Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Prof. habil. dr. Arūnas Ramanavičius
Fizikinės Chemijos katedra,
Vilniaus Universitetas
NanoBioTechnologijų laboratorija,
VMTI Fizinių ir Technologijos
Mokslų Centras
NanoTechnas – Nanotechnologijų ir
Medžiagotyros Centras
Chemijos Fakultetas, Vilniaus Universitetas
Center of
NanoTechnology and
Material science -
NanoTechnas
NanoTechnas - Center of
NanoTechnology and
Materials Science
Trečio tūkstantmečio pradžioje išryškėjo naujos
chemijos mokslo tendencijos, kurios sukūrė
kokybiškai naujus poreikius cheminių
technologijų specialistams. Didesnis dėmesys
šiuo metu turėtų būti skiriamas su chemijos
mokslu glaudžiai susijusioms mokslo šakoms:
(i) Nanotechnologijai ir nanomokslui,
(ii) Biotechnologijai,
(iii) Bioinformatikai ir informacinių
technologijų taikymui chemijos moksluose,
(iv) Aukštųjų cheminių technologijų vadybai.
Ką reiškia
„mažas”
Atominės jėgos
mikroskopas
Nanotechnologijos plėtrą stimuliavo
nanoobjektus gebančios registruoti
įrangos atsiradimas
AFM principas
AFM svarbiausios dalys
AFM taikymas
analizinėje
chemijoje
Ląstelės AFM vaizdai
Receptorių struktūros
nustatymas AFM
AFM vaizdai
į Ppy inkapsuliuota
GOx
Nanotechnologijos plėtrą stimuliavo
nanoobjektus gebančios registruoti
įrangos atsiradimas
EUV: 60-80 nm
Molekuliniai dariniai „ant padėklo”
Biotechnologijai
(Opto)Elektronikai
Chemijai
Baltymų spausdinimas
IgG, AFM
GFP, LSM
Atolitriniai molekuliniai indai
Nanoįbrėžimai Michigan State University, Xu grupė, apie 1997
Vandens lašeliai ir
nanolitografija
Lustų gamyba
Manipuliavimas nanoobjektais
4 mm
DNR Baltymai
100 nm
0 1.2 µm
130 nm
290 nm
Elektrai Laidūs polimerai
Nanodalelės
1 mm
Multiprobe DPNL
Konstravimas ir nuskaitymas-
vienu įrenginiu
Membraninių baltymų
imobilizavimas
Membraninių baltymų lustai
Didelės skyros struktūriniai tyrimai
100 nm
Konformacijos vizualizavimas
Baltymų nanomanipuliavimas
Baltymų nanomanipuliavimas
Sąveikos tarp ląstelių tyrimai
Ateities
nanoįrenginiai
Svarbesnės mūsų grupės tyrimų kryptys
Jutikliai
ir
Biojutikliai
Kuro
elementai
ir
Biokuro
elementai Kataliziniai
Fermentiniai
Jutikliai
DNR
Jutikliai Immuno-
Jutikliai
Molekulių
įspaudais
modifikuotių
polimer ų
taikymas
Jutikliuose
Elektrai laidūs
polimerai
Biomedicina:
Implantai;
Vaistų
pernašos
sistemos
Pradžia:
1977 metais, polimerinant acetileną naudojant Ciglerio-Natta katalizatorius ir
oksidavus chloro, bromo arba jodo garais buvo susintetintas elektrai laidus
poliacetilenas.
Šiuo metu elektrai laidūs polimerai (ELP) jau taikomi:
1. Elektronikos elementuose (dioduose, tranzistoriuose, lauko tranzistoriuose);
2. Akumuliatoriuose, galvaniniuose elementuose, kondensatoriuose ir “super”
kondensatoriuose;
3. Šviesolaidžiuose;
4. Dirbtiniuose “raumenyse”;
5. Ekranuose apsaugančiuose nuo elektromagnetinio spinduliavimo (“STELS”
technologija);
6. Šviesos dioduose (LED, PLED...);
7. Kompiuterių ir mobiliųjų telefonų displėjuose;
8. Įvairiuose struktūriniuose elementuose;
9. Jutikliuose (Elektromagnetinių bangų, chemo-, bio-, imuno-, DNR- ir. kt...).
Perspektyvos: Ten kur reikalingas superlaidumas; “Molekuliniuose” kompiuteriuose;
Apšvietimo prietaisuose (šviečiančiose sienose ir kt.); Neuronų – puslaidininkinių lustų
jungtyse; Naujos kartos lazeriuose; Naujos kartos jutikliuose ir biologiniuose
Nobelio premijos laureatai Už elektrai laidžių polimerų atradimą ir taikymą
Prof. Alan J. Heeger; Prof. Alan G. Mac Diarmid, Prof.
