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SENSORI & BIOSENSORI: Analisi dei Prodotti Gianfranco Greppi Laboratorio di Bionanotecnologie. Porto Conte Ricerche Università di Sassari.

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Presentazione sul tema: "SENSORI & BIOSENSORI: Analisi dei Prodotti Gianfranco Greppi Laboratorio di Bionanotecnologie. Porto Conte Ricerche Università di Sassari."— Transcript della presentazione:

1 SENSORI & BIOSENSORI: Analisi dei Prodotti Gianfranco Greppi Laboratorio di Bionanotecnologie. Porto Conte Ricerche Università di Sassari

2 Sommario Ricerca e Trasferimento Perché i biosensori La tecnolgia Le applicazioni

3 building block Università Enti pubblici e Non-profit Imprese con i propri laboratori infrastrutture di base building block Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione

4 RECESSIONE E MANCATA RICERCA Francia 38 miliardi INVESTIMENTI IN CONOSCENZA 1,8 vs 4,5 Paesi OCSE PIA, POR, MIUR innovazione ULTIMO DEI PAESI DEL G7 Unico con oltre 50% finanziamento pubblico PRODUTTIVITA +0,8 Nel 2003 investimenti in ricerca 16 miliardi Euro OCSE

5 Un percorso per il trasferimento tecnologico nel settore delle Biotecnologie Relatore : GIANFRANCO GREPPI- LEA BIOTECH SPINOFF UNIMI

6 Il sistema della ricerca, della sperimentazione e del trasferimento dellinnovazione building block Università Enti pubblici e Non-profit Imprese con i propri laboratori infrastrutture di base Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione building block Le Università costituiscono da sempre uno dei blocchi costituivi dei cosiddetti sistemi della ricerca e dell'innovazione

7 Ogni istituzione può giocare molteplici ruoli: formazione, ricerca fondamentale e applicata, sviluppo tecnologico - i legami tra gli attori del sistema si sono intensificati: le collaborazioni tra imprese, Enti e Università, non sono più eventi sporadici ma prassi comune; esse coinvolgono crescenti flussi di risorse finanziarie, di uomini e di conoscenze - la comparsa e l'affermazione del sistema finanziario come nuovo attore nei SI, con un ruolo del Venture Capital -Start-up nei settori di punta tecnologica, originate nelle Università e nei Centri di Eccellenza scientifica.

8 RECESSIONE E MANCATA RICERCA Francia 38 miliardi INVESTIMENTI IN CONOSCENZA 1,8 vs 4,5 Paesi OCSE PIA, POR, MIUR innovazione ULTIMO DEI PAESI DEL G7 Unico con oltre 50% finanziamento pubblico PRODUTTIVITA +0,8 Nel 2003 investimenti in ricerca 16 miliardi Euro OCSE

9 DIDATTICA RICERCA DI BASE APPLICATA T RASFERIMENTO SPIN-OFF DIDATTICA RICERCA DI BASE APPLICATA SPIN-OFF

10 DIDATTICA RICERCA DI BASE APPLICATA SPIN-OFF RECESSIONE E MANCATA RICERCA

11 BIOTECH & PMI (2003) Impiegano 1700 addetti e realizzano un fatturato di 250 milioni di euro. Impiegano 1700 addetti e realizzano un fatturato di 250 milioni di euro.

12 BIOTECH & PMI (2003)

13 BASSI COSTI HIGH THROUGHPUT QUALITA DEI DATI INTEGRAZIONE STANDARDIZZAZIONE DECENTRALIZZAZIONE INFORMAZIONE Vecchi valori Nuovi valori CURVA APPRENDIMENTO ACCELERATA BIOTECH & PMI 1990 vs 2010

14 MICRO DIMENSIONI INFORMAZIONE DIGITALE NUOVE PIATTAFORME BASSI CONSUMI REAGENTI MISURE DIRETTE SCREENING NUOVI LEAD PROTEOMICA GENOMICA ARRAY BIOTECH & PMI

