BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS

Transcripción

1 BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS Biosensor enzimático de glucosa Josep Martínez Gomar, Sergio González Álvarez

2 Clasificación de biosensores Biosensor: dispositivo analítico compacto que se compone de un elemento de detección biológico, bioreceptor, y un transductor físico-químico que convierte la señal biológica en una señal electrónica. Clasificación de biosensores: Según el tipo de receptor biológico. Según el tipo de transductor.

3 Tipos de receptores biológicos Anticuerpos: son, junto con el DNA, los agentes biológicos más selectivos que existen. Pueden enlazarse con su antígeno de manera muy específica (reacción antígeno-anticuerpo). Ácidos nucleicos: se inmovilizan cadenas cortas de DNA (ssdna) y se pueden detectar las moléculas que se unen a su complementario (A/T, G/C). Microorganismos: algunos microorganismos tienen la capacidad de asimilar compuestos orgánicos y generar un cambio morfológico o químico. Enzimas: son proteínas capaces de catalizar una reacción química. Reaccionan de manera selectiva al analito, acelerando la reacción química. En la reacción anterior, la glucosa es el sustrato, el oxígeno es el cofactor y la glucosa oxidada (GOD) es la enzima que cataliza la reacción.

4 Tipos de transductores Ópticos: transforman los cambios producidos por la interacción de un analito con el receptor en una señal óptica. Térmicos: dispositivos capaces de cuantificar el cambio de temperatura sobre la superficie del electrodo. Piezoeléctricos: dispositivos sensibles al cambio de masa del electrodo compuesto por materiales con propiedades piezoeléctricas. Electroquímicos: la señal transformada es debida a una interacción electroquímica entre el analito y el electrodo. Ventajas: Robustos, simples y económicos. Se comportan de manera lineal. Los tiempos de respuesta son muy pequeños. Tipos: Conductímetros, potenciométricos y amperiométricos.

5 Transductores electroquímicos Conductímetros: se basan en la medida de cambios de conductividad provocados por el analito, ya sea en la solución. La conductividad es proporcional a la concentración de iones según la ecuación: k =conductividad específica (S/cm) C=concentración de iones (mol/cm3) Potenciométricos: se basan en la determinación de una diferencia de potencial entre un electrodo de trabajo y uno de referencia. La diferencia de potencial medida se relaciona con la concentración del analito de acuerdo con la ecuación de Nerst, ai=actividad del ión principal aj=actividad del ión interferente zi y zj=cargas de los iones principal e interferentes ki,jpot=coeficiente de selectividad Amperiométricos: se fundamentan en la proporcionalidad entre la concentración de una especie electroactiva y la corriente eléctrica registrada al oxidarse o reducirse sobre la superficie de un electrodo. Esta relación de intensidadconcentración viene determinada por la siguiente ecuación, A=área del electrodo de trabajo Do y Co=coeficiente de difusión y la concentración del analito D=representa el tamaño de la capa de difusión

6 Biosensor enzimático de glucosa Es un biosensor para la determinación de glucosa en sangre muy importante debido a la extensión de la diabetes en el mundo Tiene su origen en 1962 basado en el electrodo de oxígeno de Clark Su funcionamiento es: Difusión de la glucosa a través de la solución Difusión de la glucosa a través de la membrana hasta entrar en contacto con el centro activo del enzima (GOD) Reacción produciéndose un producto con propiedades redox Reducción u oxidación del producto sobre el electrodo

7 Evolución de los biosensores de glucosa Biosensores de 1ª generación Basados en la medida de uno de los productos o del cofactor de la reacción enzimática Consisten en una membrana, compuesta por glucosa oxidasa inmovilizada sobre un electrodo que determina las variaciones de oxígeno en el medio. La concentración de glucosa presente en el medio es cuantificada en el medio mediante la reducción del oxígeno en el cátodo de platino a -700 mv Inconvenientes: Necesidad de aplicar sobrepotenciales altos que pueden oxidar o reducir a su vez otros analitos que haya en el medio En este tipo de reacciones se dan procesos de polimerización de los productos de reacción, que suelen pasivar en la superficie del electrodo Pasos del análisis: Ajuste del dispositivo Toma de la muestra Incorporación de la muestra al biosensor para obtener la medida de forma automática

8 Evolución de los biosensores de glucosa Biosensores 2ª generación Incorpora un mediador que se encarga de la transferencia electrónica entre el centro activo del enzima y la superficie del electrodo El mediador debe reaccionar de manera rápida con el centro activo, minimizando así la competición con el cofactor natural del enzima. Necesarias buenas propiedades electroquímicas como un potencial redox próximo a cero, con lo que se consiguen eliminar redox de posibles interferentes.

9 Evolución de los biosensores de glucosa Biosensores 3ª generación La transferencia electrónica entre el centro activo del enzima y la superficie del electrodo se realiza de forma directa. Trabajan a potenciales muy próximos a los intrínsecos del enzima, quedando menos expuestos a posibles interferentes. Una de las mayores dificultades en la construcción de este tipo de biosensores es cómo optimizar la transferencia electrónica entre el centro activo del enzima y el electrodo. Uno de los enzimas más viables para su utilización en este tipo de biosensores es Horse Radish peroxidasa (HRP) ya que su centro activo no está en el interior

10 Composición y compatibilidad Numerosos factores pueden afectar a su funcionamiento, dada la complejidad del entorno en el que actúan. Interacción de proteínas y células con la superficie del sensor que conducen a la inestabilidad operativa de los biosensores. Los materiales utilizados en su preparación suelen cubrirse con una membrana delgada cuya misión puede ser la reducción de interferencias o el control de la difusión de diferentes moléculas. Los materiales con propiedades más biocompatibles son los hidrogeles poliméricos. El agua presente en estos polímeros hidrofílicos impide la adsorción de proteínas, debido a la compresión que experimenta el polímero en presencia de éstas por el desplazamiento del agua asociada al mismo.

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