SUB PROGRAMA IX Microelectrónica RED IX.I: TESEO “Tecnologías para el Desarrollo de Sensores y Microsistemas” Taller de “Tecnologías MEMS para Sensores” 29-31 de julio de 2002, Buenos Aires MICRO Y NANO-SENSORES PARA DETERMINACIÓN ANALÍTICA: NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS Dr. Julian Alonso Chamarro, Grupo de Sensores y Biosensores Universidad Autónoma de Barcelona
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MICRO Y NANO-SENSORES PARA DETERMINACIÓN … Alonso-MICR… · de sensores y microsistemas ... • materiales biologicos como elementos de reconocimiento selectivo. bio-immunocomposites
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SUB PROGRAMA IXMicroelectrónica
RED IX.I: TESEO“Tecnologías para el Desarrollo de Sensores y Microsistemas”
Taller de “Tecnologías MEMS para Sensores”29-31 de julio de 2002, Buenos Aires
MICRO Y NANO-SENSORES PARA DETERMINACIÓN ANALÍTICA: NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS
Dr. Julian Alonso Chamarro, Grupo de Sensores y Biosensores
SISTEMAS DE RECONOCIMIENTOSISTEMAS ANALITICOSINTEGRADOS
µ TAS
(BIO) ANALIZADORES
AUTOMATIZADOS
(BIO)ANALIZADORES
Sensores Electroquímicos
Potenciométricos• Paso de corriente nulo• Alta Impedancia(E/I)• Superficie activa
selectiva al analitoEjemplos• pH• Electrodos selectivos de
iones (ISE)
VENTAJAS
•AMPLIO RANGO DE MATERIALES SELECTIVOS Y SENSORES.
•AMPLIO CONOCIMIENTO DE LA RELACION ENTRE COMPOSICION Y PROPIEDADES
•INSTALACION SIMPLE, FACIL MANEJO, MEDIDA DIRECTA
•AMPLIO NUMERO DE CONFIGURACIONES (ESTATICA, FLUJO, MICRO, ETC.)
•FACIL APLICACIÓN EN ANALISIS AUTOMATICO Y/O INDUSTRIAL
•BAJO COSTE
DESVENTAJAS
•SELECTIVIDAD INSUFICIENTE
Voltamétricos• Modulación de potencial• Especiación electroquímica• Sistema con tres electrodos• Preconcentración• (VRA) LD inferiores a 10-11 MEjemplos• Metales pesados
Sensores ElectroquímicosAmperométricos• Potencial aplicado fijo en
función de las propiedades electroquímicas del analito
• Corriente registrada en función del tiempo
Ejemplos• Sensor de oxigeno tipo
Clark (disco de Ptpolarizado a -0,7 V vs. Ag/AgCl)
• Peroxido de hidrogeno • Glucosa (Clark)
ISFETs-CHEMFETs
Ventajas• Sensores de estado sólido • Señal de baja impedancia• Tiempo de respuesta rápido • Tamaño y precio
Transistores de efecto de campo selectivos a iones
δnFADCi = )log()303,2( jZ
iZ
akaFZRTKE iji
i++=
Calibración Sensor
AmperometriaElectrodo planar
Convección
VoltametriaEcuación CotrellNo convección
PotentiometriaEcuación Nikolski-Eisenman
Ecuación Nernst concorreccion de selectividad
TRANSDUCCION ELECTROQUIMICA
*OX
OX Ct
DnFAIπ
=
– Intensidad de corriente proporcional a la concentración – Logaritmo del potencial proporcional a la concentración
SENSORES OPTICOS TIPO SENSORES OPTICOS TIPO IWAOIWAODISEÑO CONCEPTUAL DEL DISPOSITIVODISEÑO CONCEPTUAL DEL DISPOSITIVO
