Sensores y celdas de medición de los Analizadores

de Laboratorio Clínico

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Seminario del Núcleo de Ingeniería BiomédicaFacultad de Ingeniería – Facultad de Medicina

Mayo 2009. Dr. H.Venturino, BSEE

Temario

• Conceptos introductorios• Instrumento ejemplo: Hitachi “Modular”• Sensores utilizados• Celda de medición de Fotometría de absorción

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En el laboratorio clínico hay instrumentos para medir una multitud de parámetros. Según el tipo de parámetros, los principales son:

- Bioquímica- Inmunodiagnóstico- Hematología - Coagulación - Gases en Sangre - Electrolitos - Agregación plaquetaria- Diagn. molecular (PCR)- etc.

Son equipos de tipo “diagnóstico”.

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Conceptos introductorios

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Conceptos introductorios

Analito: Parámetro a medir. De interés clínico.Sinónimos:“Tests” o “Parámetro”. Hay centenares.

Reactivo: Sustancia/s que se agregan a la muestra y al reaccionar con ella cambian una propiedad de la reacción que pone en evidencia al parámetro a medir. Específicos para el parámetro a medir.

Muestra: Sol. biológica que contienen el analito “problema”.Tipos: sangre, suero, plasma, orina, saliva, LCR, heces, liq. pleural, liq. peritoneal, células y otros. Normalmente se refiere a las del paciente

Los analizadores son sistemas de medida relativos

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Calibración: Previo a medición. Enfrentar al equipo a valores conocidos delparámetro a calibrar. Establece la “curva de calibración” a la que el sistema luego se refiere para dar el resultado.

Calibradores: Sols. que contienen uno o más de los parámetros a calibrar en concentración exacta, conocida. Típ. alto y bajo.

Controles: Sols. que contienen uno o más de los parámetros a medir en concentración conocida. Para atestiguar que el instrumento mide correctamente.

Control de Calidad: Acto de controlar medición de parámetro.Análisis individual y seriado. Gráficos de Levey Jennings. Tablas. Promedio, SD y CV

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Conceptos introductorios

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Funciones comunes a los analizadores del lab:

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Conceptos introductorios

Id. de la muestra

Toma de muestra y reactivos

Mezclado

Incubación

Detección

ProcesamientoLectura de resultados

Interpretación de la información obtenida

Acción sobre el paciente

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- Control electrónico basado en uno o más microprocesadores y/omicrocontroladores y/o en una PC.

- Hidráulica o “fluídica” para el muestreo, transporte, y mezcla de muestras y reactivos.

- Robótica de complejidad variable para ejecutar las tareas mecánicas requeridas.

- Celda de medición adecuado a el/los analito/s a medir: “cámara/s de medición”. Habitualmente miden luz.

- Entradas: muestras, calibradores, controles de calidad, reactivos, teclados, lectores de códigos de barras, recepción de datos desde LIS (Sistema de Información de Laboratorio) y lectoras de CD o disquete para actualización del sofware y firmware.

- Salidas: resultados por pantallas, impresoras y envío serial al LIS.

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o Conceptos introductoriosCaracterísticas comúnes a los analizadores del lab:

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- Evolución: Inicialmente imitaban lo manual, luego agregan funciones de control y procesamiento computacional y finalmente integración a una red.

- Además de medir incluyen muchos otros procesos. Interfaz con usuario, Calibración, QC, Lavados y limpiezas, Información de resultados, autodiagnóstico, etc.

- Son máquinas “politécnicas”: Electrónica, mecánica, hidráulica, óptica, neumática, electroquímica, químicas, informática, etc.

- Principios de medición. En gral. uno por equipo. A veces más de uno por instrumento.

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Conceptos introductorios

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Ej.: Multianalizador Modular

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Ej.: Multianalizador Modular

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Modular para NIB\Película\VIDEO_TS\VTS_01_1.VOBModular para NIB\Película\VIDEO_TS\VTS_01_1.VOB

Sensores• En su gran mayoría son sensores de uso gral.

Para controlar la función de los sistemas del analizador.

• LLD (Sensado de nivel de líquidos): Por capacidad y por conductividad

• Ópticos: Barreras de luz IR, reflectiva, interposición corta y larga.Para sensar movimientos, y presencia de líquidos. Goteos.Fotomultiplicador: luz de bajo nivel en sistemas de mediciónArray de CCD: imágenes

• Mecánicos: Microswitch: detección de posiciones de mecanismos.Posiciones: home y conteo de pasos.En mecanismos lineales y rotativos.Por peso: mecánicos contra resorte y por sensor

• Magnéticos: Hall. Posiciones de mecanismos y giro. Reed switches

• Presión / vacío: Galga extensiométrica: presión hidráulica y neumática.

