bioelektroda,, nejčast enzymovou elektrodu potenciometrické biosensory amperometrické biosensory konduktometrické biosensory
|
|
- Karel Toman
- před 8 lety
- Počet zobrazení:
Transkript
1 Elektrochemické převodníky elektrochemický měřící systém tvoří nejméně dvě elektrody - pracovní (měř ěřící) ) a referentní imobilizací biorekogniční vrstvy vzniká bioelektroda,, nejčast astěji se jedná o enzymovou elektrodu potenciometrické biosensory amperometrické biosensory konduktometrické biosensory Pracovní elektrody pro biosensory zahrnují velmi širokou škálu materiálů i konfigurací: : ušlechtilu lechtilé kovy (Pt( Pt,, Au), skelný uhlík, grafit a nejrůzn znější kompozitní směsi, si, vodivé polymery a organické vodivé soli. Rozsah pracovního potenciálu je třeba t volit tak, aby nedošlo k elektrochemickému mu rozkladu materiálu elektrody nebo k interferenčním m reakcím m (rozklad vody nebo jiných složek pracovního roztoku, redukce rozpuštěného kyslíku). ku). Důležitá je příprava p prava povrchu elektrody před p vlastním měřením m nebo imobilizací biomolekul.. Provádí se leštění povrchu brusnými práš ášky (diaman( diaman-tový nebo oxid hlinitý), následuje opláchnut chnutí a případnp padně ozvučen ení ultrazvukem. Někdy je třeba t od-stranit povrchové nečistoty (oxidy kovů) buď pomocí kyselin nebo anodizací. Pomocné elektrody musí být tvořeny dobrého vodiče e s dostatečnou plochou a elektrochemicky neaktivní.. Používá se platina (drátek, plíš íšku, síťka), s uhlíkov ková tyčinka, mnohdy stačí i nerezový drát. 1
2 Referentní elektrody slouží jako srovnávac vací bod k měření nebo nastavení potenciálu pracovních ch elektrod. Jejich potenciál l je přesnp esně definovaný a pokud možno časově stálý. Typ Zkratka E NHE (V) E SCE (V) Normální vodíková elektroda Pt, H 2 (1 atm) H + (a=1) NHE Kalomelové elektrody Hg Hg 2Cl 2 KCl (...) nasycená (sat.) SCE normální (1 M) NCE nasycená NaCl (sat.) SSCE Argentchloridové elektrody Ag AgCl KCl (...) nasycená (sat.) (3 M) normální (1 M) Ag AgCl LiCl (sat. v EtOH) Merkurosulfátová elektroda Hg HgSO 4 K 2O 4 (sat.) Referentní elektrody Miniaturní Ag/AgCl AgCl 2
3 Potenciometrické bioelektrody A - A - A - A - základem potenciometrie je změna potenciálu vyvolaná akumulací náboje na rozhraní elektrody s roztokem K + K + převodníkem je iontově selektivní elektroda (ISE) v kombinaci s enzymovou vrstvou. Rozsah měřm ěřitelných koncentrací je dán d ISE: 10 µm M aža 0.1 M, pro konečné biosensory typicky 0.1 aža 10 mm, odezva je logaritmická.. MěřM ěří se potenciál l pracovní elektrody proti referentní elektrodě - ta musí být kvalitní (časově stálá), přitom p v systému neteče e proud - je třeba t měřm ěřící přístroj s velkým vstupním m odporem (operační zesilovač). Potenciometrické enzymové elektrody Potenciál l ISE pro sledovaný iont (aktivita a i ) v přítomnosti p rušiv ivého iontu (aktivita a j ) E = E 0 + RT zf ln( a + k a i ij z / y j skleněná elektroda - H+ - měření ph, běžb ěžně dostupná pevné ISE (solid state) - tenká vrstva iontového vodiče: monokrystal nebo směs s krystalů,, precipitát; t; homogenní nebo heterogenní (mnohonásobn sobně levnější ší,, vlastní materiál dispergován n v inertní matrici (PVC, silikon,...) na bázi b oxidů kovů pro měřm ěření ph: M x O y + 2y(e - + H + ) xm + yh 2 O nebo dva oxidační stavy: 2MO y + 2H + +2e - (2y-1)M 2 O + H 2 O antimonová elektroda Sb/Sb 2 O 3, dále Ir/IrO IrO 2 nebo Pd/PdO PdO 2 ) 3
4 ISE ukázka ph,, NH 3 a CO 2 ISE Crytur Příklady potenciometrických enzymových elektrod ph : penicilin (penicilin( penicilinasa), acetylcholin (cholinesterasa), esteras asy, nukleové kyseliny (nukleas asy) NH 3 / NH 4+ : močovina ovina (ureas asa), a), aminokyseliny (oxidační deaminace - glutamát DH, oxidas asa L- / D-aminokyselin; α,γ- eliminace amoniaku L-methionin γ-lyáza), nitrát t a nitrit (bakterie) CO 2 : močovina ovina (ureas asa), a), aminokyseliny (lysin dekarboxylas asa, tyrosin dekarboxylas asa), laktát t (laktát monooxygenas asa - dekarboxylující oxidas I - : potenciometrická detekce peroxidu vodíku v přítomnosti p peroxidas asy F - : peroxid vodíku (peroxid( peroxidasa - oxidace fluorofenolu) CN - : amygdalin (β-glukosidasa) 4
5 Polovodičov ové sensory výhodou jsou miniaturní rozměry, ry, masová produkce a tudíž nízká cena ve srovnání s klasickými ISE. základním m konstrukčním m materiálem je křemk emík. Jeho vodivost je velmi nízkn zká, avšak ak přídavkem p vhodných stopových příměsíp lze jeho vodivost zvýšit - získá se polovodič.. Podmínkou vodivosti je možnost volného pohybu elektronů. E C 1.1 ev Energetické hladiny elektronů u čistého křemk emíku (nevodivý) E V u křemk emíku je základnz kladní valenční hladina E V plně obsazena, ale elektrony se na ní nemohou pohybovat. Na vodivostní hladině E C je místo m pro pohyb, ale nejsou zde elektrony. Kinetická energie elektronů na E V je za běžb ěžných podmínek kolem 0.04 ev, takže e nemohou přeskop eskočit na vodivostní hladinu E C Zvýšení vodivosti se dosáhne dopováním - přídavkem atomů z V. (P, As, negativní - n) nebo ze III. (B, Al,, pozitivní - p) skupiny periodické tabulky. Tak při p i n dopování se vytvoří donorová hladina elektronů E D těsně pod vodivostní hladinou, takže e přenos p elektronů z E D na E C je snadný. Opačně působí přidání atomů s volnými pozice elektronů (díry, pozitivní dopování), vytvoří se tak akceptorová hladina E A. e - e - E C E D E A Energetické hladiny elektronů po přidp idání příměsí E V U polovodičových ových materiálů se pak hladina, na které je pravděpodobnost podobnost obsazení elektrony 50%, nazývá Fermiho (E F ). Nachází se mezi E V a E C, její poloha odpovídá množstv ství dopujících ch atomů. 5
6 ISFET ion-sensitive field effect transistor R e f Membrána SiO 2 V G N- S source G gate N- D drain Křemík P- izolace - epoxypryskyřice Schéma zapojení ISFETu V D Odpor mezi S (source( source) ) a D (drain( drain) ) se změní,, když se na hradlo G (gate( gate) ) přivede p napětí (změní se elektrické pole). Povrch ISFETu mimo S a D je pokryt oxidem křemik emičitým, itým, oblast hradla G (gate)) je potažena selektivní membránou, která je v kontaktu s okolním m roztokem; ostatní části jsou izolovány epoxypryskyřic icí.. Potenciál l hradla se určuje uje vzhledem k referentní elektrodě. Jako iontově-selektivn selektivní membrány lze použít řadu materiálů. Nejběž ěžnější jsou solid-state state membrány pro sledování změn ph, materiál l Si 3 N, Al O, Ta O 2 5. Odezva těchto t ISFETů je logaritmická ( mv/ph ph), masová produkce vede k nízkn zké ceně. Polymerní membrány mohou být např. valinomycin/pvc pro stanovení draslíku. Heterogenní membrány tvoří AgCl, AgI, AgCN krystalky v PNF (polyfluorovaný( fosfazin). Při P i výrobě ISFETů se používá litografie - postupné nanáš ášení jednotlivých vrstev, vytvářen ení struktury pomocí masek. 6
