BIOSENSORY SENSORY BIOMEDYCZNE

Sawicki Tomasz

Balicki Dominik

• Biosensor - jest to czujnik, którego element biologiczny oddziałuje z substancją oznaczaną, a efekt jest przekształcany przez zespolony z nim element niebiologiczny (transduktor) na sygnał elektryczny.

• Ze względu na sposób przekształcenia sygnału (transdukcji) wyróżnia się biosensory:- potencjometryczne- woltametryczne i amperometryczne- optoelektroniczne- piezoelektryczne- termistorowe

• Elementem biologicznym biosensora może być enzym, przeciwciała, żywe mikroorganizmy, tkanki roślinne lub zwierzęce.

Parametry użytkowe sensorów:

podstawowe:

• dokładność, powtarzalność

analityczne:

• czułość – nachylenie krzywej odpowiedzi sensora, wyrażonej jako wartość sygnału na jednostkę stężenia, np. mV/j.pH,

• zakres dynamiczny – zakres stężeń, w których czułość jest większa od zera,

• selektywność – zdolność sensora do pomiaru stężenia jednego chemicznego składnika w obecności innych,

• czas odpowiedzi – czas, w którym wyjściowy sygnał sensora osiąga 63% wartości końcowej w odpowiedzi na skokową zmianę stężenia oznaczanej substancji (w praktyce częściej używa się wartości t95%, tj. czasu odpowiedzi kiedy sygnał osiągnie 95% wartości końcowej,

• czas życia – okres czasu poprawnie działającego sensora z zaznaczeniem trybu stosowania (przechowywanie, w użyciu),

• Przykładowy biosensor:

• czujnik amperometryczny glukozy, w którym glukoza jest zamieniana przez umieszczoną w biosensorze oksydazę glukozy w reakcji:

• glukoza + O2 -> kwas glukonowy + H2O2

Detekcja odbywa się przez pomiar spadku ilości redukowanego tlenu na elektrodzie platynowej Clarka.

Sensor amperometryczny :

• Wykorzystują zależność mierzonego prądu od stężenia oznaczanej substancji

• Wykorzystywane są własności charakterystyki prądowo – napięciowej odpowiednio wykonanej elektrody

• Prąd elektrody amperometrycznej zależy od reakcji zachodzących na elektrodzie roboczej (zwykle katodzie)

Sensor potencjometryczny:

• Analityczna informacja w potencjometrycznej metodzie jest otrzymywana przez pomiar napięcia ogniwa złożonego z elektrod: wskaźnikowej i odniesienia

• konieczne jest stosowanie elektrody odniesienia, która powinna spełniać trzy główne wymagania: stabilność, odwracalność, odtwarzalność.

• W praktyce każda elektroda jonoselektywna może być zastosowana jako elektroda odniesienia, pod warunkiem, że zanurzona do danego roztworu wykazuje stały

potencjał.

Sensor optyczny• badana wielkość podlega przetwarzaniu w

warstwie receptorowej na skorelowany ze stężeniem sygnał optyczny.

• Można wyróżnić dwa rodzaje biosensorów optycznych:

wykorzystujące reakcję chemiczną jako etap pośredni między reakcją enzymatyczną i właściwym pomiarem optycznym. enzymatyczna reakcja zużywa lub generuje

optycznie czynne substancje

Schemat optycznego sensora glukozy

Schemat optycznego sensora glukozy

Innym rozwiązaniem w sensorach czułych na glukozę jest użycie fazy zawierającej oksydazę glukozy i fluorofor czuły na wygaszanie tlenu. Utlenianie glukozy, katalizowane przez oksydazę, wymaga udziału tlenu, którego zawartość redukowana jest proporcjonalnie do stężenia analitu.

Sensor półprzewodnikowy:

• Wykorzystywane tranzystory FET

• Szybki czas odpowiedzi

• Miniaturyzacja tranzystorów

• Niski koszt masowej produkcji

• Duża rezystancja wejściowa oraz mała wyjściowa – zmniejszona wrażliwość na zakłócenia współpracujących układów elektronicznych

Tranzystorowy sensor pH

1-elektroda odniesienia 2-bramka 3-izolator

4-kanał 5-membrana jonowymienna

S-źródło D-dren B-podłoże

EKG

Elektrokardiografia (EKG) – zabieg diagnostyczny wykorzystywany w medycynieprzede wszystkim w celu rozpoznawania chorób serca.

jest to metoda pośrednia polegająca na rejestracji elektrycznej czynności mięśnia sercowego z powierzchni klatki piersiowej w postaci różnicy potencjałów (napięć) pomiędzy dwoma elektrodami, co graficznie odczytujemy w formie krzywej elektrokardiograficznej, na specjalnym papierze milimetrowym bądź na ekranie monitora.

EKG spoczynkowe:

Zależność między rozprzestrzenianiem się pobudzenia w

sercu a wykresem EKG

Aparat EKG skonstruowany przez Einthovena

Popularny w latach 50 i 60 XX wieku aparat do

wykonywania EKG

Badanie EKG

• Standardowe EKG wykonuje się przy pomocy 12 odprowadzeń:

• 3 dwubiegunowe kończynowe Einthovena (I , II , III)

• 3 jednobiegunowe kończynowe wzmocnione Goldbergera (aVR, aVL, aVF)

• 6 jednobiegunowych przedsercowych Wilsona (V1, V2, V3, V4, V5, V6)

Rozmieszczenie elektrod na ciele pacjenta

Krzywa EKG

Elektrody:

EEG – ElektroEncefaloGrafia

Badanie EEG polega na rejestracji (przy pomocy elektrod umieszczonych na skórze głowy) czynnościowych prądów mózgu człowieka, które charakteryzują się niewielkim napięciem (od kilku do kilkuset mikrowoltów). Częstotliwość tych prądów waha się od 0,5 Hz do 50 Hz.

Do rejestracji tych niewielkich potencjałów służą aparaty encefalograficzne.

Przebieg Badania EEG

• Badanie wykonywane jest w pozycji leżącej lub siedzącej.

• Na głowie umieszcza się od 16 do 24 elektrod

• Skóra głowy w miejscach wyznaczonych do zamocowania elektrod powinna być odtłuszczona przez wykonującego badanie alkoholem lub eterem. Dla poprawienia przewodnictwa elektrycznego powierzchnia elektrod zostaje pokryta specjalnym żelem lub pastą przewodzącą.

Przebieg Badania EEG

• W trakcie badania EEG stosowane są metody wpływające na aktywność elektryczną mózgu:– próba otwierania i zamykania oczu,

– 3 - 4 minutowa hiperwentylacja (30-40 głębokich oddechów na minutę),

– fotostymulacja - działanie błysków świetlnych o różnej częstotliwości (w czasie tego badania pacjent ma oczy zamknięte),

– sen fizjologiczny i podawanie środków farmakologicznych - stosowane są rzadziej.

• Wynikiem badania są wykresy czasowe przebiegów fal mózgowych (delta, teta, alfa, beta, gamma)

Telesensor biomedyczny (2x2 mm)

Produkt firmy ORNL na zlecenie armii USA

Chip składa się z :

1. Miernika temperatury zawartego w układzie scalonym

2. Baterii zasilającej układ obliczeniowy i nadawczy

3. Anteny przesyłającej dane do jednostki analizującej

W przyszłości ma monitorować: tentno , ciśnienie krwi , zawartość tlenu we krwi