometriás), optikai vagy reakcióhő mérésén alapuló. Újabban készítenek felületi plazmon-rezonancia detektáláson vagy a tömegváltozás mérésén alapuló (kvarckristály mikromérleg alapú) és felületi akusztikus hullám detektáláson alapuló kémiai és bioszenzorokat is.

A szenzorokkal szemben támasztott követelmények nagyon szigorúak. Közös előnyös tulajdonságuk a nagy szelektivitás, a nagy érzékenység (alacsony mérési alsóhatár), a gyors működőképesség (rövid válaszidő) és a hosszú élettartam. Fontos megemlíteni, hogy a szenzorok működését megszabó folyamatok általában reverzibilisek, ami biztosítja a szenzorok ismételt felhasználhatóságát, folyamatos üzemmódú alkalmazását. Az egyes paraméterek teljesülése azonban esetenként ellentmondáshoz vezethet. Példaként vegyük a nagy szelektivitást és a reverzibilitást. Egyrészt kívánalom a nagy szelektivitás, másrészt a reverzibilis funkció. Ez a két követelmény valamelyest ellentmond egymásnak, hiszen a szelektivitás javul, amennyiben a molekuláris felismerő réteg és a meghatározandó komponens között erősebb kölcsönhatás lép fel. Ugyanakkor az erősebb kölcsönhatás a reverzibilitás csökkenését jelentheti. Az irreverzibilis, egyben igen specifikus antigén-antitest kölcsönhatáson alapuló immunanalitikai rendszerek (eszközök) ismételt felhasználhatósága korlátozott. Ezért a gyógyszerek, hormonok, baktériumok és vírusok mint antigének meghatározására használt immunanalitikai rendszerek, továbbá minden olyan eszköz, amely nem alkalmas a komponens-koncentráció folyamatos monitorálására, az IUPAC (Union of Pure and Applied Chemistry) ajánlása szerint "bioprobe"-nak vagy egyszerhasználatos szenzornak nevezhető (Thevenot et al., 1999).

A bioszenzorokat alkalmazó, mintakezelő egységet is tartalmazó analitikai rendszerek, illetve azok miniatürizált változatai sem tekinthetők szenzoroknak. A mikro-, illetve nanoszenzorokat és mintakezelési (elválasztási) egységet is tartalmazó komplett mikroanalitikai rendszereket az angol irodalomban mTAS-nak, Lab on the chip-nek nevezik. Előnyös alkalmazásuk az orvosbiológiában, in vitro, nagysebességű szűrések és a molekuláris biológiai kutatások terén várható.

A kémiai szenzorok jelentősége

A modern társadalomban számos olyan analitikai kémiai feladat van, amelyet nem lehet konvencionális laboratóriumi, analitikai kémiai műszerezettséggel megoldani. Ennek okai között szerepel az analitikai mérőrendszer nem megfelelő mérete, a túl hosszú analízisidő vagy az analízis túl magas költsége. A kémiai érzékelők hagyományos előnyei között említhető a minimális vagy minta-előkészítés nélküli gyors helyszíni mérések lehetősége és az eszköz-előállítás alacsony költsége. Nagyon fontos kihangsúlyozni a kémiai érzékelők alkalmazhatóságát kémiai és biológiai folyamatok monitorálására élő szervezetben (in vivo) és a természetben (in field), terepviszonyok között, ami magában hordozza az azonnali információszerzés és ezáltal a gyors beavatkozás lehetőségét. A legfontosabb alkalmazási területek közt említhető a környezetvédelem, a minőség-ellenőrzés, az élelmiszeranalitika, az orvos-biológiai analízis, különös tekintettel az orvosi diagnosztikára, a hadiipar és a folyamatellenőrzés és -szabályozás (1. ábra).

