Prof. habil. dr. Arūnas Ramanavičius

Fizikinės Chemijos katedra,

Vilniaus Universitetas

NanoBioTechnologijų laboratorija,

VMTI Fizinių ir Technologijos

Mokslų Centras

NanoTechnas – Nanotechnologijų ir

Medžiagotyros Centras

Chemijos Fakultetas, Vilniaus Universitetas

Center of

NanoTechnology and

Material science -

NanoTechnas

NanoTechnas - Center of

NanoTechnology and

Materials Science

Trečio tūkstantmečio pradžioje išryškėjo naujos

chemijos mokslo tendencijos, kurios sukūrė

kokybiškai naujus poreikius cheminių

technologijų specialistams. Didesnis dėmesys

šiuo metu turėtų būti skiriamas su chemijos

mokslu glaudžiai susijusioms mokslo šakoms:

(i) Nanotechnologijai ir nanomokslui,

(ii) Biotechnologijai,

(iii) Bioinformatikai ir informacinių

technologijų taikymui chemijos moksluose,

(iv) Aukštųjų cheminių technologijų vadybai.

Ką reiškia

„mažas”

Atominės jėgos

mikroskopas

Nanotechnologijos plėtrą stimuliavo

nanoobjektus gebančios registruoti

įrangos atsiradimas

AFM principas

AFM svarbiausios dalys

AFM taikymas

analizinėje

chemijoje

Ląstelės AFM vaizdai

Receptorių struktūros

nustatymas AFM

AFM vaizdai

į Ppy inkapsuliuota

GOx

Nanotechnologijos plėtrą stimuliavo

nanoobjektus gebančios registruoti

įrangos atsiradimas

EUV: 60-80 nm

Molekuliniai dariniai „ant padėklo”

Biotechnologijai

(Opto)Elektronikai

Chemijai

Baltymų spausdinimas

IgG, AFM

GFP, LSM

Atolitriniai molekuliniai indai

Nanoįbrėžimai Michigan State University, Xu grupė, apie 1997

Vandens lašeliai ir

nanolitografija

Lustų gamyba

Manipuliavimas nanoobjektais

4 mm

DNR Baltymai

100 nm

0 1.2 µm

130 nm

290 nm

Elektrai Laidūs polimerai

Nanodalelės

1 mm

Multiprobe DPNL

Konstravimas ir nuskaitymas-

vienu įrenginiu

Membraninių baltymų

imobilizavimas

Membraninių baltymų lustai

Didelės skyros struktūriniai tyrimai

100 nm

Konformacijos vizualizavimas

Baltymų nanomanipuliavimas

Baltymų nanomanipuliavimas

Sąveikos tarp ląstelių tyrimai

Ateities

nanoįrenginiai

Svarbesnės mūsų grupės tyrimų kryptys

Jutikliai

ir

Biojutikliai

Kuro

elementai

ir

Biokuro

elementai Kataliziniai

Fermentiniai

Jutikliai

DNR

Jutikliai Immuno-

Jutikliai

Molekulių

įspaudais

modifikuotių

polimer ų

taikymas

Jutikliuose

Elektrai laidūs

polimerai

Biomedicina:

Implantai;

Vaistų

pernašos

sistemos

Pradžia:

1977 metais, polimerinant acetileną naudojant Ciglerio-Natta katalizatorius ir

oksidavus chloro, bromo arba jodo garais buvo susintetintas elektrai laidus

poliacetilenas.

Šiuo metu elektrai laidūs polimerai (ELP) jau taikomi:

1. Elektronikos elementuose (dioduose, tranzistoriuose, lauko tranzistoriuose);

2. Akumuliatoriuose, galvaniniuose elementuose, kondensatoriuose ir “super”

kondensatoriuose;

3. Šviesolaidžiuose;

4. Dirbtiniuose “raumenyse”;

5. Ekranuose apsaugančiuose nuo elektromagnetinio spinduliavimo (“STELS”

technologija);

6. Šviesos dioduose (LED, PLED...);

7. Kompiuterių ir mobiliųjų telefonų displėjuose;

8. Įvairiuose struktūriniuose elementuose;

9. Jutikliuose (Elektromagnetinių bangų, chemo-, bio-, imuno-, DNR- ir. kt...).

Perspektyvos: Ten kur reikalingas superlaidumas; “Molekuliniuose” kompiuteriuose;

Apšvietimo prietaisuose (šviečiančiose sienose ir kt.); Neuronų – puslaidininkinių lustų

jungtyse; Naujos kartos lazeriuose; Naujos kartos jutikliuose ir biologiniuose

Nobelio premijos laureatai Už elektrai laidžių polimerų atradimą ir taikymą

Prof. Alan J. Heeger; Prof. Alan G. Mac Diarmid, Prof.