Hideki Shirakawa
suteikta 2000 m. Nobelio premija chemijos srityje.
Elektrai laidūs polimerai
Izoliatoriai Puslaidinin-
kiai
Metalai
Krūvio pernašos
mechanizmas
Kvarcas Deimantas
Laidumas
Silicis Varis
Nn
Sn
Polipirolas Politiofenas
n
Poliacetilenas
H
Polianilinas
N
n
On
Polifuranas
H
Kai kurių elektrai laidžių polimerų
cheminės struktūros
Gali būti elektrochemiškai
susintetintas ant elektrai laidžių
paviršių.
Elektrocheminė sintezė galima
esant neutraliems pH.
Suformuoja pakankamai stabilų
ir elastingą sluoksnį.
Gali būti legiruotas
biologiniais objektais
pvz.: baltymais.
Katalizatorius
Signalo vertiklis
Registruojantis,
valdymo
įrenginys
Labai svarbu,
kad “kontaktas
būtų geras”.
Analitė
Produktai
Kaip panaudoti elektrai laidžius polimerus analizinėse sistemose?
• Kovalentiniškai imobilizuoti su analite sąveikaujančias struktūras (ASS)
• ASS įterpimas į polimero matricą
• ASS inkapsuliavimas į polimero kapsules
• Molekulių įspaudų formavimas elektrai laidžiuose polimeruose
Elektrai laidžių polimerų sintezės metodai
• Cheminė polimerizacija
• Elektrocheminė polimerizacija
• Šviesa indukuota polimerizacija
K. Leonavicius, A. Ramanaviciene, A. Ramanavicius, Polymerization Model for
Hydrogen Peroxide Initiated Synthesis of Polypyrrole Nanoparticles. Langmuir 2011, 17,
10970–10976.
H2O2 + 2H+2H2O
Gliukozės oksidazės “inicijuota” elektrai laidžių polimerų sintezė
Polipirole imobilizuotos gliukozės oksidazės taikymas
Ramanavičius A., Kaušaitė A., Ramanavičienė A. Polypyrrole coated glucose oxidase
nanoparticles for biosensor design. Sensors and Actuators B-Chemical 2005, 111–112,
532–539.
Ramanavičius A., Kaušaitė A., Ramanavičienė A., Acaite J., Malinauskas A. Redox
enzyme – glucose oxidase – initiated synthesis of polypyrrole. Synthetic Metals 2006,
156, 409–413.
AFM vaizdai
į Ppy inkapsuliuota
GOx
NanoTechnas
“Fermentinės” PPy ir PANI sintezės
taikymas
Elektrocheminės
polipirolo
sintezės schema.
Elektrocheminė polipirolo sintezė ir pralaidumo
elektrochemiškai aktyviems jonams tyrimas
NH
NH
+.
NH
NH
NH
e-
2e-
NH
NH
NH
NH n
(2n-1)e-
H
NH
NH
NH
Hn
NH
R
R
O2
me-
R COH
COOH
CH2OH
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0 20 40 60
t, s
I, n
A
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
4 0 0
4 5 0
5 0 0
5 5 0
6 0 0
6 5 0
7 0 0
7 5 0
8 0 0
8 5 0
I,
n
A
I m p u l s u s k a i c i u s ( n )
y=(Z-K)/(1+(L*x)D)+K; kur
Z=441.08.1;
K=825.02.45;
L=0.37510.0112;
D=2. (1,95 0,03)
Impulsinė
chronoamperograma,
registruota potencialo
impulsais inicijuotos polipirolo
polimerizacijos metu.
Anodinės srovės smailių
verčių priklausomybė nuo
impulsų skaičiaus nuo
elektrocheminės Ppy
polimerizacijos pradžios.
Ppy Sintezės
impulsinės
amperogramos
Įskiepyti (angl.: Grafted) elektrai
laidūs polimerai
Y. Oztekin, A. Ramanaviciene, N., Ryskevic, Z., Yazicigil, Z., Ustundag, A.O. Solak, A. Ramanavicius, 1,10-Phenanthroline
modified glassy carbon electrode for voltammetric determination of cadmium(II) ions Sensors and Actuators B Chemical
2011, 157, 146– 153
Y. Oztekin, A. Ramanaviciene, Z. Yazicigil, A.O. Solak, A. Ramanavicius Direct electron transfer from glucose oxidase
immobilized on polyphenanthroline modified-glassy carbon electrode, Biosensors and Bioelectronics, 2011, 26, 2541–
2546..