1. ábra • A kémiai szenzorok fő alkalmazási területei

Az orvostudományok területén a kémiai érzékelők jelentőségét a glükózszenzor példája jól érzékelteti. A cukorbetegségnek akut és krónikus szövődményei a vércukorszint kóros ingadozásával vannak összefüggésben. A krónikus, életminőséget jelentősen rontó szövődmények (retina, vese, keringési rendszer, stb. károsodása) hosszabb idejű hiperglikémia fennállása mellett jelentkeznek. A 20-70 életév között jelentkező vakság fő oka az USA-ban a diabeteses retinopathia, évente mintegy 12-24 ezer új eset (Heller, 1999). A vércukorszint normál tartományban tartása legalább 60 %-kal csökkenti a krónikus szövődmények jelentkezését (The Diabetes Control and Complications Trial Research Group, 1993). A betegek által egyszerűen használható, egycseppnyi vérmintát igénylő glükózérzékelő jelentősége nyilvánvaló, ha arra gondolunk, hogy alternatívája a naponta többször végzendő kórházi laboratóriumi meghatározás lenne. Egyes betegségre jellemző molekulák szenzorokkal történő meghatározása a jövőben nagymértékben javíthatja az életminőséget azáltal, hogy lehetővé válik az adott marker (kreatinin, glükóz, koleszterin stb.) koncentrációjának nyomon követése kórházi beutalás nélkül is. A betegágy melletti szenzorok alkalmazása a megfigyelés minőségét nagymértékben javítja. Erre példa az intenzív terápia során használatos oxigénmérő érzékelők illetve a neonatológiában az emberi szervezet elektrolit-háztartását jellemző ionok meghatározására alkalmas ionszelektív elektródok.

A környezetvédelemben kiemelt jelentőséggel bír a szennyvizek, talaj- illetve felszíni vizek minőségének ellenőrzése, a toxikus anyagok (peszticidek, nehézfémek, klórozott szénhidrogének stb.) szintjének meghatározása környezeti mintákban. Az érzékelők segítségével a kritikus paraméterek helyszíni jelzésére nyílik lehetőség, és elkerülhető a költséges mintaszállítás, illetve konzerválás, ami a laboratóriumi vizsgálatok követelménye. A szennyvizekből származó cianid által okozott természeti katasztrófák tükrében a folyamatos, in-field monitorálás jelentőségét nem kell indokolni. A különböző hazai és nemzetközi pályázatok, például a Biotechnológia 2001 pályázat is, egyértelmű felhívást tartalmaz az ökotesztek, szennyezések gyors kimutatására szolgáló módszerek kidolgozására. A pályázat szövegéből idézve: szükséges: "Olyan eljárások és bioszenzorok kidolgozása, amelyekkel gyorsan és hatékonyan lehet figyelmeztetni a környezeti szennyezésre, és a szennyezési szinteket gyorsan és pontosan meg lehet adni.", valamint "DNS, fehérje vagy mikroorganizmus specifikus detektálására szolgáló tesztek alkalmazása a biomonitoring területén" (Biotechnológia 2001, 4. 3). Érzékelőhálózatok kialakításával az említett paraméterek térbeli eloszlása is meghatározható, és lehetőség nyílik a szennyezés forrásának azonosítására is.

A kémiai folyamatszabályozás területén a szenzorok a visszacsatolásos rendszerek szerves részeit képezik. A mért pillanatnyi értékeknek megfelelően a rendszer több paraméterének (például reagens adagolás, pH- beállítás, stb.) automatikus szabályozására is lehetőség nyílik. Gyakran az egész folyamat minőségét döntően meghatározhatja a szenzor teljesítménye és megbízhatósága.

A 2001. szeptember 11-e utáni bioterrorizmus eredményeképpen eddig összesen 18 anthrax esetet diagnosztizáltak az Egyesült Államokban. Az események hatására rendkívüli mértékben megnőtt az érdeklődés a veszélyes biológiai és kémiai ágensek detektálására alkalmas analitikai eszközök iránt. Várhatóan a jövőben a hadiipar a kémiai és biológiai érzékelők jelentős felhasználási területét fogja képezni (Niiler 2002).

