Y ACONDICIONADORES TEMA 11 BIOSENSORES

Transcripción

1 SENSORES Y ACONDICIONADORES TEMA 11 BIOSENSORES (Principios físicos de funcionamiento) Profesores: Enrique Mandado Pérez Antonio Murillo Roldan Tema 11-1

2 DEFINICIÓN Son sensores que combinan una membrana semipermeable (selectivamente permeable en un solo sentido), sobre la que se coloca un material biológico sensible, y un elemento sensor que convierte en una señal eléctrica la reacción de reconocimiento molecular que tiene lugar en la membrana al ponerla en contacto con una muestra que contiene la sustancia a analizar (analito). Se logra así que alguno de los parámetros de la señal sea proporcional a la concentración del analito. Tema 11-2

3 FUNDAMENTOS La membrana semipermeable separa la sustancia a detectar de otras presentes en la muestra a las que también es sensible el material biológico. La respuesta del material biológico se detecta mediante un elemento sensor que puede ser electroquímico, térmico, óptico o piezoeléctrico. Como material biológico se utilizan típicamente enzimas y anticuerpos, aunque hay biosensores que utilizan células y fragmentos de tejidos. Tema 11-3

4 CLASIFICACIÓN Según el elemento biológico Con enzimas Con anticuerpos Clasificación de los biosensores Según el tipo de respuesta físicoquímica del elemento sensor Electroquímicos Térmicos Ópticos Piezoeléctricos Tema 11-4

5 BIOSENSORES CON ENZIMAS Las enzimas son proteinas que catalizan de forma específica determinadas reacciones bioquímicas, y se mantienen sin cambios al final de las mismas. Además, la velocidad de reacción depende de la concentración de la enzima. Tema 11-5

6 BIOSENSORES CON ENZIMAS Son biosensores basados en que las enzimas provocan una reacción bioquímica del sustrato que contiene la sustancia a detectar. La reacción da lugar a la formación de un complejo intermedio enzima-sustrato, cuya evolución y posterior ruptura libera la enzima y da lugar a los productos finales, que se detectan mediante los elementos sensores. Complejo intermedio Analito + enzima Analito enzima producto + enzima Tema 11-6

7 BIOSENSORES CON ENZIMAS Para que la enzima se mantenga activa es necesario inmovilizarla mediante: a) Adsorción, poniendo en contacto durante cierto tiempo las biomoléculas (B) con un material adsorbente. b) Atrapamiento de la biomolécula (B) dentro de material biológico permeable solo al analito y a los productos de la reacción de reconocimiento. c) Formación de uniones covalentes entre el material biológico y la superficie del sensor. B B B B B B B Membrana Sensor B B B B B B B B B Sensor B B B B B B Sensor (a) (b) (c) Están basados en enzimas los biosensores de azúcares, urea y alcoholes. En el caso de los azúcares la enzima rompe enlaces y se obtiene glucosa. Tema 11-7

8 BIOSENSORES CON ANTICUERPOS Un anticuerpo es una proteína producida por la administración de un antígeno (toda sustancia capaz de inducir una respuesta inmune específica cuando se introduce en los tejidos de un ser vivo). Cada anticuerpo reconoce y se acopla a un solo antígeno o a grupos de antígenos específicos. Dado que el acoplamiento no produce productos de reacción, la detección se realiza mediante pequeños cambios de masa, la generación de señales eléctricas débiles o los cambios de las propiedades ópticas. Tema 11-8

9 BIOSENSORES CON ANTICUERPOS El anticuerpo se inmoviliza en la membrana. La respuesta de los biosensores basados en anticuerpos y antígenos (inmunosensores) es más específica que la de los basados en enzimas. Muchas de las reacciones inmunológicas son irreversibles, por lo que sólo se puede realizar una medida. Tema 11-9

10 BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS En muchas reacciones químicas se producen o consumen iones o electrones, lo que da lugar a cambios de las propiedades eléctricas de la solución. Según el parámetro eléctrico de medida pueden ser potenciométricos (tensión), amperimétricos (corriente) y conductimétricos (conductividad). Los sensores electroquímicos son sencillos de fabricar y utilizar, fiables, de respuesta rápida y no necesitan pretratamiento de la muestra, por lo que los biosensores basados en ellos son los más comunes. Los biosensores electroquímicos más utilizados son los amperimétricos, entre los que destaca el sensor de glucosa. Tema 11-10

