Aula 4 solange

(1)

Nanotecnologia II

Sensores Químicos e

Biológicos

07/11/2012

Profa. Dra. Solange Binotto Fagan

(2)

Resumo

• Sensores

• Biosensores

• Sensores químicos

• Nanosensores

(3)

O que é um sensor?

• Definição da American National Standards Institute (ANSI):

– Um dispositivo eletroeletrônico que tem a propriedade de

transformar em sinal elétrico em uma outra grandeza física que

está relacionada a uma ou mais propriedades do material de que é

feito o sensor.

• Exemplos:

– Microfone, detectores químicos de gases,

– sensores de temperatura, tato, etc.

(4)

O que é um biosensor?

• Detector baseado na seletividade de componentes

moleculares de plantas ou animais.

• Integra um elemento biológico com um transdutor

físico-químico para a produção de um sinal eletrônico

proporcional para um analito individual que é então

transportada para um detector.

• Biosensores mais modernos envolvem biológica molecular

x tecnologia da informação.

• Aplicações

– Medicina

– Meio Ambiente

– Militar

– Alimentação

– …

(5)

O que é um nanosensor?

• São dispositivos que integram atividades químicas,

biológicas ou sensoriais para transmitir informações sobre

nanopartículas para o mundo macroscópico.

• Seu uso inclui, principalmente, fins medicinais e como

plataforma para a construção de nanoprodutos, tais como

chips de computador que funcionam em nanoescala e

nanorobôs.

• Atualmente, existem várias formas de construir

nanosensores, incluindo litografia top-down,

organização bottom-up e auto-organização

(6)

Características Importantes

• Sensibilidade

• Detecção em baixos

limites

• Utilidade

• Portabilidade

• Robustez

• Custo

• Simplicidade

• Confiança

• Varredura de dados

• Precisão

• Toxicidade

• Robustez

• Reprodutibilidade

• Fácil calibração

• Estabilidade

• Capacidade de

melhoramentos

(7)

Fenômenos físicos detectáveis

em um Sensor

Estímulo

Quantitficação

Acústico Onda, espectro e velocidade da onda Químico ou biológico Concentração dos fluídos (gás ou líquido)

Elétrico Carga, potencial, corrente, voltagem, campo elétrico, condutividades, polarização, etc

Magnético Campo magnético (amplitude, fase, polarização, fluxo, etc)

Optico Índice de refração, refletividade, absorção, etc.

Térmico Temperatura, fluxo, calor específico, condutividade térmica, etc.

(8)

• Sensors são inseridos no meio ambiente, no nosso

corpo, equipamentos, plantas, etc.

• Sem a presença de sensores não teríamos o aparato

tecnológico atual.

Escolhendo um sensor …

(9)

Componentes de um Biosensor

(10)

Biosensor

(11)

(12)

Temperature Sensor

• Temperature sensors appear in building, chemical

process plants, engines, appliances, computers,

and many other devices that require temperature

monitoring

• Many physical phenomena depend on

temperature, so we can often measure temperature

indirectly by measuring pressure, volume,

(13)

Temperature Sensor

• Bimetallic Strip

)]

T

-(T

1 [

0 0

+

β

=

L

• Application

– Thermostat (makes or

breaks electrical

connection with

deflection)

(14)

Accelerometer

• Accelerometers are used to

measure along one axis and is

insensitive to orthogonal

directions

• Applications

– Vibrations, blasts, impacts, shock

waves

– Air bags, washing machines,

heart monitors, car alarms

• Mathematical Description is

beyond the scope of this

presentation. See me during

lunch if interested

(15)

Light Sensor

• Light sensors are used in

cameras, infrared detectors,

and ambient lighting

applications

• Sensor is composed of

photoconductor such as a

photoresistor, photodiode,

or phototransistor

(16)

Magnetic Field Sensor

• Magnetic Field sensors

are used for power

steering, security, and

current measurements

on transmission lines

• Hall voltage is

proportional to magnetic

field

t

q

n

B

I

V

_H

⋅

=

(17)

Ultrasonic Sensor

• Ultrasonic sensors are used

for position measurements

• Sound waves emitted are in

the range of 2-13 MHz

• Sound Navigation And

Ranging (SONAR)

• Radio Dection And

Ranging (RADAR) –

ELECTROMAGNETIC

WAVES !!