Honnan indult el a szenzorkutatás, és merre halad?

A szenzorkutatást az elmúlt 50 évben az érzékelők szelektivitásának növelésére irányuló törekvések uralták. A hidrogénszelektív üvegelektród a pH-mérés általánosan elfogadott eszközévé vált. A hazai üvegelektród-kutatásokat Lengyel, Boksay és Csákvári végezte, nemzetközileg elismert eredményeket érve el (Lengyel et al., 1966). Az 1950 és 1980 közötti időszakot a nem üvegmembrán alapú ionszelektív elektródok virágkorának lehet tekinteni. Pungor Ernő és kutatócsoportja e területen végzett úttörő munkája eredményeként több anionmérő elektród került kifejlesztésre, és elsőként hazánkban indult el az ionszelektív elektródok gyártása (Pungor, 1967). A lantán-fluorid egykristály alapú fluoridelektród vagy a valinomycin (ionofór, biológiai membránokban szelektív iontranszportot biztosító makrociklusos vegyület) alapú káliumion-szelektív elektród a legkiemelkedőbb példái az adott periódusban folyó nemzetközi kutatás sikerének. A természetes és szintetikus ionofórok szelektív felismerőanyagként (receptor molekulaként) való alkalmazása W. Simon és munkatársainak úttörő munkája nyomán indult el, s ma már több mint 60 féle ion és molekula határozható meg ionofór alapú membránelektróddal (Stefanac, Simon, 1966). Az ionszelektív elektródok legfontosabb rutinszerű alkalmazásai között említhetők a biológiai minták (vér, vizelet) elektrolit-koncentrációjának meghatározása.

Az utóbbi évek legszenzációsabb kutatási eredménye az a felfedezés volt, amely rámutatott arra, hogy az ionofór alapú ionszelektív elektródok mérési alsó határa kiterjeszthető a tudományos közvélemény által elfogadott mikromólos tartományról a pikomólos tartományra (Sokalski, et al., 1997). Bebizonyosodott, hogy a korábban tapasztalt viszonylag magas kimutatási határokat az ionszelektív membránból kiáramló, az elektródnak megfelelő, ún. elsődleges ionok okozzák. A membrántranszport kémiai vagy elektrokémiai modulálása lehetőséget adott a mérési alsó határ kedvező irányú befolyásolására, az eddig elérhetőnek tartott érték hat nagyságrendet meghaladó mértékben való csökkentésére. Az alacsony kimutatási határok különösen vonzóvá teszik az új típusú elektródokat környezeti szennyezők, például nehézfémek nyomanalízisében.

A rendkívül alacsony kimutatási határral rendelkező ólom-ionszelektív szenzorokat sikerrel használták természetes vizek ólomtartalmának meghatározására (Ceresa, et al). A mért és az induktív csatolású plazma-tömegspektrométer műszeregyüttessel (ICP-MS) meghatározott értékek gyakorlatilag azonosak. Az ólomszelektív elektród ugyanakkor a minta előkészítésétől függően különbséget tudott tenni a szabad és össz-ólomion koncentráció között. Az eredmények a környezetvédelmi szempontból fontos nehézfémek speciációjának feltárása szempontjából is ígéretesek. A jövőben várható a nehézfém-ion szenzorok ilyen irányú alkalmazása.

A biológiai eredetű szelektivitás bevezetése a szenzorkutatásba egy egészen új szenzortípus, a bioszenzorok kifejlesztéséhez vezetett, amelyet a vércukor szelektív mérésének igénye iniciált. A cukorbetegség prevalenciája az iparilag fejlett országokban közel 4 %. A Clark és Lyons úttörő munkája alapján elindult glükóz-szenzor 40 éves története sikertörténet, és ma már többféle, kis térfogatú, esetenként 100 mL vérmintát igénylő miniatürizált glükózmérő szenzor és rendszer található a kereskedelmi forgalomban (Wang, 2001). A klinikai teszteket forgalmazó cégek szinte mindegyike forgalmaz bioszenzor alapú glükózmérő terméket.

