Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Vasin Lee/Shutterstock

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redakcja i korekta Urszula Pawłowska

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Koordynator produkcji Adam Krajewski

Wydanie publikacji zostało dofinansowane przez Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN 978-83-01-22091-4

DOI: https://doi.org/10.53271/2021.012

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021 r., (wyd. I)

Warszawa 2021

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wykaz akronimów

Słownik terminów

1. Wprowadzenie - Elżbieta Malinowska, Wojciech Wróblewski

2. Sensory elektrochemiczne

2.1. Sensory potencjometryczne - Mariusz Pietrzak

2.1.1 Pomiar potencjometryczny

2.1.2 Metody analizy z wykorzystaniem sensorów potencjometrycznych

2.1.3 Elektrody odniesienia

2.1.4 Elektrody jonoselektywne

2.1.5 Parametry pracy elektrod jonoselektywnych

2.1.6 Rodzaje elektrod jonoselektywnych

2.1.7 Miniaturyzacja elektrod jonoselektywnych

2.1.8 Półprzewodnikowe sensory potencjometryczne

2.1.9 Zastosowanie sensorów potencjometrycznych

2.2. Sensory amperometryczne i woltamperometryczne - Marta Jarczewska

2.2.1 Pomiar amperometryczny

2.2.2 Pomiar woltamperometryczny

2.2.3 Podstawy działania sensorów amperometrycznych i woltamperometrycznych

2.2.4 Przykłady zastosowań

2.3 . Sensory potencjometryczne w warunkach elektrochemicznych technik prądowych - Agata Michalska, Krzysztof Maksymiuk

2.3.1 Wykorzystanie chronopotencjometrii

2.3.2 Wykorzystanie metod woltamperometrycznych

2.3.3 Wykorzystanie metod kulometrycznych

2.3.4 Wykorzystanie metod z rejestracją sygnału optycznego

2.3.5 Perspektywy zastosowań

3. Sensory optyczne - Dorota Stadnik, Ewa Kobylska

3.1. Wprowadzenie

3.2. Zjawiska optyczne wykorzystywane w czujnikach

3.2.1 Absorpcja i odbicie promieniowania

3.2.2 Fluorescencja

3.2.3 Rozpraszanie Ramana

3.2.4 Zmiana współczynnika załamania światła

3.2.5 Interferencja światła

3.3. Konstrukcje sensorów optycznych

3.3.1 Sensory na bazie włókien optycznych

3.3.2 Sensory na bazie planarnych światłowodów

3.3.3 Sensory w mikrosystemach przepływowych

3.4. Nanomateriały i funkcjonalizacja warstw receptorowych w sensorach optycznych

3.4.1 Nanomateriały

3.4.2 Funkcjonalizacja powierzchni

4. Sensory gazowe- Jacek Gębicki, Bartosz Szulczyński, Tomasz Wasilewski

4.1. Katalityczne (temperaturowe) czujniki gazowe

4.2. Masowe czujniki gazowe

4.2.1 Mikrowagi kwarcowe

4.2.2 Czujniki z akustyczną falą powierzchniową

4.3. Optyczne czujniki gazowe

4.3.1 Czujniki pracujące w widmie podczerwieni

4.3.2 Czujnik fotojonizacyjne

4.4. Elektrochemiczne czujniki gazowe

4.4.1 Czujniki potencjometryczne

4.4.2 Czujniki amperometryczne

4.4.3 Czujniki półprzewodnikowe (konduktometryczne)

4.5. Czujniki gazowe wykorzystujące nanomateriały

4.5.1 Nanomateriały półprzewodnikowe na bazie tlenków metali

4.5.2 Nanomateriały węglowe

4.5.3 Nanomateriały polimerowe

4.5.4 Nanokompozyty biologiczne

4.5.5 Nanocząstki metali

4.6. Komercyjnie dostępne gazowe czujniki chemiczne

5. Biosensory - Marta Jarczewska

5.1. Terminologia i podstawy działania

5.2. Warstwy receptorowe biosensorów (klasy biosensorów)

5.3. Immunosensory – istotne narzędzia współczesnej diagnostyki medycznej - Agata Kowalczyk, Magdalena Bamburowicz-Klimkowska, Monika Nisiewicz, Anna M. Nowicka

5.3.1 Budowa i zasada działania immunosensora

5.3.2 Rozpoznanie antygenu przez przeciwciało – podstawą działania immunosensorów

5.3.3 Sposoby wprowadzania przeciwciała do warstwy receptorowej

5.3.4 Wizualizacja rozpoznania antygenu przez przeciwciało

5.3.5 Nanotechnologia – siła napędowa współczesnej analityki medycznej

5.3.6 Przykłady aplikacji immunosensorów w diagnostyce medycznej

5.3.7 Perspektywy i ograniczenia

5.4. Biosensory DNA i aptasensory - Marta Jarczewska, Robert Ziółkowski

5.4.1 Proces SELEX

5.4.2 Zastosowanie aptamerów i kwasów nukleinowych

5.4.3 Metody immobilizacji kwasów nukleinowych

5.4.4 Mechanizmy generowania sygnału w biosensorach elektrochemicznych z warstwą receptorową w postaci kwasów nukleinowych

