Il tipo di materiale su cui si basa la misura (es. semiconduttore) Il principio di trasduzione (e.g. sensore elettrochimico)

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1 Classificazione dei sensori Possibile definizione: Un sensore e un dispositivo che rileva un segnale di input fisico o chimico e lo converte in un appropriato segnale di output. I sensori possono essere classificati in base a: Parametro misurato (es. ph) Applicazione (es. Per uso biomedico) Il tipo di materiale su cui si basa la misura (es. semiconduttore) Il principio di trasduzione (e.g. sensore elettrochimico) 1

2 Sensori chimici Possibile definizione: i i e un dispositivo iti di misura analitica che trasforma un informazione chimica che va dalla concentrazione di uno specifico analita fino all analisi completa della composizione in un segnale utile (generalmente elettrico). 2 componenti principali costituiscono il sensore: un sistema di riconoscimento molecolare (recettore, che conferisce specificita alla misura) un trasduttore fisico-chimico (il sensore vero e proprio) 2

3 Schemaablocchi a sensing element physico/ chemical transducer electrical signal signal conditioning analyte = the compound to be determined filtering amplification transmission storage 3

4 Biosensori E un sensore chimico in cui il sistema di riconoscimento utilizza un meccanismo biochimico Dispositivo in cui l elemento di riconoscimento biologico e integrato t o intimamente t connesso (ovvero in contatto tt spaziale diretto) con il trasduttore Percio, NON sono biosensori Sensori chimici usati per monitorare processi biologici (es. Sensori di pressione sanguigna, sensori di ph usati in vivo) Sistemi analitici che comprendano hardware ulteriore o sistemi di processamento del campione (come i sistemi per cromatografia liquida) 4

5 Schemaablocchi a analyte biorecognition layer physico/ chemical transducer electrical signal signal conditioning biocatalysis: i enzyme, organelle, cell, tissue, organ, organism bioaffinity: antibody/antigen DNA-RNA hybridization electrochemical optical piezoeletric/mechanical electromagnetic calorimetric 5

6 Sistemi e sensori System sensors data processing actuators physical sensors chemical sensors biosensors 6

7 Caratteristiche dei sensori 1/5 addition of analyte S steady state ΔS Background (blank) signal ΔS/Δc Sensitivita e la variazione a regime del segnale di output t del sensore conseguenza della varazione del segnale di input cioe ΔS/Δc, or ds/dc. Per alcuni sensori basati sulla risposta dinamica, il segnale di uscita non e S ma ds/dt percio la sensitivita e definita come Δ(dS/dt)/Δc. Calibrazione E una procedura basata sull esposizione del sensore a vari campioni standard d di composizione i nota: I punti di calibrazione devono includere l intero intervallo di lavoro del biosensore Range intervallo tra il piu alto e il piu basso valore di output sulla scala dello strumento. E misurata in decibel limit of dete ction linear g p p range Calibration curve c Banda passante: intervallo di frequenza entro il quale il sistema di misura puo operare al di sotto di un certo errore. Dipende dalla risposta dinamica del sensore. 7

8 Caratteristiche dei sensori 2/5 Linearita Un sensore perfettamente lineare ha una sensitivita costante nell intervallo di concentrazioni accessibili (ovvero da zero fino alla massima concentrazione raggiungibile nel mezzo di misura). La linearita non e strettamente necessaria per l utilita della misura nel momento in cui si disponga di una curva di calibrazione sufficientemente accurata. Alcuni sensori hanno una sensitivit a semilogaritmica (DS/DlnC). Selettivita (specificita ) si riferisce alla misura in cui un metodo di misura e in grado di determinare la concentrazione di una specie in una miscela senza interferenze da parte di altri componenti. Il sensore chimico ideale risponde solo alle variazione di concentrazione di un certo analita senza risentire degli altri. Questa caratteristica dipende primariamente dall elemento sensibile del sensore. Per ridurre gli effetti delle interferenze si dovrebbe: - cercare di rimuovere gli interferenti attraverso diluizione, conversioni chimiche membrane filtranti - correggere i segnali misurati (ad es. con misure differenziali) 8