Mindegyik glükózmérő érzékelő (tesztcsík) enzim alapú, és a biokatalitikus réteg a jelátvivő elektrokémiai vagy optikai egységre van rögzítve. A glükózkoncentráció meghatározása gyakran a glükóz és az oxigén között lejátszódó reakción alapszik. A biokatalitikus reakcióban állandó konverzió mellett keletkező lokális hidrogén-peroxid koncentrációjának mérése alapján történik a glükózkoncentráció meghatározása. A kereskedelmi glükózszenzorok többségénél a hidrogénperoxid-koncentráció mérése általában elektrokémiai úton (amperometriásan) történik. A kutatások a természetes oxigén más reakciópartnerrel, mediátorral (reverzibilis redoxi-rendszerek) való helyettesítésére irányultak, kiküszöbölve ezzel az oxigénkoncentráció analitikai jelre gyakorolt hatását. Az egyes glükózmérő szenzorok a szenzor méretében, a biokatalitikus réteg kialakításának módjában, a zavaró hatások kiküszöbölésére kialakított megoldásokban térnek el egymástól.

A kereskedelmi forgalomban lévő, személyes vércukormérők általában miniatürizált, planáris felépítésű enzimelektródot tartalmaznak mint mérőérzékelőt, amelyek mikroelektronikai rétegtechnológiával készülnek (2. ábra). A biokatalitikus réteg (enzim, mediátor, stabilizátor és rögzítő reagens) és az amperometriás elektród között található a biológiai minta egyéb oxidálható anyagainak zavaró hatásait kizáró permszelektív membrán. Az esetleges fehérjeadszorpciót ugyancsak védő membránréteg akadályozza meg.

2. ábra • Planáris elektrokémiai glükóz szenzor; a) vázlatos kép; b) planáris szen-zorszerkezet a rétegek feltüntetésével

A kapcsolódó mérőműszer könnyű, zsebben hordozható, telepes polarizáló egység, amely közvetlenül kijelzi a vércukorszintet. A kutatások rendkívül biztatóak in vivo, az élő szervezetbe beépíthető mikroglükózszenzor, illetve glükózmonitor-rendszer kialakítása vonatkozásában is.

Kidolgoztak a különböző növényvédőszer-maradványok (szerves foszforsavészter származék típusú vegyületek) meghatározására is enzimaktivitás gátlásán alapuló szenzorokat. Ezek a szenzorok általában vegyületcsoport-specifikusak, és elsőrendűen a környezeti szennyező anyagok terepviszonyok közötti (in field) tesztelésére alkalmasak. Válaszuk igen/nem jellegű, és előnyösen használhatók a kritikus küszöbérték jelzésére. Semmiképpen nem helyettesítik a nagy szelektivitású, laboratóriumi elválasztási módszereket.

A bioszenzorok esetében számolni kell a biológiai eredetű felismerő anyagok korlátozott stabilitásával. Komoly erőfeszítések folynak új, hőstabil enzimek és géntechnológiával előállított fehérjék kialakítására és alkalmazására. Újabban a molekulalenyomatot tartalmazó polimerek, mint szenzor felismerő anyagok fejlesztése is a kutatások élvonalában van. Másfelől a miniatürizált analitikai kémiai rendszerek mikrokialakítása (mTAS) a biológiai szelektivitást felhasználó analízisek esetén vitathatatlanul előnyös az egyszerű szenzorkonstrukcióval szemben. Az utóbbi előnye a mikroméretű folyadék-csatornák által biztosított mintakezelési (például elválasztási) lépés bevezetésében, valamint a szenzor - mintakomponens irreverzibilis kölcsönhatása esetén a szenzorfunkció kémiai vagy elektrokémiai úton történő regenerálási lehetőségében van. Példaként a DNS chipek említhetők. A DNS-kölcsönhatások nem adaptálhatók szenzor felismerési funkcióként, mivel szobahőmérsékleten a kölcsönhatás irreverzibilis. Ugyanakkor a DNS mikroanalitikai elemző rendszerek (mTAS) egyre inkább terjednek, és általában gyors analitikai információ-szolgáltatásra alkalmasak. Így azt lehet mondani, hogy szenzorok és analitikai rendszerek más és más előnyökkel és korlátokkal rendelkeznek, és sok esetben kiegészítik egymást. A biológiai patogének meghatározásának kiváló módja az automatikus bioanalízis (Scheller, et al., 2001).