• Temperatura: Semiconductores LM35, DS1802, NTC, PTC, thermoswitch

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Otros dispositivos que sensan sin ser sensores

• En su gran mayoría son sensores de uso gral.

• Trasponders: información de reactivos (aunque no son sensores en realidad)

• Lectores de códigos de barra: información de reactivos y muestras

• Celdas de medición: o “cámara”. Compartimiento en el que se coloca la reacción a medir y se mide una variable que representa la concentración de la sustancia

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Sensores: definición y conceptosDefinición: Dispositivo que transforma magnitudes físicas o químicas,

llamadas “variables de interés”, en magnitudes eléctricas. En gral. voltaje, a veces corriente y menos frecuentemente, resistencia.

Ej.: intensidad lumínica, campos magnéticos, temperatura, torsión, presión, aceleración, inclinación, desplazamiento, distancia, fuerza, humedad, etc.

• Son transductores de una forma de energía, a otra, más fácil de procesar y medir.

• Relación proporcional, idealmente lineal, de la señal de salida con los cambios de la variable sensada.

• Pero hay “sensores” que tienen salida “todo o nada”, por ej. microswitches, reedswitches y la mayoría de los optoacopladores.

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Sensores: Características principales

• Sensibilidad: relación entre variación de la magnitud de salida y variación de la magnitud de entrada.

• Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.

• Precisión: es el error de medida máximo esperado. • Rango de medida: dominio en la magnitud de medida en que puede aplicarse el

sensor. • Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de

entrada es nula. • Linealidad o correlación respecto a la linealidad.• Velocidad de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la

magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

• Derivas: otras variables presentes que influyen en la variable de salida. Ej. temperatura, humedad, envejecimiento.

• Reproducibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. • En general, la señal de salida del sensor mismo requiere una adaptación o

acondicionamiento para poder ser procesada, por ejemplo, conectarse formando parte de un puente de Wheastone, ser amplificada, aplicarsele offset, etc.

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Detector de nivel de líquidos “LLD” por desequilibrio de puente de Wheastone capacitivo.

Liq. Si-No

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Gnd

C cub-Gnd

C ag-cub

Cubeta

3.4KHz

x1

x2

C ag-Gnd

C ag-Gnd

x1

P. Max Sup+

R

R

V offset

+

RR

3.4 KHz

x2

+

500K

RR

+

+

+

1Meg

1Meg27kHz

-6/6V

Para detectar presencia y nivel de muestras y reactivos. Desde 30 ul

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Detector de nivel de líquidos “LLD” de tipo divisor de tensión resistivo / capacitivo - principio

~30KHz

C cub-Gnd

Señal de salida

C ag-cub

Cubeta

Gnd

+1 AD

Procesam.digital

30KHz

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Xc

R

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Detector de nivel de líquidos “LLD”de tipo divisor de tensión resistivo / capacitivo – circuito real con detalles a considerar

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Los criterios de detección habitualmente combinan cambio de amplitud y pendiente

Detector de nivel de líquidos “LLD”criterios de detección

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Detector de nivel de líquidos “LLD” por conductividad

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Señal de salida:

Presencia,suficiencia,o llenado

~

Botella

Gnd

ref.

R1

R2

Para detectar líquidos con volúmenes grandes. Ej. agua o sol. de lavado, contenedores de desechos.

1818

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-Lab

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Clín

ico

Detección de posicionamiento mecánico.Barrera o “flag” que se interpone.

Opto sensores

Detección de presencia de un objeto. Por reflexión sobre el objeto o una superficie.

Detección de pasaje / presencia / tipo de liquido.Tubo transp.

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Formas de utilización

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Los racks son soportes plásticos para 5 tubos. Son las unidades de transporte. Cada rack tiene diferentes perforaciones para ser identificados por pasaje de luz.

Cada tipo de contenedor de muestras es detectado altura, con luz

Muestras

Calibrad.

Controles

Limpieza

Emergencia

Copa sobretubo 75mm

Tubo 75mm

Copa

Copa sobretubo 75mm

Tubo 100mm

Opto sensores

2020

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El transporte de los racks desde su entrada hasta la salida, pasando por los sitios de toma de muestras es controlado por opto sensores ymicroswitches

Opto sensores

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Distribución de sensores ópticos en

Opto sensores

2222

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Opto sensores

Pos. de origen del mecanismo de lavado de cubetas de reacción

Pos. de origen y sentido de giro de los brazos

React. 1

React. 2

Muestras

Agitad.

