Química aplicada a la Ingeniería Biomédica

Biosensores

Omar Ferrús Alejandro Mañas Ignacio Suay Alejandro D. López

Concepto de biosensor

Dispositivo electrónico que se encarga de detectar sustancias biológicas en una muestra y traducir estas bioseñales a señales eléctricas cuantificables.

Analito

Sust. receptora

Taxonomía

Basada en la naturaleza del proceso biológico:

Catalíticos, cuyos receptores pueden ser: enzimas, tejidos o microorganismos.

De afinidad, basados en inmunosensores y quimiorreceptores.

Basada en el fundamento del transductor:

Electroquímicos

Ópticos

Térmicos

De masa

Biosensores electroquímicos

Reacciones químicas en la interfaz de un conductor eléctrico.

Ventajas: Permiten monitorización ‘in vivo’ debido a poca necesidad de volumen

Señal eléctrica obtenida, factible transducción.

Simplicidad y bajo coste.

Desventajas: Baja selectividad

Necesidad de utilizar electrodo de referencia

El más conocido, el sensor de glucosa Biorreceptor = enzima glucosa oxidasa

Glucosa + O2 ácidogluconico + H2O2

3 tipos de transductores: sensor de oxigeno, de ph o de peróxido.

Biosensores conductimétricos

Procesos biológicos provocan cambios en concentración iónica -> cambios conductividad eléctrica.

2 pares pequeños de electrodos, en uno membrana con enzima inmovilizada.

En presencia del sustrato enzimático -> cambios de conductividad (proporcionales a concentración del sustrato).

El más conocido, el sensor de urea: NH2 CONH2 + 3H2O -> 2HN4+ + HC3- + OH-

Gran cambio concentración iónica

Biosensores Ópticos

Principio de detección:

Interacción: radiación EM (luz) – materia

Biorreconocimiento Cambio del índice de refracción

Variaciones en la luz trans.

Concentración analito

Absorción – Polarización

Emisión – Refracción

Dispersión – Reflexión

Transducción óptica (detección):

Cambios de fase o polarización

Cambios de intensidad

Cambios de frecuencia

Biosensores Ópticos

Tipos de biosensores ópticos:

Biosensores de fibra óptica

Transmisión de la luz FIBRA ÓPTICA

• ELEMENTO DE BIORRECONOCIMIENTO

• SISTEMA DE DETECCIÓNFibra óptica

Biosensores Ópticos

Tipos de biosensores ópticos:

Biosensores de guías de ondas planas

Transmisión de la luz Guías de onda planas

Ej: Interferómetro de Mach­Zender

(circuito de óptica integrada)

Biosensores Ópticos

Tipos de biosensores ópticos:

Biosensores de onda evanescente

Interacción: Biorreconocimiento ­ Onda Evanescente

Biosensores Ópticos

Tipos de biosensores ópticos:

Biosensores por resonancia de plasmones superficiales

Interfase: capa metálica ­ biorreconocimiento

Concentración de analito

Cambio índice de refracción

Ángulo de resonancia

Intensidad de luz reflejada

BIOSENSOR TERMOMÉTRICO

Detectan el calor en las reacciones enzimáticas exotérmicas, y la cantidad de concentración de analito.

Funcionamiento: 2 termistores

Temperatura del medio

Temperatura del medio + la de la reacción

La diferencia es la variación por la reacción enzimática

Biosensor Nanomecánico

Actualmente, se utilizan para detectar polimorfismos en genes humanos y detectar contaminantes en aguas.

Elemento de reconocimiento se inmoviliza en una palanca de silicio. Al interaccionar con el analito se produce:

Cambio de deflexión (grado de desviamiento de la estructura)

Cambio de frecuencia de resonancia

Biosensor Piezoeléctrico

Propiedad Piezoeléctrica:

Cristales sufren deformación al ser sometidos a un campo eléctrico

Si el campo eléctrico oscila, el cristal vibra con una frecuencia determinada

El cristal puede variar su frecuencia de resonancia cuando se adhieren moléculas a su superficie

Se aprovechan estas variaciones para detectar sustancias químicas

Influenciables por la humedad Baja humedad -> muy poco sensibles Alta humedad -> desaparece efecto piezoeléctrico En líquidos -> inutilizables

Biosensor Piezoeléctrico

Sensores QCM (Quarz Cristal Microbalance)

Disco resonante de pequeño diámetro con electrodos de metal a cada lado conectados a hilos.

Polímero recubre al disco volviéndolo mas sensible activo.

Sustancia en contacto con la superficie incrementa la masa del sistema reduce frecuencia resonancia fácil de medir

Detecta cambios del orden del picogramo

Insensibles a cambios de temperatura

Recuperación tras exposición a gas de referencia frecuencia de resonancia vuelve al valor base

Tiempo de respuesta y recuperación se minimiza reduciendo el tamaño y la masa del cristal de cuarzo

Biosensor Piezoeléctrico

Sensores SAW (Surface Acoustic Waves)

Piezoelectricidad se aprovecha para generar onda de superficie (Onda de Rayleigh)

Frecuencias de funcionamiento más altas genera cambios mayores de la misma en las detecciones (cientos de MHz)

Detecta cambios del orden del picogramo con cambios de frecuencia mayor mayor relación superficie-volumen peor relación SNR