(18)

Photogate

• Photogates are used in

counting applications

(e.g. finding period of

period motion)

• Infrared transmitter and

receiver at opposite ends

of the sensor

• Time at which light is

broken is recorded

(19)

CO

₂

Gas Sensor

• CO

₂

sensor measures

gaseous CO

₂

levels in an

environment

• Measures CO

₂

levels in the

range of 0-5000 ppm

• Monitors how much infrared

radiation is absorbed by

(20)

Tipos de Biosensores

• Calorimétrico

• Potenciométrico

• Amperiométrico

• Óptico

• Piezoelétrico

(21)

Biosensors

Pregnancy test

Detects the hCG protein in

urine.

Glucose monitoring device (for diabetes patients)

(22)

Piezo-Electric Biosensors

• Piezo-electric devices use gold to detect the specific

angle at which electron waves are emitted when the

substance is exposed to laser light or crystals, such as

quartz, which vibrate under the influence of an electric

field.

• The change in frequency is

proportional to the mass of

absorbed material

.

A piezoelectric immunosensor for specific capture

and enrichment of viable pathogens by quartz

crystal microbalance sensor, followed by detection

with antibody-functionalized gold nanoparticles

(23)

Potentiometric Biosensor

– For voltage: Change in distribution of charge is

detected using ion-selective electrodes, such as

(24)

Optical Biosensors

•Colorimetric for color

Measure change in light adsorption

•Photometric for light intensity

Photon output for a luminescent or fluorescent process can be

detected with photomultiplier tubes or photodiode systems.

(25)

Calorimetric Biosensors

If the enzyme catalyzed reaction is exothermic,

two thermistors may be used to measure the difference in

resistance between reactant and product and, hence,

(26)

Electrochemical DNA Biosensor

Steps involved in electrochemical DNA

hybridization biosensors:

Formation of the DNA recognition layer

Actual hybridization event

Transformation of the hybridization event into an

electrical signal

(27)

Biosensors on the Nanoscale

• Molecular sheaths around the nanotube are developed that

respond to a

particular chemical and modulate the nanotube's optical properties.

• A layer of olfactory proteins on a nanoelectrode react with

low-concentration odorants (SPOT-NOSED Project).

Doctors can use to

diagnose diseases at earlier stages.

• Nanosphere lithography (NSL) derived triangular Ag nanoparticles are

used to detect streptavidin down to one picomolar concentrations.

•The School of Biomedical Engineering has developed an anti-

body

based piezoelectric nanobiosensor to be used for anthrax, HIV hepatitis

detection.

(28)

Nanosensor technology

LABEL-FREE

LABEL

In labeled technology, some sort of label has to be

attached to the biomarker, which otherwise would

pass by undetected…

(29)

Labeled technology examples

• Quantum dots

• Gold nanoparticles

labeled

Non-labeled

• Gold nanoparticles

• Radioactive inks

(30)

Why would I prefer a label-free

approach?

1. One fewer step to worry about (labeling)

2. I do not need a device to excite and image the

sample

3. I might create a lab-on-a-chip

device

(31)

FET Nanosensor

Based on a conventional MOSFET…

(32)

Proof-of concept

Performed by Lieber et al (Science 293, 1289, 2001)…

nanowire

(33)

pH Sensing

It is a good start to demonstrate the sensibility to

‘superficial’ charge changes…

(34)

Sensor de Anticorpos

Biotina-estreptavidina…

biotina

estreptavidina

Science 293, 1289, 2001

250nM

Unmodified

SiNW

d-biotin

_{25 pM}

(35)

Como funciona …

Antígenos aparecem

durante a doença e

podem ser utilizados

como biomarcadores.

A natureza gera interações

entre anticorpos e antígenos

muito específicas.

(36)

Exemplos

(37)

Importante

• Nanofios são sensíveis à interação antígeno-anticorpo, porque a

transferência de carga é um efeito moderador para a dimensão

nanométrica.

• Construir nanosensores é complicado, envolve técnicas de produção

de nanomateriais top-dow e sofisticada litografia , ou ainda técnicas

Construir nanosensores é complicado, envolve técnicas de produção

de nanomateriais top-dow e sofisticada litografia , ou ainda técnicas

bottom-up.

• Efeitos Residuais resultantes da produção de nanosensores podem

causar efeitos espúrios durante o seu funcionamento – interação

molecular.