7 ISFET ukázka LAPS biosensory Tento polovodičový ový převodnp evodník k je konstrukčně jednodušší než ISFETy,, navíc c je možné připojení kontaktů ze strany která není v kontaktu s roztokem. Základem je křemk emíkový čip potažený vrstvami oxidu křemičitého a nitridu křemk emíku. Navíc c je na povrchu rozdělen na několik n aktivních oblastí pomocí další vrstvy SiO 2. Celý čip mám pouze jeden kontakt. V neosvětlen tleném m stavu je sensor neaktivní.. Pokud se z druhé strany osvětl tlí (infračerven ervená LED, při p i 940 nm pronikne světlo do křemk emíku 50 nm hluboko), dojde k lokáln lní aktivaci a získz ská se signál l odpovídaj dající změnám ph v aktivované ( adresované é ) ) zóně. z Výhodou je jednoduchá možnost vícekanv cekanálového měřm ěření. 7
8 LAPS potenciostat referenční a pomocná electroda light addressable potentiometric sensor LAPS struktura Výměnný páskový sensor s biovrstvou přítlak pracovní roztok se substrátem tem LEDky pro adresování biomembrána LAPS biosensor Threshold Cytosensor křemík (P nebo N) Cytosensor microphysiometer (Molecular Devices) ) se používá pro testování toxicity nebo fyziologických účinků léčiv. Do komůrek se imobilizují buňky (bakteriáln lní nebo tkáňov ová kultura - fibroblasty, keratinocyty,, rakovinné buňky, 10 4 až 10 6 ). Při i mírnm rném m průtoku médía se část buněk zachytí na povrch a v přítomnosti p substrátu tu vyvolávaj vají určitou změnu ph, která je úměrná metabolické aktivitě; např.. respirací glukózy vzniká kyselina mléčná a oxid uhličitý. itý. Po přídavku p testované látky se pak zaznamená odezva jako časová změna dph/dt dt.. Na konci pokusu se rychlým ( průtokem buňky z komůrek vypláchnou a lze začít t další cyklus. Vhodné účinek růstových r regulátor torů, hormonů, lymfokinů,, virů nebo virostatik. 8
9 Amperometrické sensory jsou založeny na heterogenním m přenosu p elektronů mezi elektrodou a redoxním párem molekul poskytují jako signál l proud, který je úměrný koncentraci analytu.. Proud I se obvykle měřm ěří při konstantním m napětí (potenciál l E) pracovní e - elektrody velikost proudu prošlá za daný čas t v systému udává náboj Q, který odpovídá molárn rnímu množstv ství látky přemp eměněné na elektrodách: X red X ox Q = I t = n F m / M r F = C/mol značí Faradayovu konstantu k elektrochemické oxidaci látek l dochází na anodě (I > 0), redukční děje (I < 0) probíhaj hají na katodě. směr r proudu je totožný se směrem toku pozitivních ekvivalentů (náboj bojů) Amperometrické měření je možné provádět t v dvou- nebo tříelektrodovt elektrodovém m uspořádání; pro první systém m se napětí na pracovní elektrodě W (working( working) ) nastavuje proti pomocné elektrodě A (auxiliary( auxiliary,, resp. counter) v tříelektrodovt elektrodovém m uspořádání se navíc c použije referenční elektroda R, vůči i které se nastavuje potenciál l pracovní 2-E E 3-E3 A - + V A Ref - + V Aux Work 9
10 Potenciostat je zařízen zení,, které udržuje uje konstantní potenciál l pracovní elektrody vůčv ůči referentní nezávisle na procházej zejícím m proudu rozsah - R M _ + I _ + _ + U out = R M I U in _ + Příklad konstrukce potenciostatu zpracování měřených signálů lze provádět t pomocí zapisovače, nebo lépe l použit itím m počíta tače e vybaveného analogově-digit digitálním m převodnp evodníkem (A/D); pomocí digitáln lně-analogového převodnp evodníku (D/A) lze řídit pracovní napětí. Potenciostat moderní digitáln lní konstrukce - analogový obvod řízený A/D (sběr r dat) a D/A (nastavení excitačního potenciálu) převodníky W R A POTENCIOSTAT D/A A/D POČÍTAČ Měřící uspořádání obr. - mikroprocesorem řízený osmikanálový potenciostat, výstup dat na externí počíta tač přes RS232 rozhraní 10
11 E Měřící techniky dle Amperometrie chronoamp. pulsní čas Voltametrie lineární cyklická normální square diferenciální pulsní wave pulsní Technikyzaloženéna měření proudu dle časového průběhu potenciálu na pracovní elektrodě nejjednodušší je amperometrie chronoamperometrie umožň žňuje získat z informace o přechodných elektrodových jevech po skokové změně potenciálu pulsní amperometrie zvyšuje podíl l signálu vůčv ůči šumu lineárn rní a zejména cyklická voltametrie mají důležitou úlohu při p i vývoji amperometrických biosensorů pulsní voltametrické techniky již vyžaduj adují poměrn rně drahé přístrojové vybavení,, i když potřebn ebné pulsy lze relativně snadno generovat pomocí počíta tače e s D/A převodnp evodníkem. Elektrochemické měřící zařízen zení laboratorní verze enzymová elektroda v míchanm chané nádobce potenciostat s LCD a zapisovačem jednoúčelový elový systém v biochemickém praktiku 11
12 Analyzátory Metrohm Polarecord EGG PAR 173 EGG PAR 263 Autolab Amperometrické detektory ABD (Universal( Sensors) ADLC2 (Lab( Lab.. Přístroje) P 12
13 Ruční systémy PalmSens Univ.. Florence MEB (MU) istat Kapesní systémy spolehlivost a robustnost velmi jednoduché ovládání 13
14 Konektory opravdu různorodr znorodé Měření kyslíku ku a H 2 O 2 Clarkův sensor Au (Pt) elektroda Velkou výhodou tohoto sensoru je zatavená ve skle prakticky absolutní specifita pouze ke kyslíku ku - rušiv ivé látky nemohou projít Ag/AgCl elektroda předřazenou membránou. Konstrukce elektrody pro stanovení elektrolyt peroxidu vodíku je podobná kyslíkov kové s tím m rozdílem, že e není použita membrána plynopropustná membána na a používá propustná pro O 2 se pozitivní polarizace, při i které nastává anodická oxidace e peroxidu Elektrodová redukce kyslíku ku (-750( mv) je čtyřelektronový proces: O H 2 O + 2 e - H 2 O e - 2 OH - Elektrodová oxidace peroxidu vodíku (>( 600 mv): m H 2 O OH - 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O e H + 14
15 Kyslíkov ková elektroda Enzymové elektrody s oxidasami tyto enzymy oxidují molekulu substrátu tu (analytu( analytu) ) za účasti kyslíku, ku, přitom p vzniká buď peroxid vodíku nebo voda: substrát t + O 2 produkt + H 2 O 2 substrát t + O 2 produkt + H 2 O detekce peroxidu je obecně citlivější (nulová výchozí hladina) Proud 0 O 2 analyt H 2 O 2 č as Rozsahy detektoru oxidace peroxidu vodíku je spojená s nebezpečím m interference ze strany jiných oxidabilních látek, l např.. v séru s mohou vadit kyseliny askorbová a močov ová či paracetamol specifita se dád zlepšit předp edřazením kontrolní membrány, která omezí přístup interferujících ch látekl 15
16 Přehled oxidas Substrát oxidasy Zkratka EC číslo koenzym H 2 O 2 Alkohol AOD FAD ano L-Aminokyseliny FAD ano D-Aminokyseliny FAD ano Askorbát Cu ne Bilirubin BRO ne Diaminy DAO Cu ano Fenol (Tyrosinasa) Cu ne Galaktosa Cu ano Glukosa GOD FAD ano L-Glutamát FAD ano Cholin FAD ano Cholesterol COD FAD ano p-difenoly (Lakasa) Cu ne L-Laktát LOD FAD ano L-Laktát (dekarb.) LMO FMN ne L-Lyzin ano Monoaminy MAO FAD ano NADH ano Oxalát Fp ano Pyruvát FAD ano Sulfit Mo ano Urát(Urikasa) Cu ano Xanthin XOD Mo ano Enzymové elektrody s dehydrogenasami největší skupinou oxidoreduktas jsou dehydrogenasy (existuje přes p 250 NAD + a 150 NADP + dependentních enzymů), analyticky významné druhy jsou shrnuty v tabulce katalyzující redoxní reakce s účastí NAD(P) + / NAD(P)H: Přehled dehydrogenas Substrát Zkratka EC číslo Alkohol ADH Hydroxybutyrát 3-HBDH Aldehyd AlDH Hydroxysteroid 3-HSDH Alanin Ala-DH Isocitrát ICDH Formiát FDH Inositol IDH Galaktosa Gal-DH L-Laktát L-LDH Glycerol Gly-DH D-Laktát D-LDH Glukosa GDH L-Leucin L-LeDH Glukosa-6-fosfát G6P-DH L-Malát L-MDH Glutamát GlDH Sorbitol SDH