ACTIVACIÓN DEL DISPOSITIVOACTIVACIÓN DEL DISPOSITIVO
Fotografía de la Fotografía de la membrana tras su membrana tras su deposicióndeposición
Transmisión de la radiación Transmisión de la radiación en la región de libre en la región de libre propagaciónpropagación
SENSORES OPTICOSDISPOSITIVO OPTICO INTEGRADO CON TRANSDUCTOR OPTOQUIMICO INTERCAMBIABLE
tiempo (s)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Abs
orba
ncia
0.00.40.81.21.62.02.42.83.23.64.04.4
a
b
c
d
e
f
a
h
g
a c d e f g ha
sensor
espectrofotómetroComparación de los calibrados de K+
obtenidos en las mismas condiciones con el IWAO y el sensor de configuración convencional a λ= 670 nm. a: tampón acético/ acetato 0.05 M pH = 5.55, b: 1x10-5 M, c: 1x10-4 M, d: 1x10-3 M, e: 1x10-2 M, f: 1x10-1 M, g: 5x10-1 M, h: 1 M
DISPOSITIVO OPTICO INTEGRADO ACTIVADO CON MEMBRANA SELECTIVA DE ION POTASIO
membrana
I C
MZ+
H+
MIZ+
CH+
(z+1) R-
solución acuosa
SINTESIS NUEVOS CROMOFOROS ZONA NIR
-0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
1 . 0
1 . 2
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4p HAb
sorb
ance
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
1 . 0
1 . 2
4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0W a ve le n g t h (n m )
Abso
rban
ce
Espectro de absorción y curva de valoración del colorante snc7 en etanol
Nor-indocarbocyanines
TsOH
N
YX Cl O
H
H
HO+N
YX Cl
HN
YX
HTsO -
2
t (s)
0 600 1200 1800 2400 3000
Abs
orba
ncia
(-lo
g P
/Po)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
jih
g
sensor
Configuraciónconvencional
fedcba
T
S
R
QP
ON
MK L
λ (nm)
400 500 600 700 800
Abs
orba
ncia
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7pH=3.0
pH=4.3
pH=5.0
pH=5.5
pH=6.5
pH=5.9
DISPOSITIVO OPTICO INTEGRADO ACTIVADO CON MEMBRANA SELECTIVA DE
pH INCORPORANDO INDICADOR NIR
BIOSENSORES, INMUNOSENSORES,
GENOSENSORES
• MATERIALES BIOLOGICOS COMO ELEMENTOS DE RECONOCIMIENTO SELECTIVO
BIO-IMMUNOCOMPOSITES
INMUNOSENSORES BASADOS EN INMUNOCOMPOSITES
Evento de reconocimiento irreversible
DISPOSITIVOS DESECHABLES O REGENERABLES
SAMPLESelectivedetectionof the analyte
IMMUNOCOMPOSITE SIGNAL
POLYMERIC MATRIX,GRAPHITE POWDER,IMMUNOLOGICAL MATERIAL
medio complejo
señaleléctrica
Analito Biorreceptor Transductor Captura de datos Procesador
GENOSENSOR
reconocimientodel analito
sensibilidad a uncambio físico o
químicotransducción obtención de una
señal mensurableobtención de
resultados
M
HRP
red ox
ox red
H2O2H2O
ne-
Diseño y construcción de un genosensor amperométrico
Formato dot-blot
III PASO REACCIÓN DE COMPLEJACIÓN ENTRE DNA-BIOTINAY CONJUGADO HRP-ESTREPTAVIDINA. 30 MIN, 42º C. DETERMINACIÓN ENZIMÁTICA: 15 min
II PASO HIBRIDACIÓN CON LA SONDA MARCADA CON BIOTINA: 45 MIN, 42º C. LAVADO: 5 MIN, 42ºC
I PASO HIBRIDACIÓN CON EL ANALITO: 60 min, 42º C.