11 BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS Biosensor de detección de glucosa La concentración de glucosa se determina por el O 2 consumido o el agua oxigenada (H 2 O 2 ) formado en la reacción de oxidación de la glucosa, catalizada mediante la enzima Glucosa Oxidasa (GOD) A mayor cantidad de glucosa, mayor consumo de oxígeno (menor detección) y mayor producción de agua oxigenada. El elemento sensor asociado es un sensor de oxígeno. membrana de acetato de celulosa enzima inmovilizada (GOD) membrana inmovilizada capa de aislamiento capa de grafito sustrato metálico Corriente ( A) 5,0 4,0 3,0 2,0 1, Concentración (mm) Tema 11-11

12 BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS ISFET (Ion Sensible FET) Son biosensores potenciométricos basados en transistores de efecto de campo (FET) sensibles a un ión (se suprime el metal de la puerta). En los biosensores ISFET, la superficie sensible a un ión es una capa de enzima. El potencial eléctrico de la superficie cambia cuando los iones y la superficie interactúan. Los cambios de la densidad de carga se convierten en variaciones de corriente del drenador y por lo tanto en cambios de la tensión de salida. Se utilizan principalmente para la medida de ph. Electrodo de referencia Membrana protectora Capa de enzima Encapsulado S G Solución D Electrodo de referencia Solución G +V D S V o Membrana de ion selectivo Al n+ n+ SiO 2 (aislante) V G i Fuente de corriente Silicio tipo p Tema 11-12

13 BIOSENSORES TÉRMICOS Cuando el analito entra en contacto con la enzima se produce una reacción térmica, que se calibra en relación con la concentración de analito mediante un sensor de temperatura (en general un termistor). El sistema se recubre de una capa aislante para reducir las pérdidas de calor. El biosensor térmico junto con otro de referencia se conectan a los brazos de un puente de Wheatstone. Tema 11-13

14 BIOSENSORES ÓPTICOS Están basados en la interacción de la radiación electromagnética con la materia, lo que da lugar a variaciones de la intensidad, polarización o velocidad de la luz en el medio. Un ejemplo de biosensor óptico se basa en introducir luz a través de una fibra óptica recubierta con el material biológico. La reacción de reconocimiento molecular en la superficie de la fibra provoca cambios de sus propiedades ópticas y hace que se absorban determinadas longitudes de onda de la luz entrante. El espectro de salida es por lo tanto diferente al de entrada y su diferencia, en relación con una referencia permite determinar el nivel de analito presente. Tema 11-14

15 BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS Están formados por un sensor de onda acústica acoplado a un anticuerpo. Cuando el antígeno (el analito) se une a la membrana, su masa cambia y hace que disminuya su frecuencia de resonancia. Se pueden detectar cambios de masa del orden de nanogramos. Tema 11-15

16 CONSIDERACIONES IMPORTANTES Tienen una vida útil limitada porque el material biológico es delicado y es afectado por proteínas u otras sustancias presentes en la membrana. A veces entre las medidas es necesario mantener el sensor refrigerado. La temperatura afecta a la velocidad de reacción y puede afectar también al material biológico (no se deben superar los 50 ºC). Si el material biológico es una enzima, le afectan mucho las características ambientales químicas (sobre todo el ph). Además, algunos metales pesados inhiben su acción, por lo que hay que evitar su presencia en la muestra. Si se mide dentro del ser humano, el material biológico utilizado debe ser biocompatible. Tema 11-16

17 CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES Características Alta sensibilidad, especificidad y rapidez de respuesta Necesitan poca cantidad de analito Aplicaciones Médicas Medición de niveles de glucosa, colesterol, CO 2, etc en sangre. Control de drogas y alcohol. Producción de anticuerpos y detección de productos de ingeniería genética. Industriales Medida del tiempo de almacenamiento, deterioro y contaminación de alimentos. Tema 11-17

18 CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO E INTERFAZ La señal eléctrica proporcionada por el biosensor es en general de muy bajo nivel y está superpuesta a una señal de alto nivel y ruidosa. El circuito de acondicionamiento resta una señal de referencia, procedente de un sensor sin membrana, de la señal de salida del biosensor, amplifica la diferencia resultante y realiza un filtrado para eliminar el ruido. Señal eléctrica Amplificador restador Filtrado ADC Microcontrolador Visualizador Referencia Almacenamiento Tema 11-18