5.4.5 Przykłady aptasensorów

5.4.6 Przykłady biosensorów DNA

5.5. Biosensory mikrobiologiczne - Łukasz Górski

5.5.1 Mikroorganizmy stosowane w sensorach

5.5.2 Immobilizacja mikroorganizmów na przetwornikach

5.5.3 Układy pomiarowe

5.5.4 Zastosowania biosensorów mikrobiologicznych

5.6. Biosensory enzymatyczne - Urszula Wawrzyniak

5.6.1 Układy jednoenzymowe

5.6.2 Układy wieloenzymowe

6. Sensory chemiczne wykorzystujące nanomateriały w warstwach receptorowych

6.1. Klasyfikacja i podstawowe właściwości nanomateriałów - Marcin Drozd, Aleksandra Szuplewska

6.1.1 Nanomateriały zerowymiarowe

6.1.2 Nanomateriały jednowymiarowe

6.1.3 Nanomateriały dwuwymiarowe

6.2. Warstwy receptorowe sensorów i biosensorów oparte na nanomateriałach - Marcin Drozd

6.2.1 Zastosowanie nanomateriałów w warstwach przetwornikowych i pośrednich

6.2.2 Zastosowanie nanomateriałów jako znaczników

6.2.3 Przykłady zastosowań

6.3. Mikro- i nanomateriały samodzielne jako sensory- Krzysztof Maksymiuk, Agata Michalska

6.3.1 Nanostruktury – nanocząstki jako samodzielne sensory

6.3.2 Nanowłókna jako sensory

6.3.3 Specyfika transportu analitu do sensorów nanostrukturalnych

6.3.4 Nano- i mikrosensory z różnych materiałów – otrzymywanie i właściwości

6.3.5 Nano- i mikrosensory – zastosowania

7. Układy multisensorowe – elektroniczny nos i język - Patrycja Ciosek-Skibińska

7.1. Sensory stosowane w matrycach czujnikowych

7.2. Metody rozpoznawania obrazu

7.3. Rozwiązania komercyjne i zastosowania

Podziękowania

8. Sensory chemiczne jako detektory w przepływowych układach (bio)analitycznych - Michał CHUDY, Ewa KOBYLSKA

8.1. Najważniejsze konfiguracje stosowane w analizie przepływowej

8.1.1 Wprowadzenie

8.1.2 Konstrukcja układów pomiarowych

8.1.3 Tryby pracy

8.1.4 Wykorzystanie sensorów w klasycznych układach przepływowych

8.1.5 Wykorzystanie sensorów w mikrosystemach „Lab-on-a-chip”

8.2. Zastosowania przepływowych układów (bio)analitycznych

8.2.1 Zastosowania okołomedyczne sensorów zintegrowanych z układami przepływowymi

8.2.2 Zastosowanie sensorów zintegrowanych z układami przepływowymi w badaniach środowiskowych

8.2.3 Zastosowanie sensorów zintegrowanych z układami przepływowymi w przemyśle

8.3. Podsumowanie

9. Perspektywy rozwoju sensorów chemicznych i biosensorów- Zbigniew BRZÓZKA

9.1. Kierunki rozwoju sensorów chemicznych i biosensorów

9.2. Rozwój komercjalizacji sensorów chemicznych i biosensorów

9.3. Przyszłość wykorzystania sensorów chemicznych i biosensorów w diagnostyce medycznej

10. Appendix. Sensory jako wyroby medyczne – regulacje prawne - Dorota Stadnik, Jacek Stadnik

10.1. Definicje

10.2. Klasyfikacja wyrobów medycznych

10.3. Rejestracja wyrobów medycznych

Przypisy

Wykaz akronimów

Akronim

Termin anglojęzyczny

Termin polskojęzyczny

0D

Zero-dimensional nanomaterials

Nanomateriały zerowymiarowe

1D

One-dimensional nanomaterials

Nanomateriały jednowymiarowe

2D

Two-dimensional nanomaterials

Nanomateriały dwuwymiarowe

A

Adenine

Adenina

Ab

Antibody

Przeciwciało

Ab-Ag

Antibody-antigen complex

Kompleks przeciwciało antygen

AChE

Acetylcholinesterase

Acetylocholinoesteraza

ADD

Arc-Discharge Deposition

Osadzanie techniką wyładowania łukowego

AFP

Alpha-FetoProtein

Alfa-fetoproteina

AFR

Air to Fuel Ration

Stosunek powietrza do masy paliwa

Ag

Antigen

Antygen

ANN

Artificial Neural Network

Sztuczna sieć neuronowa

AQMS -

Anthraquinone-2-sulfonic acid

Kwas antrachinylo-2-sulfonowy

APBA

4-Aminophenylboronic acid

Kwas 4-aminofenyloboronowy

ATP -

Adenosine triphosphate

Adenozyno-5-trifosforan

AuNPs

Au nanoparticles

Nanocząstki złota

BFIA

Batch-flow

Injection Analysis

Analiza przepływowa bezpośredniego wstrzyknięcia

BLI

Bio-Layer Interferometry

Interferometria biowarstwowa

BRCA1

BRAC2

BReast CAncer gene 1

BReast CAncer gene 2

Gen nowotworu piersi 1

Gen nowotworu piersi 2

BZT

Biochemical Oxygen Demand

Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu

C

Cytosine

Cytozyna

CA125

CA15-3

Cancer Antigen 125

Cancer Antigen 15-3

Antygen nowotworowy 125

Antygen nowotworowy 15-3

CCD

Charge Coupled Device

Matryca światłoczuła

CD

Carbon Dots

Kropki węglowe

cDNA

Complementary DNA

Komplementarne DNA

CE

Capillary Electrophoresis

Elektroforeza kapilarna

CEA

Carcino-Embryonic Antigen

Antygen rakowozarodkowy

CFA

Continuous Flow Analysis

Analiza z użyciem ciągłego przepływu

CFR

Code of Federal Regulations

Kodeks Przepisów Federalnych (dotyczy regulacji żywności i leków w Stanach Zjednoczonych w ramach Agencji ds. Żywności i Leków)

CFU

Colony-Forming Unit

Jednostka tworząca kolonię

CGM

Continuous Glucose Monitoring

Ciągłe monitorowanie glukozy

CHEMFET

Chemically Modified Field Effect Transistor

Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy

CKMB

Creatine Kinase fraction

Frakcja enzymu kinazy kreatynowej

CL-LFA

Chemiluminescence-based lateral flow assay

Chemiluminescencyjny test metodą przepływu bocznego

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

Półprzewodnikowy komplementarny układ scalony

CNTs

Carbon Nanotubes

Nanorurki węglowe

CPs

Conductive Polymers

Polimery przewodzące

CRP

C-Reactive Protein

Białko C-reaktywne

CT

Charge-Transfer complex

Kompleks z przeniesieniem ładunku

CV

Cyclic Voltammetry

Woltamperometria Cykliczna

CVD

Chemical Vapor Deposition

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej

CYFRA21-1

Cytokeratin 19 fragment

Fragment cytokeratyny 19

DDI

DNA-Directed Immobilization

Bezpośrednie unieruchamianie krótkich fragmentów DNA

DET

Direct Electron Transfer

Bezpośrednie przeniesienie elektronów

DGW

Lower flammability limit

Dolna granica wybuchowości

DNA

Deoxyrybonucleic Acid

Kwas deoksyrybonukleinowy

ECL

ElectroChemiLuminescence

Zjawisko elektrochemiluminescencji

EDC

1-Ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)carbodiimide hydrochloride

Chlorowodorek N-(3-dimetyloamino-propylo)-Nʹ-etylokarbodiimidu

ELISA

Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay

Test immunoenzymatyczny / test immunoenzymosorpcyjny

ER

Estrogen

Estrogen

Fab

Antigen-binding fragment of antibody

Fragment przeciwciała wiążący antygen

FAD

Oxidized form of flavin-adenine dinucleotide

Forma utleniona dinukleotydu flawinoadeninowego

FADH2

Reduced form of flavin-adenine dinucleotide

Forma zredukowana dinukleotydu flawinoadeninowego

FAM

6-Carboxyfluorescein

6-karboksylofluoresceina

Fc

Fragment crystallizable of antibody

Fragment przeciwciała krystalizowany

FDA

Food and Drug Administration

Agencja ds. Żywności i Leków

FET

Field-Effect Transistor

Tranzystor polowy

FIA

Flow Injection Analysis

Wstrzykowa analiza przepływowa

FIM

Fixed Interference Method

Metoda roztworów mieszanych

FLISA

Fluorescence-Linked ImmunoSorbent Assay

Test immunofluorescencyjny

FRET

Fluorescence/Förster Resonance Energy Transfer

Fluorescencyjny/Försterowski rezonansowy transfer energii

G

Guanine

Guanina

GC

Gas chromatography

Chromatografia gazowa

GDH

Glucose dehydrogenase

Dehydrogenaza glukozowa

GGW

Upper flammability limit

Górna granica wybuchowości

GLP

Good Laboratory Practice

Dobra Praktyka Laboratoryjna

GMP

Good Manufacturing Practice

Dobra Praktyka Wytwarzania

GOx

Glucose oxidase

Oksydaza glukozowa

HAU

Hemagglutinating Unit

Jednostka hemaglutynacji

hBN

hexagonal boron nitride

Heksagonalny azotek boru

HD

Hexokinase

Heksokinaza

HER2

Human Epidermal growth factor Receptor 2

Antygen nowotworowy

HIV

Human Immunodeficiency Virus

Ludzki wirus niedoboru odporności

HPLC

High-Performance Liquid Chromatography

Wysokosprawna chromatografia cieczowa

hTERT

Human TElomerase Reverse Transcriptase

Gen odwrotnej transkryptazy ludzkiej telomerazy

HTS

High Throughput Screening

Wysokosprawne badania przesiewowe

ISE

Ion-Selective Electrode

Elektroda jonoselektywna

ISFET

Ion-Selective Field Effect Transistor

Jonoselektywny tranzystor polowy

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry

Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej

K-ISE

Potassium-selective electrode

Elektroda jonoselektywna czuła na jony potasu

LDL

Lower Detection Limit

Granica wykrywalności

LED

Light-Emitting Diode

Dioda emitująca światło

LFA

Lateral Flow Assay

Test metodą przepływu bocznego

LIF

Laser Induced Fluorescence

Fluorescencja wzbudzana laserowo

LOC

Lab on a chip

Laboratorium na chipie

LOV

Lab-on-valve

Laboratorium w zaworze

Lp(a)

Lipoprotein a

Lipoproteina a

LSPR

Localized Surface Plasmon Resonance

Zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy

LSV

Linear Sweep Voltammetry

Woltamperometria liniowa

mAb

Monoclonal antibody

Przeciwciało monoklonalne

MCFIA

Multicommutated

Flow Injection Analysis

Wielotorowa wstrzykowa analiza przepływowa

MEDOX

Oxidated mediator

Mediator utleniony

MEDRED

Reduced mediator

Mediator zredukowany

MEF

Metal-Enhanced Fluorescence

Fluorescencja wzmocniona metalem

MeOX

Oxidised form of mediator

Mediator w formie utlenionej

MeRED

Reduced form of mediator

Mediator w formie zredukowanej

MEMFET

Membrane Field Effect Transistor

Tranzystor polowy z membraną

MEMS

Micro Electro-Mechanical Systems

Mikroukłady elektromechaniczny

MIP

Molecularly Imprinted Polymer

Polimer znakowany molekularnie

MOF

Microstructured Optical Fiber

Światłowód mikrostrukturyzowany

MOS

Metal Oxide Semiconductor

Półprzewodnik typu metal-tlenek

MPBA

4-Mercaptophenylboronic acid

Kwas 4-merkaptofenyloboronowy

MPFS

Multipumping Flow Systems

Przepływowe systemy wielopompowe

MSFIA

Multisyringe Flow Injection Analysis

Wielostrzykawkowa wstrzykowa analiza

MUC

MUC protein

Mucyna, glikoproteina

MWCNTs

Multi-Walled Carbon Nanotubes

Wielościenne nanorurki węglowe

NAD+

Oxidised form of nicotinamide adenine dinucleotide

Forma utleniona dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego

NADH

Reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide

Forma zredukowana dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego

Nbs

Nanoantibody

Nanoprzeciwciała

NDIR

Nondispersive Infrared

Niedyspersyjna absorpcja podczerwieni

NHS

N-Hydroxysuccinimide

N-hydroksysukcynimid

NMP22

Nuclear Matrix Protein 22 (marker of bladder cancer)

Białko matrycowe jądra komórkowego (marker nowotworu pęcherza moczowego)

NMR

Nuclear Magnetic Resonance

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego

NT-proBNP

N-terminal pro–B-type natriuretic peptide

N-końcowy propeptyd natriuretyczny typu B

pAb

Polyclonal antibody

Przeciwciało poliklonalne

μPAD

Microfluidic paper-based analytical device

Mikroprzepływowy analizator o podłożu papierowym

PAN

1- (2-pyridylazo) -2-naphthol

1-(2-pirydylazo)-2-naftol

PARC

Pattern Recognition (System)

Blok rozpoznawania obrazu

PC

Plasmonic Coupling

Sprzężenie plazmoniczne

PCA

Principal Components Analysis

Analiza Głównych Składowych

PCF

Photonic Crystal fiber

Światłowód fotoniczny

PCR

Polymerase Chain Reaction

Reakcja łańcuchowa polimerazy

PCW

Poly(Vinyl Chloride)

Poli(chlorek winylu)