PREPARACIÓN DEL GENOSENSOR ADSORCIÓN DE LA SONDA DE CAPTURA: 50 min
Determinación: 160 min
Diseño y construcción de un genosensor amperométrico
Formato de captura secuencial
II PASO REACCIÓN DE COMPLEJACIÓN ENTRE DNA-BIOTINAY CONJUGADO HRP-ESTREPTAVIDINA. 30 MIN, 42º C. DETERMINACIÓN ENZIMÁTICA: 15 min
I PASO HIBRIDACIÓN CON EL ANALITO Y CON LA SONDA BIOTINILADA: 60 min, 42º C. LAVADO: 5 MIN, 42ºC
PREPARACIÓN DEL GENOSENSOR ADSORCIÓN DE LA SONDA DE CAPTURA: 50 min
Determinación: 110 min
Diseño y construcción de un genosensor amperométrico
Formato de captura en un paso
Formato de captura secuencial
dos reacciones en fase heterogénea
Formato de captura en un paso
Diseño y construcción de un genosensor amperométrico
Formato de captura
Diseño y construcción de un genosensor amperométrico
Formato de captura
una reacción en fasehomogénea (más rápida)y una reacción en fase
heterogénea (más lenta)
Determinación: 160 min Determinación: 110 minFormato de captura secuencial Formato de captura en un paso
dos reacciones en fase heterogénea
AUTOMATIZACION DEL PROCESO ANALÍTICO (PA)
OBJETICOS BÁSICOS•PROCESADO DE UN ELEVADO NUMERO DE MUESTRAS•DETERMINACIÓN DE DIFERENTES COMPONENTES DE UNA MISMA MUESTRA• REDUCCIÓN DE LA PARTICIPACIÓN HUMANA •LIMITACIÓN DE ERRORES•REDUCCIÓN DE COSTES•INCREMENTO DE LA VELOCIDAD DE ANÁLISIS•CONTROL DE PROCESOS (INDUSTRIAL U OTROS)•REDUCCIÓN DEL CONSUMO DE MUESTRA Y/O REACTIVOS•SIMPLIFICACIÓN DE UNA TÉCNICA O METODO ANALÍTICO
ANALIZADOR:SERIE DE ELEMENTOS (MODULAR O NO) QUE OPERA DE FORMA AUTOMATIZADA Y HA SIDO DISEÑADO PARA LA DETERMINACIÓN CUALI O CUANTITATIVA DE UNO O VARIOS ANALITOS EN UNA O UNA SERIE DE MUESTRAS EN BASE A CAMBIOS EN SUS PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS O FISICO-QUIMICAS
EN EL GRÁFICO SE REPRESENTA MEDIA MÓVIL CON UNA VENTANA DE
80 DATOS, UN DATO POR DÍA
ANALIZADOR SIMULTANEO DE ION NITRATO Y CLORURO
CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO
-válvula -electrodo-sistema desburbujeador Pi - Solución patrón iV
ErefCl-
residuo
K2SO4
H2O
Muestra
P3P2P1
VV VVV
bomba
NO3NO3- residuo
electrodo de tierra
* SISTEMA BICANAL Y BIPARAMÉTRICO
RANGO DE CONCENTRACIÓN: NITRATO 10-30 ppmCLORURO 50-250 ppmCl- : NO3
- 5-25
VALIDACIÓN EN CAMPO (III) : RÍO EBRO (SAICA)
0
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
1 6
1 8
2 0
2 2
2 4
2 6
Con
cent
raci
ón (p
pm)
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
1 4 0
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
3 2 0
0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0
T i e m p o ( d í a s )
Con
cent
raci
ón (p
pm)
CLORUROVENTANA= 69
NITRATOVENTANA= 73
CICLOS DE 25-35 DÍAS
MULTIPARAMETRIC ANALYZER FOR THE MULTIPARAMETRIC ANALYZER FOR THE ONON--LINE MONITORING OF NITRITE, LINE MONITORING OF NITRITE, NITRATE AND AMONIUM IONS IN NITRATE AND AMONIUM IONS IN WASTEWATER TREATMENT PLANTWASTEWATER TREATMENT PLANT
RiverManufacturingprocess
Aerobic reactor
Anoxic reactor
Ammoniumwastewater
Ethanol
COD wastewater
Settler
1
Sludge recycle
Carbonate
Sludge recycle
NH4+
Alcalinity recycle
Settler
2
Control point (alert system) NH4+
NO2-
NO3-
NH4+
NO2-
NO3-
R1 R3
N/D treatment plant. Sant Sadurní d’Anoia (Barcelona, Spain)
S1 S2
R1
Key parameters:Ammonium: to test total oxidation.Nitrate: to control the automated addition of ethanol in R3.Nitrite: to prevent accumulation (inhibitory substance).
