Download SA Tema 11 Biosensores 2011

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Biosensores
SENSORES Y ACONDICIONADORES
TEMA 11
BIOSENSORES
(Principios físicos de funcionamiento)
Profesores:
Enrique Mandado Pérez
Antonio Murillo Roldan
Tema 11 - 1
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Biosensores
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
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Biosensores
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
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CLASIFICACIÓN
Según el elemento
biológico
Clasificación de
los biosensores
Con enzimas
Con anticuerpos
Electroquímicos
Según el tipo de
respuesta físicoquímica del elemento
sensor
Térmicos
Ópticos
Piezoeléctricos
Tema 11 - 4
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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
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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
+
Analito
enzima
producto
enzima
+
enzima
Tema 11 - 6
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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
(a)
B
B
B
B B
B B B B
Sensor
(b)
B
B
B
B
B
B
Sensor
(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
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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
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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
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Biosensores
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
potenciométricos
el
parámetro
(tensión),
eléctrico
de
medida
amperimétricos
pueden
(corriente)
ser
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
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BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS
Biosensor de detección de glucosa
La concentración de glucosa se determina por el O2 consumido o el agua
oxigenada (H2O2) 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)
capa de
aislamiento
capa de grafito
sustrato
metálico
Corriente ( A)
membrana
inmovilizada
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
10
20
30
40
Concentración (mM)
Tema 11 - 11
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BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS
Biosensores 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
G
Solución
Solución
Electrodo de
referencia
Membrana protectora
+V
D
Capa de enzima
Encapsulado
VG
Al
n+
Membrana de
ion selectivo
n+
S
G
D
S
i
Vo
Fuente de
corriente
SiO2
(aislante)
Silicio tipo p
Tema 11 - 12
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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
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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
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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
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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
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CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES
Características
Alta sensibilidad, especificidad y rapidez de respuesta
Necesitan poca cantidad de analito
Aplicaciones
Médicas
Medición de niveles de glucosa, colesterol, CO2, 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
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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.
Amplificador restador
Señal
eléctrica
Referencia
Filtrado
Visualizador
ADC
Microcontrolador
Almacenamiento
Tema 11 - 18