Závěr § biosensory v praxi § perspektivy [USEMAP] Trh s biosensory n85% tržních nákladů reprezentuje stanovení glukosy n Rok Prodej (mil. $) 1996 600 2000 1500 2002 2500 2004 5040 2006 6800 2009 12800 http://images.accu-chek.com/images/products/metersystems/avivanano/avivanano_withlancet_mmol_m.jpg http://easydiabetessupplies.com/images/Contour.jpg http://www.abbottdiabetescare.co.uk/_resources/media/images/inspired_technology/freestyle_lite.png http://di1.shopping.com/images1/pi/d3/14/66/28901043-260x260-0-0_Lifescan_One_Touch_Ultra_Blood_Glu cose_Monitoring_.jpg http://www.beijingyicheng.com.cn/jccp/img/5.jpg Beijing Yicheng JPS-5 Roche Accu-Check Aviva Nano Lifescan OneTouch Ultra Bayer Contour Abbott FreeStyle Lite [USEMAP] Ochrana životního prostředí nznečištění zdrojů pitné vody a vodních toků - monitorovací systémy –založené na celých buňkách - schopné reagovat na přítomnost širokého spektra toxických látek npřenosné systémy pro rychlou detekci škodlivin –analýza vzorku přímo v místě odběru (in-field, on-site) ntradici má rychlé biosensorové stanovení biochemické spotřeby kyslíku (BOD), které zkracuje dobu analýzy na několik minut nBOD sensor založený na mikrobiální vrstvě byl vyráběn již od roku 1983 v Japonsku firmou Nisshin Electric n [USEMAP] Multikanálový biosensor pro charakterizaci odpadních vod 5x1.2 cm Pt / grafitové pracovní elektrody (7101) • tyrosinasa (Tyr) • peroxidasy (HRP, SBP) • celobiosa dehydrogenasa (CDH) • glukosa oxidasa (GOX) • acetylcholinesterasa (AChE) • butyrylcholinesteasa (BChE) Þ zesíťování glutaraldehydem BChE TYR CDH grafit Pt HRP/GOx SBP/GOx AChE [USEMAP] RS-COR´ (+ R´COOH) RSH R-S-S-R ChE anoda (+350 mV) POD (TYR) H2O2 O2 H2O katoda (-100 mV) CDH celobiosa celobionolakton anoda (+400 mV) Enzymové reakce GOx glukosa glukonolakton chinon (fenoxyradikál) fenol fenol chinon [USEMAP] enzymy Koncentrace (mg/l) pesticid. průmysl farmaceutický průmysl papírenský průmysl S01 S02 S03 S04 S05 S06 S07 S08 S09 S10 AChE 0 0.12 0.06 0.01 0.28 0.01 0 0.03 0.08 2.3 BChE 0 0 0.41 0.01 0.03 0.21 0 0 0.03 >10 TYR 0 0 1.1 1.1 0.7 0 0 0 0 0 HRP 0 0 2.9 6.1 2.9 0 0 0 5.3 7.7 Průmyslové vzorky Odezvy přepočteny na koncentraci heptenophosu a katecholu [USEMAP] § vzorky obsahují pesticidy a fenoly § § relativní procentuální odezva je § stanovena jako odezva vzorku dělena § odezvou pro standard § § § výsledky, které je obtížné zhodnotit § a porozumět jim § MULTIVARIAČNÍ ANALÝZA Odpadní vody [USEMAP] PCA (Principal Component Analysis) - Analýza hlavních komponent 1 . . . . XS 1 . . . . . . . . XV Proměnná Var 1 Var 2 Var 3 Původní systém (3D) PC1 PC2 Nový systém (2D) PC1 PC2 PCA [USEMAP] Pesticidový průmysl Papírenství BIOSENSOR + PCA Ø Každý vzorek odpovídá 6830 proměnným detekovaných 6-enzymovým sensorem (každá elektrodová odezva je tvořena z 810 proměnným Ø Ø PC1 – separace dle původu, PC2 – separace dle toxicity [USEMAP] AChE TYR TYR HRP HRP Pt BChE AChE - 0.5 0 0.5 AChE TYR TYR HRP HRP Pt BChE AChE - 0.5 0 0.5 AChE TYR TYR HRP HRP Pt BChE AChE - 0.5 0 0.5 untreated alert alarm normal water katechol (standard) Vzorky rozdílné toxicity - odezvy 8-elektrodového sensoru pro 32 vzorků (standard), 100 proměnných (400 s) [USEMAP] - 30 - 20 - 10 0 10 20 30 - 10 - 5 0 5 10 15 20 WAT NO AT AL UN - 30 - 20 - 10 0 10 20 30 - 10 - 5 0 5 10 15 20 PC1 WATER NORMAL UNTREATED ALARM ALERT Zjednodušená klasifikace kombinace sensorů s chemometrií (PCA) zjednodušuje interpretaci komplexních dat na uživatelsky přístupnější názornou formu inteligentní biosensor [USEMAP] Potravinářství, biotechnologické procesy nbiosensorové systémy analyzující kontinuálně odebírané vzorky (on line) - návaznost na řídící systémy n nstanovení sacharidů, některých vitamínů a detekce bakteriální kontaminace - kontrola čerstvosti potravin, kontrola obsahu cizorodých látek (rezidua antibiotik) n nkontrola kvality produktů - na základě hodnocení vůně („elektronický nos“) a