PdNPs

palladium nanoparticles

nanocząstki palladu

PDGF

Platelet-Derived Growth Factor

Płaskonabłonkowy czynnik wzrostu

PEDOT

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

Poli(3,4-etylenodioksytiofen)

PID

PhotoIonization Detector

Detektor fotojonizacyjny

PLS

Partial Least Squares

Metoda cząstkowych najmniejszych kwadratów

PMA

Premarket Approval

Zatwierdzenie przed wprowadzeniem na rynek

PMMA

Poly(methyl methacrylate)

Poli(metakrylan metylu)

POC

Point-of-Care diagnosis

Diagnostyka w miejscu opieki nad pacjentem (diagnostyka spersonalizowana)

POCT

Point-of-Care treatment

Przyłóżkowe testy laboratoryjne

poliHEMA

Poly(2-Hydroxyethyl Methacrylate)

Poli(metakrylan 2-hydroksyetylu)

POT

poly(3-Octylthiophene)

Poli(3-oktylotiofen)

PPy

Polypyrrole

Polipirol

PR

Progesterone

Progesteron

PSA

Prostate Specific Antigen

Swoisty antygen gruczołu krokowego

PTFE

Poly(tetrafluroethene)

Poli(tetrafluoroetylen)

PtNPs

Platinum nanoparticles

nanocząstki platyny

PVC

Poly(Vinyl Chloride)

Poli(chlorek winylu)

PVF

PolyVinyl Ferrocene

Poli(winyloferrocen)

PVP

PolyVinylPyrrolidone

Poli(4-winylopirolidon)

QC/QA

Quality Control /Quality Assurance

Kontrola jakości / Zapewnienie jakości

QCM

Quartz Crystal Microbalance

Mikrowaga kwarcowa

QMB

Quartz Crystal Microbalance

Sensor z kwarcową mikrowagą

Rct

Charge Transfer Resistance

Opór przeniesienia ładunku

REase

Restriction endonuclease

Restrykcyjna endonukleaza

rGO

reduced Graphene Oxide

Zredukowany tlenek grafenu

RNA

Ribonucleic Acid

Kwas rybonukleinowy

RT PCR

Real Time Polymerase Chain Reaction

Reakcja łańcuchowa polimerazy w czasie rzeczywistym

SAM

Self-Assembled Monolayers

Samoorganizujące się monowarstwy

SAW

Surface Acoustic Wave

Powierzchniowa fala akustyczna

SEIRA

Surface-Enhanced IR Absoprtion

Powierzchniowo wzmocniona absorpcja w podczerwieni

SELEX

Systematic evolution of ligands by exponential enrichment

Systematyczna ewolucja ligandów poprzez wykładnicze wzbogacanie

SEM

Electromotive Force

Siła elektromotoryczna

SERS

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana

SFA

Segmented Flow Analysis

Analiza z fragmentacją przepływu

SIA

Sequential Injection Analysis

Wstrzykowa analiza sekwencyjna

SMCC

Succinimidyl 4-(N-maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylate

Sukcynoimidylo-4-(N-maleimidometylo)cykloheksan

SPR

Surface Plasmon Resonanse

Technika rezonansu plazmonów powierzchniowych

SPRI

Surface Plasmon Resonance Imaging

Obrazowy rezonans plazmonów powierzchniowych

SSM

Separate Solution Method

Metoda roztworów rozdzielonych

SWCNTs

Single-Walled Carbon Nanotubes

Jednościenne nanorurki węglowe

T

Thymine

Tymina

TAS

Total Analysis System

Kompletny system analityczny

TCNQ

Tetracyanochinodimetane

Tetracyjanochinonodimetan

TTF

Tetrathiafulvalene

Tetratiafulwalen

μTAS

Micro Total Analysis System

Miniaturowy kompletny system analityczny

UDI

Unique Device Identifier

System unikalnej identyfikacji wyrobów medycznych

VEGF

Vascular Endothelial Growth Factor

Czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego

VOCs

Volatile Organic Compounds

Lotne związki organiczne

Słownik terminów

Adsorpcja – proces wiązania się atomów, jonów lub innych cząsteczek z fazy ciekłej, stałej lub gazowej z fizyczną powierzchnią

Amperometria – technika polegająca na przyłożeniu potencjału o stałej wartości do elektrody pracującej względem elektrody odniesienia, której odpowiedzią jest sygnał prądowy

Analit (ang. analyte) – substancja oznaczana.

Analiza Głównych Składowych (ang. Principal Components Analysis, PCA) – technika eksploracji danych umożliwiająca wnioskowanie o obiektach opisanych wieloma zmiennymi, bardzo popularna w analizie danych z elektronicznego nosa/języka. Podstawą PCA jest analiza rozkładu zmienności danych pochodzących z wielu pomiarów, a następnie znalezienie nowych, ortogonalnych względem siebie kierunków w wielowymiarowej przestrzeni, które w maksymalny sposób pozwolą na ukazanie tej zmienności. PCA umożliwia uporządkowanie informacji tak, że w pierwszych wymiarach znajduje się największa ilość informacji znaczącej.

Analiza przepływowa (ang. flow analysis) – tryb prowadzenia analizy chemicznej, wykorzystujący ciągłe lub dyskretne wprowadzanie próbki badanej do segmentowanego lub niesegmentowanego strumienia nośnika. W czasie przepływu realizowane mogą być także dodatkowe operacje, takie jak oczyszczanie, zatężanie analitu, czy mieszanie z reagentami w celu uzyskania łatwiej oznaczalnego produktu reakcji.

Analiza przepływowa bezpośredniego wstrzyknięcia (ang. Batch-flow Injection Analysis, BFIA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym dozowanie odbywa się z użyciem zaworów elektromagnetycznych, a odpowiednie reagenty są transportowane w kierunku detektora z wykorzystaniem pomp perystaltycznych, przy czym sama reakcja analityczna nie zachodzi w przepływie. Poszczególne reagenty są umieszczane w specjalnej komorze mieszania, często wyposażonej w mieszadło magnetyczne, a wytworzony produkt reakcji jest następnie transportowany do detektora lub mierzony bezpośrednio w komorze mieszania z użyciem zintegrowanego z tym modułem systemu do detekcji.

Analiza z użyciem ciągłego przepływu (ang. Continuous Flow Analysis, CFA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym próbkę wstrzykuje się do roztworu nośnika, płynącego z dużą szybkością przez przewód o małej średnicy.

Analiza z fragmentacją przepływu (ang. Segmented Flow Analysis, SFA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym próbkę wstrzykuje się do roztworu nośnika, płynącego z dużą szybkością przez przewód o małej średnicy, przy czym pomiędzy segmentami próbki oraz segmentami nośnika wprowadza się pęcherzyki gazu (powietrza lub azotu) w celu ograniczenia dyspersji próbki w nośniku.

Antygen (ang. antigen) – substancja, która wprowadzona do organizmu wywołuje u niego reakcję immunologiczną polegającą na proliferacji limfocytów i wytworzeniu się swoistych przeciwciał.

Aptamer – krótka sekwencja oligonukleotydowa DNA lub RNA, która na skutek oddziaływania z analitem zmienia swoją konformację przestrzenną.

Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT) – jeden ze wskaźników czystości wody. określa ilość tlenu wymaganą do utlenienia związków organicznych rozpuszczonych w próbce wody przez mikroorganizmy (bakterie aerobowe).

Biokatalizator – substancja występująca naturalnie w organizmie żywym (np. enzym), regulująca przebieg zachodzących w nim procesów biochemicznych.

Biomarker (ang. biomarker) – wskaźnik biologiczny w postaci substancji, właściwości fizjologicznej czy też genu, wskazujący na obecność stanu chorobowego.

Bionika – nauka interdyscyplinarna na pograniczu techniki i biologii, zajmująca się badaniem, modelowaniem oraz symulacją funkcjonowania układów biologicznych.

Bioreceptor (ang. bioreceptor) – cząsteczka będąca elementem biologicznym (np. enzym, sonda DNA, przeciwciało), która jest zdolna do selektywnego oddziaływania z rozpoznawanym analitem (np. substratem enzymu, komplementarną sekwencją DNA, antygenem itp.).

Biosensor lub bioczujnik (ang. biosensor) – zminiaturyzowane urządzenie analityczne, które zawiera biologicznie aktywny materiał w bezpośrednim kontakcie z właściwie dobranym elementem przetwornikowym, w celu detekcji stężenia lub aktywności substancji chemicznej w próbce.

Biosensor katalityczny – biosensor, którego działanie polega na uczestnictwie warstwy receptorowej w reakcji chemicznej, której efektem jest powstanie produktu lub ubytek substratu, który powoduje zmianę mierzonego w układzie sygnału.

Biosensor powinowactwa – biosensor, którego działanie polega na selektywnym wiązaniu warstwy receptorowej z analitem, którego efektem jest powstanie stabilnych kompleksów warstwa receptorowa – analit.

Biosensory mikrobiologiczne (ang. microbial biosensors) – urządzenie analityczne, w którym na przetworniku unieruchomione są mikroorganizmy, w celu wykrycia docelowych analitów.

Biozgodność lub Biokompatybilność (ang. biocompatibility) – cecha charakteryzująca materiały lub substancje warunkująca prawidłowe działanie i trwałość w układzie biologicznym.

Blok rozpoznawania obrazu (ang. Pattern Recognition System, PARC) – zespół procedur numerycznych służących przetwarzaniu wstępnemu i rozpoznawaniu „profilu” próbki badanej za pomocą elektronicznego nosa lub elektronicznego języka.

Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy (ang. Chemically Modified Field Effect Transistor, CHEMFET) – elektrochemiczny sensor na stałym podłożu krzemowym, w którym jonoczuła membrana polimerowa nakładana jest na powierzchnię tranzystora polowego ISFET. Potencjał takich sensorów jest funkcją aktywności jonów w roztworze, na które jest czuła membrana polimerowa.

Chemisorpcja – rodzaj procesu adsorpcji, który polega na wiązaniu się adsorbentu z powierzchnią na skutek reakcji chemicznej.

Chronopotencjometria (ang. chronopotentiometry) – technika elektrochemiczna polegająca na rejestracji zależności potencjału elektrody pracującej od czasu w warunkach galwanostatycznych.

Czas odpowiedzi sensora (ang. response time) – czas, po którym wyjściowy sygnał sensora osiąga 63% (t_63) lub 95% (t_95) jego wartości po nieskończenie długim czasie ustalania się równowagi, w odpowiedzi na skokową zmianę stężenia analitu.

Czas życia, stabilność długoterminowa sensora (ang. lifetime, long-term stability) – czas poprawnego działania sensora, z zaznaczeniem trybu stosowania.

Czułość sensora (ang. sensitivity) – nachylenie liniowego odcinka krzywej odpowiedzi sensora, wyrażone jako wartość sygnału na jednostkę stężenia lub aktywności analitu.

Czułość – parametr charakteryzujący sensor chemiczny lub metodę analityczną, opisujący zmianę sygnału w funkcji zmiany stężenia (aktywności), t.j. współczynnik kierunkowy krzywej kalibracji (wzorcowej).

Detektor – urządzenie, które stwierdza obecność substancji chemicznych powyżej określonej wartości progowej.

Diagnostyka medyczna lub analityka medyczna – dyscyplina medycyny, której zadaniem jest określanie składu oraz parametrów biologicznych i fizykochemicznych materiałów pobranych od pacjenta.

Dolna granica wybuchowości (ang. lower flammability limit) – najniższe stężenie substancji palnej, która w mieszaninie z powietrzem może wybuchać od bodźca termicznego.

Elektroda Clarka – amperometryczne urządzenie przeznaczone do oznaczania stężenia tlenu w próbkach ciekłych. Zbudowana jest z pracującej elektrody platynowej oraz chlorosrebrowej elektrody odniesienia, zanurzonych w roztworze elektrolitu oddzielonego od próbki membraną przepuszczalną dla gazów.

Elektroda jonoselektywna (ang. Ion-Selective Electrode, ISE) – elektroda, której potencjał zależy od aktywności określonego jonu w roztworze.

Elektroda odniesienia (porównawcza, referencyjna) – elektroda zachowująca stały potencjał w trakcie pomiaru, służąca jako element ogniwa stosowanego w technikach elektroanalitycznych, służąca do śledzenia zmian potencjału elektrody wskaźnikowej (w potencjometrii) lub ustalania potencjału elektrody pracującej (w technikach prądowych np. woltamperometrii).

Elektroda Severinghausa – elektroda przeznaczona do oznaczania dwutlenku węgla. Zbudowana jest z elektrody szklanej (pH-czułej), zanurzonej w roztworze elektrolitu oddzielonego od próbki membraną przepuszczalną dla gazów.

Elektrokataliza – rodzaj katalizy, której efektem jest zmiana szybkości reakcji odbywającej się na powierzchni elektrody.

Elektroniczny nos i elektroniczny język – systemy, których budowa i zasada działania zostały zainspirowane naturalnymi zmysłami węchu i smaku (w literaturze naukowej nazywane także: sztuczny nos, mechaniczny nos, sensor zapachu, sztuczny język, sensor smaku). Służą do automatycznej analizy i rozróżniania próbek o złożonym składzie, do rozpoznawania ich charakterystycznych właściwości i najczęściej przeznaczone są do szybkiej analizy jakościowej. Składają się z matrycy częściowo selektywnych czujników chemicznych i zespołu metod numerycznych (bloku rozpoznawania obrazu), służących do analizy jej sygnałów.

Elektroprzędzenie (ang. electrospinning) – metoda otrzymywania nanowłókien z roztworów, zawiesin lub stopów, z wykorzystaniem pola elektrycznego o dużym natężeniu, zasadniczymi elementami układu są igła iniekcyjna jako dysza przędząca i kolektor, igła znajduje się pod wysokim napięciem w stosunku do kolektora.

Enkapsulacja – proces stabilizacji cząsteczek przy zachowaniu ich właściwości chemicznych, fizycznych oraz biologicznych poprzez powstanie cienkiej otoczki wokół cząsteczek stałych, kropelek cieczy lub cząstek gazowych.

Enzym – cząsteczka (najczęściej proste lub złożone białko) warunkująca zachodzenie ważnych reakcji i procesów biochemicznych.

Fala zanikająca – pole elektromagnetyczne powstające na granicy dwóch ośrodków różniących się gęstością optyczną.

Fotojonizacja (ang. photoionization) – proces jonizacji (rozpadzie na naładowane cząstki) obojętnych cząsteczek związków chemicznych. W przypadku fotojonizacji proces ten zachodzi pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego o odpowiednio dobranej energii fotonów.

Funkcjonalne kwasy nukleinowe – cząsteczki kwasów nukleinowych, które wykazują właściwości katalityczne i/lub receptorowe.

Genom – kompleksowa informacja genetyczna dla określonego organizmu

Górna granica wybuchowości (ang. upper flammability limit) – najwyższe stężenie substancji palnej, która w mieszaninie z powietrzem może wybuchać od bodźca termicznego.

Granica wykrywalności, granica detekcji sensora (ang. detection limit) – najmniejsze stężenie analitu, które może być wykryte za pomocą sensora.

Immobilizacja (ang. immobilization) – stabilne i zapewniające aktywność układu unieruchomienie cząsteczek, warstwy receptorowej na powierzchni przetwornika wykorzystujące oddziaływania fizyczne lub chemiczne.

Immobilizacja enzymu – sposób unieruchomienia (kotwiczenia) enzymu na nośniku (przetworniku): enkapsulacja (kapsułkowanie) – unieruchomienie enzymu polegające na zamknięciu go w sferycznej kapsule utworzonej z półprzepuszczalnej membrany.

Pułapkowanie– unieruchomienie enzymu wewnątrz struktur naturalnych lub syntetycznych; sieciowanie – unieruchomienie enzymu na nośniku w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych pomiędzy enzymem a nośnikiem.

Immunosensor (ang. Immunosensor) – czujnik posiadający przeciwciała jako element biologiczny, w którym reakcja immunochemiczna jest sprzężona z odpowiednimi przetwornikami. Podstawową działania immunosensora jest proces rozpoznania molekularnego między antygenem i przeciwciałem.

Interferometria biowarstwowa – to optyczna technika pomiaru oddziaływań międzycząsteczkowych, w której mierzy się interferencję światła odbitego od warstwy receptorowej oraz warstwy referencyjnej, znajdujących się na końcu włókna optycznego Na powierzchni warstwy receptorowej są immobilizowane receptory (np. przeciwciała) wiążące cząsteczki analitu. W wyniku wiązania uzyskuje się przesunięcie długości fali w widmie interferencyjnym.

Jonoczuły tranzystor polowy (ang. Ion-Sensitive Field Effect Transistor, ISFET) – elektrochemiczny sensor na podłożu krzemowym, którego potencjał zależy od aktywności jonów H+ w roztworze; wykorzystuje klasyczny tranzystor polowy (FET), w którym usunięto metaliczną bramkę i zastąpiono roztworem próbki, kontaktującym się z elektrodą referencyjną.

Jonofor (ang. ionophore) – obojętny lub obdarzony ładunkiem lipofilowy związek, zdolny do selektywnego i odwracalnego wiązania jonów, odpowiedzialny za selektywność membrany.

Kompletny system analityczny (ang. Total Analysis System, TAS) – system pomiarowy do prowadzenia procesu analizy chemicznej, który w sposób automatyczny realizuje w całości daną analizę chemiczną. Operacje wykonywane przez system obejmują wszystkie niezbędne etapy analizy – począwszy od pobrania reprezentatywnej próbki, poprzez jej transport i wstępną obróbkę (roztwarzanie, rozcieńczanie, zatężanie, filtracja, ekstrakcja etc.), aż po ewentualne przeprowadzenie niezbędnych reakcji i detekcję produktu.

Koniugat (nanomateriału) (ang. conjugate) – powierzchniowo funkcjonalizowany nanomateriał z przyłączonymi cząsteczkami nadającymi nanostrukturze określone właściwości.

Laboratorium w zaworze (ang. Lab-on-valve, LOV) – system pomiarowy do prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym wykorzystano integrację kluczowych elementów układu, odpowiadających za dokonywane na próbce operacje (np. mieszanie, ekstrakcja, przeprowadzanie reakcji w trybie zatrzymania przepływu) w module połączonym bezpośrednio z portem wstrzykowym zaworu wielokanałowego.

Matryca polimerowa – polimerowy materiał membrany jonoselektywnej (najczęściej z dodatkiem plastyfikatora), odpowiedzialny za jej właściwości mechaniczne.