17 Detekce NAD(P)H elektrochemick N PMS Fenazin methosulfát N + CH CH 3 OSO 3 3 R: methyl Meldola Blue N H 2 N O N + R 2 R: ethyl Nile Blue H 3 C N XHN S N + Me 2 X: H Toluidine Blue O X: naphthoyl Naphthoyltoluidine Blue O M ox + NADH CT M red + NAD + M red M ox + 2 e - + n + CT elektrochemická detekce NADH je možná amperometrickou reoxidací vznikajícího NADH (E -560 mv/sce); přímá oxidace vyžaduje vysoký potenciál l (přes 1 V na uhlíku), nastává dimerizace a adsorpce produktů na povrch elektrody reoxidace se můžm ůže e provést lépe l prostřednictv ednictvím m modifikujících ch látek l (E -200 aža -50 mv) ) vázaných v na povrchu elektrody nejčast astěji se používaj vají fenaziny, fenoxaziny a fenothiaziny,, oxidace nastává již kolem 0 V/SCE lze užít u t také hexakyanoželezitan elezitan nebo TTF.TCNQ průběh h reakce je homogenní - vzniká charge transfer komplex CT, po rozpadu je pak reoxidován mediátor tor, přitom E > E E lze pracovat při p i nižší ším m potenciálu Přenos elektronů z biomolekul substrát produkt E ox e - E red Přímý přenos p elektronů pro konstrukci biosensorů je tento proces atraktivní - zjednodušil by konstrukci; bohužel, přímý p přenos elektronů z biomolekul na a elektrody byl pozorován u malých redoxních bílkovin (cytochromy c a b, azurin, ferredoxin) ) a některých enzymů (lakáza, peroxidáza za). Přímý reversibilní přenos elektronů z biomolekuly (bílkovina, nukleová kyselina) je obvykle ztížen řadou faktorů.. V bílkovinb lkovinách se sice vyskytuje celá řada redoxně aktivních skupin (disulfidické můstky, Fe-S skupiny, flaviny, hem, řada iontů kovů), ale nachází se obvykle uvnitř molekuly. Kontakt redoxní skupiny s povrchem elektrody je možný pouze pro určitým způsobem orientované molekuly, coý výrazně snižuje proudové odezvy. Velikost molekuly zase vede k velmi pomalé difúzi. Navíc c se biomolekuly často adsorbují pevně na povrch elektrod a dochází tím m současn asně k jejich denaturaci. 17
18 Přenos elektronů z biomolekul substrát produkt E ox E red M red e - M ox Požadavky na mediátor pro usnadnění výměny elektronů mezi enzymy a elektrodou se používaj vají nízkomolekulární redoxní látky mediátory použití mediátor torů urychluje a obvykle vůbec v umožň žňuje výměnu elektronů mezi aktivním m centrem enzymu a elektrodou. reaguje s biokomponentou a elektrodou dostatečně rychlý přenos p elektronů (měla by být známa stechiometrie a počet přenp enášených elektronů) stabilní formy (redukovaná i oxidovaná) ) za podmínek použit ití neúčastn astní se postranních reakcí (např.. s kyslíkem) kem) vhodný redoxní potenciál l (větší rozdíl l redoxních potenciálů E mezi enzymem a mediátorem sice zvětší užitečný proud, současn asně však naroste také šum, nebezpečí interferencí a doba ustalování pozadí) bez vlivu ph na průběh h redoxní reakce netoxický (např.. pro aplikace in vivo) vhodný k imobilisaci (nerozpustný či i snadno adsorbovatelný) Mediátory Název E (V) tris-(2,2 -bipyridyl)ruthenium(iii) tris-(2,2 -bipyridyl)osmium(iii) ferrocen-1,1 -dikarboxylová kyselina ferrocenylmethyltrimethylamonium ,1 -bis(hydroxymethylferrocen] ferrokyanid K 4 [Fe(CN) 6 ] hydroxyethylferrocen N,N -dimethyl-p-fenylendiamin ferrocenoctová kyselina p-benzochinon N,N,N,N -tetramethyl-p-fenylendiamin ,6-dichlorfenolindofenol (DCIP) ,2-naftochinon fenazin methosulfát (PMS) methylenová modř tetramethyl-p-benzochinon (durochinon) hydroxy-1,4-naftochinon fenosafranin NC NC Fe ferrocen Fc S S S S tetrathiafulvalen TTF C N C N tetrakyanochinodimethan TCNQ 18
19 Použit ití mediátor torů přímý přenos p v roztoku v micelách ch v elektrodě kovalentně na elektrodě 3D-polymern polymerní mediátor navázaný na enzym Biosensor pro glukosu Enzymová elektroda na jedno použití Měřící jednotka 19
20 Konduktometrie čas ω θ V m I m střídav davé napětí (sinusoidální vlnění) ) se přivp ivádí na dvouelektrodový systém neuplatní se faradaické procesy, konc.. polarizace, nabíjen jení dvoj-vrstvy vrstvy mimo velikosti napětí Vm (běž ěžně kolem 100 mv) ) lze měnit i frekvenci f (ω=2( =2πf "spektroskopie") studuje se odezva systému (elektrody a prostřed edí mezi nimi), měřm ěří se proud i a jeho fázový posun θ. Impedance Impedance Z je vektorová veličina ina charakterisující chování systému v přítomnosti střídav davého napětí.. Jako komplexní veličina ina mám velikost Z a úhel θ,, nebo složky reálnou R (resistance) a imaginárn rní X (reaktance). Platí pro ni následujn sledující vztahy: Z = R + jx tgθ = X/R Z = (R 2 +X 2 ) 1/2 Z = V m /i m Konduktometrické biosensory sledování změn n vodivosti při p i biochemických reakcích ch vyžaduje produkci či i spotřebu iontů nebo změny velikosti nabitých částic. Produkce iontů je spojena s účinkem hydrolas a amidas,, změna velikosti nabitých částic probíhá u reakcí fosfatas, sulfatas či nukleas. Velmi pohodlně tak lze např.. provádět t stanovení neutráln lních lipidů,, které po naštěpen pení lipas asou poskytují ionty. Klasickým příkladem p je však v reakce ureas asy y při p stanovení močoviny: oviny: NH 2 CONH H 2 O 2 NH HCO OH - problémem je vlastní vodivost pracovního prostřed edí (použit ití málo vodivých pufrů - organické,, např. imidazol); také změnu vodivosti vyvolanou samotným přídavkem p vzorku je třeba t odlišit, it, je žádoucí zanedbat změny vodivosti v celém m roztoku a sledovat předevp edevším m těsnt sné okolí elektrod s imobilisovanými enzymy (vlastní signál l v důsledkud bioreakce), proto se výhodně používá diferenční uspořádání. 20
21 Konduktometrické převodníky kontakty izolace enzymová referentní vrstva detail elektrod interdigitated array ukázka dvojitého konduktometrického převodníku (sítotiskov totisková technologie, rozměry ry 7 x 25 mm) Optické převodníky zdroje světla: lasery světloemituj tloemitující diody (LED) výbojky (pro UV oblast - Xe) lampy (halogenové, deuteriové) detektory pro měřm ěření intenzity světla: fotonásobi sobiče - jsou nejcitivější ší,, nevýhodou je potřeba vysokého napětí fotodiody avalanche - o něco n méněm citlivé,, většív šum obyčejn ejné fotodiody (1000x méněm než fotonásobi sobiče), vykazují větší šum (malý vnitřní odpor), velmi levné,, mechanicky stabilní a vhodné zejména pro přenosnp enosná zařízen zení fotodiodová pole - DAD diode array detector - lineárn rní řada fotodiod vedle sebe ( ), profil intenzity v závislosti z na úhlu dopadu (spektrum) CCD prvky (videokamery) - plošný profil intenzity, image techniky 21
22 Princip laseru Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ('zesilování světla pomocí stimulované emise zářenz ení') světlo ve formě úzkého svazku, je polarizované, koherentní a monochromatické složky: aktivní prostředn ední,, rezonátore, zdroj energie funkce: zdrojem energie je do aktivního média m pumpována energie, vybudí elektrony, ty při p i pádu p na nižší energetickou He-Ne hladinu vyzáří fotony. Fotony následnn sledně vrážej ejí do další ších elektronů,, zase je vybudí laser = zesilování toku fotonů,, jestliže e tok dopadne na zrcadlo s odrazivostí 100% je zpátky odražen do zesilovacího ho procesu, nebo narazí na polopropustné zrcadlo, které paprsek propustí aktivní prostřed edí - oddělen lené kvantové energetické hladiny elektronů plyn nebo směs s plynů (plynové lasery) monokrystal - hladiny vznikají dopováním m (pevnol( pevnolátkové) polovodič s p-n p n přechodem p (diodových laserů) polovodičov ové multivrstvy jsou základem z kvantových kaskádn dních laserů přechod elektronů z vyšší ššího do nižší šího stavu při p i současn asném m vyzářen ení fotonu: spontánn nní emise (při i nízkn zkém m stupni obsazení vyšší hladiny) stimulovaná emise (generace laserového zářenz ení) - je třeba t čerpáním m dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více v elektrony než nižší ší Lasery 22
