6. Biosensores

5/8/2018 6. Biosensores - slidepdf.com

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BIOSENSORES BIOSENSORES

Son dispositivosdispositivos compactoscompactos dede análisisanálisis conformados por unelementoelemento dede reconocimientoreconocimiento biológicobiológico (ácido nucleico, enzima,anticuerpo, etc.) asociado a un sistemasistema dede transduccióntransducción que permite

procesar la señal producida por la interacción entre el elemento de

reconocimiento y el analito.

El principio de detección de un biosensor se basa en la interacciónespecífica entre el compuesto o microorganismo de interés y elelemento de reconocimiento.

Como resultado de esa unión se produce la variación de una o varias propiedades fisicoquímicas (pH, transferencia de electrones, de calor,variación de propiedades ópticas, etc.) que detecta el transductor.

Ingº Fredy Molina Rodríguez



Este sistema transforma la respuestadel elemento de reconocimiento en

una señal electrónica indicativa de la presencia del analito sometido aestudio o proporcional a suconcentración en la muestra..

El término biosensor comenzó autilizarse a partir de 1,977,designando como tal la unión entreun material biológico y untransductor físico

A partir de ese momento, el diseñoy las aplicaciones de los biosensoresen distintos campos de la químicaanalítica y en el control de procesoson line ha continuado creciendo.




F uncionamiento General de los BiosensoresF uncionamiento General de los Biosensores

Elementos Componentes del Sistema: Elementos Componentes del Sistema:

F uncionamiento:F uncionamiento:

En una muestra compleja, el elemento de reconocimiento biológico es capaz de discriminar entre los distintoscomponentes de la misma e interaccionar con el compuestoa analizar.

Una vez producida la interacción se dispara una señal quees conducida por el transductor.

La señal así transmitida es convenientemente registrada y almacenada para su posterior tratamiento.

Elemento deElemento deReconocimientoReconocimiento

AnalitoAnalito Otros componentesOtros componentesde la muestrade la muestra




Características de los BiosensoresCaracterísticas de los Biosensores

Alta Alta Sensibilidad Sensibilidad:: para el análisis de ciertos analitos con efectos tóxicossobre la salud humana y animal, incluso a concentraciones del orden de partes por billón.

Alta Alta Selectividad Selectividad:: para que el dispositivo interaccione exclusivamente con elcompuesto de interés y no con otros de propiedades similares. Se consiguemediante elementos de reconocimiento muy específicos.

Alta Alta F iabilidad F iabilidad:: Los sistemas de transducción se diseñan de manera que no puedan ser alterados (o sean mínimamente) por la muestra y no tengan problemas de ruidos.

TiempoTiempo dede vidavida largolargo:: que no obligue a sustituciones frecuentes deldispositivo siesta integrado a la línea de producción de la industria. Laestabilidad química, física y mecánica del elemento de reconocimientocondicionan su duración; sin embargo, debemos considerar de que loscomponentes biológicos por su propia naturaleza cuentan con una vida medialimitada.




TiempoTiempo dede análisisanálisis cortocorto:: que posibilite un tiempo de actuación rápida(retiro o correcciones). Muchos biosensores consumen pocos minutos encuantificar el compuesto de interés y no requieren de un periodo de espera largohasta el siguiente análisis.

Pretratamiento Pretratamiento de la muestra innecesarioinnecesario:: que conlleva a un ahorro detiempo, materiales y reactivos; sin embargo, en ciertas determinaciones sonimprescindibles las etapas de concentración y purificación, para asegurar laeliminación de interferencias y la presencia de una cantidad suficiente de analitoen el pequeño volumen utilizado.

Manejo Manejo sencillosencillo:: Esta tecnología no requiere personal cualificado.

Bajo Bajo costocosto dede producción producción:: En producción a gran escala bajan los costos(economía de escala); sin embargo, la disponibilidad limitada de algunas enzimasy la existencia de fases críticas en su construcción dificultan la fabricación en

masa.

Capacidad Capacidad dede Análisis Análisis enen TiempoTiempo Real Real:: esta característica es de especialimportancia en Control de Procesos, ya que permite controlar los parámetrosdeseados de forma inmediata y automática.