Hideki Shirakawa

suteikta 2000 m. Nobelio premija chemijos srityje.

Elektrai laidūs polimerai

Izoliatoriai Puslaidinin-

kiai

Metalai

Krūvio pernašos

mechanizmas

Kvarcas Deimantas

Laidumas

Silicis Varis

Nn

Sn

Polipirolas Politiofenas

n

Poliacetilenas

H

Polianilinas

N

n

On

Polifuranas

H

Kai kurių elektrai laidžių polimerų

cheminės struktūros

Gali būti elektrochemiškai

susintetintas ant elektrai laidžių

paviršių.

Elektrocheminė sintezė galima

esant neutraliems pH.

Suformuoja pakankamai stabilų

ir elastingą sluoksnį.

Gali būti legiruotas

biologiniais objektais

pvz.: baltymais.

Katalizatorius

Signalo vertiklis

Registruojantis,

valdymo

įrenginys

Labai svarbu,

kad “kontaktas

būtų geras”.

Analitė

Produktai

Kaip panaudoti elektrai laidžius polimerus analizinėse sistemose?

• Kovalentiniškai imobilizuoti su analite sąveikaujančias struktūras (ASS)

• ASS įterpimas į polimero matricą

• ASS inkapsuliavimas į polimero kapsules

• Molekulių įspaudų formavimas elektrai laidžiuose polimeruose

Elektrai laidžių polimerų sintezės metodai

• Cheminė polimerizacija

• Elektrocheminė polimerizacija

• Šviesa indukuota polimerizacija

K. Leonavicius, A. Ramanaviciene, A. Ramanavicius, Polymerization Model for

Hydrogen Peroxide Initiated Synthesis of Polypyrrole Nanoparticles. Langmuir 2011, 17,

10970–10976.

H2O2 + 2H+2H2O

Gliukozės oksidazės “inicijuota” elektrai laidžių polimerų sintezė

Polipirole imobilizuotos gliukozės oksidazės taikymas

Ramanavičius A., Kaušaitė A., Ramanavičienė A. Polypyrrole coated glucose oxidase

nanoparticles for biosensor design. Sensors and Actuators B-Chemical 2005, 111–112,

532–539.

Ramanavičius A., Kaušaitė A., Ramanavičienė A., Acaite J., Malinauskas A. Redox

enzyme – glucose oxidase – initiated synthesis of polypyrrole. Synthetic Metals 2006,

156, 409–413.

AFM vaizdai

į Ppy inkapsuliuota

GOx

NanoTechnas

“Fermentinės” PPy ir PANI sintezės

taikymas

Elektrocheminės

polipirolo

sintezės schema.

Elektrocheminė polipirolo sintezė ir pralaidumo

elektrochemiškai aktyviems jonams tyrimas

NH

NH

+.

NH

NH

NH

e-

2e-

NH

NH

NH

NH n

(2n-1)e-

H

NH

NH

NH

Hn

NH

R

R

O2

me-

R COH

COOH

CH2OH

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 20 40 60

t, s

I, n

A

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0

4 0 0

4 5 0

5 0 0

5 5 0

6 0 0

6 5 0

7 0 0

7 5 0

8 0 0

8 5 0

I,

n

A

I m p u l s u s k a i c i u s ( n )

y=(Z-K)/(1+(L*x)D)+K; kur

Z=441.08.1;

K=825.02.45;

L=0.37510.0112;

D=2. (1,95 0,03)

Impulsinė

chronoamperograma,

registruota potencialo

impulsais inicijuotos polipirolo

polimerizacijos metu.

Anodinės srovės smailių

verčių priklausomybė nuo

impulsų skaičiaus nuo

elektrocheminės Ppy

polimerizacijos pradžios.

Ppy Sintezės

impulsinės

amperogramos

Įskiepyti (angl.: Grafted) elektrai

laidūs polimerai

Y. Oztekin, A. Ramanaviciene, N., Ryskevic, Z., Yazicigil, Z., Ustundag, A.O. Solak, A. Ramanavicius, 1,10-Phenanthroline

modified glassy carbon electrode for voltammetric determination of cadmium(II) ions Sensors and Actuators B Chemical

2011, 157, 146– 153

Y. Oztekin, A. Ramanaviciene, Z. Yazicigil, A.O. Solak, A. Ramanavicius Direct electron transfer from glucose oxidase

immobilized on polyphenanthroline modified-glassy carbon electrode, Biosensors and Bioelectronics, 2011, 26, 2541–

2546..

