Biodispozitive pentru caracterizare

Biodispozitive pentru caracterizare

Spre deosebire de biosenzori, care sunt biodispozitive destinate determinarii concentratiei unui analit intr-un amestec de substante, biodispozitivele concepute pentru caracterizarea proprietatilor fizico-chimice ale unor compusi biologici pot masura alte marimi decat concentratiile (curenti, capacitati electrice). Prin masuratori polarografice se determina curentul in functie de tensiunea aplicata pe biodispozitiv.

Diferenta dintre polarografia clasica, utilizata in chim ie, si cea aplicata aici consta in faptul ca biodispozitivul lucreaza cu o cantitate mult mai mica de substante. Spre exemplu, daca intr-o instalatie chimica de polarografie se utilizeaza 100-500 ml solutie intre doi electrozi metalici, la biodispozitive cantitatea de solutie ajunge la 0,1-0,5 ml. Uneori aceasta cantitate infima de biolichid este incapsulata in cadrul unei structuri complexe pentru a evita evaporarea sau reactiile chimice secundare nedorite. Alteori este inchisa intr-o cavitate ce comunica cu exteriorul sau cu un microrezervor prin intermediul unei membrane semipermeabile.

In fig.10.12.a este prezentat un biodispozitiv pentru caracterizarea solutiei de epinefrina (adrenalina) de concentratie 1 mg/ml, de uz farmaceutic. Aceasta substanta este un neurotransmitator (sau un neurohormon) din familia catecolaminelor. Ambele denumiri provin fie din latinescul "ad-renes" fie din grecescul "epi-nephros" si inseamna literal acelasi lucru: "pe rinichi", sugerand prin aceasta, glanda suprarenala care secreta acest neurotransmitator. Din punct de vedere chimic adrenalina, C₉H₁₃NO₃, contine un lant aromatic ("catecol"), la care se leaga un grup ce contine nitrogen ("amina"), fig.10.12.b.

                                    (a)                                                                    (b)

Fig.10.12. Structura biodispozitivului, (b) formula chimica a epinefrinei ca ion.

Cei doi electrozi metalici, Met1 si Met2, au fost denumiti sursa si drena (notati S si D), iar tensiunea pe biodispozitiv a fost notata cu V_DS. Volumul de biolichid utilizat a fost de aproximativ 0,2 ml (1 picatura), iar distanta dintre electrozi d=1mm. Izolatorul 1 a fost plexiglassul, iar izolatorul 2 aerul. Cei doi electrozi metalici au fost realizati din aliajul Sn 60 Pb38 Cu 2 ISO - 9453 (25), [78].

In figura 10.13 sunt prezentate rezultatele experimentale. Biodispozitivul inseriat cu o rezistenta de valoare mare, R=110 kΩ, a fost alimentat la o sursa de tensiune U_S. In figura 10.13.a sunt prezentate rezultatele masuratorilor in curent continuu, sub forma caracteristicilor I_D - V_DS. Aparitia regiunilor cu rezistenta diferentiala negativa demonstreaza  amorsarea unei surse interne de tensiune inversa, bazata pe reactia electrochimica de reducere a adrenalinquinonei in adrenalina, [79]:

Pe portiuni, caracteristica poate fi modelata cu relatia Butler - Volmer, daca predominant este procesul de electrod sau cu legile de difuzie ale lui Fick, daca predominant este procesul de difuzie a ionilor de analit. Oricum ambele relatii descriu dependente neliniare, exponentiale pe portiuni ale caracteristicii statice a biodispozitivului, care prin logaritmare dau relatia Tafel de legatura dintre curent si potentialul pe dispozitiv:

                                                                   (10.6)

unde: I_D este curentul prin biodispozitiv, V_DS - tensiunea intre Sursa si Drena, αI(0,1) este coeficientul de transfer, q - sarcina electrica elementara, z - numarul de electroni schimbati in reactia de oxido - reducere (z = 2 in cazul de fata), k - constanta lui Boltzmann, I⁰ -  curentul de saturatie pentru reactia de oxido-reducere, sau curentul limita pentru procesul de difuzie (ce depinde de constanta de difuzie a moleculei de epinefrina). Presupunand procesul redox predominant, se poate determina  rata reactiei de oxidare a adrenalinei, K_{Adr+ ,} din relatia, [62]:

Fig. 10.13. (a) Caracteristicile I_D -V_DS ale biodispozitivului cu 2 terminale in curent continuu; (b) Curbele de comutatie.

                                                                           (10.7)

La nivelul sinapsei neuronale acesti neurotransmitatori asigura transmiterea impulsului nervos (care este o supratensiune de la -30mV la 70mV). Asadar, fiziologic predomina un regim de comutatie. De aceea, in fig.10.13.b au fost studiate curbele V_DS - timp in regim de comutatie pentru doua biolichide: solutii apoase de adrenalina (caz in care V_DS s-a notat cu U_adren) si de NaCl cu aceeasi concentratie de 1mg/ml (caz in care V_DS s-a notat cu U_NaCl in figura 10.13.b). Adrenalina este mult mai sensibila la variatii de tensiune electrica decat  clorura de sodiu. Astfel, se observa in fig.10.13.b ca atunci cand tensiunea sursei externe U_S a comutat de la 0V la 2V, tensiunea pe biodispozitivul cu solutie de adrenalina a atins 320mV, in timp ce tensiunea pe biodispozitivul cu solutie de NaCl a atins doar 90mV, [79].

Semiconductoarele organice tind sa inlocuiasca clasicele jonctiuni pn pe Siliciu, in masura in care prezinta conductie electrica neliniara. Biolichidele si in special cele utilizate de sistemul nervos in propagarea influxului nervos pot fi candidati demni de luat in seama, asa cum rezulta experimental. Intrucat in biodispozitive conductia electrica prin solutie este si ionica si electronica, se poate pune problema obtinerii unor separari de sarcini prin actiunea unui al treilea electrod.

Met3

 

                              (a)                                                                          (b)

Fig.10.14. (a) Structura biodispozitivului de test cu trei terminale; (b) caracteristica I_D - V_GS in curent continuu.

In fig.10.14.a este prezentat un biodispozitiv de caracterizare cu trei terminale ce utilizeaza aceleasi materiale ca si cel anterior prezentat. Metalul de poarta Met 3 a fost Al plasat pe spatele izolatorului1, iar biolichidul solutie de epinefrina 1mg/ml. In fig. 10.14.b sunt prezentate curbe I_D - V_GS masurate la tensiunile V_DS= 1V, 2V. Liniaritatea acestor curbe in gama de masura abordata, infirma instalarea unor canale de inversie/acumulare; dar dezalinierea lor pentru cele doua valori distincte ale lui V_DS probeaza experimental ca al treilea terminal influenteaza curentul prin biodispozitiv, probabil datorita segregarii ionilor pozitivi si negativi care circula prin solutia lichida.