Miniaturizables Miniaturizables:: Gracias al desarrollo de la microelectrónica y lananotecnología, se ha logrado reducir las dimensiones de estos dispositivos. Es por ello que pueden ensamblarse varios dispositivos en un mismo sistema que

realiza varias tareas a la vez o que el volumen de la muestra o localización de lamedida son factores limitantes.

Automatizables Automatizables:: Prescindir del control manual de estas unidades facilita suintegración dentro de los sistemas que monitorizan los procesos industriales.

Portátiles Portátiles:: para que sea posible realizar análisis in situ.

Pocos Pocos requerimientosrequerimientos operativosoperativos y de almacenamiento: que faciliten suempleo y no supongan un coste adicional. En el caso de los componentes biológicos pueden necesitar condiciones controladas (pH, Temperatura) para suuso y conservación debido a su baja estabilidad

Capacidad Capacidad dede Multianálisis Multianálisis:: Ciertos sensores llevan a cabo ladeterminación de diferentes analitos en forma simultánea.




Clasificación de los BiosensoresClasificación de los BiosensoresLos Biosensores pueden clasificarse en función del tipo de interacción que se

establece entre el elemento de reconocimiento y el analito; el método utilizado

para detectar dicha interacción; la naturaleza del elemento de reconocimiento; oel sistema de transducción.

En la práctica, la elección del material biológico depende de las característicasdel compuesto a analizar. Por ejemplo si se trata de detectar una sustanciaalérgena se utilizan anticuerpos.

La elección del transductor esta condicionada por el tipo de elemento dereconocimiento elegido, ya que éste determina cuál será la variación en las propiedades físico-químicas que ocurra como consecuencia de la interacción.




Tipos de InteracciónTipos de Interacción Sensores Sensores BIOCATALÍTICOS BIOCATALÍTICOS:: se basan en la utilización de

biocatalizadores, que son elementos que favorecen que ocurra una reacción

química en la cual a partir de uno o varios sustratos se forman uno o varios productos conocidos sin consumo del biocatalizador, que se regenera y puede ser utilizado de nuevo.

Sensores Sensores dede BIOAF INIDAD BIOAF INIDAD:: se basan en la interacción del analito deinterés con el elemento de reconocimiento, sin que exista transformacióncatalítica, sino que se produce una reacción de equilibrio en la que se forma un

complejo analito-receptor.

� Enzimas� Células Completas (bacterianas, fúngicas, protozoos, etc.)

� Orgánulos Subcelulares (cloroplastos completos, tilacoides o mitocondrias)� Tejidos

� Anticuerpos� Receptores� Células Completas� Lectinas

� Ácidos Nucleicos, etc. Ingº Fredy Molina Rodríguez



Técnicas de InmovilizaciónTécnicas de Inmovilización




Sistemas de Transducción Sistemas de Transducción

Transductor, es el elemento que convierte las variaciones de las propiedadesfísicas o químicas que se producen por la interacción entre el elemento de

reconocimiento y el analito en una señal que puede ser amplificada, almacenaday registrada.

Transductor Electroquímico:Transductor Electroquímico:Transforma la señal que se produce por la interacción entre el sistema de

reconocimiento y el analito a detectar, en una señal eléctrica.

E n un sensor electroquímico amperométrico, la interacción entre el elemento de reconocimiento y

el analito provoca la conversión electroquímica de una especie redox que genera una corrienteeléctrica. Ingº Fredy Molina Rodríguez



Se tiene cuatro tipos de transductores, conductimétricos, potenciométricosamperométricos e impedimétricos, en función de si se detectan cambios en laconductividad, en el potencial, en una corriente generada o en la impedancia.

En general se utilizan con los elementos de reconocimiento biocatalíticos yaque las reacciones enzimáticas generan aparición de sustancias electro activas,cambios en el pH o en el potencial, etc.




Dentro de los aspectos favorables y contrarios de estos transductores tenemos:

Transductor Óptico:Transductor Óptico:Los transductores ópticos se basan en la medición de las variaciones que se

producen en las propiedades de la luz como consecuencia de la interacción físicao química entre el analito a detectar y el elemento de reconocimiento biológico

del biosensor.Las bases físicas de este tipo de sensores son los cambios que ocurren enabsorción, fluorescencia, luminiscencia, dispersión o índice de refracción,cuando la luz se refleja en las superficies de reconocimiento.

