Aktuální číslo:

2025/7

Téma měsíce:

Umění

Obálka čísla

Optický biosenzor pro reaktory

Nové spojení biologického a anorganického materiálu; Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
 |  9. 6. 2011
 |  Vesmír 90, 345, 2011/6
komerční prezentace

Ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu, výrobě biopaliv a při čistění odpadních vod je pro kontrolu a optimální provoz nutná častá kontrola reaktantů biotechnologického procesu. V současnosti jsou koncentrace látek zjišťovány v odebraných vzorcích. Odběr vzorku a jeho následné zpracování v laboratoři vyžaduje čas, který zpožďuje případnou úpravou složení a podmínek procesu. Použití senzorů, které umožňují kontinuální monitorování koncentrace důležitých látek in-situ – přímo v bioreaktoru – by tak mělo přinést úspory ve výrobě i zlepšení kvality.

Jedním z mezinárodních projektů, na jehož řešení se významnou měrou podílel i Ústav chemických procesů AV ČR, v. i. i., byl projekt „Nové organicko-anorganické materiály v optoelektronických systémech pro monitorování a kontrolu bioprocesů“ (G5RD-CT-2002-00752). Tento projekt, s akronymem MATINOES, byl součástí programu „Udržitelný a konkurence schopný rozvoj“, podporovaného Evropskou komisí. Na projektu, řešeném v letech 2002–2006, se podílelo 8 organizací z 6 evropských států.

Cílem projektu MATINOES bylo vyvinout optický senzor za použití enzymu jako biochemického převodníku, který by byl dostatečně robustní, aby mohl být sterilizován a aby jeho odezva byla dlouhodobě stabilní. Za tím účelem byl enzym imobilizován do mechanicky a chemicky odolného anorganicko-organického hybridního materiálu, ORMOCER®, vytvrzovaného ultrafialovým světlem. Jako modelový enzym byla zvolena glukóza-oxidáza. Důvodem pro toto rozhodnutí byla jak dostupnost relativně stabilního enzymu, u kterého již byly zevrubně prostudované analyticky využitelné reakce, tak důležitost on-line kontroly koncentrace glukózy při syntéze některých léků a potravin pro diabetiky.

Příprava nových typů anorganicko-organických hybridních materiálů, které sloužily k fixaci enzymu a fluorescenčního převodníku na optické součástky, jako jsou čočky a optická vlákna, byla řešena ve Fraunhoferově ústavu ve Würzburgu (ISC). Čištění, modifikace a imobilizace enzymů do optického obalu byla předmětem výzkumu kolegů z Madridu (ISCS) a Lyonu (IFoS, Ecole Centrale de Lyon). S koordinátorkou projektu dr. Patricií Scully z Univerzity v Manchesteru spolupracovaly na vývoji optického detekčního systému a optických vláken Ústav fotoniky AV ČR, v. v. i., a firma SAFIBRA. V Ústavu chemických procesů AV ČR, v. i. i., pak byly zkoušeny převodníky a prototypy senzoru v laboratorním bioreaktoru. Glukózový senzor byl validován při měření koncentrace glukózy v jablečném moštu v Irském centru pro výzkum a inovace (Moorepark).

Glukózový senzor MATINOES je založen na optickém měření snížení koncentrace kyslíku v důsledku enzymaticky katalyzované oxidace glukózy. Rutheniový komplex, jehož fluorescence je dynamicky zhášena úměrně koncentraci kyslíku, slouží jako optický převodník. Obě složky, enzym i rutheniový komplex, jsou zachyceny v polymeru, s polysiloxanovým skeletem vytvrditelným ultrafialovým světlem (ORMOCER®). Enzym je chráněn proti nepříznivým vlivům po smísení s ORMOCERem a v průběhu UV vytvrzování citlivé vrstvy kovalentní vazbou k organickému nosiči. Čočka s citlivou vrstvou je spojena se zdrojem a detektorem světla optickými vlákny. Doba života fluorescence je určována měřením intenzit světla ve čtyřech bodech po zastavení excitace.

Testy v laboratorním fermentoru prokázaly, že samotný kyslíkový senzor je opakovatelně autoklávovatelný bez ztráty citlivosti. Glukózový senzor je sterilizovatelný alkoholy nebo UV zářením a jeho citlivost byla v rozmezí 0–3 mmo/l s detekčním limitem 0,5 % po dobu nejméně 30 dnů.

Výstupy projektu zahrnují několik funkčních prototypů biosenzorů, 50 publikací a patentovou přihlášku. V ÚCHP bylo natočeno instruktážní video www.icpf.cas.cz/cs/ matinoes, které ukazuje princip senzoru, jeho použití a aplikaci. V rámci 5. rámcového programu EU byl projekt MATINOES vyhodnocen mezi nejlépe řešenými (EUR 23581 EN – Succes stories in the materials field – A decade of EU-funded research. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities 2008, ISBN 978-92-79-09669-3).

Vyvinutý senzor je možné použít k měření koncentrace kyslíku a po imobilizaci příslušného enzymu, oxidázy, k měření koncentrace dalších látek, jako jsou alkoholy a cukry. Na rozdíl od elektrických senzorů je možné použít optické senzory i ve výbušném prostředí. Navíc při měření nedochází ke spotřebě kyslíku tak jako u dosud nejužívanějšího kyslíkového čidla – Clarkovy elektrody (viz Vesmír 89, 631, 2010/10).

Po skončení projektu pokračují experimenty s prototypy biosenzorů v Ústavu chemických procesů, který je díky tradičnímu zaměření na reaktorové inženýrství, pro tento interdisciplinární výzkum dobře připraven jak po materiálové, tak i lidské stránce.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Optika

O autorovi

Gabriela Kuncová

 

Doporučujeme

Najít své těžiště kontroly

Najít své těžiště kontroly uzamčeno

„Svobodu, nebo smrt je návod, jak vyhrát bitvu, ale zároveň recept na rozchod,“ říká bývalý hlavní armádní psychiatr Jan Vevera. Faktory, které...
Věstonická superstar

Věstonická superstar video

Soška tělnaté ženy z ústředního tábořiště lovců mamutů u dnešních Dolních Věstonic pod Pálavou je jistě nejznámějším archeologickým nálezem...
K čemu je umění?

K čemu je umění? uzamčeno

Petr Tureček  |  7. 7. 2025
Výstižná teorie lidské evoluce by měla nabídnout vysvětlení, proč trávíme tolik času zdánlivě zbytečnými činnostmi. Proč, jako například lvi,...