Σταθεροποίηση βιομορίων σε νανοδομές για την ανάπτυξη βιοαισθητήρων

This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*

PhD thesis (EN)

2006 (EN)
Σταθεροποίηση βιομορίων σε νανοδομές για την ανάπτυξη βιοαισθητήρων

Vamvakaki, Vasiliki
Βαμβακάκη, Βασιλική Δημητρίου

Χανιωτάκης, Νίκος

Οι βιοαισθητήρες βρίσονται στο προσκήνιο της έρευνας τα τελευταία 30 χρόνια, ενώ ραγδαία είναι η εξέλιξη στον τομέα αυτό κυρίως τα τελευταία 15 χρόνια. Ωστόσο η ευρεία εφαρμογή των βιοαισθητήρων ως αξιόπιστων αναλυτικών οργάνων δεν έχει επιτευχθεί ακόμη στον επιθυμητό βαθμό λόγω ορισμένων λειτουργικών προβλημάτων των βιοαισθητήρων. Τα προβλήματα αυτά εντοπίζονται κυρίως στη χαμηλή ευαισθησία τους, τη μικρή επαναληψιμότητα της κατασκευής τους και την περιορισμένη σταθερότητα τους τόσο κατά την αποθήκευση όσο και σε συνθήκες συνεχούς λειτουργίας. Ο βασικότερος παράγοντας που επηρεάζει τα αναλυτικά χαρακτηριστικά των βιοαισθητήρων είναι η σταθερότητα τους, καθώς είναι αρκετά δύσκολο να ρυθμιστεί η σταθερότητα του βιολογικού στοιχείου αναγνώρισης. Τα στοιχεία βιολογικής αναγνώρισης όπως είναι τα έζυμα και τα αντιγόνα είναι από τη φύση τους ευαίσθητα βιολογικά μόρια και είναι δυνατό να αποδιαταχθούν ή να απενεργοποιηθούν λόγω μικρών μεταβολών στην τιμή του pH ή της θερμοκρασίας, καθώς και παρουσία οργανικών διαλυτών και απορρυπαντικών που συχνά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των βιοαισθητήρων. Διάφορες μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της σταθερότητας των ενζύμων, όπως είναι η γενετική τροποποίηση, η χημική τροποποίηση, η χρήση πρόσθετων ουσιών και η ακινητοποίηση σε διάφορα υποστρώματα. Η γενετική τροποποίηση αποσκοπεί στη μεταβολή της αλληλουχίας των αμινοξέων των ενζύμων με στόχο τη βελτιστοποίηση της δομής τους. Η χημική τροποποίηση μεταβάλλει τις ιδιότητες των ενζύμων με την εισαγωγή λειτουργικών ομάδων ή πολυμερών στην επιφάνεια τους, αυξάνοντας έτσι την ακαμψία και τη σταθερότητα των ενζυμικών μορίων. Τα πρόσθετα όπως οι ηλεκτρολύτες, οι πολυηλεκτρολύτες και οι πολυαλκοόλες ρυθμίζουν την περιεκτικότητα του νερού και δημιουργούν μία δομή κλουβιού γύρω από το ένζυμο που συμβάλλει στη διατήρηση της ενεργής του διαμόρφωσης. Παράλληλα η ακινητοποίηση των ενζύμων σε ανόργανα, οργανικά και πολυμερικά υποστρώματα μέσω απλής προσρόφησης, ομοιοπολικής δέμευσης, φυσικής παγίδευσης ή εγκλωβισμού είναι αρκετά αποτελεσματική μέθοδος ώστε να αποφεύγεται η αποδιάταξη και απενεργοποίηση των ενζύμων. Η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας τα τελευταία χρόβια καθιστά δυνατή την ανάπτυξη και αξιολόγηση νανο-συστημάτων που βασίζονται σε νανοϋλικά και παρέχουν νέες προοπτικές στον τομέα των βιοαναλυτικών συστημάτων. Τα νανοϋλικά έχουν τουλάχιστον μία από τις διαστάσεις τους στην κλίμακα των 100 nm και εμφανίζουν μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, παίζοντας καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη των βιοαισθητήρων. Η υψηλή δραστική επιφάνεια τους, οι καταλυτικές τους ιδιότητες και η ικανότητα τους να μεταφέρουν ηλεκτρόνια, τα καθιστούν κατάλληλα υλικά ως υποστρώματα ακινητοποίησης, μεταλλάκτες σήματος και μεταφορείς ηλεκτρονίων. (EL)
Biosensors have been under development for over 30 years while research in this field has become very popular the last 15. Severa; drawbacks have impeded the large-scale application and performance of biosensors as reliable analytical instruments. Some of the major obstacles in the biosensor systems success are the low sensitivity, their bad sensor-to-sensot reproducibility, as well as the limited operational and storage stability. Of these, the operational and storage stability of the biosensor is the most critical issue, since controlling the stability of the biological recognition element is very difficult. The biological recognizing systems, such as enzymes and antigens, are from their nature not very stable in a biosensor membrane environment, since they are sensitive to denaturation or inactivation by either fluctuations in the pH, the temperature, as well by the presence of organic solvents and detergents usually employed for the construction of a biosensor. Different approaches have been utilized to improve enzyme stability, including genetic engineering, chemical modification, inclusion of additives and immobilization to various matrices. Genetic engineering involves the optimization of enzyme structures by changing the amino acid sequence. Chemical modifications intend to change the properties of the enzymes by adding functional groups or polymers on their surface, increasing their rigiditym and thus their stability. Additives such as electrolytes, polyelectrolytes and polyols control the water content at the vicinity of the enzymes and generate a cage around the enzymes in order to protect them from denaturation, and improve their stability. At the same time immobilization of enzymes on inorganic, organic or polymeric matrices by simple adsorption, covalent bonding or entrapment is shown to be an efficient stabilization method that increases the rigidity of the enzyme preventing the possibility to unfold and deactivate. Recent advances in the field of nanotechnology has enabled the development and evaluation of nano-systems based on novel nanomaterials that offer new directions in the field of bio-analytical systems. Nanomaterials with at least one of their critical dimesions in the range of 100 nanometers, display unique physical and chamical characteristics, playing an increasingly important role in the development of biosensors. Their high surface ratio, catalytic activity and electron transfer properties make them ideal immobilization matrices, transduction platforms and mediators. (EN)

Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)



Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Χημείας--Διδακτορικές διατριβές

*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)