Membrana jonoselektywna – matryca polimerowa i rozpuszczone w niej składniki elektroaktywne, część sensora odpowiedzialną za selektywne rozpoznanie jonu.

Metoda cząstkowych najmniejszych kwadratów (ang. Partial Least Squares, PLS) – metoda modelowania bardzo często stosowana w chemometrii, zwłaszcza wtedy, kiedy bardzo wiele zmiennych opisuje każdy obiekt, tak jak w przypadku elektronicznego nosa/języka. PLS służy do znalezienia relacji między dwiema macierzami – macierzą danych X i macierzą celu Y, opisując ją za pomocą tzw. zmiennych ukrytych (ang. Latent Variables), objaśniających w możliwie maksymalny sposób kowariancję pomiędzy tymi zbiorami danych.

Mikrofluidyka – nauka badająca zachowanie płynów w mikrokanałach oraz technologia wytwarzania urządzeń zawierających miniaturowe kanały i inne komponenty do manipulacji płynami.

Mikromacierze DNA – miniaturowy układ hybrydyzacyjny umożliwiający wykrycie określonych fragmentów DNA lub RNA, który tworzony jest przez fragmenty DNA/RNA unieruchomione na powierzchni matrycy.

Mikroorganizmy (drobnoustroje) – ogół organizmów jednokomórkowych, obejmująca bakterie, archeony, pierwotniaki i grzyby mikroskopijne.

Miniaturowy kompletny system analityczny (ang. Micro Total Analysis System, µTAS) – określane także jako laboratorium na chipie (ang. Lab-on-a-chip, LOC) to zminiaturyzowany system pomiarowy do prowadzenia procesu analizy chemicznej, który w sposób automatyczny realizuje w całości daną analizę chemiczną. Operacje wykonywane przez mikrosystem obejmują wszystkie niezbędne etapy analizy – począwszy od pobrania reprezentatywnej próbki, poprzez jej transport i wstępną obróbkę (roztwarzanie, rozcieńczanie, zatężanie, filtracja, ekstrakcja etc.), aż po ewentualne przeprowadzenie niezbędnych reakcji i detekcję produktu. – system pomiarowy do prowadzenia procesu analizy chemicznej.

Monowarstwy samoorganizujące się – układy molekularne, które w drodze samoorganizacji powstają spontanicznie na odpowiednio dobranym podłożu.

MXeny – grupa ok. 20 hydrofilowych związków, tworzących dwuwymiarowe nanostruktury podobne do grafenu i wykazujących pożądane właściwości fizykochemiczne. Należą do nich węgliki, azotki albo węglikoazotki metali przejściowych o wzorze ogólnym Mn+1Xn (M –atomy metali przejściowych, X –atomy węgla i azotu).

Nanomateriały (ang. nanomaterials) – nierozpuszczalne lub biotrwałe i celowo wytworzone materiały posiadające co najmniej jeden wymiar zewnętrzny lub strukturę wewnętrzną poniżej 100 nm.

Nanosensory / mikrosensory (ang. nanosensors / microsensors) – sensory w postaci cząstek o rozmiarach rzędu nanometrów / mikrometrów.

Nanowłókna (ang. nanofibres) – włókna o średnicy rzędu nanometrów, otrzymywane zwykle metodą elektroprzędzenia.

Nowotwór (ang. tumor or cancer) – nieprawidłowa tkanka, powstająca na skutek niekontrolowanego namnażania się komórek nowotworowych.

Parametr pracy sensora– cecha charakteryzująca działanie danego sensora taka jak selektywność, dolna granica detekcji, czułość, stabilność.

Pelistor (ang. pellistor) – jeden z dwóch elementów gazowego czujnika katalitycznego, pokryty warstwą katalityczną (najczęściej warstwą metalu szlachetnego).

Plazmony powierzchniowe – powierzchniowe fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się równolegle do obszaru wzajemnych oddziaływań metal-dielektryk.

Potencjometria – technika elektroanalityczna (zespół metod) polegająca na pomiarze siły elektromotorycznej ogniwa składającego się z elektrody wskaźnikowej i porównawczej (odniesienia, referencyjnej).

Prąd pojemnościowy – prąd generowany na skutek ładowania się warstwy dielektrycznej pomiędzy elektrodą i roztworem.

Proces SELEX – proces identyfikacji sekwencji aptamerów DNA lub RNA, składający się z powtarzających cykli wiązania, separowania oraz namnażania określonej puli sekwencji DNA lub RNA.

Przeciwciała lub immunoglobuliny (ang. antibody) – białka wydzielane przez komórki plazmatyczne (pobudzone limfocyty B) w odpowiedzi immunologicznej, mające zdolność do swoistego rozpoznawania antygenów.

Przepływowy system wielopompowy (ang. Multipumping Flow System, MPFS) – system pomiarowy do prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym przepływ generowany jest z użyciem mikropomp, czyli urządzeń mających możliwość precyzyjnego dozowania niewielkich objętości medium (3–50 μl) w porcjach wprowadzanych do układu z zadaną częstotliwością. Przewody z płynami pompowanymi przez poszczególne mikropompy mogą być skonfigurowane analogicznie jak w systemach wielotorowej analizy przepływowej i sterowane za pomocą zaworów elektromagnetycznych umieszczanych w poszczególnych punktach węzłowych. Dodatkowym elementem podlegającym sterowaniu są tutaj także same mikropompy, w przypadku których można na bieżąco modyfikować szybkość przepływu.

Przetwornik (ang. Transducer) – urządzenie przekształcające daną wielkość na inną wielkość według określonej zależności i z pewną dokładnością. W przypadku sensorów jest to urządzenie przekształcające informację chemiczną lub proces biologiczny na mierzalny sygnał analityczny.

Receptor (ang. Receptor) – związek chemiczny, ligand zdolny do selektywnego rozpoznawania (oddziaływania, wiązania, kompleksowania) analitu.

Redukcja – proces chemiczny, w wyniki którego dochodzi do przyłączenia elektronu przez atomy lub jony.

Rozpoznawanie molekularne – selektywne oddziaływanie analitu (gościa) z cząsteczką receptora (liganda, gospodarza), z wykorzystaniem wiązań niekowalencyjnych.

Roztwór koloidalny (ang. colloidal colution) – heterogeniczny układ dyspersyjny, w którym można wyróżnić fazę ciągłą rozpraszającą (rozpuszczalnik) i nieciągłą fazę rozproszoną o przeciętnej średnicy cząsteczek w zakresie 1 – 100 nm.

Ryboprzełącznik – to fragment sekwencji RNA matrycowego, które jest odpowiedzialny za regulowanie ekspresji kodowanego przez siebie białka na skutek zmiany poziomu określonego metabolitu.

Rybozym – sekwencja kwasu RNA, która wykazuje właściwości katalityczne

Selektywność (ang. selectivity) – zdolność sensora chemicznego do określenia stężenia (aktywności) analitu w próbce w obecności związków przeszkadzających (interferentów), najczęściej wyrażana współczynnikami selektywności.

Sensor lub czujnik – zminiaturyzowane urządzenie analityczne, które dostarcza informację o stężeniu lub aktywności składnika złożonej próbki w czasie rzeczywistym, w trybie on-line.

Siła elektromotoryczna – różnica potencjałów między elektrodami w ogniwie w warunkach bezprądowych.

Składniki elektroaktywne – (jonofor, lipofilowe dodatki jonowe) związki nadające membranie selektywność na wybrane jony.

Struktura anizotropowa (ang. anisotropic structure) – struktura, której właściwości zależą od wybranego kierunku przestrzennego, w którym dana właściwość jest rozpatrywana.

Sztuczny enzym/nanozym (ang. artificial enzyme/nanozyme) – materiał (lub nanomatriał) wykazujący aktywność katalityczną typową dla natywnego enzymu. Najczęściej nanozymy naśladują aktywności katalazy, oksydazy i peroksydazy.

Test aglutynacji (ang. sgglutination test) – metoda wykrywania antygenów w płynach ustrojowych opierająca się na wykorzystaniu mikrocząstek (typowo lateksu) opłaszczonych specyficznymi przeciwciałami monoklonalnymi. Tak opłaszczone cząsteczki inkubuje się z pobranym płynem ustrojowym. Obecność wykrywanej substancji przejawia się zlepianiem cząstek zawieszonych w roztworze z wytworzeniem łatwo widocznej zawiesiny.

Test immunochromatograficzny (ang. Immunochromatographic/Lateral Flow Assay, LFA) – test realizowany na podłożu porowatym (papier, membrana) do wykrywania i oznaczania ilościowego analitów w złożonych mieszaninach. Charakteryzuje go prostota odczytu (najczęściej wizualnego) a wyniki są uzyskiwane w ciągu 5–30 min. Zazwyczaj testy te są używane w diagnostyce medycznej do testów domowych, testów w punkcie opieki lub do użytku laboratoryjnego. Najczęściej w roli receptorów testów immunochromatograficznych wykorzystywane są przeciwciała.

Transkrypcja – proces syntezy kwasu RNA powstający na skutek przepisania informacji zapisanej w kwasie DNA

Ubieralny sensor (ang. wearable sensor) – sensor zintegrowany z elementem ubioru lub bezpośrednio z ciałem, celem monitorowania stanu zdrowia i/lub dostarczenia klinicznie istotnych danych. Ubieralne sensory bądź platformy sensorów typowo wykorzystują w swojej konstrukcji rozciągliwą i elastyczną elektronikę.