Az enzimelektródok fejlesztésében új fejezetet nyithat meg az ún. bio-galvánelemek fejlesztése. A bioelemek működésükhöz nem igényelnek külső elektromos energiát, hanem a biológiai közegben jelenlévő anyagokat használják fel üzemanyagként. Ilyen például a glükóz-elem, amelynek anódja glükóz oxidáz enzimmel módosított fémelektród, míg katódja ugyancsak fémelektródhoz elektronikusan kapcsolt citokróm c/ citokróm-oxidáz rendszer. Az energiát a glükóz biokatalizált oxidációja szolgáltatja. A glükóz-elem cellafeszültsége érzékeny a glükóz(üzemanyag)-koncentrációra 1-80 mM koncentráció-tartományban, így a mennyiségi mérés alapjául szolgálhat. Folyamatos üzemű működés mellett az első prototípus élettartama 5 óra volt (Katz, et al., 2001).

A kémiai és bioszenzorok fejlesztése sok irányban folyik (3. ábra). A fejlesztést kedvezően befolyásolja a fizikai tudományok területén érvényesülő, méretcsökkentésre irányuló trend. Egyre inkább előtérbe kerülnek a mikro- és nanoelektród-kutatások, a mikrotechnológiai eljárások bevezetése a szenzorkészítésbe, elsősorban a biológiai vizsgálatok követelményeit szem előtt tartva. A szenzorok integrálása mikroanalitikai rendszerekbe logikus lépés, amely a szenzor-alapú analitikai technikák automatizálása irányában hat. Fontos irányzat új típusú felismerő anyagok (receptor molekulák) bevezetése a szupramolekukáris kémia, polimerkémia és a biológiai kutatások eredményei alapján. Különös jelentőséget kap a molekulalenyomatot (a meghatározandó komponens lenyomatát, templátját) tartalmazó polimerek fejlesztése és vizsgálata. A fejlesztési irányzatok jól demonstrálják a különböző tudományterületek összefonódását a szenzorfejlesztésben, a szenzorkutatás interdiszciplináris jellegét.

3. ábra • Fejlesztési irányok

Az érzékelők miniatürizálása, érzékelősorok előállítása (a mikroelektronikai technológiák hatása a szenzorkutatásra)

Az elmúlt 20 évben a kémiai szenzorsorok előállítása a jobb szelektivitás irányában folyó kutatások egyik alternatív megoldása volt, amely miniatürizált számítástechnikai egységgel kiegészítve érte el a kívánt célt. A kemometria módszereinek (alakfelismerés és neurális hálózatok) és a kémiai szenzorok összekapcsolása elsősorban a különböző típusú gázérzékelők vonatkozásában hozott eredményeket. Sikerrel fejlesztettek többek között oldószergőzök felismerésére és meghatározására alkalmas érzékelősorokat.

A mikroelektronikai technológia (a mikrofabrikáció) bevezetése a szenzorkutatásba a méretcsökkentés (miniatürizálás) irányába vitte el a szenzorfejlesztést, lehetőségeket teremtve a biológiai kutatások kiszélesítésére. Az első miniatürizált érzékelők szilikon-technológiai alapon készültek, és a 70-es években jelentek meg a kémiailag módosított térvezérlésű, tranzisztor alapú szenzorok (CHEMFET-ek). Abban az időben a konvencionális elektronikai eszközök és a kémiai érzékelő tranzisztorok mérete azonos volt.