(38)

Nanofitas de Si como nanosensores

Introduced by Linnros et al (Nanoletters, 8, 3, 945-949 (2008))…

Nanoletters, 8, 3, 945-949 (2008)

(39)

Exemplo de Dispositivo

Duas câmaras separadas. O grande tem um chip funcionalizado com

anticorpo fotocliváveis. O pequeno tem os nanosensores.

chi

p

(40)

Semiconductors

Semiconductors are materials with electrical conductivities that

are intermediate between those of conductors and insulators.

-In solids the electrons tend to occupy energy bands: valence band

and conduction band. The energy spacing is called the

band gap

.

and conduction band. The energy spacing is called the

band gap

.

-For some metals, such as magnesium, the valence and conduction

bands overlap. Other metals, such as copper, have empty states in

the valence band.

-For insulators the valence band is completely filled and the band

gap is relatively large, preventing conduction.

-Semiconductors have an electronic structure similar to that of

insulators, but with a small band gap. Electrons can be excited into

the conduction band, making semiconductors somewhat conductive

at room temperature. Electrons in the conduction band conduct

electricity as does the empty state in the valence band,

corresponding to a missing electron (hole) in one of the covalent

bonds.

(41)

Doping

n-type doping

Si atoms have four valence electrons.

If an atom with five valence electrons,

(eg. Phosphorus (P), arsenic (As), or

antimony (Sb)), is incorporated into

the crystal lattice, then that atom will

have one unbonded electron that can

easily be excited into the conduction

band.

p-type doping

In this case a trivalent atom, usually

boron, is substituted into the crystal

lattice and can accept an electron to

complete the fourth bond, resulting in

the formation of a hole.

(42)

Sensor Arrays-The

Electronic Nose

•Olfactory systems operate on the principle that a relatively small number of

non-selective receptors allow the discrimination of thousands of different

odours.

•The electronic nose consists of an array of chemical sensors (usually gas

sensors) and a pattern-recognition algorithm (chemometrics).

•The sensor array "sniffs" the vapours from a sample and provides a set of

measurements; the pattern-recogniser compares the pattern of the

measurements to stored patterns for known materials.

•Gas sensors tend to have very broad selectivity, which in the electronic nose,

it is a definite advantage. Thus, although every sensor in an array may respond

to a given chemical, these responses will usually be different.

(43)

Digital smells!

An example of the electronic nose is given below, where an

array of 8 sensors output different patterns for each gas. If

the array is “trained” properly it can recognise the individual

gases in mixtures (chemometrics).

(44)

ENoses

• NASA’s system

– http://science.nasa.gov/headlines/y2004/images/enose/h

owenoseworks.ppt

• IIT project

– http://www.iit.edu/~jrsteach/enose.html

• SWIG group

– http://www.swig.org.uk/fdetail_21.htm

• Warwick project

– http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/eng/eed/research/srl

/contents/current_research/electronic_nose/

(45)

What is an electronic tongue?

Taste cell Nerve cell Taste compounds Electric responses Brain Taste reception

Biological taste system

Artificial liquid system - electronic tongue

Sensor

responses Computer

Sensor

array Pattern_recognition

(46)

Sensor de Glicose

Nanosensor iphone device with a practical application for diabetes

(47)

Now underpants with biosensors can

monitor the health

• Health conditions like hypertension, diabetes and

heart problems need regular and continuous

monitoring.

• This can be difficult for the aged and

ailing individuals, frequent visit to a laboratory or a

clinic can add insult to the injury.

• Scientists from San Diego University in

California have come out with a wonderful

invention that can be really helpful to these people.

http://healthmad.com/health/underpants-with-biosensors-can-save-life/#ixzz2BXe1M8Lw

(48)

Detectar frutos estragados graças às

nanotecnologias

http://www.lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientific

o/lqes_news/lqes_news_cit/lqes_news_2012/lq

es_news_novidades_1626.html

O novo sistema mede a quantidade de etileno através de

nanosensores e calcula os níveis de amadurecimento específico

para cada tipo de fruta.

(49)

Grafeno para dispositivos eletrônicos flexíveis

http://www.crazyengineers.com/flexible-electronics-step-closer-scientists-say-graphene-oxidized-1837/

(50)

Nanotubos: Sensores de CO

₂

(51)

SWCN + VITAMINA B3

LUMO LUMO SWCN (8,0) SWCN (8,0) BB--radicalradical--2H2H LUMO LUMO HOMO HOMO

(52)

SWCN + VITAMINA C

Formação de estado semi-preenchido.