RotorReact.

Mec. lavado

Pos. de origen y sentido de giro de los rotores

Habitualmente las posiciones intermedias se logran por conteo de pasos. (Son motores por pasos)

2323

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Pos. de origen de las jeringas

Presencia de agentes de limpieza

Opto sensores

2424

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Pos. de otros mecanismos

Opto sensores

Celda de medición

ECL

Cierre de puertas y cubiertas

2525

FotomultiplicadorSe

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Los tubos fotomultiplicadores se utilizan como sensores de luz de alta sensibilidad en celdas de medición de Electro Quimio Luminiscencia y en algunos analizadores hematológicos como sensores de luz para detectar células marcadas con tintas fluorescentes.

2626

Micro y Reed SwitchSe

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Clín

ico

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Algunos multianalizadores de laboratorio los utilizan como sensores de límite de desplazamiento y/o posición de mecanismos. El Hitachi “Modular” de nuestro ejemplo usa pocos microswitches mecánicos. Solamente para detectar apertura / cierre de tapas de rotores. Son menos fiables que los ópticos.

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Sensores de presión y vacíoSe

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Clín

ico

Las muestras pueden contener fibrina u otras partículas que pueden ocluir los circuitos de aspiración (pipeteo). Al aspirar las muestras se genera presión negativa. Si es excesiva es porque hay obstrucción total o parcial. Un sensor de vacío en la línea de aspiración lo detecta.

Lámina sensora interna.R var (f) estiramiento

Aspecto exterior.Pres – Vac - Diferen

La R sensora está conectada a un puente de Wheastone dentro del sensor.

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Detección de obstrucción en circuito (hidráulico) de toma de muestras y reactivos mediante un sensor de vacío.

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o Sensores de presión y vacío

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• Las celdas de medición, el incubador de reacción y a veces los reactivos de los analizadores de laboratorio operan a temperatura controlada.

• Las temperaturas de trabajo de las celdas son cercanas a la fisiológica, habitualmente 37, 28, 25°C.

• Los reactivos se refrigeran de 8 a 20°C para conservarlos y a veces a la temperatura de la celda, para no alterarla.

• Se utilizan sensores de temperatura para sus circuitos de control. Habitualmente termistores pero pueden ser DS18S20, LM35 o sus equivalentes. Nunca termocuplas.

• Se usan termoswitches como protectores frente a sobrecalentamiento de bobinados de válvulas y sistemas termostatizados.

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o Sensores de temperatura

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Para medir velocidades de rotación de motores y de agitadores de reacción.A veces para detectar posiciones.

Se basa en la tensión transversal de un conductor al que se somete a un campo magnético. Para ello hay que hacer circular por el cable una intensidad fija y acercar un imán. Los electrones que pasan por el cable se verán desplazados hacia un lado. Así, aparece una diferencia de tensión entre los dos puntos transversales del cable. Al separar el imán del cable, la tensión transversal desaparece. Es necesario amplificar la tensión transversal, porque su valor es muy reducido.

La salida es habitualmente de tipo todo o nada.

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o Sensores magnéticos Hall

Ik

Cond

Eout

5 a 12V

N SImán fijo

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Sensores de electrolitos (ISE)

Los electrolitos usualmente medidos con ISE son:

Na+, K+, Ca+ +, Cl-, Li+ y Mg+ +

La medición se basa en la interacción de iones que se mueven libremente en un liquido en contacto con el material activo del sensor ó “membranaselectiva”. Esta capta iones y adquiere un potencial eléctrico dado por la ecuación de Nernst.

La membrana selectiva se coloca entre la muestra, con concentración desconocida del ion de interés y un líquido con una concentración constante del mismo. Cada cara adquiere un potencial. Entre ambas hay una ddp, proporcional a la concentración del ion de cada lado. Por lo tanto, a la concentración en el liquido bajo análisis.

Prin

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Sensores de electrolitos (ISE)Desarrollo del potencial de membrana

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Constitución de la membrana: moléculas de alta afinidad al ionde interés en un entramado de fibras plásticas. Electroneutralidad.

En la zona adyacente a un líquido con iones, los ionóforoscapturan iones. La superficie de la membrana adquiere carga.

“ionóforos” o “portadores”

plastificadorfibras PVC

3333

K+

La valinomicina, un antibiótico, es una molécula muy afín al ion K+. Se usa como ionóforo para la membrana sensible y selectiva al K+. Para otros iones se usan otros ionóforos.