Utlenienie – proces chemiczny, w wyniki którego dochodzi do utraty elektrony przez atomy lub jony.

Warstwa chemoczuła (ang. chemosensitive layer) – część receptorowa czujnika, bezpośrednio oddziałująca z badaną próbką, wykazująca względnie wysoką selektywność wobec danego indywiduum chemicznego.

Warstwa przejściowa – jest to element sensora wprowadzany pomiędzy membranę jonoselektywną a elektrodę wewnętrzną, odpowiedzialny za termodynamiczne zdefiniowanie granic faz.

Warstwa receptorowa (ang. receptor layer) – najważniejszy element czujnika, odpowiadający za specyficzne rozpoznanie analitu. W biosensorach tworzą ją elementy biologiczne takie jak: enzymy, nici DNA, przeciwciała, białka, porfiryny czy organelle komórkowe.

Wektor celu – wektor z zakodowaną w postaci numerycznej przynależnością do określonej klasy obiektów, informacją o właściwościach próbki, lub o zawartości kluczowego składnika/składników. Wektory celu dla wielu próbek badanych tworzą macierz celu Y.

Wektor obrazu – wektor n cech określających badaną próbkę, inaczej wzór odpowiedzi; najczęściej wartości sygnałów n kolejnych czujników tworzących macierz czujnikową elektronicznego języka lub nosa. Wzory odpowiedzi uzyskane podczas pomiarów wielu próbek tworzą macierz danych X.

Wielostrzykawkowa wstrzykowa analiza przepływowa (ang. Multisyringe Flow Injection Analysis, MSFIA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym przepływ generowany jest z użyciem zespołu strzykawek, poruszanych równocześnie za pomocą tego samego silnika krokowego. Każda ze strzykawek jest połączona z zaworem elektromagnetycznym, kierującym przepływ w określonym kierunku – albo w stronę detektora, albo z powrotem do zbiornika z danym roztworem. Mieszanie badanej próbki, nośnika i reagentów w odpowiednich stosunkach objętościowych uzyskuje się poprzez stosowanie strzykawek o odpowiednio dobranych średnicach wewnętrznych.

Wielotorowa wstrzykowa analiza przepływowa (ang. Multicommutated Flow Injection Analysis, MCFIA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym stosowane są przełączniki sterowane komputerowo (tzw. komutatory), np. zawory elektromagnetyczne, decydujące o kierunku przepływu strumieni próbki, nośnika i poszczególnych reagentów.

Woltamperometria – technika, w której do elektrody pracującej przykładany jest potencjał o określonym zakresie względem elektrody odniesienia. W tej technice stosowany jest układ trójelektrodowy.

Wstrzykowa analiza przepływowa (ang. Flow Injection Analysis, FIA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym próbkę wstrzykuje się do roztworu nośnika, płynącego z dużą szybkością przez przewód o małej średnicy, który następnie łączony jest ze strumieniami reagentów.

Wstrzykowa analiza sekwencyjna (ang. Sequential Injection Analysis, SIA) – sposób prowadzenia procesu analizy chemicznej, w którym stosowane są wieloportowe zawory wstrzykowe. Przepływ w układzie jest generowany przez pompę połączoną z zaworem, co pozwala na regulację składu płynu przepływającego przez układ poprzez otwieranie bądź zamykanie odpowiednich portów w zaworze. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne sterowanie dozowaniem roztworów nośnika, próbki i reagentów.

Zakres dynamiczny odpowiedzi sensora (ang. dynamic range) – zakres stężeń lub aktywności analitu, w których czułość sensora jest większa od zera.

Znacznik (ang. label) – związek chemiczny dowiązywany do cząsteczki analitu lub wprowadzany bezpośrednio do roztworu próbki, w celu detekcji oddziaływań zachodzących pomiędzy analitem a receptorem.

Znacznik redoks – związek lub cząsteczka wykazująca zdolność do utleniania bądź redukcji przy określonej wartości potencjału.

1

Wprowadzenie
Elżbieta Malinowska, Wojciech Wróblewski

Postęp w dziedzinie nowoczesnych systemów metrologii chemicznej jest stymulowany przede wszystkim świadomością nowych zagrożeń w otoczeniu człowieka i rozszerzaniem spektrum potrzeb kontroli analitycznej. Wyniki analiz chemicznych, istotnych przy podejmowaniu decyzji dotyczących zdrowia, bezpieczeństwa i jakości życia, są dzisiaj otrzymywane najczęściej przy zastosowaniu technik chromatograficznych, spektroskopowych i elektrochemicznych. W przypadku szybkich i zautomatyzowanych pomiarów, w szczególności w trybie monitorowania, alternatywą mogą być sensory chemiczne, które często z powodzeniem zastępują drogie i skomplikowane instrumenty pomiarowe, stosowane rutynowo w analizie chemicznej. Zaletą sensorów chemicznych jest połączenie czułości i selektywności klasycznych technik analitycznych z wieloma niedrogimi rozwiązaniami konstrukcyjnymi dostosowanymi do określonego zastosowania.

Zgodnie z tzw. definicją Cambridge, sensor chemiczny jest zminiaturyzowanym urządzeniem analitycznym, które dostarcza informację o obecności (stężeniu) określonych składników złożonej próbki w czasie rzeczywistym, w trybie on-line [1]. Opis ten podkreśla najważniejszą cechę charakterystyczną sensorów chemicznych, jaką jest odmienna, w stosunku do tradycyjnych technik instrumentalnych, metodyka analityczna. Sensory chemiczne są umieszczane bezpośrednio w badanym ośrodku – tzw. analiza in-situ, co prowadzi do eliminacji konieczności pobierania i chemicznej modyfikacji próbki (ze względu jednak na różnorodność analizowanych układów i stosowanych w praktyce procedur, powyższe warunki nie zawsze są spełnione). W tym miejscu należy dodać, że w języku polskim funkcjonuje także termin czujnik chemiczny, który może być stosowany zamiennie z pojęciem sensor chemiczny (choć w niektórych opracowaniach czujnikami mogą być określone urządzenia mierzące wielkości fizyczne). Sensor lub czujnik nie powinien być natomiast utożsamiamy z detektorem – urządzeniem, które stwierdza obecność chemicznych substancji powyżej określonej wartości progowej, a mierzony sygnał jest związany z procesem fizycznym, nie zaś z obecnością określonego związku chemicznego (np. szeroko wykorzystywany detektor przewodnictwa cieplnego w chromatografii gazowej).

Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) proponuje nieco inną definicję [2] – sensor chemiczny jest urządzeniem pozwalającym na przekształcenie informacji chemicznej na sygnał użyteczny analitycznie. Informacja chemiczna jest tutaj rozumiana jako stężenie określonego składnika próbki po jej ogólny skład, natomiast jej źródłem może być reakcja chemiczna oznaczanego składnika lub fizyczna właściwość badanego obiektu. Ponadto, podstawowymi elementami sensora chemicznego są: chemicznie selektywna warstwa receptorowa (receptor part) oraz element przetwornikowy (transducer part). W części receptorowej, w wyniku oddziaływania między receptorem a analitem, następuje przekształcenie informacji chemicznej w pewną formę energii (np. zmiana: potencjału elektrochemicznego na granicy faz, intensywności promieniowania elektromagnetycznego, masy lub temperatury). Przetwornik jest natomiast urządzeniem zdolnym do konwersji energii niosącej chemiczną informację o próbce na końcowy sygnał analityczny (najczęściej elektryczny) i nie wykazuje selektywności chemicznej. Powyższe podejście jest użyteczne, ponieważ umożliwia prostą klasyfikację sensorów chemicznych (rys. 1.1), w zależności od rodzaju stosowanego przetwornika, na 4 podstawowe kategorie: elektrochemiczne, optyczne, termiczne oraz masowe (choć logiczny jest również podział np. na sensory przeznaczone do pomiarów próbek ciekłych oraz próbek gazowych – sensory gazowe).

RYS. 1.1
Budowa sensorów chemicznych zgodnie z IUPAC i zasada generowania sygnału analitycznego

Przedstawione powyżej przykładowe kategorie sensorów chemicznych nie wymieniają biosensorów, szczególnej grupy sensorów, które mogą wykorzystywać w swej konstrukcji przetworniki wszystkich czterech rodzajów. Biosensor jest bowiem urządzeniem analitycznym, które zawiera biologicznie aktywny materiał (enzymy, mikroorganizmy, organelle komórkowe, antygeny/przeciwciała, oligonukleotydy lub aptamery) w bezpośrednim kontakcie z właściwym elementem przetwornikowym, umożliwiającym oznaczanie substancji chemicznych w próbce. Według ogólnie przyjętej terminologii biosensorów, przedrostek „bio” odnosi się do natury reakcji biochemicznej pomiędzy biologiczną warstwą receptorową a analitem (rolą przetwornika jest natomiast przekształcenie efektów tych oddziaływań na sygnał wyjściowy). Pierwotnie biosensorem określano urządzenie analityczne stosowane do oznaczania analitu o charakterze biologicznym lub analitu w próbkach biologicznych.

