Biosensores Piezoeléctricos

Biosensores

“Instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en señales eléctricas u ópticas y permiten su

cuantificación”

BIOSENSORES• Utilizan la especificidad de los procesos biológicos:

– Enzimas x Sustratos– Anticuerpos x Antígenos– Lectinas x Carbohidratos– Complementariedad de ácidos nucleicos.

• Ventajas:– Reutilización– Menor manipulación– Menor tiempo de ensayo– Repetitividad

• Tipos y usos mas comercializados:1. Tiras colorimétricas2. Electroquímicos:

• Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol, Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol

• Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol3. Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.

Propiedades de un buen Biosensor

BIOSENSORES1. Control de metabolitos críticos durante las operaciones quirúrgicas.2. Consultas y Urgencias Hospitalarias:

– Obvia análisis caros y lentos en laboratorios centrales– Acelera la diagnosis y el comienzo del tratamiento– Menor riesgo de deterioro de la muestra

3. Diagnóstico Doméstico:• Ensayos de Embarazos• Control de Glucosa en diabéticos

4. Aplicaciones in vivo:– Páncreas artificial– Corrección de niveles de metabolitos– Problemas : Miniaturización y Biocompatibilidad

5. Aplicaciones Industriales, militares y medio ambientales:– Alimentación– Cosmética– Control de Fermentaciones – Controles de Calidad– Detección de Explosivos– Detección de gases nerviosos y/o toxinas biológicas– Control de polución.

TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS

– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox

– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones – Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados

con cambios en el ambiente iónico de las soluciones2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS4. BIOSENSORES ÓPTICOS

– De onda envanescente– Resonancia de plasma superficial

5. BIOSENSORES CELULARES6. INMUNOSENSORES

UNIDADES FUNCIONALESDE UN BIOSENSOR

Electrodo dereferencia

4.328

S

P

Transductor AmplificadorReactor

Electrodo dereferencia

4.328

S

P

Transductor AmplificadorReactor

Material biológico + Analito Analito unido

(Máxima respuesta electrónica posible) x (Concentración del analito)

(Constante de semisaturación) + (Concentración del analito)

Respuesta electrónica =

Respuesta biológica

Respuesta Electrónica

Cinéticas de reacción en biosensores

TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS

– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox

– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones – Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados

con cambios en el ambiente iónico de las soluciones2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS4. BIOSENSORES ÓPTICOS

– De onda envanescente– Resonancia de plasma superficial

5. BIOSENSORES CELULARES6. INMUNOSENSORES

Biosensores Electroquímicos Amperométricos:

“El electrodo de Oxígeno”

Electrodo de Oxígeno

Electrodo de Oxígeno

(A) Disco de resina epoxy(B) Cátodo de platino en el centro de un saliente. (C) Ánodo de plata en forma circular(D) Anillo de goma que sostiene un papel espaciador empapado en un electrolito y una membrana de polytetrafluoroethylene que separa los electrodos de la mezcla de reacción.

DETERMINACION DE GLUCOSA

Glucosa + O2 δ-gluconolactona + H2O2

CH2OH

HH

H

H OH

OH

OH

O

OH

H

CH2OH

HH

H

H OH

OH

OH

O

O

H2O2

O2

GlucosaOxidasa

DETERMINACION DE GLUCOSA

Cátodo (Pt)

Anodo (Ag)

Puente de KCl

O2 + 2H2O + 2e- H2O2 + 2OH-2H2O2 + 2e- 2OH-

4Ag 4Ag+ + 4e-4Ag+ + 4Cl- 4AgCl

4e-- +

Electrodo de oxígeno

0 ,6 -0 ,7 v

Glucosa-oxidasaInvertasa

DETERMINACION DE SACAROSAEl

ectro

do

Glucosa

D-gluconolactonaH2O2

Sacarosa

FructosaGlucosa

O2

glucosa

sacarosa

tiempo

respuesta

flujo

DETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADO

Tras la muerte, los nucleótidos del pescado sufren una serie de reacciones de degradación progresiva:

ATP > ADP > AMP > IMP > HxR > Hx > Xantina > Acido úrico

(HxR + Hx ) x 100ATP + ADP + AMP + IMP + HxR + Hx

K =

DETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADO

BIOSENSOR: xantina-oxidasa y nucleósdio fosforilasa inmovilizadas sobre una membrana de triacilcelulosa de un electrodo de Oxígeno.