Los transductores que tiene propiedades ópticas son muy variados en función

de las propiedades, incluyendo sensores de fibra óptica (mas usados), deresonancia de plasmodes y de onda evanescente. Ingº Fredy Molina Rodríguez



1. Sensor de F ibra Óptica (optopodo u optropodo):1. Sensor de F ibra Óptica (optopodo u optropodo):

Consisten en una fibra óptica, en uno de sus extremos se inmoviliza elelemento de reconocimiento (tipo biocatalítico o de bioafinidad), y en el

otro el elemento de detección.Es necesaria la utilización de marcadores, que pueden ser indicadoresópticamente activos como colorantes sensibles al pH, a la concentración deO2 o H2 O2, moléculas fluorescentes y en menor medida, moléculas bio oquimioluminiscentes.

Como consecuencia entre la interacción entre el analito y el elemento dereconocimiento se produce un cambio detectable en el marcador que se propaga por la fibra óptica hacia el detector.




Transductor Piezoeléctrico:Transductor Piezoeléctrico:

Los sistemas de transducción piezoeléctricos, másicos, gravimétricos oacústicos miden cambios directos de masa inducidos por la formación del

complejo antígeno-anticuerpo.Los cristales se recubren con el elemento de reconocimiento (que suele ser de

bioafinidad anticuerpos, lectinas, etc.) y se pone en contacto con la muestra quecontiene el analito que se desea detectar.

omo consecuencia de la interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito, se produce

un cambio en la frecuencia de resonancia del cristal.




Los dos tipos principales son:

� Bulk acoustic wave (BAW): La resonancia ocurre en toda la masa del cristal

� Surface acoustic wave (SAW): La resonancia ocurre solo en la superficie del

cristalDentro de los aspectos favorables y contrarios tenemos:




Transductor Termométrico:Transductor Termométrico:

Los sistemas de transducción termométricos se basan en la detección del calor generado en las reacciones enzimáticas exotérmicas que se pueden relacionar con

la concentración del analito.Los cambios de temperatura mencionados normalmente se determinan por medio de termistores a la entrada y a la salida del dispositivo en el que seencuentran inmovilizadas las enzimas.

omo consecuencia de la interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito, se produce

una reacción exotérmica que es proporcional a la concentración de analito. E l inconveniente que

presentan es las pérdidas de calor por radiación, conducción o convección que puedan tener. Ingº Fredy Molina Rodríguez



Transductor Nanomecánico:Transductor Nanomecánico:

En los transductores nanomecánicos el elemento de reconocimiento biológicose inmoviliza sobre una superficie de una micropalanca de silicio, que se

sumerge en una muestra líquida.La interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito produce un

cambio diferencial en la tensión superficial del líquido y la micropalanca sufreuna respuesta de tipo nanomecánico que consiste en un cambio en la deflexión yde la frecuencia de resonancia.

E l aumento de la masa, producto de

la interacción entre el analito y el

elemento de reconocimiento provoca

un curvamiento de la micropalanca.




Control de ProcesosControl de Procesos

Los sistemas de monitorización continua en un proceso industrial permitendetectar en tiempo real los posibles errores de la cadena de producción para

subsanarlos de manera inmediata.Hasta el momento se ha utilizado en el control de parámetros como el pH, la

temperatura, la presión, etc. Gracias a las tecnologías de biosensores ahoratambién pueden determinarse y cuantificarse on line diversos compuestos degran importancia.

Compuestos monitorizados en tiempo real mediante la tecnología de los biosensores. Ingº Fredy Molina Rodríguez



La utilización de biosensores para la monitorización en tiempo real de losanalitos mencionados en la tabla anterior, conlleva a menores pérdidas

económicas para el fabricante.Adicionalmente, estos dispositivos pueden integrarse en el sistema de Análisis

de Peligros y Puntos de Control Crítico (APPCC) y verificar que el proceso seha realizado correctamente.

A pesar de todo, esta tecnología ve limitado su uso en el control de procesos

por varios motivos:� El corto tiempo de vida de los sensores enzimáticos.

� La necesidad de calibrarlos con frecuencia.

� Falta de una respuesta fiable a diferentes concentraciones o con condicionesvariables en el medio.

Bibliografía Bibliografía

� www.madrimasd.org/informaciónidi/biblioteca/publicaciones/doc/vt-1vtbiosensores.pdf


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