Omawiając problematykę sensorów chemicznych i biosensorów, należy również wspomnieć o nadużywaniu terminu „sensor” w piśmiennictwie naukowym. Jako sensor chemiczny jest dość często określany ligand zdolny do selektywnego rozpoznawania analitu (dotyczy to w szczególności prac poświęconych syntezie i badaniu właściwości receptorów molekularnych). Zgodnie z przytoczonymi wcześniej rozważaniami, takie nazewnictwo nie jest uzasadnione, ponieważ sensor chemiczny jest autonomicznym urządzeniem dostarczającym informację o składzie próbki (czego nie umożliwiają cząsteczki receptorów), a jego budowa, obok kluczowej warstwy zawierającej cząsteczki receptora, obejmuje także inne elementy [3].

Kluczem do opracowania sensora chemicznego lub biosensora jest poznanie mechanizmu rozpoznawania molekularnego analitu przez cząsteczkę receptora (liganda, gospodarza) i tworzenia produktu jego oddziaływania z cząsteczką analitu (gościa), poprzez tworzenie wiązań niekowalencyjnych, wśród których dominują: wiązania koordynacyjne, wodorowe, siły hydrofobowe, siły van der Waalsa, oddziaływania π-π, wiązanie halogenowe lub oddziaływania rezonansowe. Proces rozpoznawania molekularnego bazuje na komplementarności wielkości, kształtu oraz sił międzycząsteczkowych i może przebiegać na powierzchni warstwy receptorowej lub w jej objętości. Szeroka gama tych oddziaływań przyczynia się do zróżnicowania rozpoznawania molekularnego składników próbki o złożonej matrycy, a w praktyce umożliwia zaprojektowanie sensora o określonej selektywności [4].

W pionierskich pracach nad sensorami chemicznymi można zauważyć inspirację biologią. Znajomość właściwości chemicznych walinomycyny, naturalnego antybiotyku, pozwoliła na wykorzystanie jej jako receptora (tzw. jonofora) w elektrodach jonoselektywnych z membranami polimerowymi. Chemicy bardzo szybko wykazali, że można zaprojektować i otrzymać cząsteczki syntetycznych jonoforów. Obecnie dysponujemy ogromną biblioteką jonoforów selektywnych zarówno w stosunku do kationów, jak i anionów, zaprojektowanych zgodnie z zasadami komplementarności molekularnej.

Obserwowane w naturze specyficzne procesy rozpoznawania, które zachodzą między biocząsteczką i odpowiednią dla niej cząsteczką komplementarną, stały się źródłem wiedzy i podstawą funkcjonowania biosensorów. Głównym źródłem elementów warstw receptorowych biosensorów, stały się enzymy, przeciwciała, kwasy nukleinowe i inne receptory, które łączą się tylko z określonym obiektem, gwarantując wysoką selektywność, a w wielu przypadkach wręcz specyficzność sensora. Tu procesy rozpoznawania molekularnego zachodzą według różnych mechanizmów, w zależności od charakteru zastosowanego elementu biologicznego. Przykładowo, enzymy mogą być/są stosowane w naturalnej postaci (obecne w mikroorganizmach czy też w plastrach nienaruszonej tkanki) lub w formie wyizolowanej i oczyszczonej. Działają one jako biologiczne katalizatory określonych reakcji i są zdolne do wiązania się ze specyficznymi substratami. Taka reakcja katalityczna jest podstawą działania biosensorów enzymatycznych. Mierzony sygnał jest najczęściej funkcją ubytku substratu lub produktu reakcji katalitycznej, zachodzącej w warstwie receptorowej. Przeciwciała działają według innego mechanizmu. Wiążą się one specyficznie z odpowiednim antygenem (eliminując go z otoczenia jego aktywności biologicznej) w wyniku reakcji powinowactwa. Tego typu reakcjom nie towarzyszą zmiany klasycznych właściwości fizykochemicznych (np. optycznych lub elektrochemicznych) układu, które mogłyby być odczytane przez przetwornik. Można to rozwiązać przez zastosowanie odpowiednich znaczników (ang. label), dowiązanych do cząsteczki biorącej udział w reakcji lub wprowadzanych bezpośrednio do roztworu próbki. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie odpowiedniego przetwornika, którego charakterystyka (np. zmiana energii plazmonów powierzchniowych, zmiana częstotliwości drgań lub energii dyssypacji kryształu piezoelektrycznego) jest związana ze zmianami właściwości fizycznych warstwy receptorowej (będących efektem reakcji powinowactwa) – mówimy wtedy o sensorach bezznacznikowych. Kwasy nukleinowe, charakteryzujące się określonymi sekwencjami oligonukleotydów, rozpoznają nić DNA (analit) w wyniku reakcji parowania komplementarnych par zasad (cysteina-guanina, adenina-tymina). Taki sensor wykazuje specyficzność w odniesieniu do analitu jedynie wtedy, gdy w powstającej helisie DNA następuje sparowanie wszystkich par zasad. Podobnie, jak w przypadku immunosensorów, sensory DNA są znane w wersji ze znacznikiem lub bez znacznika. Najnowsze prace sugerują, że elementy rozpoznawania molekularnego biosensorów można wytwarzać syntetycznie w nanoskali (np. peptoidy – biomimetyczne polimery, oligonukleotydy, syntetyczne receptory, biokoniugaty).

Funkcjonowanie sensorów chemicznych, tak jak innych urządzeń analitycznych, jest opisywane kilkoma parametrami metrologicznymi (parametry pracy, parametry użytkowe), ważnymi z punktu widzenia użytkownika. Obok takich podstawowych parametrów jak dokładność i precyzja, do najważniejszych należą:

a) selektywność (najważniejszy parametr charakteryzujący pracę sensora) – zdolność sensora do pomiaru stężenia analitu w obecności innych składników chemicznych próbki; ze względu na specyficzność oddziaływań biologiczny materiał – analit, znacznie lepszą selektywność osiągają biosensory;

b) czułość – nachylenie krzywej odpowiedzi sensora, wyrażone jako wartość sygnału na jednostkę stężenia lub aktywności analitu (np. mV/pH);

c) zakres dynamiczny – zakres stężeń analitu, w których czułość jest większa od zera (dla sensorów i biosensorów mieści się w zakresie 10–1–10–15 mol/L);

d) granica wykrywalności (granica detekcji) – najmniejsze stężenie analitu, które może być wykryte za pomocą sensora;

e) czas odpowiedzi – czas, po którym wyjściowy sygnał sensora osiąga 63% (t_63) lub 95% (t_95) jego wartości po nieskończenie długim czasie ustalania się równowagi, w odpowiedzi na skokową zmianę stężenia analitu;

f) czas życia (stabilność długoterminowa) – czas poprawnego działania sensora (wyniki oznaczeń nie wykraczają poza przyjętą niepewność analiz), z zaznaczeniem trybu stosowania (przechowywanie, praca).

Pierwszym historycznie sensorem chemicznym była elektroda szklana – potencjometryczny czujnik do pomiaru pH, skonstruowany na początku XX wieku przez Klemensiewicza i Habera. Dopiero w latach 60. XX wieku opracowano kolejne czujniki tej klasy, wykorzystujące membrany stałokrystaliczne (np. elektroda selektywna na jony fluorkowe z membraną z monokryształu LaF_3) oraz membrany zawierające naturalne lub syntetyczne ligandy makrocykliczne (jonofory). Ważnym krokiem w rozwoju sensorów elektrochemicznych była tlenowa elektroda Clarka (rok 1956), która została użyta w pierwszym prototypie biosensora glukozy, czy podjęcie próby użycia piezoelektrycznych kryształów jako przetworników w sensorach czułych na zmianę masy. Dopiero w latach 70. nastąpił intensywny rozwój sensorów chemicznych – obok komercjalizowanych z powodzeniem elektrod jonoselektywnych, rozpoczęto prace nad zminiaturyzowanymi sensorami optycznymi, wykorzystującymi włókna światłowodowe, zaproponowano materiały półprzewodnikowe oparte na odpowiednio domieszkowanym SnO_2 jako przetworniki rezystancyjnych sensorów gazowych oraz półprzewodnikowe tranzystory polowe typu ISFET do pomiaru pH.

W kolejnym dziesięcioleciu uwagę skierowano na możliwość wykorzystania specyficznych oddziaływań biochemicznych (powinowactwa) w warstwach receptorowych sensorów enzymatycznych, immunosensorów, a także sensorów DNA. Urządzenia tego typu stosowały najczęściej klasyczne, spektroskopowe techniki detekcji (np. fluorescencyjne), technikę spektroskopii fali zanikającej, a także rezonansu plazmonów powierzchniowych. Z kolei sensory chemiczne o ograniczonej selektywności zostały zintegrowane w układach multisensorowych (matryce czujnikowe), które w połączeniu z odpowiednimi technikami chemometrycznymi utworzyły komercyjnie dostępne urządzenia, tzw. elektroniczny nos i język.

Współczesne prace konstrukcyjne w tej dziedzinie dotyczą wprowadzania nanomateriałów zarówno do części receptorowej, przetwornikowej, jak i warstwy łączącej te dwa elementy, pod kątem optymalizacji parametrów pracy sensora (przede wszystkim: selektywności, czułości, stabilności). Zaawansowane technologie mikromechaniczne zostały włączone do otrzymywania nowoczesnych przetworników. Opracowywane są kolejne generacje biosensorów do wykrywania patogenów czy biomarkerów, lecz ze względu na charakter występujących oddziaływań i ograniczoną stabilność biologicznych warstw receptorowych, funkcjonują one najczęściej jako szybkie testy diagnostyczne. Analiza rozwoju i komercjalizacji sensorów chemicznych na przestrzeni lat wskazuje, że wiele grup tych urządzeń weszło na stałe do powszechnego użytku w różnorodnych dziedzinach życia (w szczególności: sensory gazowe, elektrody jonoselektywne, biosensory glukozy, biosensory DNA). Jednak mimo zastosowania nowoczesnych technologii oraz ogromnego doświadczenia zebranego przez naukowców w ciągu ostatnich dziesięcioleci, najczęściej sprzedawanym i używanym sensorem pozostaje wysokotemperaturowy czujnik tlenu (sonda lambda stosowana w motoryzacji) oraz szklana elektroda pH.

