Nanosenzorji za prihodnost - utvara ali resničnost

Nanosenzorji za ljubezen – utvara ali resničnost

Univerza v Mariboru, FS

Center za Senzorsko tehniko

IOS, Institut za okoljevarstvo in senzorje, d.o.o

Aleksandra Lobnik

Page

Nanotehnologija –

tehnologija 21. stoletja

“Today’s science fiction is often

tommorow’s science fact.”

- Stephen Hawking -

Kaj so senzorji?

Prvi senzorji, ki se jih zavedamo so čutila…..

In jih še vedno ne

moremo v popolnosti nadomestiti:

Izdelovalci parfumov – nosovi

Pokušalci vin……

Hrane….

Kaj pa občutkov….ljubezen, žalost, jeza, ….ali lahko to

kvantificiramo?

University of Maribor

Faculty of Mechanical Engineering

CENTRE OF SENSOR TECHNOLOGY

Kaj so senzorji?

Senzor je miniaturiziran analizni aparat, ki omogoča

kontinuirano in reverzibilno podajanje informacij o kemijski

koncentraciji analita. (Wolfbeis 1990)




Kaj so kemijski optični senzorji?

(indikatorska kemija, optična vlakna)




P

r

e

t

v

o

r

n

i

k

receptor

“kemijski”

signal

V realnem svetu razvijamo senzorje

na različnih področjih:

OSEBNE ZAŠČITE , VAROVANJA

OKOLJEVARSTVA

KVALITETE HRANE

KLINIČNE MEDICINE…….




Raziskovalni projekti

ZAKLJUČENI V TEKU V EVALVACIJI

ŠIFRA NASLOV

1 TP MIR 07/RR/20 Optični senzorski sistem za osebno zaščito vojaka pred bojnimi strupi

2 L2-9493Razvoj optičnega senzorskega sistema za nedestruktivno kontrolo kvalitete embaliranih

mesnih izdelkov

3 M1-0209 Razvoj optičnih kemijskih senzorjev za osebno zaščito vojaka pred kemijskimi agensi

4 BI-CZ/08-09-017 Optical Chemical Sensors

5 BI-UA/09-10-011 Sol-Gel Optical Sensors Based on Doped New Luminiscent Lanthanide Complexes

6 L1-2084 Senzorsko zaznavanje roka uporabe pakiranih mesnih izdelkov

7 BI - RU/10-11-017 Nano-Optični biosenzor za detekcijo organofosfatov

8 ARRS - MR Tematika : Biogeni amini

9 BI-FR/10-11-017 Tkane inteligentne tekstilije



ŠIFRA NASLOV

10 SRRP-09/I/07 Zagotavljanje varnosti in sledljivosti pakirane mesne hrane s senzorskim sistemom

11 EUREKA E!4961 Optično določevanje svežosti mesa

12 RIP09/43/48 Energija iz odpadkov

13 BI -M/11-12-015Kemijski senzorji za detekcijo aminov

14 ARRS projekti 2011Razvoj novega fluorescentnega nanosenzorja za določevanje organofosfornih spojin

15 FP7-PEOPLE-2011 Sol-Gel Materials for Pollution Control

16 FP 7 - MNT-ERA NET Nano-optical system for organophosphate detection

17FP 7 - ICT- 2011 - C

REF NO.: FP7 - 288153

Network of sensors integrated in the flexible textile structures to monitor process,

environment and health protection

18 EUREKA 2011 Gas Sensor using Polymeric Fibers and Fabric

19FP 7 - MNT-ERA NET

2011Wireless networks of heavy metals nanosensors for real time water pollution assesment



ŠIFRA NASLOV

20 R&D MesserOxygen-enrichment in sulfite oxidation in wet FGD and Oxygen enhanced combustion of

solid fuels

21LIFE+ (LIFE10

ENV/SI/000132)Solving the problems of drinking water pollution with pesticides and nitrates

22FP7 - NMP - 2011 -

SMALL - 5Advanced Textile solutions for pollution recovery from Oil Spills in Extreme Conditions

23 EUROSTARS Absolutly chlorine free system (ACF) for paper production using recycled fibers

24 SOLČAVA Analiza pitne vode Solčava

25 ITKEK-94/03-JZ/SH Detoksifikacija odpadnih biocidnih vod s postopki kemijske oksidacije

26 E!4206 Advanced technologies in landfill leachate management

27Gosopdarjenje z vodnimi

viri (WRM) - WP 3.1.B Strategija rabe geotermalnih potencialov Dolinske regije

28

Gospodarjenje z vodnimi

viri (WRM) - K-Net 2004

WP 6.2.2.

