Kemijski senzori i biosenzori

NAZIV PREDMETA

Kod

KTH218

Godina studija

Nositelj/i predmeta

Izv. prof. dr. sc. Marijo Buzuk

Bodovna vrijednost (ECTS)

3.0

Suradnici

Način izvođenja nastave (broj sati u semestru)

P	S	V	T
30	0	15	0

Status predmeta

Izborni

Postotak primjene e-učenja

0 %

OPIS PREDMETA

Ciljevi predmeta

Studenti će dobiti uvid u aktualno stanje u području kemijske i biokemijske senzorike te trendove razvoja senzorskih sustava. Studenti će se upoznati s svim vrstama i osnovnim principima rada kemijskih i biokemijskih senzora te problema koji proizlaze u razvoju jednog senzorskog sustava, što uključuje odabir senzorskog materijala ili biomaterijala za selektivno prepoznavanje različitih kemijskih vrsta i biomolekula, razjašnjenje mehanizma prepoznavanja, odabir pogodnog pretvorničkog elementa za postizanje zadovoljavajuće selektivnosti, te samu konfiguraciju i izradu senzora. Nadalje, studenti će dobiti uvid u potencijal uporabe kemijskih senzora i biosenzora u biomedicini, industrijskim procesima i analizi okoliša.

Uvjeti za upis predmeta i ulazne kompetencije potrebne za predmet

Očekivani ishodi učenja na razini predmeta (4-10 ishoda učenja)

Studenti će na osnovu usvojenih znanja moći prepoznati i karakterizirati postojeće senzorske sustave.
Studenti će moći samostalno predlagati i razvijati nove senzorske sustave, kao i unaprjeđivati postojeće.
Znanja iz ovog kolegija polaznici će moći kvalitetno upotrijebiti u sustavima kontrole onečišćenja okoliša, te odabrati pogodne izvedbe senzora za određivanje različitih vrsta u biomedicinske, industrijske, laboratorijske svrhe ili u analizi različitih vrsta u okolišu.
Studenti će steći šira znanja o principima prepoznavanja, pojačavanja, i pretvaranja kemijskog signala u neki od izlaznih signala, a koja mogu upotrijebiti u raznim multidisciplinarnim područjima.

Sadržaj predmeta detaljno razrađen prema satnici nastave

1. Uvod u kemijske senzore i biosenzore-definicija, terminologija, karakteristike područje primjene, tržišni potencijali senzora. Podjela kemijskih senzora i biosenzora (elektrokemijski, optički, piezoelektrični, termalni akustični) te objašnjenje fenomena (mehanizama prepoznavanja) koji se koriste kao princip rada kemijskih senzora i biosenzora. Trendovi razvoja senzora (nanotehnologije, nanostrukture, «pametni» senzori, in vivo senzori).
2. Osnovni dijelovi i konstrukcija kemijskih senzora i biosenzora. Primjeri standardnih kemijskih i biokemijskih senzora (npr. glukometar, ion-selektivna elektroda, ELISA testovi). Mehanizam kemijskog i biokemijskog prepoznavanja analita. Prepoznavajući elementi: ionofore, selektivne kompleksirajuće molekule, enzimi, čvrstofazni materijali (kristali). Kriteriji potrebni za pravilan odabir prepoznavajućeg elementa. Problemi (bio)kemijske selektivnosti i stabilnost prepoznavajućeg elementa.
3. Odabir materijala matrice senzora. Uloga i potrebne karakteristike matrice. Odabir metoda i tehnika imobilizacije prepoznavajućeg elementa. Prednosti i mane pojedinih metoda imobilizacije. Ugradnja prepoznavajućeg elementa u gelove, polimerne matrice, matrice od vodljivih polimera, matrice od ugljikovih materijala (ugljikova pasta, printane elektrode i ugljikove nanocijevčice). Kovalentno vezivanje enzima, «cross-linking», fizikalna adsorpcija, itd.
4. Pretvornici za elektrokemijske, optičke i piezoelektrične senzore. Odabir pretvornika kemijskog signala-kriteriji. Elektrokemijski senzori: potenciometrijski (ion-selektivne elektrode) i amperometrijski (amperometrijsko određivanje teških metala). Modificirane elektrode-uloga modifikatora. Tehnike priprave selektivnih elektroda. Vodljiva površina, modificirani sloj, prijenos signala. Mikroelektrode. FET (poluvodički) senzori-principi rada.
5. Optički senzori. Tehnike optičke detekcije, apsorpcije, UV aporpcije, reflektometrije, luminiscencija. Senzori temeljeni na optičkim vlaknima. Direktne i indirektne metode određivanja analita. Intrisični i ekstrizični senzori. Uporaba optičkih senzora u mjerenju pH, tlaka, temperature, vlažnosti. Primjer optičkog senzora za određivanje biomolekula- enzim luciferaza za određivanje ATP-a i bakterijski oksidoredukcijski/luciferaza sustavi za određivanje NADPH.
6. Piezoelektrični senzori. Osnovni principi. Akustični senzori. Metode imobilizacije prepoznavajućeg elementa.
7. Biosenzori. Podjela biosenzora (elektrokemijski, imunosenzori, optički senzori). Prva generacija biosenzora- prijenos signala preko produkata biokemijske reakcije. Druga generacija biosenzora-medijatori u biosenzorima. Treća generacija biosenzora-direktan prijenos signala.
8. Primjer za sve tri generacije-amperometrijski biosenzor za glukozu. Redoks interferencije. Ovisnost o koncentraciji kisika. Uloga peroksida. In vitro i in vivo kontinuirano praćenje koncentracije glukoze u krvi. Trendovi u razvoju biosenzora za glukozu. Komercijalizacija senzorskog sustava.
9. Imunosenzori. Korištenje antitjelo-antigen veze kao princip rada biosenzora. Elektrokemijski, piezoelektrični i optički imunosenzori. Primjeri imunosenzora za hemoglobin, ljudskih eritrocita, ljudskih t-limfocita, virusa i bakterija, ELISA test za detekciju ljudskog korionskog gonadotropina.
10. Detekcija DNA sekvenci i mutiranih gena. DNA elektrokemijski senzori. Elektrokemija i mehanizam određivanja DNA. Imobilizacija DNA sekvenci na različite elektrodne materijale, procesi na elektrodama-hibridizacija, enzimski obilježene DNA sekvence.
11. Biosenzori za određivanje pesticida. Enzimi za razvoj ovakvih senzora. Principi određivanja pesticida. Biosenzori temeljeni na inhibicijskom mehanizmu. Katalitički biosenzori. Reaktivacija enzima. Imunosenzori za pesticide. Uporaba mikororganizama, stanica i tkiva kao prepoznavajućeg elementa za određivanje pesticida.
12. Nanočestice u izradi biosenzora. Optički biosenzori temeljeni na nanočesticama. Elektrokemijski imunosenzori temeljeni na nanočesticama. Ugljikove nanocijevčice (CNT) u pripravi biosenzora. CNT kompozitni materijali. Prednosti kompozitnih CNT materijala.
13. Uvod u biosenzore temeljene na direktnom transferu elektrona uz pomoć proteina. Metode imobilizacije proteina (sol-gel-polimer, kovalentno vezivanje). Primjeri: citokrom c, mioglobin, hemoglobin. Uloga CNT-a. Direktan prijenos elektrona s enzima. Primjeri: katalaze, glukoza-oksidaze, HRP.
14. Kriteriji za ocjenu senzora: selektivnost, osjetljivost, preciznost, reproducibilnost, ponovljivost, vrijeme odziva. Upoznavanje s ostalim tipovima senzora: impedancijski, senzori za plinove (kisik).
15. Visokosofisticirani senzorski sustavi: miko-elektro-mehanički sustavi (MEMS i Bio(MEMS), Lab-on-a-chip, nanosenzori, biočipovi). Sažetak i pregled predavanja.
Vježbe:
1. Priprava potenciometrijskih senzora s modificiranom (ionofora) polimernom matricom. Utjecaj sastava i omjera komponenata na određivanje teških metala u vodenom mediju. Selektivnost. Koeficijenti selektivnosti-određivanje (5 sati)
2. Amperometrijsko određivanje aminokiselina (cisteina) na kristalnim elektrodama i na bizmut-modificiranim elektrodama. Priprava elektroda, karakterizacija, određivanje mjernog područja, utjecaj parametara na kvalitetu signala. (5 sati)
3. Priprava biosenzora za određivanje glukoze. Inkorporiranje glukoza-oksidaze u ugljikovu pastu. Oksid prijelaznog metala (MnO2) kao pretvornik signala. Utjecaj interferencija na signal. Uloga Nafion® membrane u unaprjeđivanju kvalitete signala. Određivanje glukoze u realnom uzorku. (5 sati).