SWCN (8,0) SWCN (8,0) CC--radicalradical LUMO LUMO HOMO HOMO

(53)

Atividade

• Buscar um protótipo de nanosensor que

preferencialmente seja patenteado;

• Mostrar as principais funcionalidades deste

nanosensor baseado nas propriedades dos

nanomateriais e nas características

estudadas para um sensor

• Apresentação dia 14/11

(54)

Sites de patentes

• Brasil- Base brasileira de pedidos de patentes

http://www.inpi.gov.br

• USA (a partir de 1976)

www.uspto.gov (http://www.uspto.gov)

• Europa -

www.european-patent-office.org

• Um site interessante - www.delpion.com

• Índia -www.pk2id.delhi.nic.in

• Alemanha - http://www.dpma.de/

• Base do escritório europeu de patentes

http://ep.espacenet.com

(55)

Relação das classificações referentes as seis grande áreas da

Nanotecnologia sob a ótica da Propriedade Industrial

Nome do campo IPC Definição na IPC - 8ª Edição

• H01L dispositivos semicondutores; dispositivos elétricos em estado sólido não incluído • em outro local

• H01J tubo de descarga elétrica ou lâmpada de descarga elétrica

• G06N sistemas de computador baseado em modelos computacionais específicos • Eletrônico

• G11 armazenamento de informações • G02 Ótico-eletrônicos ótica

• G02 Ótico-eletrônicos ótica

• H01S dispositivo usando a emissão estimulada

• Medicina e A61 Ciência médica ou veterinária; higiene

• Biotecnologia C12 bioquímica; cerveja; álcool; vinho; vinagre; microbiologia; enzimologia; engenharia • genética ou de mutação

• G01 medição; teste

• B01 processo ou aparelho físico ou químico em geral

• B21 trabalho mecânico de metais sem remoção essencial do material; puncionamento • do metal

(56)

• B32B produtos em camadas; isto é, produtos estruturados com camadas de forma plana • ou não plana, por exemplo em forma celular ou alveolar

• C02F tratamento de água, de águas residuais, de esgoto ou de lamas e lodo • Ambiente e Energia

• H01M processos ou meios, p.ex. baterias, para a convecção direta da energia química em energia elétrica

• B01J processo químico ou físico, p.ex. catálise, química coloidal; aparelhos pertinentes

Relação das classificações referentes as seis grande áreas da

Nanotecnologia sob a ótica da Propriedade Industrial

Nome do campo IPC Definição na IPC - 8ª Edição

• B01J processo químico ou físico, p.ex. catálise, química coloidal; aparelhos pertinentes • aos mesmos

• B81B dispositivos ou sistemas de microestruturas, p.ex. dispositivos micro-mecânicos • B82B nano-estruturas; sua fabricação ou seu tratamento

• C01B elementos não-metálicos; seus componentes

• C01G compostos contendo metais não abrangidos pelas subclasses c01d ou c01f • C03B manufatura, modelagem, ou processos complementares

• C03C composição química de vidros, vidrados ou esmaltes vítreos ; tratamento da • superfície do vidro; tratamento da superfície de fibras ou filamentos de vidros, • minerais ou escórias; união de vidro a vidro ou a outros materiais

(57)

• C04 cimento; concreto; pedra artificial ; cerâmicas; refratários • C07 química orgânica

• C08 compostos macromoleculares orgânicos; sua preparação ou seu processamento • químico; composições baseadas nos mesmos;

• C09 corantes; tintas; polidores; resinas naturais ; adesivos; composições diversas;

Relação das classificações referentes as seis grande áreas da

Nanotecnologia sob a ótica da Propriedade Industrial

Nome do campo IPC Definição na IPC - 8ª Edição

• C09 corantes; tintas; polidores; resinas naturais ; adesivos; composições diversas; • aplicações diversas de substâncias ;

• C22 metalurgia; ligas ferrosas ou não-ferrosas; tratamento de ligas ou de metais nãoferrosos • C23C - revestimento de materiais metálicos; revestimentos de materiais com materiais

• metálicos; tratamento da superfície de materiais metálicos por difusão; por • conversão química ou substituição; revestimento por evaporação a vácuo, por • pulverização catódica, por implantação de íons ou por deposição química em fase • de vapor, em geral

• Nano materiais

• C30 crescimento de cristal