Įskiepyti (angl.: Grafted) elektrai
laidūs polimerai
.
gp5
1
gp51
gp51
gp5
1 gp5
1
gp51
gp5
1
Baltymų imobilizavimas potencialo impulsais
formuojant polipirolo sluoksnį
P
Pt
ele
ktr
od
as
p y gp5
1
P
gp5
1
p y
E, mV
t
950
0
Kovalentinis
baltymų
imobilizavimas ant
susintetintų elektrai
laidžių polimerų
sluoksnių
Pt
ele
ctr
od
ePPy
Pt
ele
ctr
od
e
+PirolasElektrocheminė
polimerizacijaElectrochemical
polymerisation
+Cu(NO )3 2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
–NO2
–NO2
–NO2
–NO2
–NO2
-
Attachment of
nitrogroups
+
Electrochemical
reduction
-
-H O2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
–NH2
–NH2
–NH2
–NH2
–NH2
+H +e
Electrochemical
reduction
2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
+EDC
–NH2
–NH–CO–
–NH–CO–
–NH
–NH2
QH-
ADH
QH-
ADH-H O
2
HO
OC
–
QH-
ADH
Activation of HOOC-
by EDC
Polypyrrole
Hemas-c
PQQ
Hemas-c
Hemas-c
Hemas-cI II
IIIActo r. Aldehidas
eeee
ee
e
Katalizatorius
Signalo vertiklis
Registruojantis,
valdymo
įrenginys
Labai svarbu,
kad “kontaktas
būtų geras”.
Analitė
Produktai
Glc
Gluconolactone 2H O 2 2
GODM
M
ox.
red.
2e-2e
-2e
-
Ele
ctro
de
O 2
2H O2
+
M=PMS; K3[Fe(CN)6];
ferocene derivates …
Glc
Gluconolactone
GDHM
M
ox.
red.
2e-2e
-2e
-
Ele
ctro
de
+
2NADH
2NAD+
NAD-
Glc
Gluconolactone
GDHM
M
ox.
red.
2e-2e
-2e
-
Ele
ctro
de
PQQ-
M=PMS; DCPIP; BQ
Alcohol
Aldehyde
HQ-ADH
e-
2e-
Ele
ctro
de
PQQ
e-
e-
e-
e-
hem
e chem
e c
hem
e c
hem
e c
Fermentų taikymas kataliziniuose biologiniuose
jutikliuose
Elektronų pernašos
shema PQQ-
GDH/Os-PPy(4) ir
PQQ-GDH/Os-
PPy(5)
biosensoriuose.
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
G D H
G D HG l u c o s e
G l u c o n o -
l a c t o n e
G l u c o n o -
l a c t o n e
G l u c o s e
P Q Q
P Q Q
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
O s
O s
O s O sO s
O s
O s
COO-ICOO-I
COO-I COO-
I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I COO-
ICOO-I
COO-ICOO-
I
COO-ICOO-
ICOO-ICOO-
ICOO-I
COO-I
Glucose
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
O s
G D H
G D HG l u c o s e
G l u c o n o -
l a c t o n e
G l u c o n o -
l a c t o n e
G l u c o s e
P Q Q
P Q Q
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
e -
O s
O s
O s O sO s
O s
O s
COO-ICOO-I
COO-I COO-
I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I
COO-I COO-
ICOO-I
COO-ICOO-
I
COO-ICOO-
ICOO-ICOO-
ICOO-I
COO-I
Glucose
Ascorbate Urate- -
Pt
Biokuro elementai
Potentials of (1) MP-8 functionalized cathode as function of
hydrogen peroxide concentration; (2) MP-8/GOx
functionalized carbon rod electrode as a function of hydrogen
peroxide concentration; (3) MP-8/GOx functionalized carbon
rod electrode as a function of glucose concentration; (4) QH-
ADH functionalized anode as a function of ethanol
concentration. Investigations performed in 50 mM Na acetate
solution, pH 6,
Signalo vertiklis
Registruojantis
įrenginys
Atpažinimo elementai
Analitė
Analitė
Analitė Analitė Analitė
Imuninio atsako į infekciją susidarymo schema
Antikūnai prieš
infekciją
Antikūnas
V
i
r
u
s
a
s
gp51/gp3
0 RNR
p15
Integraz
ė
lipidinis sluoksnis
Atvirkštinė transcriptazė
p24
GLV (Retroviruso struktūra)
ŽIV modelis
Baltymo gp51 imobilizuoto glutaro aldehidu
sąveikos su specifiniais antikūnais schema.