Optimiranje kakovosti vode z dovajanjem CO2

29Gospodarjenje z vodnimi

viri (WRM) - WP 4.4.2.Zaloge vode in okoljski vpliv na zbiralnik Kozjak

30 INTERREG Management of Storm water on Highways

31 JAPTI 91/2009 Vodja področja okoljevarstvo - Preučevanje učinkovitosti različnih membranskih tehnologij

32 MR-09/51 TIA-MR iz gospodarstva Branka Viltužnik

33 JAPTI 78/2010 Vodja področja tehnične tekstilije

34 TIA MR- 2010 TIA-MR iz gospodarstva Polonca Nedeljko

35 ARRS projekti 2011 Razvoj novih dostavnih sistemov za zdravljenje raka debelega črevesa pri oralni uporabi

INDIKATORSKA BARVILA

SOL-GEL MATERIAL

IMOBILIZACIJSKA TEHNIKA




3. Sol-gel

1. hidroliza

Si(OR)4 + H2O HO-Si(OR)3 + ROH

2. kondenzacija:

HO-Si(OR)3 + HO-Si(OR)3 HO-Si(OR)2-O-Si(OR)2 +

HOH

HO-Si(OR)3 + Si(OR)4 Si(OR)3-O-Si(OR)3 + ROH

Monomers Other metals

Si(OR’)4 Zr(OR’)4

R1-Si(OR’)3 R1-Zr(OR’)3

R1 R2 -Si(OR’)2 R1 R2 -Zr(OR’)2

R: aliphatic, aromatic Ti, Sn

Kaj sploh je “nanotehnologija”?

‣ 1959 - Richard Feynman - prvi, ki predstavi idejo obdelave snovi na nivoju atomov

‣ 1974 - Taniguchi - prvi uporabi pojem “nanotehnologija”

• ๏ izvor “nanotehnologija” - Latinsko “nanus”, Grško “nanos”

Kaj so osnovni gradniki nanomaterialov?

‣ nanodelci (1 nm = 10-9 m)

obravnava materiale in sisteme, ki kažejo nove in izrazito

izboljšane fizikalne, kemijske in biološke karakteristike zaradi

svoje velikosti v nano območju [1-100 nm]; t.j nanomateriale

SEM Si nanodelcev

1. Zaščita in varnost

Osebna zaščita

(zdravje, varovanje, zaščita)

- In vivo -Tekstilni materiali

2. Senzorji lahko merijo parametre:

• Telesa

Kardiološke signale

Temperaturo

Respiracijske funkcije

Premiki/pozicija

Znoj

Električne

Kemijske

Biološke

Tlak

Lastnosti kože

• Okolja

Temperatura

Premike

Biološke

Kemijske

Voda/vlaga

Sevanje

Pozicijo

Tlak

Zvok

2. Senzorji na tekstilu

1. Odstranljivi

2. Fiksni

- FOS

-tkani

-pleteni

-laminirani

-ježek,

-zadrga

-šivanje

OCS

barvanje

printanje,

nanosi

3. Senzorji z barvno spremembo

Indicator Precursors ratio

Bromocresol green(BCG)

100 % glycidoxypropyltrimethoxysilane

(glycidoxy)

90 % glycidoxy : 10 % Tetraethoxysilane

(TEOS)

80 % glycidoxy : 20 % TEOS

Bromothymol blue (BTB)

100 % glycidoxy



R = 4; pH = 3; heating at 80 °C; aging time 3 days at room temperature

SOL-GEL BTB (with precursors glycidoxi and TEOS) ON COTTON TEXTILE

MATRIX

-30

-20

-10

0

10

20

30

2 3 4 5 6 7 8 9

pH

a*

100G, pKa=5,99

90G, pKa=5,92

80G, pKa=5,96

SOL-GEL BTB (with precursors glycidoxi and TEOS) ON VISCOSE TEXTILE

MATRIX

-40

-30

-20

-10

0

10

20

2 3 4 5 6 7 8 9

pH

a*

100G, pKa=6,24

90G, pKa=6,34

80G, pKa=6,26

Senzor za detekcijo OP

0 1 2 3 4

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

F/F

0

[FPO3

2-] (mM)

0 10 20 30 40 50

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

F/F

0

[FPO3

2-] (M)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

F/F

0

[FPO3

2-] (mM)

400 450 500 550

0

50

100

150

200

250

300

350

Flu

ore

sce

nce

in

ten

sity (

a.u

.)

