Structura si functiile traductorilor

Structura si functiile traductorilor

Traductorii trebuie sa converteasca in marimi electrice parametri generali ca: entalpia de reactie (termistorul), modificari ale masei depuse (cristal piezoelectric), grosimi ale unor straturi transparente (dispozitive optoelectronice), concentratii de substante sau ioni (traductoare ISE).

1. Traductori termici

La senzorii de metabolism exista reactii chimice intre analiti si anumiti receptori enzimatici cu degajare / absorbtie de caldura. In acest caz nu se masoara cantitatea analitului, ci variatia de temperatura, DT. Tabelul 10.1 prezinta entalpiile molare, DH, a catorva reactii catalizate de enzime.

Tabelul 10.1. Entalpiile molare a catorva reactii catalizate de enzime.

Enzima receptor	Analit	-DH (kJ/mol)
Catalaza	H2O2	100.4
Cholesterol-oxidaza (COD)	Cholesterol	52.9
Glucoz-oxidaza (GOD)	Glucoza	80
Ureaza	Uree	6.6

Enzima-receptor se imobilizeaza pe sticla poroasa pe suprafata unui termistor. Se imerseaza totul in solutia de masurat. Termistorul joaca rolul traductorului si furnizeaza DT. De aici rezulta numarul de moli de analit, conform relatiei:

                                                                                           (10.1)

unde ν este numarul de moli de analit, C este caldura molara a dispozitivului (ce se determina anterior prin masuratori calorimetrice). Dezavantajul principal este schimbul de caldura ce apare intre diversele componente ale experimentului, ceea ce va induce erori mari in evaluarea lui DT. Optimizarile vizeaza izolarea calorimetrica a biosenzorului intr-un reactor.

2. Traductori optoelectronici

Cu ajutorul traductorilor optici se poate indica variatia unor parametri precum: coeficient de absorbtie a luminii, lungime de unda, indice de refractie, grosimi ale unor straturi transparente. Ca exemplu, in figura 10.3, este prezentat principiul de detectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic, [2].

 

Fig.  Principiul de detectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic.

Receptorul a fost imobilizat pe o membrana de bromocresol transparent. Curgerea biolichidului purtator de albumina a determinat captarea ei pe receptori. Cresterea grosimii stratului de analit se face intre o sursa de lumina  (led) si un detector de lumina (fotodioda). Curentul prin fotodioda scade pe masura ce creste grosimea stratului de albumina depus pe receptor.

3. Traductori piezoelectrici

Principiul pe care se lucreaza aici urmareste scaderea frecventei de rezonanta a unui cristal piezoelectric cand se absoarbe un material strain la suprafata sa si-l comprima, [71]. Cristalul este acoperit cu un material receptor. Efectele zgomotului electric au putut fi inlaturate prin utilizarea de cristale pereche. Acesti traductori au fost utilizati pentru detectarea: NO_x, CO_x, H⁺, microorganisme, [2].

4. Traductori electrochimici

Reactiile electrochimice se produc la interfata electrod - solutie, iar reactiile biologice cu transfer de electroni se produc la interfata enzima - solutie. Se utilizeaza potentiometria, cand se determina variatia potentialului electric al unui electrod receptor in functie de concentratia ionilor de analit dintr-o solutie. Metoda traditionala de detectie a unor ioni intr-o substanta purtatoare foloseste ISE (Ion Selective Electrodes). Din punct de vedere electronic ISE poate fi privita ca o sursa de tensiune electromotoare (de sute de milivolti pentru biosenzori) si cu o impedanta de iesire mare (pana la sute de MW), [72]. Masa electrica este solutia, iar iesirea sursei este electrodul de referinta. Daca concentratia ionilor de analit din solutie se modifica, atunci potentialul electrodului sensibil la acesti ioni (receptorul) se modifica dupa relatia lui Nerst, (9.8). Spre exemplu, in cazul pH-ului  (concentratia ionilor de H⁺), o scadere a acestuia cu o unitate, determina cresterea tensiunii furnizate cu circa 55mV, [72].

Multi biosenzori electrochimici folosesc amperometria. In acest caz au loc reactii chimice de oxido-reducere cu transfer de electroni in medii electrolitice. In domeniul biosenzorilor, aceasta tehnica a insemnat detectarea unui analit prin masurarea concentratiei unui produs de metabolism, mult mai usor de determinat. Pentru aceasta se folosesc electrozi cu enzime receptor asezate in unul sau mai multe straturi. Pentru masurarea concentratiei de glucoza se foloseste enzima GOD care accelereaza foarte mult procesul de oxidare al glucozei, in urma caruia rezulta si H₂O₂. Este mult mai usor sa se masoara concentratia de H₂O₂, dupa care se calculeaza din reactie concentratia de glucoza. Curentii care se stabilesc in aceste straturi sunt de natura unor curenti de difuzie, [2]. Curentul, I_lim este proportional cu concentratia substantei care se determina mai usor, c_i, (i=H₂O₂, in exemplul anterior cu glucoza), conform modelului (9.14), (9.15).

5. Traductori biologic intacti

Pentru determinarea unui analit, aceste traductoare folosesc chemoreceptori direct din lumea vie. Spre exemplu, s-a realizat un receptor de acetilcolina, utilizand organul electric al pestelui Torpedo si un senzor capacitiv, [2]. Cand biolichidul purtator continea acetilcolina in concentratie marita, crestea tensiunea electrica furnizata de traductorul organic al pestelui, ceea ce incarca senzorul capacitiv. S-au putut face masuratori in domeniul 1.100mmol/l concentratie de acetilcolina in biolichidul purtator prin tehnici de C-V-metrie.

Alta directie 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 catre neuronii din fibra.

Ca exemplu, s-a realizat un senzor pentru determinarea concentratiei de aminoacizi, utilizand drept traductor organul olfactiv din antenulele crabului Calinectes Sadipus. Antenulele, legate de o unica fibra nervoasa, au fost conectate cu o sonda de platina. Stimularea receptorilor olfactivi cu aminoacidul L-glutamat, in concentratia 0,011mmol/l, a creat impulsuri nervoase masurabile, cu valori cuprinse intre 10-1000mV. In plus, s-a obtinut o linearitate buna in aceasta gama de masura, [2].

Observatie: Au fost amintite si exemplificate o serie de substante ca: acetilcolina, dopamina, ioni de Na⁺, Ca⁺, K⁺. Ele participa ca neurotransmitatori la propagarea impulsului nervos. De retinut, ca transmiterea unui impuls nervos se face pur electric: prin deplasare de sarcina electrica. Datorita acestei comportari 'electronice' a sistemului nervos uman, s-a dezvoltat o ramura noua in stiintele biologice: neuroelectrofiziologia, [2].