9 Caratteristiche dei sensori 3/5 σ B analyte is introduced S -S B Limit of detection (LOD) e la piu piccola concentrazione di analita rilevabile dallo strumento. Idealmente dovrebbe essere limitata dalla risoluzione dello strumento di misura; e definita come l output S per cui: S S B 3σ B Segnale di fondo (S B ): e il segnale in assenza dell analita Il LOD e limitato dal rumore del sensore e dell elettronica elettronica e dalle interferenze ambientali Possibili sorgenti di rumore: sensore (rumore termico, drift in funzione del tempo); rumore dell elettronica, rumore di quantizzazione nei convertitori A/D Interferenze ambientali: campi elettromagnetici, variazioni di ph, variazioni di temperatura (crosstalks); molecole interferenti, legami non specifici (cross sensitivity) 9

10 Caratteristiche dei sensori 4/5 Dipendenza dalla Temperatura influisce sia sulle reazioni chimiche che sulla diffusione di specie in soluzione. Percio le misure vengono se possibile realizzate in condizioni isoterme Risoluzione: i e il piu piccolo incremento di valore misurato rilevabile dalla scala dello strumento di lettura. Dipende dalla sensitivita e dall elettronica di lettura. detection limit resolution Stabilita a lungo termine (drift) e determinata da variazioni della sensitivita nel tempo. La sensitivita tipicamente decresce ma potrebbe anche temporaneamente salire (variazioni dello strato sensibile). Una diminuzione graduale della sensitivita potrebbe derivare da diversi fattori (ossidazione delle superfici metalliche esposte, deposizione di strati proteici da soluzione, specie per misure in vivo, in termine tecnico si definisce come avvelenamento del sensore) 10

11 Caratteristiche dei sensori 5/5 Tempo di risposta e definito come il tempo necessario per ottenere una certa percentuale del valore stabile di misura, es. τ 95 tempo occorrente per raggiungere il 95% E determinato principalmente dal trasporto dell analita dal bulk della soluzione alla superficie del sensore (il riconoscimento e la trasduzione sono di norma molto rapidi). Dipende dalle proprieta fisiche del sensore (es. dimensioni) e da come viene effettuata la misura (es. se la soluzione viene miscelata o no) Anche la diffusione interna nello strato di sensing impiega un certo tempo, non trascurabile. Leggi di trasporto di massa Diffusione: dovuta a gradienti di concentrazione Convezione: dovuta a flusso del fluido Migrazione (drift): dovuta a campo elettrico Tempo di vita e limitato dall elemento piu debole (bioriconoscimento). Shelf life e la stabilita del sensore prima dell uso (dipende dalle condizioni di conservazione. Operational stability dipende dal numero e dal tipo di campioni analizzati 11

12 Caratteristiche dei sensori 6/6 Isteresi Differenza osservata sull output ottenuto in corrispondenza dello stesso valore di concentrazione sulla curva ottenuta per concentrazioni crescenti rispetto a quella per concentrazioni decrescenti Idealmente dovrebbe essere zero, ma deriva dal fatto che la misura puo determinare variazioni ambientali o del sensore, (ph, buffer capacity,..) Biocompatibilita e rilevante per sensori utilizzati per applicazioni i i biomedicali in cui sia necessario un monitoraggio dei parametri in fase acuta o da sensori impiantati in vivo. Possibili rimedi: anti-thrombogenic surface coatings,sterilizzazione 12

13 Condizioni di misura 1/2 S Sample additions Contatto diretto il sensore e messo a diretto contatto col campione da misurare (tessuto biologico, flusso sanguigno, etc) senza influenzarne il comportamento. Miscela il sensore e messo in un beaker in cui e disciolto un solvente. Dopo la stabilizzazione del sensore viene aggiunto il campione da misurare e la misura ha inizio. 13

14 Condizioni di misura 2/2 S time A B Flow-through systems IN OUT Il sensore e messo in una cella a flusso. L analita da analizzare viene iniettato nella cella dove inizialmente scorre un liquido buffer. 14