Química aplicada a la Ingeniería Biomédica. Biosensores. Omar Ferrús Alejandro Mañas Ignacio Suay Alejandro D. López

Transcripción

1 Química aplicada a la Ingeniería Biomédica Biosensores Omar Ferrús Alejandro Mañas Ignacio Suay Alejandro D. López

2 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

3 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

4 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.

5 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 -> Gran cambio concentración iónica 2HN4+ + HC3- + OH-

6 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

7 Biosensores Ópticos Tipos de biosensores ópticos: Biosensores de fibra óptica Transmisión de la luz FIBRA ÓPTICA Fibra óptica ELEMENTO DE BIORRECONOCIMIENTO SISTEMA DE DETECCIÓN

8 Biosensores Ópticos Tipos de biosensores ópticos: Biosensores de guías de ondas planas Transmisión de la luz Guías de onda planas Ej: Interferómetro de Mach Zender (circuito de óptica integrada)

9 Biosensores Ópticos Tipos de biosensores ópticos: Biosensores de onda evanescente Interacción: Biorreconocimiento Onda Evanescente

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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