Optický biosenzor pro reaktory

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.