Biological nitrification processNH4
+ NO2- NO3
-R3
Key parameters:Ammonium: to test total removing.Nitrate: to test total removing.Nitrite: to prevent dangerous runoff.
Biological denitrification processNO3
- NO2- N2
R1
NO2- 0-1600 ppm 0-100 ppm
NO3- 0-4500 ppm 0-150 ppm
NH4+ 5000-6000 ppm 0-100 ppm 0-20 ppm
OPERATION OPTIMAL CONDITIONS
WORKING RANGE TO ATTAIN
VERSATILEWORKINGRANGE !!
S1 S2Ammonium wastewater
NITRATE DETERMINATIONNITRATE DETERMINATION
FIA MANIFOLD-NITRATE
Figure 8. Potentiometric detection-FIA (FIP system). P, peristaltic pump; V, valve; MC, mixing coil: 50 cm; B, de-bubbling system; E, nitrate ion selective electrode (tubular configuration) see above; ER, reference electrode (Ag/AgCl); GE, ground electrode; A, carrier solution: distilled water; Sn, standard nitrate solutions, RM, reagent modifier Na2SO4 1 M.
Eref
waste
Sample
S3S2S1
VV VVV
NO3NO3- waste
RM 1.1
1.1
ml min-1
0.25
A
MC
E
P
B
ER
GE
Design FIP system. P, peristaltic pump; Psp, sampling peristaltic pump; D, distribution zone; FS flow system components; E, nitrate ion selective electrode (tubular configuration); ER, reference electrode (Ag/AgCl);.
P
D
E
PSP
ER
FS
time (minutes)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Poten
tial n
ormali
zed (
mV)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
100
100 100 100
1000 1000 1000
2500 2500
5000 5000
CNO3- (ppm)
100 1000 10000
CNO3- (ppm)Time (minutes)
Calibration and sample runs for the 100-5000 ppm NO3- range
ANALIZADOR PARA LA DETERMINACION DE TENSOACTIVOS ANIONICOS Y NO-IONICOS
CALIBRATIONS WITH PRE-CONCENTRATION
Evaluation of the FIA system using on-line preconcentration
Calibration with pre-concentrationConventional calibration
Evaluation of the FIA system using on-line preconcentration
COLUMN
V PRECONCENTRATION, 3mL
DETERMINACIÓN DE SULFURO EN LODOS: ANALISIS POR INYECCION EN FLUJO CON PERVAPORACION
CAMBRA DONADORA
CAMBRA ACCEPTORA
Solució acceptora
HCl
23
1
4
MOSTRA
H2S (g)
S2- (s)
S2- (l)
1
2
3
4
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE LA CELDA DE PERVAPORACION
CAMARA ACEPTORA
(A) Sistema de difusión de gases.1, membrana PVDF; 2, camara aceptora(espiral); 3, rejilla protectora. (B) La membrana se coloca entremedio de 2 i 3
Ubicación del sistema de difusión en la celda
1 3
2
(A)
(B)
12
3
5
Componentes básicos del analizador: (1) bomba peristáltica; (2) válvula de inyección; (3) sistema de detección: electrodo selectivo a ión sulfuro (Ag2S), electrodo de referencia (Ag/AgCl); (4) tubos de teflón que conforman el circuito de fluidos; (5) potenciómetro-amplificador conectado a un PC. Con la integración del sistema de pervaporación se obtiene el diseño inicial del analizador
Bioanalizador de urea y creatinina para la monitorización de procesos de
hemodiálisis
UNIDAD DE CONTROL
ureasa
Creatinina desiminasa
W
válvula 1
válvula 2
Bombaperistáltica
Bombaperistáltica
SANGRE