Įskiepyti (angl.: Grafted) elektrai

laidūs polimerai

.

gp5

1

gp51

gp51

gp5

1 gp5

1

gp51

gp5

1

Baltymų imobilizavimas potencialo impulsais

formuojant polipirolo sluoksnį

P

Pt

ele

ktr

od

as

p y gp5

1

P

gp5

1

p y

E, mV

t

950

0

Kovalentinis

baltymų

imobilizavimas ant

susintetintų elektrai

laidžių polimerų

sluoksnių

Pt

ele

ctr

od

ePPy

Pt

ele

ctr

od

e

+PirolasElektrocheminė

polimerizacijaElectrochemical

polymerisation

+Cu(NO )3 2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

–NO2

–NO2

–NO2

–NO2

–NO2

-

Attachment of

nitrogroups

+

Electrochemical

reduction

-

-H O2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

–NH2

–NH2

–NH2

–NH2

–NH2

+H +e

Electrochemical

reduction

2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

+EDC

–NH2

–NH–CO–

–NH–CO–

–NH

–NH2

QH-

ADH

QH-

ADH-H O

2

HO

OC

–

QH-

ADH

Activation of HOOC-

by EDC

Polypyrrole

Hemas-c

PQQ

Hemas-c

Hemas-c

Hemas-cI II

IIIActo r. Aldehidas

eeee

ee

e

Katalizatorius

Signalo vertiklis

Registruojantis,

valdymo

įrenginys

Labai svarbu,

kad “kontaktas

būtų geras”.

Analitė

Produktai

Glc

Gluconolactone 2H O 2 2

GODM

M

ox.

red.

2e-2e

-2e

-

Ele

ctro

de

O 2

2H O2

+

M=PMS; K3[Fe(CN)6];

ferocene derivates …

Glc

Gluconolactone

GDHM

M

ox.

red.

2e-2e

-2e

-

Ele

ctro

de

+

2NADH

2NAD+

NAD-

Glc

Gluconolactone

GDHM

M

ox.

red.

2e-2e

-2e

-

Ele

ctro

de

PQQ-

M=PMS; DCPIP; BQ

Alcohol

Aldehyde

HQ-ADH

e-

2e-

Ele

ctro

de

PQQ

e-

e-

e-

e-

hem

e chem

e c

hem

e c

hem

e c

Fermentų taikymas kataliziniuose biologiniuose

jutikliuose

Elektronų pernašos

shema PQQ-

GDH/Os-PPy(4) ir

PQQ-GDH/Os-

PPy(5)

biosensoriuose.

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

G D H

G D HG l u c o s e

G l u c o n o -

l a c t o n e

G l u c o n o -

l a c t o n e

G l u c o s e

P Q Q

P Q Q

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

O s

O s

O s O sO s

O s

O s

COO-ICOO-I

COO-I COO-

I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I COO-

ICOO-I

COO-ICOO-

I

COO-ICOO-

ICOO-ICOO-

ICOO-I

COO-I

Glucose

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

O s

G D H

G D HG l u c o s e

G l u c o n o -

l a c t o n e

G l u c o n o -

l a c t o n e

G l u c o s e

P Q Q

P Q Q

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

O s

O s

O s O sO s

O s

O s

COO-ICOO-I

COO-I COO-

I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I

COO-I COO-

ICOO-I

COO-ICOO-

I

COO-ICOO-

ICOO-ICOO-

ICOO-I

COO-I

Glucose

Ascorbate Urate- -

Pt

Biokuro elementai

Potentials of (1) MP-8 functionalized cathode as function of

hydrogen peroxide concentration; (2) MP-8/GOx

functionalized carbon rod electrode as a function of hydrogen

peroxide concentration; (3) MP-8/GOx functionalized carbon

rod electrode as a function of glucose concentration; (4) QH-

ADH functionalized anode as a function of ethanol

concentration. Investigations performed in 50 mM Na acetate

solution, pH 6,

Signalo vertiklis

Registruojantis

įrenginys

Atpažinimo elementai

Analitė

Analitė

Analitė Analitė Analitė

Imuninio atsako į infekciją susidarymo schema

Antikūnai prieš

infekciją

Antikūnas

V

i

r

u

s

a

s

gp51/gp3

0 RNR

p15

Integraz

ė

lipidinis sluoksnis

Atvirkštinė transcriptazė

p24

GLV (Retroviruso struktūra)

ŽIV modelis

Baltymo gp51 imobilizuoto glutaro aldehidu

sąveikos su specifiniais antikūnais schema.