23 Fotonásobi sobič PMT, Photo Multiplier Tube citlivá el. součástka stka k registraci slabého zářenz ení princip: záření dopadající na fotokatodu z nín uvolní několik primárn rních elektronů v el. poli jsou tyto elektrony urychlovány k další ším m elektrodám m (dynodám), na každé z nich uvolní další sekundárn rní elektrony vzniká stále silnější proud elektronů,, který vyvolá v měřm ěřicích ch obvodech fotonásobi sobiče elektrický impulz kanálov lová konstrukce Další fotodetektory Fotorezistor princip - vnitřní fotoelektrický jev, nelineárn rní,, pomalý (závis visí na osvětlen tlení), snižuje odpor s rostoucím m ozářen ením monokrystal polovodiče e nebo polykrystalická tenká vrstva (CdS( CdS) ) nanesená na nosné destičce, dva kontakty, hermetické pouzdro zaručuj ujícím m přístup p záření Fotodioda PN a PIN, foton vstupující do polovodiče e s dostatečnou energií může e být absorpován,, přičemp emž vzniklý volný elektron a díra d vytváří v polovodiči napětí (fotovoltaický jev) nebo zvětšuj ují jeho vodivost (fotovodivostn( fotovodivostní jev) lavinové (avalanche)) PIN fotodiody - vykazují vlastní zesílen lení.. Toto zesílen lení fotoproudu je způsobeno přilop iložením m napětí,, které urychluje dopadajícími fotony vzniklé nosiče e náboje n natolik, že e při p i srážce s mřížkou m krystalu polovodiče e dojde k vyražen ení další ších (sekundárn rních) elektronů Fototranzistor místo báze b dopadá světlo, zesílen lení 10 aža 100x 23
24 CCD detektor AvaSpec Focussing mirror Collimating mirror Grating Slit, mode stripper Detector SMA connector Porovnání detekčních elementů Detector TAOS 102 HAM256 HAM1024 SONY2048 Type Photo diode array CMOS linear array CMOS linear array CCD linear array # Pixels, pitch 102, 85 µm 256, 25 µm 1024, 25 µm 2048, 14 µm pixel width/height Sensitivity (HL2000, 8 µm fiber) 77 x 85 µm 25 x 500 µm 25 x 500 µm 14 x 56 µm ms int. time (AvaSpec-102) ms int. time ms int. time ms int. time Peak wavelength 750 nm 500 nm 500 nm 500 nm Signal/Noise 1000: : : :1 Dark noise Ca. 11 counts Ca. 22 counts Wavelength range nm nm nm 200*-1100 nm Frequency 2 MHz 330 khz 330 khz 2 MHz 24
25 Optické převodníky pomocné prvky zrcadla (normáln lní,, polopropustná), hranoly mřížky, filtry štěrbiny, závěrkyz polarizátory, depolarizátory lampy (halogenové, deuteriové) světlovodn tlovodné prvky planárn rní (vrstvy) cylindrické (optická vlákna) přesná výroba, nákladné Optická vlákna kritická mez šířen ení paprsku ve světlovodu jádro (core) - index lomu n 1 pláš ášť (cladding) - n 2, n 2 <n 1 mechanický ý obal úhel dopadu většív než kritická mez - paprsek se šíří úhel dopadu menší než kritická mez - paprsek se tlumí numerická apertura - úhel dopadu menší než kritická mez 25
26 Měřící konfigurace nejběž ěžněji se optická vlákna v oblasti biosensorů používaj vají pro přímép ozařov ování vzorků (extrinsic sensing), interakce se tedy uskutečň čňují na konci vlákna: S D dual fibre D beam splitter vzorek S S bifurcated D M vlákna Fotometrie optická kyveta intenzita I 0 c I I = I 0 exp( εcl) D detektor ln( I 0 / I )= A = εcl tloušťka l Lambert-Beerův zákon pokles intenzity (absorbce( absorbce) ) světeln telného paprsku po průchodu kyvetou s barevnou látkou l je úměrný koncentraci stanovované látky v praxi se používá absorbance A,, která je přímo p úměrná koncentraci c (extinkční koeficient ε při i dané vlnové délce je konstantou úměrnosti) a velikosti l kyvety absorbance je bezrozměrn rná veličina ina (rozptyl světla se obvykle zanedbává ) 26
27 Fluorescence I f = kφεcl intenzita I 0 fluorescence (kolmo na excitační paprsek) zdroj světla D detektor I 0 >> I f je využívána velmi často z důvodu vysoké citlivosti absorbcí energie přechp echází molekula do excitovaného stavu, návrat n do základnz kladního stavu je provázen emisí záření fluorescence intenzita fluorescence I f závisí na absorbanci a kvantovém m výtěž ěžku Φ emisní spektrum látky l je oproti excitačnímu posunuto k vyšší šším vlnovým délkd lkám m (Stokes( Stokesův posuv) pro budící záření se často používá světlo laseru, je také výhodné používat polarizované záření c I f Měřící konfigurace při tzv. intrinsic sensing optický vodič neslouží jen pasivně pro vedení světla, ale chemické změny v těsnt sném m okolí světlovodu se sledují na základz kladě vyvolaných změněných ných podmínek pro vedení uvnitř světlovodu tlovodu Při i vedení světla uvnitř světlovodu dochází k interferenci mezi dopadajícím m a odraženým světelným paprskem a tím t vzniká elektromagnetické stojaté vlnění kolmé k odrážej ejícímu povrchu (tlumen( tlumená vlna, evanescent wave) V tenkém m světlovodu připadp ipadá na jednotku délky d mnohem více v odrazů. Světlo se začíná šířit pouze v určitých diskrétn tních modech, daných pouze určitými úhly dopadu. Mody lze určit na základz kladě průměru ru světlovodu, indexů lomu a vlnové délky světla. Za těchto t podmínek se mimo jiné zachovává fázová koherence laserového paprsku. 27
28 Exponenciáln lní vlna z E mod: elektromagnetická vlna se šíří do okolí mimo světlovod tlovod,, přitom p její intenzita klesá exponenciáln lně se vzdálenost leností od rozhraní ( exponenciální vlna ) na vnější ším m povrchu světlovodu může e docházet k interakcím m s přítomnými p látkamil energetické profily exponenciáln lní vlny jsou pro tři t i základnz kladní mody ukázány na obrázku pro vyšší mody narůst stá podíl vnější energie a zvětšuje se penetrační hloubka. Enzymové optody Přímé typy - opticky měřm ěřená látka (nejčast astěji fluorofor) ) se přímo p vyskytuje v biokatalytické reakci. NADH - poměrn rně slabý fluofor (Φ f = 0.02), extinkční a emisní maxima jsou při i 350 a 450 nm. Biorekogničním elementem jsou dehydrogenasy imobilisované před koncem optického vlákna. Aby se i koenzym dal zachytit v systému biosensoru,, používá se jeho konjugát s polyethylenglykolem,, který neprochází dialysační membránou. Výhodná je konstrukce sensoru pro alkohol, kde je vzorek oddělen mikroporézn zní teflonovou membránou, NADH se nachází ve vnitřním m roztoku sensoru. Existuje řada pokusů využít t fluorescenci flavinových koenzymů (FADH 2, FMNH 2 ) vázaných v pevně v molekule mnoha oxidas.. Při P i vyšší koncentraci substrátu tu se zpomaluje zpětn tná oxidace redukované formy kyslíkem kem a intensita vnitřní (intrinsic)) fluorescence redukovaného koenzymu narůst stá.. Výhodou je reversibilita takového systém U sensorů využívaj vajících ch celé buňky se sleduje vnitřní fluorescence NADH (je úměrná metabolické aktivitě). Chlorofylové optické sensory se konstruují pro detekci toxicity působenp sobené látkami inhibujícími fotosystém u rostlin. 28