[nm]

0uL

20uL

140uL

280uL

1000uL

520 540 560 580 600

0

50

100

150

200

Flu

ore

sce

nce

in

ten

sity (

a.u

.)

nm

0uL

0.5uL

2.18uL

140uL

Luminiscenčne meritve OP

95,52,5 cm

11,58,53,2 cm

7 mm

11,58,53,2 cm

7 mm

2.Meritve v okoljevarstvu Določevanje aluminija

Increasing of fluorescence

intensity of Morin upon

additon of Al3+ in acetic buffer; concentration range: 10-7 – 10-5 M

wavelength (nm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

250 300 350 400 450 500 550

flu

ore

scen

ce i

nte

nsi

ty 10-5 M Al3+

2*10-7 M

Indicator Morin

O O H

O H O O H

O H

O H

+ Al3+

non-fluorescent

O O H

O

Al

O O H

O H

O H

Al-Morin complex

yellow-green

fluorescent at 487 nm

(at pH 3.5)

sol-gel membrane (100% TMOS)

Determination of phosphate (P)

using europium-tetracycline complex (EuTc)

Response of EuTc to P

Ex = 400 nm Em = 616 nm 13 mM MOPS, pH 7 Eu:Tc = 1:1 [EuTc] = 21 µM incubation t. = 20 min T = 30 °C

360 390 420 450 550 600 650 7000

2

4

6

8

[P] (µmol/L)

25

100

500

inte

nzit

eta

lu

min

escen

ce (

a.u

.)

valovna dolžina (nm)

EuTc EuTc + PO4

3-

Determination of copper (Cu)

using terbium-ligand complex (TbL2)

Spectral properties of TbL2 in water solution

480 510 540 570 600 6300

2

4

6

8

valovna dolžina (nm)

inte

nzit

eta

lu

min

es

ce

nce (

a.u

.)

0 nM Cu2+

1000 nM Cu2+

Ex = 320 nm Em = 548 nm 10 mM MOPS, pH 7 Tb:L = 1:2, [L] = 1 µM

incubation time = 30 min T = 25 °C

TbL2 TbL2

+ Cu2+

KVALITETA HRANE SRRP-09/I/07

Temperaturni

senzor

pH senzorski

čip

Kisikov

senzorski čip

fotodetekto

r

Optično

vlakno

Page

Magnetni Nanodelci

Biomedicina in Klinična Medicina Magnetni nanomateriali

Nanomateriali

• maghemit (-Fe2O3)

• magnetit (Fe3O4)

• kobalt ferit (CoFe2O4)

• mangan-cink feriti (MnZnFe2O4)

• ipd....

• Ozka porazdelitev velikosti nanodelcev (10 ± 1) nm

• Načini priprave:

‣ soobarjanje, sol-gel metoda, hidrotermalna metoda, mikroemulzijska metoda, ipd...

JEDRO – delec (magneten, nemagnetnen,

kristaliničen, amorfen, …)

Organska prevleka

(Organski aditivi,

biomolekule,

fluorescentna barvila,

ipd...)

Anorganska prevleka

(SiO2, TiO2, Au, Ag, …)

Površinska obdelava magnetnih nanodelcev

delec

Površinska obdelava

nanodelcev

• Organske prevleke

• Anorganske prevleke

Uporaba magnetnih nanodelcev

• Biomedicinske aplikacije

• Terapija raka in genska terapija • Magnetna dostava zdravilnih učinkovin (kemoterapevtiki, ipd....) • Separacija/selekcija celic • Magnetna hipertermija • Kontrastni agensi za magnetno resonančno slikanje • ipd.

Page

Votli nanodelci - nanokapsule

Nanotehnologija - tehnologija 21. stoletja

Prvi tranzistor razvit v

Bell-ovem laboratoriju

leta 1947

(~1cm v preseku)

Pentiumov čip s 3,3 milijona

tranzistorjev

- osrčje današnjih računalnikov -

Veliko razvojnih skupin po svetu si prizadeva razviti nanorobote, ki

se bodo lahko sčasoma uporabljali za zdravljenje vse od hemofilije

pa do raka.