An

glin

is e

lek

tro

da

s

NH

–C

O–

(CH

) –

CO

–N

H

gp51

gp51

An

glin

is e

lek

tro

da

s

gp51

Y

YY

Y

++

++

++

++

++

++

+

++

++

++

++

++

++

+

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -Inkubacija

gp51 – GLV glikoproteinas

(antigenas) Y – Specifiniai antikūnai

- - -

NH

–C

O–

(CH

) –

CO

–N

H

- -

gp51

– C

O–

NH

-

-NH

–C

O–

(CH

)

-NH

–C

O–

(CH

) –

CO

–N

H-

3 3

.

gp5

1

gp51

gp51

gp5

1 gp5

1

gp51

gp5

1

Baltymų imobilizavimas potencialo impulsais

formuojant polipirolo sluoksnį

P

Pt

ele

ktr

od

as

p y gp5

1

P

gp5

1

p y

E, mV

t

950

0

PPyP

t e

lek

tro

da

s

BAM

BAM

PPy

Pt

ele

ktr

od

as

Y

YY

Y

++

++

++

++

++

++

+

++

++

++

++

++

++

+

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

BAM

BAMInkubavimas

Baltymų gp51 ir p24 įterptų į polipirolą

sąveikos su specifiniais antikūnais schema.

+Cu(NO )3 2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

–NO2

–NO2

–NO2

–NO2

–NO2

+

-

El. reduction

-

-H O2

2

Pt

ele

ctr

od

e

+Pyrrole

Electrochemical

polymerization

PPyP

t e

lek

tro

da

sPPy

Pt

ele

ktr

od

as

–NH2

–NH2

–NH2

–NH2

–NH2

+EDC

–NH2

–NH–CO–

–NH–CO–

–NH

–NH2

gp51

gp51-H O2

HO

OC

–gp51

+H +e

El. reduction aktivation of

HOOC-

gp51 – Glicoprotein from bovine

leukemia virus (antigen)

Kovalentinis

baltymų

imobilizavimas

ant elektrai

laidžių polimerų

sluoksnių

2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

–NH2

–NH–CO

–NH–CO

–NH

–NH2

gp51

gp51

2

PPy

Pt

ele

ctr

od

e

–NH2

–NH–CO

–NH–CO

–NH

–NH2

gp51

gp51

Y

Y

Y

Y

++

++

++

++

++

++

+

++

++

++

++

++

++

+

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -

- -Incubation

gp51 – Glicoprotein from bovine

leukemia virus (antigen) Y – Specific antibodies

Kovalentiškai imobilizuotų baltymų

taikymas analizinėje chemijoje

NanoTechnas

Real Impedance (Z'), KOhm

0 20 40 60 80 100 120

Ima

gin

ary

Im

pe

da

nc

e (

Z"),

KO

hm

0

20

40

60

80

100

120

i ii-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100 120

Before incubation

After incubation

Impulsinė voltamperometrija

200 mV/s

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 100 200 300 400 500 600 700 800

prieš inkubavimą po inkubavimo

After incubationBefore incubation

Ciklinė voltamperometrija

Ramanaviciene A. Ramanavicius A. (2004) Pulsed amperometric detection of DNA with an

ssDNA/polypyrrole modified electrode Journal of Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2004; 379 (2): 287-

293.

Impedanso spektroskopija

prieš

inkubaciją

NanoTechnas

Elektrocheminio impedanso

spektroskopijos taikymas

elektrocheminiuose imunojutikliuose

Matrica

susijungimas

Matrica

Polimerizacija

Matrica

Matricos

pašalinimas

Atpažinimo vieta

Molekulių įspaudų technologija

PPy

Pt

ele

ktr

od

as BAM

PPy

Pt

ele

ktr

od

as

BAM

BAM

BAM

Pt

ele

ktr

od

as

PPy

BAM

BAM

InkubavimasPlovimas

Molekulių įspaudai elektrai laidžiuose

polimeruose

Signalo vertiklis

Registruojantis

įrenginys

DNR

taikinys

DNR-sensorius

Šviesa indukuota polipirolo sintezė ir

kvantinių taškų spektro stabilizavimas

(CdSe )ZnS polipirolu

Polipirolo biologinis suderinamumas in vivo

NanoTechnas

Prof. habil. dr. Arūnas Ramanavičius

Fizikinės Chemijos katedra, Vilniaus Universitetas

NanoBioTechnologijų laboratorija, VMTI Fizinių ir

Technologijos Mokslų Centras .

e-mail: Arunas.Ramanavicius@chf.vu.lt.

Dėkoju už dėmesį!