15 BIOTECH & PMI TREND

16 BIO-NANOTEC PER LA SALUTE E PER LA BIOSICUREZZA DEI PRODOTTI

17 BIOTECH & PMI TREND

18 BIOTECH & PMI PRODOTTI

19 GENOMICA SVILUPPO RICERCA ANALISI CHIMICA ANALISI BIOLOGICA IDENTIFICA IL TARGET VALIDA IL TARGET IDENTIFICA IL LEAD OTTIMIZZA LEAD TEST PRE-CLINICI TEST CLINICI PROTEOMICA FARMACOGENOMICADRUG DELIVERY Bioinformatica PIATTAFORMA BIOTECH

20 Bioinformatica Biotech & Fusion Technologies Genomics, Proteomics and Bioinformatics: Combinatorial –chemistry Peptide libraries- tea bags, beads Combinatorial –biology Directed evolution DNA Shuffling, Molecular Breeding High throughput analysis: Nucleic Acid based Sequencing Microarrays Protein based. 2-D, electrospray/nanospray MS: MALDI-TOF, LC/MS/MS, SELDI Imaging/optical biology. Biosensors, Bioelectronics Bionetworks (Nanotechnology).

21 MICROARRAY

22 PROTEOMICA

23 La conoscenza deve scorrere da quelli che sanno le cose a quelli che fanno cose Joel Mokyr Historical Origins of Knowledge EconomyPrinceton University 2002

24 Perchè i biosensori? I biosensori sono degli strumenti analitici con potenzialità enormi, sia in termini di interesse scientifico, sia in termini di applicazioni commerciali: – Capo medico diagnostico. – Analisi dei pesticidi e contaminanti delle acque – Analisi in remoto per contaminazioni batteriche nelle attività bioterrorismo. – Analisi dei patogeni negli alimenti – Analisi di routine dellacido flico, biotina, vitamina B12 e acido pantotenicobiotinvitamina B12 – Analisi di antibiotici negli alimenti

25 I biosensori I BIOSENSORI sono degli strumenti analitici costituiti da un componente biologico e un trasduttore. trasduttore comp. biologico film protettivo PC

26 Schema logico di un sensore Interfaccia elettronica Unità di memorizzazione Unità di elaborazione

27 Perchè i biosensori? Analisi degli alimenti – Analisi dei pesticidi e contaminanti delle acque – Analisi dei patogeni – Analisi diossine – Analisi di routine dellacido flico, biotina, vitamina B12 e acido pantotenicobiotinvitamina B12 – Analisi di antibiotici

28

29 Cosa misura il biosensore? Lattività dellenzima:

30 I trasduttori Trasduttori usati per la costruzione di biosensori: Potenziometrici Conduttimetrici II generazione III generazione Elettrodi a vetro ISE ISFET

31 Trasduttori ottici Un biosensore a trasduttore ottico misura i cambio di assorbanza di uno strato di reagente biologico che interagisce con lanalita.

32 Risonanza di superficie a plasmon SPR

33 Trasduttori acustici

34 Trasduttori potenziometrici pHmetro: – Glucosio ossidasi glucose + O 2 gluconolactone + H 2 O 2 gluconate + H + – Lipasi lipide neutro + H 2 O glicerolo + acidi grassi + H +

35 Trasduttori potenziometrici ISE al NH 4 + : – L-amino ossidasi L-amino acido + O 2 + H 2 O keto acido + NH H 2 O 2 – asparaginasi L-asparagine + H 2 O L-aspartate + NH 4 +

36 Trasduttori potenziometrici ISE al I - : – perossidasi H 2 O 2 + 2H + + 2I - I 2 + 2H 2 O ISE al CN - : – glucosidasi amigdalina + 2H 2 O 2glucose + benzaldeide + H + + CN -

37 Trasduttori conduttimetrici Il prodotto di una reazione enzimatica cambia la conducibilità della soluzione in prossimità degli elettrodi. Lamina doro o di platino Enzima

38 Trasduttori amperometrici Lamperometria misura una corrente ad un potenziale applicato costante. Current Time background Add 10 M steady-state

39 Amperometria

40 Corrente e potenziale Su un metallo inerte, applico un potenziale anodico, o catodico, relativamente ad un elettrodo di riferimento. Il metallo misura una corrente anodica o catodica, in base al numero delle specie in soluzione che si possono ossidare o ridurre.