29 Enzymové optody Nepřímé ( mediované, extrinsic) ) optické biosensory využívaji vaji optické indikátory. Nejčast astější jsou optické sensory pro měřm ěření kyslíku ku a ph. sledování kyslíku ku využívá zháš ášení fluorescence indikační molekuly, pokles intensity fluorescence je dán d n Stern-Volmerovým vztahem: I f = I f 0 /(1 + K SV [ O 2]) Indikátor se obvykle nachází v silikonové vrstvě před čelem optického vlákna. Nejčast astěji se používá kyselina pyrenmáseln selná (pyrenebutyric acid,, PBA), excitace při p i 350 aža 400 nm; další možnosti nosti jsou perylen a dekacyklen, organokovové komplexy ruthenia lze výhodně excitovat při p i 460 nm,, takže e jako zdroj může m e sloužit modrá LED. (CH 2 ) 3 COOH ph změny lze sledovat pomocí acidobasických indikátor torů.. Z fluorescenčních ch lze použít t např. 1-hydroxypyren-3,6,8-trisulfonovou kyselinu (HPTS, ph přechod p 5 aža 8) nebo 4-methyl4 methyl- umbelliferon. Absobčních indikátor torů je celá PBA řada, kresolová zeleň a bromthymolová modř. Luminiscence k A 1 2 B * k X + hν aktivace rozpad je to emise světla z molekuly v excitovaném m stavu, který vznikl jako důsledek d chemických reakcí kvantový výtěž ěžek luminiscence odpovídá podílu počtu vyzářených fotonů a excitovaných molekul,, u přírodních systémů může e dosahovat aža 90% intenzita I vyzařovan ovaného světla je závislz vislá na čase, v určit itém okamžiku prochází maximem (t( max ) k2 ln k1k k 2 1 I [ A0] [exp( k1t) exp( k2t) tmax = k k k k vztah mezi luminiscencí a látkovým l množstv stvím analytu se určí kalibrací 29
30 Chemiluminiscence účinnost luminiscence závisz visí na chemickém m výtěž ěžku reakce poskytující aktivovaný meziprodukt (B*), podílu excitovaných molekul a konečně na fluorescenčním výtěž ěžku (ten by se měl m l blížit 1) aktivovaný meziprodukt je výhodnější v singletovém stavu; delší životnost tripletového stavu zvyšuje pravděpodobnost podobnost zhasnutí ve vedlejší reakci. pro citlivou detekci peroxidu vodíku se používá luminol (5-amino amino-2,3- dihydroftalazin-1,4 1,4-dion); intensita světla je úměrná koncentraci H 2 O 2, jako katalyzátor tor se můžm ůže e uplatnit ferrikyanid, hemin nebo v neutráln lním m prostřed edí peroxidasa,, v nevodném prostřed edí vyvolá luminiscenci jen kyslík k a bázeb celkový výtěž ěžek je pouze 0.01 (špatn( patná fluorescence) O N H N H +H 2 O 2 +OH - katalyzátor COO * - N 2 hν + 3-aminoftalát C O O - -N 2 N H 2 O N H 2 Bioluminiscence emise světla při p i (bio)chemické reakci v živém m organismu (cca 1000 druhů) ) se účastní enzymy luciferasy; ; tyto enzymy štěpí substrát t luciferin (různ zné druhy dle organismu), přičemp emž dochází k emisi světla světlu tluška (firefly, Photinus pyralis) Luciferin COOH luciferasa (EC ) oxiduje N N příslušný luciferin za účasti ATP, H emise při p i 560 nm,, výtěž ěžek asi 0.88!: HO S S ATP + luciferin + O 2 AMP + PP + oxyluciferin + CO 2 + hν mořsk ské bakterie (Vibrio fischeri, V. harveyi, Photobact. phosphoreum) luciferasa (EC ) aža 5% obsahu buňky, oxiduje aldehydy (>C( 8, dekanal, tetradekanal); v buňce obsahují i NAD(P)H:FMN oxidoreduktasu: NAD(P)H + FMN + H + NADH oxidoreduktasa NAD(P) + + FMNH 2 Luciferasa FMNH 2 + R-CHO + O 2 FMN + R-COOH + H 2 O + hν což umožň žňuje napojení na dehydrogenasy - spolu s bakt. luciferasou jsou imobilisovány na konec optického vlákn 30
31 Aplikace bioluminiscence citlivá detekce ATP M, stanovení biomasy stanovení s účastí ATP (kreatin kinasa, ATPasa, pyruvát kinasa,...) specifická detekce druhu mikroorganismů pomocí bakteriofágů nesoucích ch lux gen (z Vibria, u světlu tlušek luc geny) citlivá detekce těžt ěžkých kovů (rtuť,, arsen): genový konjugát mer- lux (mer je promotor aktivovaný Hg) ) je vpraven do plasmidů v E. coli,, v přítomnosti p rtuti se aktivuje, proběhne exprese luciferasy a následuje luminiscence, citlivost 200 nm rtuti stanovení Ca 2+ - působí rozpad a luminiscenci fotoproteinu (peroxoforma luciferinu vázánáv v komplexu s luciferasou, Aequorea) Zhodnocení optod Výhody: není třeba referentní prvek imobilizovaná fáze nemusí být ve fyzikáln lním m kontaktu s optickým systémem (snadná výměna biovrstvy) stabilní kalibrace (zvláš áště při i použit ití dvou vlnových délek) d současn asně mohou reagovat na několik n analytů (různ zné reagenty,, různr zné vlnové délky) - vysoká hus-tota přenosu informací nemají vliv interference elektromagnetické povahy (lze provádět t měřm ěření na velké vzdálenosti) při i použit ití v živém m organismu nehrozí elektrický šok (při i zkratu) Nevýhody: není reference při p i měřm ěření intenzity světla (svítivost zdroje kolísá), proto je třeba kalibrace ve dvou bodech dynamický rozsah je omezený (pro ph 2 aža 6 řádů,, elektrochemicky 12!) odezvy jsou často pomalé dlouhodobá stabilita je limitována vyčerp erpáním m indikátoru (fotorozklad( fotorozklad, raději "svítit" méněm intenzivně) vadí světlo z okolí 31
32 Kalorimetrické biosensory využívaj vají změny teploty v průběhu enzymových reakcí (někter které typické příklady jsou uvedeny v tabulce). Při P i konstrukci biosensorů to je spíš íše okrajová záležitost, ale existují některé analyty,, pro které mohou být kalorimetrické převodníky zvláš áště výhodné.. Meze detekce bývají do 10 µm, rozlišen ení C; vývoj tepla při p i biochemických reakcích ch ( kj( kj/mol): Katalasa GOD Hexokinasa Laktát t DH Ureasa Urikasa H 2 O 2 glukosa glukosa pyruvát močovina ovina kys.. močov ová pokud vlastní reakce s analytem neuvolňuje uje teplo, lze zařadit adit následný n krok uvolňuj ující teplo: oxidasa H 2 O 2 kataláza hydrolasy anion + H + hydratace na H 3 O + hydratační teplo protonu činí v Tris pufru H = 48 kj/mol, ve fosfátu je H = 4.7 kj/mol recyklační pochody umožň žňují produkci tepla několikann kolikanásobně zvýšit převodn Termistor Enzymový reaktor s termistorem evodníkem je obvykle termistor, jeho odpor R závisz visí na teplotě T: 1/T = a + b ln R + c (ln( R) 2 často se pracuje v průto točném m sytému s enzymovým reaktorem tepelně izolovaným od okolí použit ití diferenciáln lního uspořádání umožň žňuje pracovat při p i teplotě místnosti měření odporu termistoru se provádí pomocí Wheatstoneova můstku jiný převodnp evodník k můžm ůže e být termočlánek (CMOS) Výhodou je, že e nevadí částice ve vzorku, interferující látky nebo zbarvení. Někdy také jiné metody mohou být dost těžt ěžkopádné,, např.. stanovení triglyceridů lipázou se sleduje kalorimetricky velmi výhodně 32
ení s chemickými látkami. l rní optiky
OPTICKÉ SENSORY Základem je interakce světeln telného zářenz ení s chemickými látkami. l Při i konstrukci katalytických biosensorů se používaj vají: optické techniky: absorbance fluorescence luminiscence
ELEKTROCHEMICKÉ PŘEVODNÍKY
ELEKTROCHEMICKÉ PŘEVODNÍKY nejčastěji konstruované biosensory jednoduchá konstrukce nízké náklady výborná citlivost Pro sestavení měřícího systému je třeba nejméně 2 elektrody: referentní (srovnávací)
substráty, ty, koenzymy, enzym,
Enzymová stanovení kompletní konverze analytu na měřm ěřitelné produkty (barevné,, fluoreskující, ) - "end- point" " stanovení kinetická stanovení - rychlost enzymové reakce limituje analyt (funguje např..