•

Nanorobti se bodo množično proizvajali. Po velikosti bodo precej

manjši od premera človeškega lasu in tudi manjši od bakterij.

Potovali bodo lahko skozi kapilare, ne da bi jih zavrnil imunski

sistem telesa.

Ljubezen




Ali je ljubezen res kemija?

http://www.ted.com/talks/lang/slv/helen_fisher_tells_us_why_we_love_cheat.html

Dr. Helen Fisher, Biološka antropologinja




Kavdalno jedro ima veliko vlogo pri nadzoru motorike, je pa

tudi eden od kontrolorjev hrepenenja in želja. Tukaj so

shranjeni naši lepotni ideali, ki temeljijo na naših preteklih

izkušnjah. Kavdalno jedro tako praktično določa, v koga se

bomo zaljubili.

Ventralni tegmentum pa najdemo v srednjih možganih in

je globoko vpleten v motivacijo. Ima številne povezave z

ostalimi deli možganov, vključno s kavdalnim jedrom in

amigdalo, kjer je sedež čustev.




1. POŽELENJE

Kavdalno jedro se vključi in po do zdaj še neznanih poteh

sproži povečano izločanje spolnih hormonov testosterona in

estrogena, ki povečata spolni nagon in dovzetnost za zunanji

videz potencialnega partnerja, ter feromone.

To je prva faza zaljubljenosti.




2. ROMANTIČNA LJUBEZEN

Ta začne izločati hormon dopamin.

.

Ko so raziskovalci slikali možgane sveže zaljubljenih ljudi

in jih primerjali z možgani kokainskih odvisnikov, je bila

slika zelo podobna, včasih celo identična.




3. NAVEZANOST

Klub temu, da se v 3. fazi zmanjša nivo spolnih hormonov, je

zdaj namesto tega prisoten občutek pripadnosti in varnosti.

Vez, ki nastane med partnerjema zaradi oksitocina, je

podobna vezi med materjo in otrokom pri dojenju.




PREKINITEV VEZE

Prekinitev stikov z ljubljeno osebo povzroči prenehanje

izločanja dopamina . Pride do odtegnitvenega sindroma, ki je v psihičnem pogledu

zelo podoben tistemu pri ljudeh, ki se odvajajo od drog.

Lahko pride do depresije, apatije, pomanjkanja apetita, motenj

spanja, občutka tesnobe, možna je celo fizična bolečina.




Dopamin Oksitocina

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Oxytocin.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Dopamin_-_Dopamine.svg

Page

Imunosenzorji Magnetic suspension

- Target cells

- Secondary cells

Cell labelling

with primary antibody;

incubation

Magnetic cell separation

Centrifuging and redispersing

in fresh medium

Page

Votli nanodelci - nanokapsule

Biološka enota

(npr. protein)

Ligand, linker

(vezna molekula)

Nanokapsula

- polimerni ovoj, npr. PLA, PLGA, ipd.

- anorganski porozni ovoj

Terapevtska učinkovina,

fluorescentno barvilo

ipd.

Page

Aplikacije - Biomedicina

Nanosenzor iz možganov prenaša signal na

detekcijski sistem integriran v zapestnici, ki se v primeru večje koncentracije dopamina/oksitocina

obarva rdeče.

REALNOST ALI UTVARA?

• Dr. Špela Korent Urek

• Doc.dr. Gregor Zupančič

• Dr. Andreja Gutmaher

• Dr. Aljoša Košak

• Dr. Matejka Turel,

• Dr. Mojca Poberžnik,

• Dr. Maja Bauman, univ.dipl.ing.

• Alenka Kelc, univ.dipl.ing.

• Alenka Ribič, univ.dipl.ing.

• Nina Frančič, univ.dipl.biochem.

• Branka Viltužnik, univ.dipl.ing.

• Polonca Nedeljko, univ.dipl.ing.

• Eva Rajh, univ.dipl.ing.

• Katja Kompolšek, univ.dipl.ing.

• Leonida Frangež, univ.dipl.biolog.

Hvala kolegom

Education

Nanosenzorji za prihodnost - utvara ali resničnost