Literatura

1. Cammann K., Guibault E.A., Hall H., Kellner R., Wolfbeis O.S., „The Cambridge definition of chemical sensors”, w: Proceedings of the Cambridge Workshop on Chemical Sensors and Biosensors, Cambridge University Press, New York 1996.

2. Hulanicki A., Głąb S., Ingman F., „Chemical sensors definitions and classification”, Pure Appl. Chem., 1991, 63, 1247–1250.

3. Wolfbeis O.S., „Probes, sensors, and labels: Why is real progress slow?”, Angew. Chem., 2013, 52, 9864–9865.

4. Eggins B.R., Chemical sensors and biosensors, John Wiley & Sons Ltd., England 2002.

2

Sensory elektrochemiczne

Sensory elektrochemiczne tworzą największą grupę sensorów chemicznych i pośród wszystkich sensorów chemicznych zajmują szczególne miejsce ze względu na wiele charakteryzujących je zalet, do których należą m.in.:

• dobrze poznane i opisane podstawy teoretyczne działania,

• stosunkowo proste i niedrogie oprzyrządowanie,

• niskie koszty analiz,

• niedestrukcyjny charakter analiz,

• łatwość automatyzacji analiz,

• brak wrażliwości na mętność czy zabarwienie analizowanych próbek,

• łatwość miniaturyzacji.

Sensory elektrochemiczne można podzielić ze względu na mierzony sygnał analityczny m.in. na: i) potencjometryczne, ii) amperometryczne i woltamperometryczne oraz iii) konduktometryczne. Niezależnie od zastosowanej techniki, w układzie pomiarowym muszą znaleźć się co najmniej dwie elektrody tworzące ogniwo elektrochemiczne. Procesy zachodzące na powierzchni co najmniej jednej z zastosowanych elektrod, w ich objętości lub roztworze mającym z nimi kontakt stanowią istotę działania sensorów elektrochemicznych.

2.1
Sensory potencjometryczne
Mariusz Pietrzak

2.1.1
Pomiar potencjometryczny

Klasyczne pomiary potencjometryczne są prowadzone w warunkach bezprądowych (I = 0). W praktyce takie warunki zapewnia się poprzez zastosowanie aparatów pomiarowych (miliwoltomierzy, stacji potencjometrycznych) o wysokim oporze wewnętrznym (>100 MΩ), choć dawniej stosowano również układy kompensujące np. Poggendorfa. Układ pomiarowy składa się z dwóch elektrod, tj. elektrody wskaźnikowej, o potencjale zależnym od składu roztworu, w którym jest zanurzona, oraz elektrody referencyjnej (porównawczej, odniesienia), której potencjał w warunkach pomiaru powinien być stały, połączonych z odpowiednim urządzeniem pomiarowym, co zilustrowano na rysunku 2.1.

RYS. 2.1
Schemat potencjometrycznego układu pomiarowego [1]

Elektrody mogą być zanurzone w tym samym roztworze (taka sytuacja ma miejsce w zdecydowanej większości przypadków), ale jeśli istnieje podejrzenie, że roztwór badany może wpływać na potencjał elektrody odniesienia lub też roztwór wewnętrzny elektrody odniesienia może wpływać na wynik oznaczenia, to można ją zanurzyć w innym naczyniu zawierającym odpowiedni roztwór, a oba roztwory połączyć kluczem elektrolitycznym. Pośród elektrod wskaźnikowych można wymienić dwie podstawowe grupy elektrod, tzn. elektrody o elektronowym mechanizmie działania (elektrody I-, II- i III-rodzaju oraz elektrody redoks) i elektrody o jonowym mechanizmie działania (elektrody jonoselektywne). Te ostatnie spełniają kryteria, aby móc je zaliczyć do sensorów chemicznych, gdyż składają się z przetwornika i warstwy receptorowej (w postaci membrany).

Analiza wykorzystująca elektrody potencjometryczne jest oparta na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa, definiowanej jako różnica potencjałów pomiędzy elektrodą wskaźnikową a elektrodą referencyjną w warunkach bezprądowych. Potencjał elektrody wskaźnikowej zależy od składu roztworu badanego, a dokładniej od aktywności jonu (jonów) obecnych w badanej próbce. Aktywność jonu zależy od jego stężenia c oraz współczynnika aktywności f zgodnie z równaniem

a = c · f

(2.1)

Współczynniki aktywności w roztworze można obliczyć, stosując rozszerzone prawo Debye’a–Hückla

(2.2)

gdzie A i B to stałe zależne od rozpuszczalnika i temperatury, z+z– to ładunki kationu i anionu, a a jest miarą największego zbliżenia jonów obecnych w roztworze. Siłę jonową roztworu (I) można natomiast obliczyć wg następującego równania

(2.3)

Równanie to daje dobre przybliżenia dla siły jonowej mniejszej niż 0,05 mol·dm–3, a w przypadku roztworów o wyższej sile jonowej należy wykorzystać równanie rozbudowane o dodatkowy człon uwzględniający stałą C

(2.4)

2.1.2
Metody analizy z wykorzystaniem sensorów potencjometrycznych

Potencjometria bezpośrednia

Podstawową metodą oznaczania jonów wykorzystującą bezpośredni pomiar potencjometryczny jest metoda krzywej wzorcowej. Polega ona na określeniu aktywności (stężenia) oznaczanego jonu poprzez odczyt z krzywej kalibracji. Krzywa kalibracji elektrody jest to ustalona doświadczalnie zależność siły elektromotorycznej ogniwa od logarytmu aktywności (lub stężenia) oznaczanego jonu. Krzywą kalibracji wyznacza się, dokonując pomiaru SEM ogniwa w roztworach wzorcowych tego jonu o różnych aktywnościach (stężeniach). Krzywa kalibracji ma w pewnym zakresie przebieg prostoliniowy i w tym obszarze może być wykorzystana jako krzywa wzorcowa.

Unikalną cechą metod potencjometrycznych jest zależność sygnału od aktywności jonów, jednakże w wielu przypadkach analitycy preferują posługiwanie się stężeniem jonów. W takiej sytuacji jest konieczne odpowiednie przygotowanie roztworów kalibracyjnych i dopasowanie ich składu do składu roztworu próbki lub też przygotowanie próbki analitycznej wg podobnego schematu jak przygotowanie roztworów kalibracyjnych. Przyjęcie założenia, że współczynniki aktywności oznaczanego składnika we wszystkich roztworach są takie same, jest możliwe przy zachowaniu warunków pomiaru, w których siła jonowa ma dużą i jednakową dla wszystkich roztworów wartość. Takie warunki można uzyskać przez dodanie do roztworów wzorcowych matrycy (matrycą nazywamy roztwór o składzie jakościowym i ilościowym zbliżonym do próbki bez składnika oznaczanego) lub też poprzez dodanie elektrolitu podstawowego do wzorców i do próbki. Dodatek elektrolitu podstawowego musi być na tyle duży, aby różnice sił jonowych poszczególnych roztworów, wynikające z różnego ich składu, zostały zniwelowane.

W rutynowych badaniach często jest wykorzystywana kalibracja jednopunktowa, jednakże zastosowanie takiej metodyki wymaga ścisłej kontroli temperatury i znajomości czułości stosowanego sensora oraz dobrej odtwarzalności. Ważne jest, aby aktywność (stężenie) badanego jonu w roztworze kalibracyjnym była na podobnym poziomie, jak oczekiwana wartość w próbce oraz aby matryca tego roztworu była zbliżona do matrycy próbki. Do grupy metod bezpośrednich, obok metody krzywej wzorcowej, należy metoda dodatku wzorca. Polega ona na pomiarze SEM ogniwa w roztworze próbki i w roztworze próbki z odpowiednim dodatkiem roztworu wzorcowego oznaczanego jonu. Na podstawie tych pomiarów, wykorzystując proste równania matematyczne, można obliczyć zawartość oznaczanego jonu.

Miareczkowanie potencjometryczne

Miareczkowanie potencjometryczne polega na pomiarze zmian potencjału elektrody wskaźnikowej (mierzonego względem potencjału elektrody odniesienia) w zależności od objętości dodawanego titranta. Rejestracja tych zmian umożliwia wyznaczenie punktu końcowego miareczkowania poprzez zastosowanie metody środkowej stycznych równoległych lub obliczenie pochodnej. Potencjometryczna detekcja punktu końcowego ma wiele zalet w stosunku do klasycznej detekcji wizualnej. Miareczkowanie potencjometryczne pozwala wyznaczyć punkt końcowy w roztworach mętnych i barwnych, a także wyznaczyć kilka punktów końcowych odpowiadających zmiareczkowaniu kilku jonów lub ich postaci istniejących obok siebie w badanym roztworze. Takie oznaczenia metodami klasycznymi są utrudnione ze względu na trudności z doborem odpowiednich wskaźników wizualnych.