An
glin
is e
lek
tro
da
s
NH
–C
O–
(CH
) –
CO
–N
H
gp51
gp51
An
glin
is e
lek
tro
da
s
gp51
Y
YY
Y
++
++
++
++
++
++
+
++
++
++
++
++
++
+
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -Inkubacija
gp51 – GLV glikoproteinas
(antigenas) Y – Specifiniai antikūnai
- - -
NH
–C
O–
(CH
) –
CO
–N
H
- -
gp51
– C
O–
NH
-
-NH
–C
O–
(CH
)
-NH
–C
O–
(CH
) –
CO
–N
H-
3 3
.
gp5
1
gp51
gp51
gp5
1 gp5
1
gp51
gp5
1
Baltymų imobilizavimas potencialo impulsais
formuojant polipirolo sluoksnį
P
Pt
ele
ktr
od
as
p y gp5
1
P
gp5
1
p y
E, mV
t
950
0
PPyP
t e
lek
tro
da
s
BAM
BAM
PPy
Pt
ele
ktr
od
as
Y
YY
Y
++
++
++
++
++
++
+
++
++
++
++
++
++
+
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
BAM
BAMInkubavimas
Baltymų gp51 ir p24 įterptų į polipirolą
sąveikos su specifiniais antikūnais schema.
+Cu(NO )3 2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
–NO2
–NO2
–NO2
–NO2
–NO2
+
-
El. reduction
-
-H O2
2
Pt
ele
ctr
od
e
+Pyrrole
Electrochemical
polymerization
PPyP
t e
lek
tro
da
sPPy
Pt
ele
ktr
od
as
–NH2
–NH2
–NH2
–NH2
–NH2
+EDC
–NH2
–NH–CO–
–NH–CO–
–NH
–NH2
gp51
gp51-H O2
HO
OC
–gp51
+H +e
El. reduction aktivation of
HOOC-
gp51 – Glicoprotein from bovine
leukemia virus (antigen)
Kovalentinis
baltymų
imobilizavimas
ant elektrai
laidžių polimerų
sluoksnių
2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
–NH2
–NH–CO
–NH–CO
–NH
–NH2
gp51
gp51
2
PPy
Pt
ele
ctr
od
e
–NH2
–NH–CO
–NH–CO
–NH
–NH2
gp51
gp51
Y
Y
Y
Y
++
++
++
++
++
++
+
++
++
++
++
++
++
+
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -
- -Incubation
gp51 – Glicoprotein from bovine
leukemia virus (antigen) Y – Specific antibodies
Kovalentiškai imobilizuotų baltymų
taikymas analizinėje chemijoje
NanoTechnas
Real Impedance (Z'), KOhm
0 20 40 60 80 100 120
Ima
gin
ary
Im
pe
da
nc
e (
Z"),
KO
hm
0
20
40
60
80
100
120
i ii-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120
Before incubation
After incubation
Impulsinė voltamperometrija
200 mV/s
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 100 200 300 400 500 600 700 800
prieš inkubavimą po inkubavimo
After incubationBefore incubation
Ciklinė voltamperometrija
Ramanaviciene A. Ramanavicius A. (2004) Pulsed amperometric detection of DNA with an
ssDNA/polypyrrole modified electrode Journal of Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2004; 379 (2): 287-
293.
Impedanso spektroskopija
prieš
inkubaciją
NanoTechnas
Elektrocheminio impedanso
spektroskopijos taikymas
elektrocheminiuose imunojutikliuose
Matrica
susijungimas
Matrica
Polimerizacija
Matrica
Matricos
pašalinimas
Atpažinimo vieta
Molekulių įspaudų technologija
PPy
Pt
ele
ktr
od
as BAM
PPy
Pt
ele
ktr
od
as
BAM
BAM
BAM
Pt
ele
ktr
od
as
PPy
BAM
BAM
InkubavimasPlovimas
Molekulių įspaudai elektrai laidžiuose
polimeruose
Signalo vertiklis
Registruojantis
įrenginys
DNR
taikinys
DNR-sensorius
Šviesa indukuota polipirolo sintezė ir
kvantinių taškų spektro stabilizavimas
(CdSe )ZnS polipirolu
Polipirolo biologinis suderinamumas in vivo
NanoTechnas
Prof. habil. dr. Arūnas Ramanavičius
Fizikinės Chemijos katedra, Vilniaus Universitetas
NanoBioTechnologijų laboratorija, VMTI Fizinių ir
Technologijos Mokslų Centras .
e-mail: [email protected].
Dėkoju už dėmesį!