Sensores de electrolitos (ISE) Ejemplo de ionóforo - Valinomicina

3434

+

_

K+ K+ K+ K+

K+ K+

mVK+ K+ K+ K+

K+ K+

[ion] en la muestra

[ion] en líquidointerno

Prin

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ores Sensores de electrolitos (ISE)

Desarrollo del potencial de membrana

3535

Sensores de electrolitos (ISE) Medida de la ddp

KCl

KCl

KCl

KCl

KCl

KCl

KCl

KCl

Hg líquido

Calomel

Algodón

Borne interno de Ag/AgCl

Muestra

Alambre Pt

Membrana selectivasensible al K+

K+K+

K+

K+

K+

K+K+

K+

K+

K+K+

K+K+

K+

K+

Tubo delgado o membrana porosa

Solución con concentración conocida de varios electrolitos. Ejemplo: K+

Ampl.Difer.

KCl

A/D µP

Resultado en mmol/l

Electrodo de Ref.

Sensor ISE

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Sensores de electrolitos (ISE) Medida de la ddp

Prin

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3636

Sensores de electrolitos (ISE)Tipos

K+

K+K+

K+

K+K+

K+ K+ K+

K+

Na+Na+

Na+

K+

Na+

Na+

Na+ Na+Na+ Na+

Na+Na+

Líquido con concentraciones conocidas de K+, Cl-, Ca++, Li+

Membrana sensora “líquida”, selectiva al K+, Cl-, Ca++, Li+

Electrodo selectivo al Na +

Ca++Cl-Cl-

Cl-Cl-

Ca++

Ca++Ca++

Plexiglas

Electrodos selectivos al K+, Cl-, Ca++, Li+

Membrana sensora de vidrio, selectiva al Na+

Líquido con concentraciónconocida de Na+

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3737

Construcción típica de un sensor de ISE

Electrodos selectivos al K+, Cl-, Ca++, Li+

Electrodo selectivo al pH o al Na +

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Celda de medida ECL para Inmunodiagnóstico.Miden muchos tipos de analitos de muy baja concentración en organismo.

El principio de medida se basa en una reacción inmunológica:la reacción antígeno – anticuerpo que es un mec. de defensa básico.

Se basan en la altísima sensibilidad y especificidad de la reacción antígeno –anticuerpo. Se logra sensibilidad de 4 órdenes de magnitud respecto a los analizadores fotométricos. Pueden determinar fgm⁄/ml.

Los reactivos tienen anticuerpos “anti” el analito a medir, (antígeno).Se adhieren a micropartículas recubiertas de biotina-estreptovidina.

Estos anticuerpos están marcados con quelato de Rutenio.

antígeno

anticuerpoespecífico, marcado

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Principio de medición Inmunológico, ECLSe

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Ante la presencia del analito (antígeno) en la muestra, se produce la reacción antígeno – anticuerpo sobre las micropartículas.

Las micropartículas son retenidas mediante un imán en la CM, sobre el electrodo de trabajo. Los materiales no adheridos se desechan.

En presencia de otro reactivo TPA (tripropilamina) y con un pulso eléctrico se gatilla una reacción luminiscente.

La luz es captada por un tubo fotomultiplicador y es f (concentración del analito).

4040

28+/- 0.1 ºC

Reference Electrode

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Celda de medición ECL - esquema

LightReactioninput output

4141

WE

CE

RE

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Celda de medición ECL – construcción

4242

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Celda de medición ECL – disparo eléctrico y luz

22.5

2

1.5

1

4343

V ref +

-

CE

REWE

Mantiene constante voltaje entre RE y WE = VRef. No circula corriente por RE

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Celda de medición ECL - Potenciostato

4444

I = 0

VRef

Durante la reacción química las resistencias inter electródicas varían pero hay que mantener la tensión WE – RE constante (2V).

Vvar

Ref WE

CE

Muestra de Corriente"Cur"

Principio del Potenciostato de los Elecsys

Muestra de Voltaje "Vol"CE a WEVoltaje de Celda

On - Off

El potenciostato regula (varía) la corriente a fin de mantener constante el voltaje entre los electrodos Ref y WE.

Los valores de las 3 resist. "R-liquido" pueden variar en un amplio rango.

-15V

15V

+TL071 DC A-208.3pA

DC V 2.000 V

DC V-2.000 V

DC V-2.325 VS1

DC~V 24.12uV

U Obetivo2V

-15V

15V

15V

-15V

+

+ TL071

R-liquido600k

R-liquido97k

R-liquido220k

10k

100k 100k

10k

Sensado de I

10

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Celda de medición ECL - Potenciostato

4545

Muchas gracias por su atención !

Sens

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