Chemické senzory Principy senzorů Elektrochemické senzory Gravimetrické senzory Teplotní senzory Optické senzory Fluorescenční senzory Gravimetrické chemické senzory senzory - ovlivňov ování tuhosti pevného
ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ
ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ (c) -2008, ACH/IM BLOKOVÉ SCHÉMA: (a) emisní metody (b) absorpční metody (c) luminiscenční metody U (b) monochromátor často umístěn před kyvetou se vzorkem. Části
Elektrochemické metody
Elektrochemické metody Konduktometrie Coulometrie Potenciometrie, Iontově selektivní elektrody (ISE) Voltametrie (Ampérometrie, Polarografie) Biosenzory Petr Breinek Elektrochemie_N2012 Elektrochemie Elektrochemie
Konduktometrie. Potenciometrie, Iontově selektivní elektrody (ISE) Voltametrie (Ampérometrie, Polarografie)
Elektrochemické metody Konduktometrie Coulometrie Potenciometrie, Iontově selektivní elektrody (ISE) Voltametrie (Ampérometrie, Polarografie) Biosenzory Petr Breinek Elektrochemie-I 2012 Elektrochemie
Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Optoelektronika elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD Elektro-optické převodníky žárovka - nejzákladnější EO převodník nevhodné pro optiku široké spektrum vlnových délek vhodnost pro EO
Fluorescence (luminiscence)
Fluorescence (luminiscence) Patří mezi luminiscenční metody fotoluminiscence. Luminiscence efekt, kdy excitované molekuly či atomy vyzařují světlo při přechodu z excitovaného do základního stavu. Podle
Zdroje optického záření
Metody optické spektroskopie v biofyzice Zdroje optického záření / 1 Zdroje optického záření tepelné výbojky polovodičové lasery synchrotronové záření Obvykle se charakterizují zářivostí (zářivý výkon
12. Elektrochemie základní pojmy
Důležité veličiny Elektroda, článek Potenciometrie Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Důležité veličiny proud I (ampér - A) náboj Q (coulomb - C) Q t 0 I dt napětí, potenciál
ZÁKLADY OBECNÉ A KLINICKÉ BIOCHEMIE
ZÁKLADY OBECNÉ A KLINICKÉ BIOCHEMIE 2004 Technologie kvantitativních metod Petr Štern kapitola ve skriptech - 4.2.2 Optické zdroje U V V I S I R Spektrální distribuční křivky W žárovky b.t. W ~ 3600 C
Biosenzory Ondřej Wiewiorka
Elektrochemické analytické metody Základy elektrochemie Potenciometrie Voltametrie a Polarografie Amperometrie Coulometrie Konduktometrie Biosenzory Ondřej Wiewiorka Co je to elektroanalýza? Elektrochemie
2.3 Elektrický proud v polovodičích
2.3 Elektrický proud v polovodičích ( 6 10 8 10 ) Ωm látky rozdělujeme na vodiče polovodiče izolanty ρ ρ ( 10 4 10 8 ) Ωm odpor s rostoucí teplotou roste odpor nezávisí na osvětlení nebo ozáření odpor
DETEKTORY pro kapalinovou chromatografii. Izolační a separační metody, 2018
DETEKTORY pro kapalinovou chromatografii Izolační a separační metody, 2018 Detektory v kapalinové chromatografii Typ detektoru Zkratka Měřená veličina Refraktometrický detektor RID index lomu Spektrofotometrický
Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec
Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace RNDr. Věra V Vodičkov ková,, PhD. Katedra materiálů TU Liberec Obecné schéma metody Dopad rtg záření emitovaného ze zdroje na vzorek průnik fotonů několik µm
Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti
Spektroskopické metody převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti Elektromagnetické záření Elektromagnetické záření je postupné vlnění elektromagnetického pole složeného z kombinace
2. Zdroje a detektory světla
2. Zdroje a detektory světla transmitance (%) Spektrální rozsah Krátkovlné limity: Absorpce vzduchu (O 2,N 2,vodní pára) - 190 nm Propustnost optiky Spektrální rozsah zdroje vlnová délka (nm) http://www.hellma-analytics.com/text/283/en/material-and-technical-information.html
Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS
Molekulová spektroskopie 1 Chemická vazba, UV/VIS 1 Chemická vazba Silová interakce mezi dvěma atomy. Chemické vazby jsou soudržné síly působící mezi jednotlivými atomy nebo ionty v molekulách. Chemická
U = E a - E k + IR Znamená to, že vložené napětí je vyrovnáváno
Voltametrie a polarografie Princip. Do roztoku vzorku (elektrolytu) jsou ponořeny dvě elektrody (na rozdíl od potenciometrie prochází obvodem el. proud) - je vytvořen elektrochemický článek. Na elektrody
- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence
ROZPTYLOVÉ a EMISNÍ metody - Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl - fluorescence - fosforescence Ramanova spektroskopie Každá čára Ramanova spektra je svými vlastnostmi závislá
Fotoelektrické snímače
Fotoelektrické snímače Úloha je zaměřena na měření světelných charakteristik fotoelektrických prvků (součástek). Pro měření se využívají fotorezistor, fototranzistor a fotodioda. Zadání 1. Seznamte se
PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.