Hemodializador
Módulo dedifusión de gases
ISE-NH4 Referencia
LiOH 1MW
W
INMUNOPARTICULAS MAGNETICAS
M-280 M-450INMUNOSENSORES BASADOS EN PARTICULAS MAGNETICAS
Evento de reconocimiento irreversible
ELEMENTO RECONOCIMIENTO DESECHABLE
magnetISFET
magnetISFET
magnetISFET
magnetISFET
Urea
NH3
ISFET
magnet
AUTOMATED CONFIGURATION(COMPETITIVE IMMUNOASSAY)
IMMUNOSENSOR BASED ON MAGNETIC IMMUNOPARTICLES
INJECTION OF MAGNETIC PARTICLES PREINCUBATION INCUBATION
WASHING STEP MEASUREMENT OF ENZYMATIC ACTIVITY
REGENERATION
INDUSTRIA ALIMENTARIA Y INDUSTRIA ALIMENTARIA Y AGROPECUARIAAGROPECUARIA
ISFETpH
ISFETpH
DETERMINACION DE SO2 EN VINOS
Determinación de NH4+ y urea
DETERMINACION DEL GRADO ALCOHOLICO PROBABLE EN MOSTO
SENSOR SPR BASADO EN COMPONENTES OPTICOS DISCRETOS
ANALIZADOR DE FLUJO CONTINUO CON DETECCION MULTIPARAMETRICA
VINO
VINO ESTABILIZADO
Pump
GE K+ REFW
pH Ca2+
Carrier Solution
Samplevalve
RC
Time (min)
0 60 120 180 240
Pote
ntia
l (m
V)
300
325
350
375 Calcium
Time (min)
0 60 120 180 240
Pote
ntia
l (m
V)
-150
-125
-100
-75Potassium
Time (min)
0 60 120 180 240
Pote
ntia
l (m
V)
-250
-225
-200
-175
-150 pH
RESPUESTA DE LOS ISFETS DE PH, CALCIO Y POTASIO
VINO SIN TRATAR (----) VINO QUE SE ELUYE DE LA COLUMNA (L)
APLICACIÓN DIRECTA DE SENSORES EN SUELO
FER
TIL
IZA
NT
E Sistema controlOptimizacion de la DOSIFICACION del fertilizante
Sistema sensoranalisis in situ de los niveles de nutrientes
Time (h)
12 16 20 24 28 32 36
Pote
ntia
l (m
V)
-150
-100
-50
0
mg
Nitr
ate/
g s
oil
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
Results obtained at a depth of 15 cm using ( ) the nitrate probe and (•) following the kjehndalmethod.
Time (min)
0 50 100 150 200
Pote
ntia
l (m
V)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2 3 4 5 6
1
Variation of the potential with the addition of different solutions delivered by the calibration pipes. The solutions added were: 1. 0.001M sodium nitrate, 2. 0.01M sodium nitrate, 3. water, 4. 0.001M sodium nitrate, 5. 0.01M sodium nitrate and 6. wash cycle using water.
MEDIDAS IN-SITU DENITRATO EN SUELOS
MICROANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO (µTAS)
MICROSISTEMA DE GESTION DE FLUIDOS. A) VISTA SUPERIOR ; B) VISTA INFERIOR. SE PUEDEN OBSERVAR CINCO PUERTOS DE ENTRADA/SALIDAY DOS AREAS DE DETECCION
Micro-Electric Mechanical Systems (MEMS)
RECIBE Y PROCESA DATOS, DECIDE QUE HACER EN FUNCION DE ESTOS
•INTEGRACION MICROVALVULAS Y MICROBOMBAS•INTERCONEXION COMPONENTES•PERDIDAS DE LIQUIDOS•LLENADO, BURBUJAS, ETC•INTEGRACION DE MATERIALES HETEROGENEOS Y ETAPAS DE PROTRATAMIENTO PREVIO DE MUESTRA•PROBLEMAS GRAVES AL ANALIZAR MUESTRAS COMPLEJAS REALES•(OBTURACION MICROCANALES)•SENSIBILIDAD LIMITADA POR EL VOLUMEN DE MUESTRA
INTEGRACION DE MATERIALES HETEROGENEOS Y ETAPAS DE PROTRATAMIENTO PREVIO DE MUESTRA
INTERCONEXION COMPONENTES
PROBLEMAS GRAVES AL ANALIZAR MUESTRAS COMPLEJAS REALES