Ανάπτυξη χημικών αισθητήρων για την ανίχνευση τοξικών ουσιών

Abstract

The present dissertation was focused on the topic of chemical sensors for rapid detection of toxic substances, an investigation that was made for first time in the literature. For this purpose, biosensors using printed circuits composed from graphene microelectrodes using stabilized lipid membranes were constructed and developed.A number of particular methodologies were used to embody various receptors such as enzymes (urease and cholesterol oxidase) and an antibody (antibody D-dimer) in the sensors.Various physicochemical and instrumental methods of analysis, eg., differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), Raman spectrophotometry, etc., were used to locate the position of the receptor (eg. antibody, enzyme, etc.) into the stabilized lipid membrane of the sensor and the mechanism of signal generation.The response of the sensor to various potentially toxic substrates eg. urea (urease immobilization), cholesterol (cholesterol oxidase immobilization) and D-dimer (immobilizing antibody D-dimer) and its stability with time were studied.For example, the response of urea biosensor towards various urea concentrations was found to have high sensitivity (ca. 70 mV/ concentration decade) over a range of urea concentrations between 1 Χ 10−6 Μ - 1 Χ 10−3 Μ. The response of cholesterol biosensor towards various concentrations of the substrate were also found to be highly sensitive (ca. 64 mV/ concentration decade) over a concentration range between 1 Χ 10−6 Μ - 1 Χ 10−3 Μ; this sensitivity is larger than those provided up to date in the literature. Finally the response of the D-dimer immunosensor was found satisfactory over a wide concentration range of analyte (10-6 μg/ mL - 10-3 μg/ mL) with a sensitivity of ca. 59 mV/ concentration decade with a rapid response of 15 s.The selectivity of the sensor construction method and on how to limit interferences were studied so that the sensor could be applied in real samples. The conditions for satisfactory stability and reproducibility of the chemical sensors were thoroughly studied and their construction into nanoscale was investigated.The results of the implementation of the constructed devices in real samples were satisfactory and show the possibility of construction of portable chemical sensors for the detection of toxicants for first time in the literature with many advantages, which can be used in the future as alternative systems instead of the time consuming, costly and complex chromatographic methods of analysis.

Η παρούσα διατριβή εμβάθυνε για πρώτη φορά στην κατασκευή χημικών αισθητήρων για την ταχεία ανίχνευση τοξικών ουσιών. Για το σκοπό αυτό κατασκευάσθηκαν και αναπτύχθηκαν βιαισθητήρες που στηρίζονται σε τυπωμένα κυκλώματα γραφενίου με ακινητοποιημένες σταθεροποιημένες λιπιδικές μεμβράνες.Χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες μεθοδολογίες, έγινε ενσωμάτωση στους αισθητήρες διαφόρων υποδοχέων, όπως ενζύμων (ουρεάση και οξειδάση της χοληστερόλης) και αντισωμάτων (αντισώματος του D-dimer).Στη συνέχεια, με χρήση ενόργανων μεθόδων ανάλυσης όπως, διαφορικής θερμιδομετρίας σαρώσεως (DSC), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σαρώσεως (SEM), φασματοφωτομετρίας Raman, κλπ., προσδιορίστηκε πειραματικά η θέση του υποδοχέα (π.χ. αντίσωμα, ένζυμο, κτλ.) μέσα στη σταθεροποιημένη λιπιδική μεμβράνη του αισθητήρα και εξερευνήθηκε ο μηχανισμός παραγωγής του σήματος.Μελετήθηκε η απόκριση σε διάφορα υποστρώματα με τοξικές εν δυνάμει ενώσεις π.χ. ουρία (ακινητοποίηση ουρεάσης), χοληστερόλη (ακινητοποίηση οξειδάσης της χοληστερόλης) και D-dimer (ακινητοποίηση αντισώματος D-dimer), καθώς και η σταθερότητα του συστήματος των αισθητήρων με το χρόνο.Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η απόκριση του αισθητήρα της ουρίας σε διάφορες συγκεντρώσεις ουρίας, βρέθηκε να παρουσίαζει υψηλή ευαισθησία (~70 mV/ δεκάδα συγκεντρώσεων) για μια ευρεία περιοχή συγκεντρώσεων της ουρίας που κυμαινόταν από 1 Χ 10−6 Μ ως 1 Χ 10−3 Μ. Επίσης η απόκριση του αισθητήρα της χοληστερόλης σε διάφορες συγκεντρώσεις χοληστερόλης, βρέθηκε να παρουσιάζει υψηλή ευαισθησία (~64 mV/ δεκάδα συγκεντρώσεων) για μια ευρεία περιοχή συγκεντρώσεων της χοληστερόλης που κυμαινόταν από 1 Χ 10−6 Μ ως 1 Χ 10−3 Μ, και είναι καλύτερη από βιβλιογραφικά αναφερθέντες συσκευές βιοαισθητήρες χοληστερόλης. Τέλος η απόκριση του ανοσοαισθητήρα του D-dimer βρέθηκε ικανοποιητική για ένα ευρύ συγκέντρωσεων D-dimer (10-6 μg/ mL έως 10-3 μg/ mL) με ευαισθησία ~59 mV/ δεκάδα συγκεντρώσεων και με μια γρήγορη απόκριση 15s.Εν συνεχεία μελετήθηκε η εκλεκτικότητα της μεθόδου της κατασκευής των αισθητήρων και η άρση των παρεμποδίσεων για να εφαρμοστούν σε πραγματικά δείγματα. Παράλληλα μελετήθηκαν οι συνθήκες για ύπαρξη ικανοποιητικής σταθερότητας και επαναληπτικότητας των χημικών αισθητήρων και ερευνήθηκε η κατασκευή τους σε νανοκλίμακα.Τα αποτελέσματα της εφαρμογής των αισθητήρων που κατασκευάστηκαν σε πραγματικά δείγματα ήταν ικανοποιητικά με αποτέλεσμα για πρώτη φορά στην παγκόσμια βιβλιογραφία να υπάρχει η δυνατότητα να κατασκευαστούν φορητοί χημικοί αισθητήρες για την ανίχνευση τοξικών ουσιών με πολλά πλεονεκτήματα και στο μέλλον να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν εναλλακτικά συστήματα αντί των χρονοβόρων, πανάκριβων και πολύπλοκων χρωματογραφικών μεθόδων ανάλυσης.