Vrste izvođenja nastave:

Obveze studenata

Prisustvo i odrađene sve laboratorijske vježbe.

Praćenje rada studenata (upisati udio u ECTS bodovima za svaku aktivnost tako da ukupni broj ECTS bodova odgovara bodovnoj vrijednosti predmeta):

Pohađanje nastave	0.5	Istraživanje	0.0	Praktični rad	0.0
Eksperimentalni rad	1.0	Referat	0.0
Esej	0.0	Seminarski rad	0.0
Kolokviji	0.0	Usmeni ispit	2.0
Pismeni ispit	0.5	Projekt	0.0

Ocjenjivanje i vrjednovanje rada studenata tijekom nastave i na završnom ispitu

Tijekom semestra kroz dva pismena parcijalna testa provjeravati će se znanje studenata iz odslušane građe. Nakon odslušanog semestra, studenti pristupaju pismenom ispitu iz odslušane građe seminara. Ukoliko student zadovolji na nekom od parcijalnih testova tijekom semestra, građu iz položenog testa ne treba polagati na pismenom ispitu. Nakon položenog pismenog dijela ispita, student pristupa usmenom dijelu ispita. Sve vježbe moraju biti kolokvirane i odrađene. Student ima pravo izostati jednu vježbu, a koju će nadoknaditi na kraju semestra. Za sve vidove nastave ocjenjivanje će biti provedeno prema slijedećem kriteriju: <55% nedovoljan; 56%-66% dovoljan; 67%-78% dobar; 79%-90% vrlodobar;> 90% odličan. Konačna ocjena biti će aritmetička sredina ocjena iz vježbi, pismene provjere znanja i usmenog dijela ispita.

Obvezna literatura (dostupna u knjižnici i putem ostalih medija)

Naslov	Broj primjeraka u knjižnici	Dostupnost putem ostalih medija
Florinel-Gabriel Bănică, Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2012.	0
E. Palecek, F. Scheller, J. Wang Electrochemistry of Nucleic Acids and Proteins, Elsevier, 2005.	0
Xueji Zhang, Huangxian Ju, Joseph Wang, Electrochemical Sensors, Biosensors and Their Biomedical Applications, Elsevier, 2008.	0
E. Turkušić, Uvod u hemijske senzore i biosenzore, PMF Sarajevo, 2012	0

Dopunska literatura

Prezentacije
Pregledni znanstveni članci

Načini praćenja kvalitete koji osiguravaju stjecanje utvrđenih ishoda učenja

Informacije iz razgovora, primjedbi i konzultacija s polaznicima tijekom održavanja nastave
- studentska anketa

Ostalo (prema mišljenju predlagatelja)