41 Potenziale anodico e catodico Potenziale anodico: La superficie è povera di elettroni. Una specie chimica capace di donare elettroni verrà ossidata Potenziale catodico: La superficie è ricca di elettroni. Una specie chimica capace di ricevere elettroni verrà ridotta e-e- e-e-

42 Biosensori amperometrici Working electrode Substrato red H2O2H2O2 Substrato ox O2O2 elettroni

43 Biosensori amperometrici Si classificano in I, II e III generazione

44 Biosensori della I generazione La prima classe di biosensori amperometrici riguarda la misura diretta del prodotto della reazione enzimatica: – Perossido di idrogeno – NADH – Consumo del cofattore (ossigeno)

45 Biosensori della I generazione Il primo biosensore fu ideato da Clark nel Esso si basava sulla misura dellossigeno consumato durante la reazione enzimatica di un ossidasi, tramite un elettrodo di platino polarizzato a -700 mV, seguendo la reazione: Il range dinamico di questo dispositivo è circa tra 50 M e 1 mM.

46 Biosensori della I generazione Unalternativa al primo biosensore si basa: – sulla imobilizzazione dellenzima direttamente sulla superficie dellelettrodo – sulla misura del perossido di idrogeno prodotto durante la reazione enzimatica, tramite un elettrodo di platino polarizzato a +700 mV, seguendo la reazione:

47 Biosensori della I generazione Il perossido di idrogeno può anche venire ridotto allelettrodo di platino, secondo la seguente equazione:

48 Biosensori della I generazione Alternativamente, è possibile misurare la produzione di NADH da NAD+ quando si usano enzimi tipo deidrogenasi: Il NADH è ossidato allelettrodo, ma sono richiesti potenziali molto alti.

49 Biosensori II generazione I biosensori si sono evoluti, sostituendo il cofattore naturale dellenzima con una molecola capace di traghettare gli elettroni dal centro attivo dellenzima alla superficie del trasduttore amperometrico. Working electrode Substrato red Mediatore red Substrato ox Mediatore ox elettroni

50 Cosè un mediatore? I mediatori si possono classificare in: – Molecole organiche – Complessi organici di metalli di transizione – Molecole inorganiche – Polimeri conduttori Idealmente, il mediatore dovrebbe essere piccolo da entrare facilmente nel sito attivo dellenzima, essere riciclabile, scambiare elettroni velocemente con lelettrodo.

51 Cosè un mediatore?

52 Per un processo reversibile:

53 Biosensori II generazione Ulteriori sviluppi nellutilizzo dei biosensori della II generazione riguardano limpiego di polimeri conduttori: – Polipirrolo – Polianilina – Politiofene Questi polimeri hanno la capicità di formare film conduttivi, che possono essere impiegati per immobilizzare enzimi e mediatori di vario tipo.

54 Biosensori II generazione Il premio nobel per la Chimica nel 2000 fu attribuito a Alan J. Heeger, Alan G MacDiarmid, e Hideki Shirakawa per il loro lavoro sui polimeri conduttori. politiofenepolipirrolo polianilina

55 Biosensori III generazione

56 Componenti bioattivi tessuti biocatalitici biorecettori

57 Biotecnologia Applicata: Analisi dei Prodotti Vegetali AA Lezione 7

58 reactant 1 + reactant 2 products energyenergy Intermediate : enzyme/reactant 1 + reactant 2 no enzyme present enzyme present + enzyme Course of reaction ReplayReplay Close windowClose window

59 Fattori che influenzano lattività

60 Tecniche di immobilizzazione Chimica Legame covalente sullelettrodo su membrana Fisica assorbimento fisico ritenzione incorporazione polimerizzazione pasta di carbone inchiostri su gel su membrane polimeri conduttori


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