PSK1-14 Název školy: Autor: Anotace: Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka Optické zdroje a detektory Vzdělávací oblast: Informační a komunikační technologie Předmět:
Měřicí řetězec. měřicí zesilovač. převod na napětí a přizpůsobení rozsahu převodníku
Měřicí řetězec fyzikální veličina snímač měřicí zesilovač A/D převodník počítač převod fyz. veličiny na elektrickou (odpor, proud, napětí, kmitočet...) převod na napětí a přizpůsobení rozsahu převodníku
MEMBRÁNY AMPEROMETRICKÝCH SENSORŮ
MEMBRÁNY AMPEROMETRICKÝCH SENSORŮ Literatura: Petr Skládal: Biosensory (elektronická verze) Zajoncová L. Pospíšková K.(2009) Membrány Amperometrických biosensorů. Chem. Listy Belluzo 2008 upravila Pospošková
Potenciometrie. Obr.1 Schema základního uspořádání elektrochemické cely pro potenciometrická měření
Potenciometrie 1.Definice Rovnovážná potenciometrie je analytickou metodou, při níž se analyt stanovuje ze změřeného napětí elektrochemického článku, tvořeného indikační elektrodou ponořenou do analyzovaného
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Ústav elektrotechniky a měření Optoelektronika Přednáška č. 8 Milan Adámek adamek@ft.utb.cz U5 A711 +420576035251 Optoelektronika 1 Optoelektronika zabývá se přeměnou elektrické
Využití enzymů pro analytické a výzkumné účely
Využití enzymů pro analytické a výzkumné účely Enzymy jako analytická činidla Stanovení enzymových aktivit Diagnostika (klinická biochemie) Indikátory technologických a jakostních změn v potravinářství
Na www.studijni-svet.cz zaslal(a): Téra2507. Elektrochemické metody
Na www.studijni-svet.cz zaslal(a): Téra2507 Elektrochemické metody Elektrolýza Do roztoku elektrolytu ponoříme dvě elektrody a vložíme na ně dostatečně velké vnější stejnosměrné napětí. Roztok elektrolytu
MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5
MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5 Ondřej Votava J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry AS ČR Opakování z minula Light Amplifier by Stimulated
VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH
VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH Jan Hruška TV-FYZ Ahoj, tak jsme tady znovu a pokusíme se Vám vysvětlit problematiku vedení elektrického proudu v látkách. Co je to vlastně elektrický proud? Na to
Vybrané spektroskopické metody
Vybrané spektroskopické metody a jejich porovnání s Ramanovou spektroskopií Předmět: Kapitoly o nanostrukturách (2012/2013) Autor: Bc. Michal Martinek Školitel: Ing. Ivan Gregora, CSc. Obsah přednášky
Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)
Luminiscence Luminiscence emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence chemicky (chemiluminiscence) teplem (termoluminiscence) zvukem (sonoluminiscence)
FIA fluorescenční imunoanalýza (fluorescence immuno-assay) CIA chemiluminiscenční imunoanalýza
FIA a CIA FIA fluorescenční imunoanalýza (fluorescence immuno-assay) CIA chemiluminiscenční imunoanalýza Značky pro antigeny a protilátky: radioizotop enzym fluorescenční sonda luminiscenční sonda kovové
ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY
ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY 1 Fyzikální základy spektrálních metod Monochromatický zářivý tok 0 (W, rozměr m 2.kg.s -3 ): Absorbován ABS Propuštěn Odražen zpět r Rozptýlen s Bilance toků 0 = +
Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)
Luminiscence Luminiscence emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence chemicky (chemiluminiscence) teplem (termoluminiscence) zvukem (sonoluminiscence)
Optoelektronické senzory. Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém
Optoelektronické senzory Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém Optron obsahuje generátor světla (LED) a detektor optické prostředí změna prostředí změna
Eva Benešová. Dýchací řetězec
Eva Benešová Dýchací řetězec Dýchací řetězec Během oxidace látek vstupujících do různých metabolických cyklů (glykolýza, CC, beta-oxidace MK) vznikají NADH a FADH 2, které následně vstupují do DŘ. V DŘ
7. Elektrický proud v polovodičích
7. Elektrický proud v polovodičích 7.1 Elektrické vlastnosti polovodičů Kromě vodičů a izolantů existují polovodiče. Definice polovodiče: Je to řada minerálů, rud, krystalů i amorfních látek, řada oxidů
Elektrický proud v polovodičích
Elektrický proud v polovodičích Polovodič Látka, jejíž měrný elektrický odpor je při obvyklých teplotách mnohem menší než u izolantů, ale zase mnohem větší než u kovů. Polovodič Látka, jejíž měrný elektrický
Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv Pavel Matějka, Vadym Prokopec pavel.matejka@vscht.cz pavel.matejka@gmail.com Vadym.Prokopec@vscht.cz
Detektory optického záření
Detektory optického záření Vrbová, Jelínková, Gavrilov, Úvod do laserové techniky, ČVUT FJFI, 1994 Kenyon, The light fantastic, Oxford Goldman, Lasers in Medicine, kapitola Optická a tepelná dozimetrie
Detektory. požadovaná informace o částici / záření. proudový puls p(t) energie. čas příletu. výstupní signál detektoru. poloha.
Detektory požadovaná informace o částici / záření energie čas příletu poloha typ citlivost detektoru výstupní signál detektoru proudový puls p(t) E Q p t dt účinný průřez objem vnitřní šum vstupní okno
Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Odporové senzory
Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Odporové senzory Obecné vlastnosti odporových senzorů Odporové senzory kontaktové Měřící potenciometry Odporové tenzometry Odporové senzory teploty Odporové
Modulace a šum signálu
Modulace a šum signálu PATRIK KANIA a ŠTĚPÁN URBAN Nejlepší laboratoř molekulové spektroskopie vysokého rozlišení Ústav analytické chemie, VŠCHT Praha kaniap@vscht.cz a urbans@vscht.cz http://www.vscht.cz/anl/lmsvr
7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )
7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state ) Steady-state měření Excitujeme kontinuálním světlem, měříme intenzitu emise (počet emitovaných fotonů) Obvykle nedetekujeme všechny
Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, 2014. Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.
Aktivní prostředí v plynné fázi. Plynové lasery Inverze populace hladin je vytvářena mezi energetickými hladinami některé ze složek plynu - atomy, ionty nebo molekuly atomární, iontové, molekulární lasery.
Metody pro vyhodnocení experimentálních dat
Název: Školitel: Metody pro vyhodnocení experimentálních dat Vojtěch Adam Datum: 8.11.2013 Reg.č.projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0023 Název projektu: Partnerská síť centra excelentního bionanotechnologického
HPLC - Detektory A.Braithwaite and F.J.Smith; Chromatographic Methods, Fifth edition, Blackie Academic & Professional 1996 Colin F. Poole and Salwa K.
Vysokoúčinná kapalinová chromatografie - Detektory - I Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253 HPLC - Detektory A.Braithwaite and F.J.Smith; Chromatographic Methods, Fifth
λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda
Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda Úvod Optoelektronické součástky jsou založeny na interakci optického záření s elektricky nabitými částicemi v polovodičích. Vztah mezi energií fotonů
Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie
Spektrometrické metody Reflexní a fotoakustická spektroskopie odraz elektromagnetického záření - souvislost absorpce a reflexe Kubelka-Munk funkce fotoakustická spektroskopie Měření odrazivosti elmg záření
6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU
6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU Měřicí potřeby 1) solární baterie 2) termoelektrická baterie 3) univerzální měřicí zesilovač 4) reostat 330 Ω, 1A 5) žárovka 220 V / 120 W s reflektorem 6) digitální multimetr
FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi
Fotosyntéza FOTOSYNTÉZA soubor chemických reakcí,, probíhaj hajících ch v rostlinách a sinicích ch zachycení a využit ití sluneční energie k tvorbě složitých chemických sloučenin z CO2 a vody jediný zdroj
11. Polovodičové diody
11. Polovodičové diody Polovodičové diody jsou součástky, které využívají fyzikálních vlastností přechodu PN nebo přechodu kov - polovodič (MS). Nelinearita VA charakteristiky, zjednodušeně chápaná jako
Příklady biochemických metod turbidimetrie, nefelometrie. Miroslav Průcha
Příklady biochemických metod turbidimetrie, nefelometrie Miroslav Průcha Příklady optických technik Atomová absorpční spektrofotometrie Absorpční spektrofotometrie Absorpční spektrofotometrie kinetická
Principy chemických snímačů
Principy chemických snímačů Název školy: SPŠ Ústí nad Labem, středisko Resslova Autor: Ing. Pavel Votrubec Název: VY_32_INOVACE_05_AUT_99_principy_chemickych_snimacu.pptx Téma: Principy chemických snímačů
Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru
Petra Suková, 2.ročník, F-14 1 Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru 1 Zadání 1. Změřte současně světelnou i voltampérovou charakteristiku polovodičového laseru. Naměřenézávislostizpracujtegraficky.Stanovteprahovýproud
ení pufru, ph, teplota, tlak) rychlost reakce limituje enzym (ostatní reagencie v nadbytku)
Měření enzymové aktivity optické elektrochemické manometrické vhodné substráty ty příklady stanovení nejdůle ležitějších enzymů Měření aktivity podmínky konstantní (složen ení pufru, p, teplota, tlak)
Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy
Polovodičové senzory Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy Polovodičové materiály elementární polovodiče Elementární
Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.