Napjainkban a mikroszenzorok és szenzorsorok kialakítására leginkább a mikroelektronikai iparban használatos rétegtechnológiák (vékony- és vastagréteg technológia) terjedtek el. A vékonyrétegeket fotolitográfiával, míg a vastagrétegeket szitanyomással állítják elő. A vékonyréteg technológiával jól reprodukálható mintázatok készíthetők, de viszonylag költséges, ezért e technikát inkább a szenzorsorok előállítására, míg a vastagrétegeket egyszer használatos érzékelők reprodukálható készítésére használják. Természetesen egyéb mikrotechnológiai eljárások is népszerűségre tesznek szert, mint a fotomaszkot nem igénylő kémiai pecsételési módszer (microcontact printing).

A félvezető iparban használatos mikrotechnológiák bevezetése a szenzorfejlesztésbe megoldotta a mikro- és nanoszenzorok, szenzorsorok megbízható, költséghatékony előállítását. Az érzékelők méretének csökkenésével egyrészt új alkalmazási területek tárultak, illetve tárulnak fel, elsősorban a sejtbiológia és az orvostudomány területén. A sürgősségi betegellátásban használatos diagnosztikai eszközök, amelyek a vérgázok, elektrolitok és metabolitok (elsősorban glükóz) meghatározására szolgálnak, mikrofabrikációval készült planáris érzékelőkre épülnek. A mikrofabrikációval készült ionszelektív elektródok a konvencionális ionszelektív elektródok planáris változatai, melyeket nemcsak klinikai analizátorokban, hanem in vivo/i< analitikai célokra is sikeresen használtak. Egy ilyen in vivo vizsgálatban sikeresen használt elektródkonstrukció felépítését szemlélteti a 4. ábra.

4. ábra • Nyolc ionszelektív és egy referenciaelektród kialakítására alkalmas felület (fent) és a planáris elektródok szerkezete a rétegek feltüntetésével (lent)

A karácsonyfa alakú elektród egy referencia- és nyolc mérőelektród kialakítására alkalmas. Megoldható, hogy mindegyik mérőhelyen azonos ionféleség mérésére alkalmas érzékelőt alakítsunk ki, így az elektródsor alkalmas az ionféleség térbeli eloszlásának monitorálására. A másik lehetőség, hogy az egyes mérőhelyek más és más ionféleség mérésére szolgálnak. Az elektród-konstrukciót az Észak-Karolinai Egyetem kutatói kardiovaszkuláris vizsgálatok céljára fejlesztették ki. Sikeres keringési kísérleteket végeztek nyúlszív papillaris izmán, egyidejűleg mérték a pH és a káliumszint változását normális és ischaemiának megfelelő körülmények között (Lindner and Buck, 2000).

A miniatürizálás jelentősen megnövelheti a meghatározás érzékenységét, amennyiben a mikroszenzor válasza a meghatározandó molekulák számától függ. Ez az eset áll fenn, amikor egy kis, állandó térfogatú minta (például egy élősejt tartalma) áll rendelkezésünkre, amelyben a meghatározandó komponens teljes mennyisége kölcsönhatásba lép a mikroszenzorral (például amperometriás szenzor). Tekintettel arra, hogy a mikroszenzor válasza az egységnyi felületen kölcsönhatásba lépő komponensek számával hozható összefüggésbe, egyértelmű, hogy a méretcsökkenés az érzékenység növekedésével jár együtt. Ezzel ellentétben a mikroszenzor használata nem jelent előnyt az érzékenység szempontjából, amikor az érzékenység a koncentrációtól függ. Jellemző példa, amikor egy gyakorlatilag végtelen térfogatban (felszíni víz) kis koncentrációban jelenlevő komponenst kell meghatározni (Hughes, et al., 1991). Nem véletlen, hogy a mikroszenzorok első alkalmazásai között a biológiai minták analízise szerepelt.

