Ανάπτυξη Ηλεκτροχημικών Αισθητήρων με Τεχνολογία Εκτύπωσης Λέιζερ για Περιβαλλοντικές Εφαρμογές

Abstract

Ο κλάδος της Μικροηλεκτρονικής με τη ραγδαία ανάπτυξή του προσέφερε νέες διεξόδους στην ανάγκη για ανίχνευση και καθορισμό διάφορων αναλυτών με τη χρήση των βιοαισθητήρων. Σε αυτούς, οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες έχουν τη δυνατότητα να ανιχνεύουν το ηλεκτροχημικό σήμα μίας οξειδοαναγωγικής αντίδρασης που προκύπτει από την πρόσδεση του βιοϋποδοχέα με τον αναλύτη και να το μετατρέπουν σε μετρήσιμο σήμα. Ο βιοϋποδοχέας αφενός επιλέγεται αναλόγως τη χρήση του αισθητήρα. Ωστόσο, πρέπει αφετέρου να επιλεχθεί και η τεχνική εναπόθεσης αυτού πάνω στην επιφάνεια του αισθητήρα. Η τεχνική απευθείας μικροεναπόθεσης με λέιζερ (laser-induced forward transfer – LIFT) είναι από τις τεχνικές άμεσης εκτύπωσης που ξεχωρίζουν και που αξιοποιείται στην παρούσα εργασία για την ανάπτυξη ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων. Με το βιοϋποδοχέα να είναι μία αλληλουχία DNA, αναπτύχθηκαν βιοαισθητήρες από εμπορικούς αμπερομετρικούς αισθητήρες (screen printed electrodes – SPEs) με ηλεκτρόδιο εργασίας από χρυσό για ανίχνευση υβριδοποίησης του DNA και για ανίχνευση ιόντων του βαρέου μετάλλου Pb(II), το οποίο έχει απασχολήσει τα τελευταία χρόνια την επιστημονική κοινότητα για τις δυσμενείς επιπτώσεις του στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. Στην πρώτη εφαρμογή, ο αισθητήρας ανιχνεύει την υβριδοποίηση της δίκλωνης αλυσίδας DNA, ενώ στη δεύτερη ανιχνεύει τη διάσπασή της, όπως αυτή προκύπτει από την καταλυτική αντίδραση που υπάρχει ως πληροφορία στην αλληλουχία των βάσεων των επιμέρους αλυσίδων της παρουσία μολύβδου. Τέλος, οι ίδιοι αμπερομετρικοί αισθητήρες με ηλεκτρόδιο εργασίας από γραφίτη εκτυπώθηκαν με το ένζυμο της λακάσης για την ανίχνευση μίας φαινολικής ένωσης, της κατεχόλης. Η δυναμική της τεχνικής LIFT έγκειται στο γεγονός ότι δεν πρόκειται μόνο για μία τεχνική εκτύπωσης του βιολογικού υλικού, αλλά επιπλέον και ως μία τεχνική ακινητοποίησης του ενζύμου πάνω στην επιφάνεια του αισθητήρα. Ο συγκεκριμένος βιοαισθητήρας θα μπορούσε να αξιοποιηθεί και ως μία μέθοδος έμμεσης ανίχνευσης ιόντων Pb(II), καθώς και διαφόρων φυτοφαρμάκων και ζιζανιοκτόνων.

Biosensors are one of the fortunate outcomes generated by the fast-paced development of the field of Microelectronics, both for detecting and determining various analytes. One particular type of these sensors, the electrochemical ones, is designed to detect an electrochemical signal which stems from the redox reactions upon binding of the analyte to the bioreceptor’s site. While selecting the appropriate bioreceptor appears to be rather important concerning the sensor’s potential use, the most suitable deposition technique must also be taken into account. Out of all the direct-write techniques, the laser-induced forward transfer (LIFT) stands out and is being used in this work as an advanced tool for the fabrication of electrochemical biosensors. With the bioreceptor being a DNA sequence, DNA-based sensors were fabricated from commercial amperometric sensors, the screen printed electrodes (SPEs) with a golden working electrode. This device was able to detect the DNA hybridization and could be a potential solution for the detection of Pb(II) ions; a heavy metal which has rung the alarm of the scientific community due to its adverse effects on the environment and human beings. In the first application, the sensor detects the hybridization of the double-stranded DNA, whereas in the latter one it detects its cleavage which originates from the catalytic reaction dictated from the sequences of each single-stranded DNA in the presence of lead. Finally, another type of SPEs with their working electrode made with graphite was printed with the laccase enzyme for the detection of a phenolic compound, namely catechol. The LIFT technique not only enables the successful deposition of the biomaterial, but also assures the immobilization of the enzyme onto the surface of the sensor. This biosensor could be exploited for the indirect detection of Pb(II) ions, as well as several herbicides and pesticides.