chuti („elektronický jazyk“) –potvrzení původu, originality, přítomnosti náhražek n [USEMAP] Bioelectronic tongue for wines nprocessing by PCA (principal component analysis) or SOM (artificial intelligence, self-organizing maps) n n n n n n n n nlevels of lactate determined using biosensor with lactate oxidase, sums of other carboxylic acids measured as inhibition effects on biosensors with sarcosine oxidase and fumarase / sarcosine oxidase channels n nM. Milovanović, J. Žeravík, M. Obořil, M. Pelcová, K. Lacina, U. Cakar, A. Petrovic, Z. Glatz, P, Skládal. A novel method for classification of wine based on organic acids. Food Chem. 2019, 284, 296. n [USEMAP] medium tannins, oak / vanilla / flovery buquet high tartness, (semi)dry apple taste / flavour higher acidity, high sourness, botrytis bouquet high acidity, apple flavour Bioelectronic tongues: taste sample training (calibration) enzyme electrode array chemometric processing Result: good product! (safety, originality, age, adulteration, composition, …) multichannel detector P. Skladal. Smart bioelectronic tongues for food and drinks control. Trends Anal. Chem. 2020, 127, 115887. [USEMAP] Vojenská oblast ndetekce chemických otravných látek (sarin, soman, ...) - biosensory s cholinesterasou ndetekce biologických bojových prostředků - nutnost vysoké specifity stanovení (anthrax, botulin, ...) - imunosensory, přenosné systémy PCR, průtočná cytometrie nobrana proti bioteroristickým útokům [USEMAP] Detekce použití chemických zbraní nchemické zbraně reprezentují bojové otravné látky ze skupiny nervově paralytických sloučenin jako sarin a soman ninhibují cholinesterasu, což se také využívá v detekčních systémech na bázi biosensorů njiž mnoho let existuje detektor NAIAD od firmy Thorn EMI, využívající průběžnou elektrochemickou detekci aktivity imobilisované cholinesterasy nminiaturizovaný biosensor tohoto typu pro osobní použití se vyvíjí také u nás nzájem o tuto oblast výrazně stoupl po skončení války v Perském zálivu (1991), mimoto byl sarin použit teroristy při útoku na tokijské metro (1995), v Iráku, Sýrii (?) [USEMAP] n BioNA Biochemical Nerve Agent Detector měřící část výměnný biosensorový blok [USEMAP] Specifications detectable agents: type “G” and “V” limit of detection in air: 1 ng/L detection speed: 30 sec (15 sec at 10 ng/L) detector: electrochemical sensor with immobilized acetylcholinesterase weight: 500 g dimensions: 120 x 80 x 35 mm power supply: 2 x 1.5 V batteries working temperature: 5 - 40°C warning signalization: visual and acoustic Information Military Technical Institute of Protection P.O. Box 547 Tel.: +420-5-41183001 60200 Brno (Czech Rep.) E-mail: vtuo_chem@telecom.cz BioNA Biochemical Nerve Agent Detector [USEMAP] Detekce biologických zbraní nbiologické zbraně – zbraně hromadného ničení „chudých“ zemí njsou předmětem zájmu v souvislosti se situací v Iráku, kde bývalý režim vlastnil zásoby různých bakteriologických zbraní a toxinů nmimo vojenskou oblast existuje značná obava z teroristického zneužití, protože jejich příprava je ve srovnání s jinými zbraněmi hromadného ničení velmi snadná – obavy z anthraxu [USEMAP] BBP: toxiny nAbrin - rostlina Abrus precatorius nAflatoxiny - plísně Aspergillus flavus a parasiticus nBatrachotoxin - kolumbijská žába Phyllobates aurotaenia nBotulotoxin A - bakterie Clostridium botulinum nClostridium perfringens toxin nCorynebacterium diphtheriae toxin nMicrocystiny (Cyanginosiny) - modrozelená sinice Microcystis aeruginosa nPalytoxin - zoanthidní korál genus Palythoa nRicin - rostlina castor bean Ricinus communis nSaxitoxin - dinoflagelata Gonydulax (Ganyaulax) catenalla a tamarensis nShigatoxiny (Vero cytotoxiny) - bakterie Escherichia coli EHEC nS. dysenteria toxin - bakterie Shigella dysenteriae nStaph. Enterotoxin - bakterie Staphylococcus aureus n [USEMAP] BBP: viry nArgentinská hemorhagická horečka (AHF) nBolivijská hemorhagická horečka (Machupo) nDengue, Ebola, Hanta, Chikengunya, Japonská encefalitida, Junin nKrymsko-konžská hemorhagická horečka (CCHF), Kyasanurská lesní horečka, Lassa horečka nLymfocytární choriomeningitida, Marburg, klíšťová encefalitida nVariola (smallpox, spalničky), Venezuelská encefalitida, žlutá horečka, n [USEMAP] BBP: bakterie a plísně nbakterie: Bacillus anthracis (anthrax), Brucella melitensis (brucelosa), Clostridium botulinum (botulismus), Corynebacterium diphtheriae, Francisella (Pasteurella) tularensis (tularemie), Chlamydia psittaci (psitakosa), Mycobacterium tuberculosis (tuberkulosa), Pseudomonas mallei / pseudomallei, Rickettsie, Coxiella burnetti (Q-horečka), Salmonella typhi / paratyphi (tyfus), Vibrio cholerae (cholera), Yersinia (Pasteurella) pestis (mor), nplísně: Coccidioides immitis (kokcidiosa), Histoplasma capsulatum, Nocardia asteroides [USEMAP] Bio Detector nBiological Detector (BD) je automatický systém pro detekci BOL vyvinutý společně ETG a americkou armádou, principem je LAPS biosensor nsoučasně lze detekovat až 8 různých agentů (bakterie, viry, toxiny), je lehce možné rozšířit o nová stanovení. Odezva do 15 minut, 95% pravděpodobnost detekce, 0.1% falešných poplachů, akustická i optická indikace. nv jednom pouzdře obsahuje jednotky vstupu vzorku, průtočného systému, detektoru LAPS, zásobníku reagencií nvzorek je kapalný objemu 1 ml, s ním se provádí současně 8 imunochemických testů - BOL-specifické protilátky jsou značeny fluoresceinem, na který se ve druhém stupni váže anti-fluoresceinová protilátka značená ureázou, detekce je potenciometrická - změna pH, "adresace" jednotlivých míst na nosném pásku se provádí osvětlením [USEMAP] BD [USEMAP] Klinická oblast nin vitro stanovení prováděná v centralizovaných nemocničních laboratořích ndecentralizované uplatnění biosensorů zahrnuje ordinaci lékaře, nemocniční pokoje, operační sály naplikace určené široké veřejnosti budou limitovány, výjimkou jsou osobní glukometry diabetiků a těhotenské testy nvelký potenciál pro tzv. „welfare“ oblast – stárnoucí populace se bude více zajímat o zdravotní stav – preventivní kontroly a měření nin vivo aplikace jsou směrovány především na výzkum umělého endokrinního pankreatu [USEMAP] Monitorování glukosy nNewman, J.D. and Turner, A.P.F. (2008) Historical perspective of biosensor and biochip development. In: Handbook of Biosensors and Biochips (Eds R. Marks, D. Cullen, I. Karube, C. Lowe and H. Weetall) John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-01905-4 n Evolution of Blood Glucose Monitor products Past Present Future CGM Medtronic Guardian [USEMAP] Pelikan Sun painless Sampling The original Miles Glucometer [USEMAP] Supramolecular Devices? MediSense Mediated sensor C:\rpirzad\My Documents\Cranfield\2006\Presentation\EEDA\Paul Knight\breathotron_low mem.jpg Non-invasive monitoring (research) [USEMAP] Klíčové inovace n Sample detection n Reduction of humidity effects n Fill efficiency n Under-fill detection n Instrument and in-sample temperature correction n Reduction of and compensation for haematocrit effect n Reduction of and compensation for electrochemical interference n Detection of abnormal events n Automatic coding of strips n Integration n [USEMAP] User Interface [USEMAP] Glukometry dnes … nběžně v lékárnách, e-shopech, propojení s mobilem [USEMAP] Glukosa kontinuálně nFreeStyle Libre monitoruje a ukládá data o hladině glukosy - hodnoty koncentrace aktualizuje každou minutu npřilepí se na paži, funguje kontinuálně 14 dní ndata do čtečky se přenáší bezdrátově n n n n n n n n n n … do čtečky lze zasunout i klasický páskový biosensor A picture containing electronics Description automatically generated [USEMAP] Laboratorní klinické analyzátory n přístroj firma glukosa + analyty nAUTOSTAT Daiichi (Japonsko) nEBIO Plus Eppendorf / BST (Německo) laktát, citrát, vit. C nEnzymat Seres (Francie) sacharóza, alkohol nESAT PGW Medingen (Německo) laktát nEXSAN (Litva) laktát nGLUCO Fuji Electric (Japonsko) ni-Stat I-Stat Corp. (USA) močovina nModel 860 Ciba Corning (USA) nNOVA 16 Nova Biomedical (USA) močovina, kreatinin nSatellite G MediSense (USA) nYSI SELECT Yellow Springs Instr. (USA) laktát, etanol, cholin Většinou se jedná o malé stolní přístroje, často doplněné zásobníkem vzorků n [USEMAP] Někdy jsou biosensory příliš dobré… nglukosový / laktátový sensor –přední měřící a zadní kontaktní pohled ntrvanlivost příliš dlouhá – potřeba omezit „životnost“ –přidání obvodu počítajícího provedené analýzy, –po dosažení stanoveného počtu ukončení použitelnosti –integrovaný inkrementální čítač (1-wire counter) [USEMAP] i-STAT npředpoklad: analýza vzorků v místě jejich odběru (operační sál, lůžko pacienta) může podstatným způsobem zkrátit dobu do získání výsledků nlze tedy urychleně provést kroky vedoucí ke zlepšení stavu pacienta ndecentralizované měření nmultikanálový elektrochemický biosensor, poskytující informace o klíčových látkách, analyzovaných při krizových situacích pacientů nzákladní modul na jedno použití obsahuje měřící sensory, zásobní roztok standardu a prostor pro nakápnutí vzorku krve n nPOINT OF CARE DIAGNOSTICS [USEMAP] i-STAT - měřící modul nanalyty: sodík, draslík, chloridy, oxid uhličitý, pH, močovina, glukóza a hematokrit nprogram pak dopočítává další parametry jako např. koncentrace hemoglobinu, přebytek bází a podobně. [USEMAP] i-STAT npo nakápnutí vzorku krve se měřící modul zasune do přístroje nvyčká se zobrazení výsledků nměřící modul je na jedno použití [USEMAP] i-STAT - aplikace nhlavní kriterium vývoje: nminimalizovat možnost chyb způsobených uživatelem (pouze naplní otvor pro vzorek krví a zasune modul do přístroje) nzaručit vysokou kvalitu výsledků (ve výměnné kartridži je inkorporován kalibrační roztok). V rukou uživatelů - lékařů a sester - přístroj poskytuje výsledky srovnatelné kvality jako centrální laboratoř. npřístroj původně směrován pouze do nemocnic, objevuje se i v ordinacích praktických lékařů a veterinářů, dokonce ve vojenství a objevil se na palubě při letech raketoplánů. [USEMAP] Těhotenské testy Pregnancy Tests with Conception Indicator Clear Blue Prgnancy Test.jpg http://www.clearblue.com/uk/HCP/images/logo.jpg Launched July 2008, measures urinary hCG using both a low sensitivity and a high sensitivity strip. Control lines and results read using red light to measure density of lines by reflectometry yielding 4 possible semi-quantitative results: 1)Not pregnant 2)Pregnant with conception 1-2 weeks ago 3)Pregnant with conception 2-3 weeks ago 4)Pregnant with conception >3 weeks ago Swiss Precision Diagnostics GmbH is a joint venture between Procter and Gamble and Inverness Medical >99% accurate in detecting pregnancy & 92% accurate in time predictions. Same price as visual strips. [USEMAP] Perspektivy nminiaturizace, nanotechnologie, integrace nmultiparametrové, paralelizace numělé biorekogniční elementy –na bázi kombinatorický technik – aptamery (SELEX), genetické knihovny –proteinové inženýrství - rekombinantní proteiny s vylepšenými vlastnostmi, chimérní biomolekuly –makromolekulární chemie – otisky analytu v polymerní struktuře - MIP (molecularly imprinted polymers) [USEMAP] Vývoj oboru biosensorů nbiosensor n nWOS: … 65,259 nGoogle: … 3,890,000 nGoogle Scholar … 441,000 [USEMAP] Biosensory v Česku nMU Brno –enzymy a protilátky, piezosensory / SPR / elektrochemie / nano... –životní prostředí / klinika / vojenské aplikace nBiofyzikální ústav Brno –nukleové kyseliny / elektrochemie nVÚ radiotechniky Praha –SPR, imunosensory nVÚ Třeboň –fotosystém, elektrochemie nUJEP Ústí nad Labem –fotosystém, elektrochemie, optické techniky nBVT Technologies Brno –sítotisk, enzymy, výroba sensorů nSlužba výzkumu Postřelmov –imobilizace enzymů, výroba biomembrán n [USEMAP] Biosensory nmalé a levné nrychlé, citlivé a specifické nuživatelsky přívětivé [USEMAP]