A telekommunikációs célokra kifejlesztett optikai szálakat az 1970-es évek során alakították ki. A nagy törésmutatójú, átlátszó filmek nagyon jó optikai hullámvezetőknek bizonyultak. Szelektív kémiai vagy biológiai réteggel történő módosításukkal különböző optikai elven működő optikai mikroszenzorokat alakítottak ki. Sikerrel alkalmaztak a nitrogén-monoxid (NO) sejten belüli mérésére is optikai szál érzékenyítésével kialakított érzékelőt. A flureszcens festékkel jelölt citokróm c-t kolloidális aranygömböcskék segítségével rögzítették az optikai szálra. A nitrogén-monoxid fehérjéhez való kötődése következtében regisztrált fluoreszcencia intenzitás-változást ugyancsak mikrogömböcskékre rögzített fluoreszcens referencia-anyag intenzitásához hasonlították, és a mért intenzitásarány szolgált a koncentráció-meghatározás alapjául. A szenzor alsó mérési határa 8 mM nitrogénoxid (Barker, et al., 1999).

A nanotechnológia hatása a szenzorkutatásra

Az Egyesült Államok (National Nanotechnology Initiative) és az Európai Unió (6. Európai Keretprogram) nagyon fontos lépéseket tett a nanotechnológiai kutatási program kialakításában. Az említett kutatási területek finanszírozása az USA-ban elérte a 604 millió dollárt, amely 43 %-os növekedést jelent az előző évi költségvetéshez képest. Az Európai Unió 1,2 milliárd eurót szánt egy négyéves kutatási program kialakításához. Az alapkutatási és technológiai fejlesztések mellett jelentős szerepet kapott a nano-bioszenzorok és a lab-on-chip rendszerek kialakítása, különös tekintettel a DNS-analízisre. A bioszenzorokat és mikroanalitikai rendszerek fejlesztését gyakorlatilag minden ügynökség támogatja (NASA, NIH, NSF stb.) (AAAS Report XXVI, Washington, D.C., July 2001, pp. 225-233; updated on February 5, 2000.)

A nanotechnológiai eredmények alapján elindult szenzorkutatásnak köszönhető a sztochasztikus érzékelők megjelenése. A sztochasztikus érzékelők az egyedi receptormolekulák és a meghatározandó komponensek közötti kölcsönhatás detektálásán alapulnak. Annak ellenére, hogy ezeket az érzékelőket még nem alkalmazták összetett biológiai minták analízisére, rendkívül jellemző példák az ígéretes biotechnológia-bioszenzor területek közötti kapcsolatra (5. ábra). Ezek az érzékelők géntechnológiai módszerrel előállított á-haemolysin proteint tartalmaznak, amely a lipid kettősréteg membránban önrendeződéssel egy pórust képez. A meghatározandó komponenssel való kölcsönhatás során a pórus átmérője lecsökken, ami együtt jár a membránon keresztül átfolyt áramerősség csökkenésével. A csatorna blokkolása egy olyan sztochasztikus esemény, amelynek előfordulási frekvenciája a meghatározandó molekulák koncentrációjától függ (Bayley és Cremer, 2001).

5. ábra • Sztochasztikus érzékelés géntechnológiával előállított pórusokkal

A nanohuzal (nanodrót) térvezérlésű tranzisztorok (FET-ek) hasonlóan rendkívül érzékeny szenzorok, mivel méretük olyan kicsi, hogy egyetlen molekulával való kölcsönhatást is érzékenyen jeleznek. A Harvard Egyetem munkatársai szilícium alapú FET-eket használtak, és az oxidréteg konvencionális módosításával alakítottak ki nanoméretű kémiai és bioszenzorokat, többek között kalcium- és hidrogénionok mérésére. A mérőfelület avidinnel való módosításával a streptavidin mérését valósították meg 10 pM szinten (Cui, et al., 2001). Sikeres kísérletek folynak a nanocsövek szenzorkutatásban való alkalmazására is.