Jiří Oswald Fyzikální ústav AV ČR v.v.i. I. Úvod Polovodiče Zákládní pojmy Kvantově-rozměrový jev II. Luminiscence Si nanokrystalů III. Luminiscence polovodičových nanostruktur A III B V IV. Aplikace Pásová
Enzymologie. Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů.
ENZYMOLOGIE 1 Enzymologie Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů. Jak je možné, že buňka dokáže utřídit hrozivou změť chemických procesů, které v ní v každém okamžiku
Lasery optické rezonátory
Lasery optické rezonátory Optické rezonátory Optickým rezonátorem se rozumí dutina obklopená odrazovými plochami, v níž je pasivní dielektrické prostředí. Rezonátor je nezbytnou součástí laseru, protože
Polovodičové prvky. V současných počítačových systémech jsou logické obvody realizovány polovodičovými prvky.
Polovodičové prvky V současných počítačových systémech jsou logické obvody realizovány polovodičovými prvky. Základem polovodičových prvků je obvykle čtyřmocný (obsahuje 4 valenční elektrony) krystal křemíku
Refraktometrie, interferometrie, polarimetrie, nefelometrie, turbidimetrie
Refraktometrie, interferometrie, polarimetrie, nefelometrie, turbidimetrie Refraktometrie Metoda založená na měření indexu lomu Při dopadu paprsku světla na fázové rozhraní mohou nastat dva jevy: Reflexe
Optoelektronika. Zdroje. Detektory. Systémy
Optoelektronika Zdroje Detektory Systémy Optoelektronika Optoelektronické součástky využívají interakce záření a elektricky nabitých částic v polovodičích. 1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev 1873 W.
Speciální spektrometrické metody. Zpracování signálu ve spektroskopii
Speciální spektrometrické metody Zpracování signálu ve spektroskopii detekce slabých signálů synchronní detekce (Lock-in) čítaní fotonů měření časového průběhu signálů metoda fázového posuvu časově korelované
Oxidace a redukce. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2. Redukce = odebrání kyslíku
Oxidace a redukce Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2 Redukce = odebrání kyslíku Fe 2 O 3 + 3 C 2 Fe + 3 CO CuO + H 2 Cu + H 2 O 1 Oxidace a redukce Širší pojem oxidace
25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C.. +10000 C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory
25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie Bezdotykové měření Pyrometrie (obrázky viz. sešit) Bezdotykové měření teplot je měření povrchové teploty těles na základě elektromagnetického záření mezi tělesem
Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/
Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009 1. Čím se vyznačuje polovodičový materiál Polovodič je látka, jejíž elektrická vodivost lze měnit. Závisí na
Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm
Rtg. záření: Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm Vznik rtg. záření: 1. Rtg. záření se spojitým spektrem vzniká při prudkém zabrzdění urychlených elektronů.
Měření charakteristik fotocitlivých prvků
Měření charakteristik fotocitlivých prvků Úkol : 1. Určete voltampérovou charakteristiku fotoodporu při denním osvětlení a při osvětlení E = 1000 lx. 2. Určete voltampérovou charakteristiku fotodiody při
nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL
Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci Experimentální
ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA
ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA -2014 ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE ACH/IM 1 Absorpce záření ve Vis oblasti Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo
METABOLISMUS SACHARIDŮ
METABOLISMUS SAHARIDŮ A. Odbourávání sacharidů - nejdůležitější zdroj energie pro heterotrofy - oxidací sacharidů až na. získávají aerobní organismy energii ve formě. - úplná oxidace glukosy: složitý proces
4. Z modové struktury emisního spektra laseru určete délku aktivní oblasti rezonátoru. Diskutujte,
1 Pracovní úkol 1. Změřte současně světelnou i voltampérovou charakteristiku polovodičového laseru. Naměřené závislosti zpracujte graficky. Stanovte prahový proud i 0. 2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte
Luminiscenční spektroskopické metody
Luminiscenční spektroskopické metody Luminiscence zahrnuje jevy, kdy látka l odpovídá na dopad elektromagnetického zářenz ení nebo elementárn rních částic emisí viditelného světla v množstv ství větším,
Biosenzory. Helena Uhrová
Biosenzory Helena Uhrová L.C.Clarc, článek o O 2 elektrodě, 1956 1962, symposium v New Yorku oxidoredukční enzym glukózooxidáza byl uchycen na dialyzační membránu a s ní na kyslíkovou elektrodu - enzymová
Absorpční fotometrie
Absorpční fotometrie - v ultrafialové (UV) a viditelné (VIS) oblasti přechody mezi elektronovými stavy +... - v infračervené (IČ) oblasti přechody mezi vibračními stavy +... - v mikrovlnné oblasti přechody
Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace
Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace FOTO - protože k fotosyntéze je třeba fotonů Jedná se tedy o zachycování sluneční energie a přeměnu jednoduchých anorganických látek (CO 2 a H 2 O) na složitější
Lasery. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013
Lasery Biofyzikální ústav LF MU Elektromagnetické spektrum http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:elmgspektrum.png http://cs.wikipedia.org/wiki/ Soubor:Spectre.svg Bezkontaktní termografie 2 Součásti laseru
Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti 200-800 nm
Spektroskopie v UV-VIS oblasti UV-VIS spektroskopie pracuje nejčastěji v oblasti 2-8 nm lze měřit i < 2 nm či > 8 nm UV VIS IR Ultra Violet VISible Infra Red Roztok KMnO 4 roztok KMnO 4 je červenofialový
Fotonásobič. fotokatoda. typicky: - koeficient sekundární emise = počet dynod N = zisk: G = fokusační elektrononová optika
Fotonásobič vstupní okno fotokatoda E h fokusační elektrononová optika systém dynod anoda e zesílení G N typicky: - koeficient sekundární emise = 3 4 - počet dynod N = 10 12 - zisk: G = 10 5-10 7 Fotonásobič
Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu
11. Polovodiče Polovodiče jsou krystalické nebo amorfní látky, jejichž elektrická vodivost leží mezi elektrickou vodivostí kovů a izolantů a závisí na teplotě nebo dopadajícím optickém záření. Elektrické
Charakteristiky optického záření
Fyzika III - Optika Charakteristiky optického záření / 1 Charakteristiky optického záření 1. Spektrální charakteristika vychází se z rovinné harmonické vlny jako elementu elektromagnetického pole : primární
Viková, M. : ZÁŘENÍ II. Martina Viková. LCAM DTM FT TU Liberec, (hranol, mřížka) štěrbina. Přednášky z : Textilní fyzika
Záření II Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, martina.vikova@vslib.cz kolimátor dalekohled štěrbina (hranol, mřížka) SPEKTRA LÁTEK L I Zářící zdroje vysílají záření závislé na jejich chemickém složení
Barevné principy absorpce a fluorescence
Barevné principy absorpce a fluorescence Pokročilé biofyzikální metody v experimentální biologii Ctirad Hofr 27.9.2007 2 1 Světlo je elektromagnetické vlnění Skládá se z elektrické složky a magnetické
Úvod do koroze. (kapitola, která bude společná všem korozním laboratorním pracím a kterou studenti musí znát bez ohledu na to, jakou práci dělají)
Úvod do koroze (kapitola, která bude společná všem korozním laboratorním pracím a kterou studenti musí znát bez ohledu na to, jakou práci dělají) Koroze je proces degradace kovu nebo slitiny kovů působením
ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ
ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ Polovodič - prvek IV. skupiny, v elektronice nejčastěji křemík Si, vykazuje vysokou čistotu (10-10 ) a bezchybnou strukturu atomové mřížky v monokrystalu.
SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová
SPEKTROMETRIE aneb co jsem se dozvěděla autor: Zdeňka Baxová FTIR spektrometrie analytická metoda identifikace látek (organických i anorganických) všech skupenství měříme pohlcení IČ záření (o různé vlnové
POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (40) Zveřejněno 31 07 79 N
ČESKOSLOVENSKÁ SOCIALISTICKÁ R E P U B L I K A (19) POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ 196670 (11) (Bl) (51) Int. Cl. 3 H 01 J 43/06 (22) Přihlášeno 30 12 76 (21) (PV 8826-76) (40) Zveřejněno 31 07
1. Zdroje a detektory optického záření
1. Zdroje a detektory optického záření 1.1. Zdroje optického záření výkon a jeho časový průběh spektrální charakteristika a její stabilita v čase koherenční vlastnosti 1.1.1. Tepelné zdroje velmi malá