Kitekintés

A kémiai szenzorokkal kapcsolatban megjelent közlemények száma több mint 20 000, és az éves publikációs sebesség kb. 10 %-kal nő. Ez mindenképpen ígéretes jövőt jósol.

Kísérletek folynak a különböző jelátviteli módszerekkel működő szenzorsorok irányában történő fejlesztésre. A különböző detektálási módot alkalmazó szenzorsor - a kapcsolt technikákhoz hasonló módon - megnöveli az analitikai információ tartalmát. Az ilyen típusú szenzorok bevezetése hasonló eredményekre vezethet, mint a kapcsolt technikák alkalmazása. Várható, hogy a különböző detektálási módokra alkalmas felismerőanyagot tartalmazó kémiai szenzor-együttesek nemsokára rendelkezésre fognak állni.

Új optikai jelátvivők (optikai szál és hullámvezetők), új nem-lineáris optikai elemek, integrált optikai elemek alkalmazása az optikai szenzorok fejlesztésének új irányait nyitják meg. Fejlődés várható az új típusú kémiai és biokémiai anyagok bevezetésétől, valamint az optika és elektronika terén bekövetkező fejlődési eredményektől és az adatfeldolgozási módszerek komplexebb alkalmazásától.

A speciális alkalmazások, mint a "nano-anyagok" vizsgálata, a mikrofabrikációval előállított mikroanalitikai rendszerek detektálási problémái, sürgetik a nanoszenzorok és nanoszenzor-együttesek irányában folyó fejlesztéseket. A jövőben várható, hogy az ilyen típusú szenzorok lehetővé teszik a génexpresszió, a fehérjeszintézis és a sejten belüli metabolitok nyomon követését.

Kulcsszavak: kémiai szenzorok, bioszenzorok, ionszelektív elektródok, glükóz-szenzor, sztochasztikus érzékelők, nanoszenzorok, mikrofabrikáció, orvosi diagnosztika, környezetanalitika.

IRODALOM

Barker, S. L. R., Clark, H. A., Swallen, S. F., Kopelman, R., Tsang, A. W., Swanson, J.A. (1999). Anal. Chem. 71, 1767-1772.

Bayley, H., Cremer, P. S. (2001). Nature 413, 226-230.

Ceresa, A., Bakker, E., Hattendorf, B., Günther, D., Pretsch, E. (2001). Anal. Chem. 73, 342-351.

Cui, Y., Wei, Q. Q., Park, H. K., Lieber, C. M. (2001). Science 293, 1289-1292.

Heller, A. (1999). Ann.. Rev. Biomed. Eng. 1, 153-75

Hughes, R. C., Ricco, A. J., Butler, M. A., Martin, S. J. (1991). Science 254, 74-80.

Katz, E., Bückmann, A. F., Willner I., (2001). J. Am. Chem. Soc. 123, 10752-10753.

Lengyel B., Boksay Z., Csákvári B. (1966). A szilikátüvegek elektromos tulajdonságai, Akadémiai Kiadó, Budapest

Lindner, E., Buck R. P. (2000). Anal. Chem. 72, 336A-345A

Niiler, E. (2002). Nature Biotechnology 20, 21-25

Pungor, E. (1967). Anal. Chem. 39, 28A-45A

Scheller, F. W., Wollengber, U., Warsinke, A., Lisdat, F. (2001). Current Opinion in Biotechnology 12, 35-40.

Sokalski, T., Ceresa, A., Zwickel, T., Pretsch, E. (1997). J. Am. Chem. Soc. 119, 11347-11348.

Stefanac, Z., Simon, W. (1966). Chimia 20, 436.

T. D. C. a. C. T. R. Group (1993). N. Engl. J. Med. 329, 977-986.

Thevenot, D. R., Tóth, Durst, R. A., Wilson G. S. (1999). Electrochemical Biosensors: Recommended Definition and Classification, Pure and Applied Chemistry 71, 2333-2348.

Wang, J. (2001). Electroanalysis 12, 983-988.


<-- Vissza az 2002/zzz szám tartalomjegyzékére