HxR + P Hx + Ribosa P

Hx + O2 Xantina + H2O2

Xantina + O2 Acido úrico + H2O2

nucleósidofosforilasa

XantinaoxidasaXantinaoxidasa

K < 20 El pescado puede ser comido crudo.20 > K < 40 El pescado debe ser cocinado.K > 40 Pescado no apto para el consumo

Los nucleótidos se podrían determinar utilizando el mismo electrodo y muestra, pero añadiendo nucleotidasa y adenosín-deaminasa

Varios mecanismos redox

Mediadores redox en

biosensores amperométricos

Miniaturización

Posible por la capacidad del pirrol para polimerizar mediante oxidaciones electroquímicas en condiciones suficientemente suaves como para atrapar enzimas y mediadores sin desnaturalizarlos

Microelectrodo glucosa/lactatoSe puede recubrir la superficie de pequeños electrodos polimerizando pirroles junto con biocatalizadores y mediadores, utilizando métodos de micro fabricación de microprocesadores, en incluso disponiendo varios sensores en los mismos

Biosensores Electroquímicos Potenciométricos

Determinan cambios en la concentración de iones concretos

Biosensores potenciométricos

Biosensor potenciométrico

Biosensores Electroquímicos Conductimétricos

Detectan cambios en conductividad eléctrica causados por alteraciones en la concentración de

iones

Sensor de Urea

NH2CONH2 +3H2O

2HN 4 + + HCO3- + OH-

Ureasa

Otros ejemplos:amidasas,decarboxilasas,esterasas,fosfatasas ynucleasas.

Biosensores Termométricos:“Sensores bioquímicos y TELISA”

Precisa un aislamiento CorrectoPuede detectar diferencias de 0,0001 ºC

Biosensor termométrico

Reacciones usadas en biosensores termométricos

Biosensores Termométricos1) Poco éxito comercial2) Ventaja: se puede acoplar fácilmente varias reacciones en un

único reactor3) Ejemplo:

1) Detector de LactatoLactato + O2------(lactato -oxidasa)---> piruvato + H2OPiruvato + NADH+ H+--(lactato deshidrogenasa)--> lactato + NAD+

4) Puede utilizarse células viables5) Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimático: ELISA

termométrico o TELISA

Biosensores Piezoeléctricos:“Narices bioelectrónicas”

Aprovechan las propiedades eléctricas de los cristales:- En transmisores y emisores de radio- En transistores- En chips

Efecto Piezoeléctrico“Producción de un campo eléctrico por

separación de las cargas positivas y negativas en algunos tipos de cristales al

someterlos a ciertas tensiones”1) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo

eléctrico se deformará.2) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo

eléctrico que oscila a una frecuencia determinada vibrará con una frecuencia característica.

Efecto Piezoeléctrico

1) La frecuencia de resonancia se encuentra en el rango de los 10 MHz (radiofrecuencia).

2) La frecuencia de resonancia depende de:• La composición del cristal• El Grosor• La forma en que fue cortado

3) Un cristal piezoeléctrico varía su frecuencia de resonancia cuando se adhieren moléculas a su superficie.

Biosensores Piezoeléctricos1) Se detectan variaciones muy pequeñas en la

frecuencia de resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm2

2) La medida se compra con un electrodo de referencia con cristal sin material biológico.

3) Ejemplos:1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO2

2) Detector de Cocaina3) Detector de Formaldehido4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)

Biosensores Piezoeléctricos1)Detector de Cocaína:

• Anticuerpos contra cocaína fijados sobre un cristal piezoeléctrico.

• Detecta una parte por billón• 50 MHz de cambio en la frecuencia de

resonancia.• Se limpia en segundos por aireación.

Biosensores Piezoeléctricos

2) Detector de Formaldehido:

CH2 +H2O +NAD+ NADH +HC02H + H2

Catalizada por la formaldehido deshidrogenasa inmovilizada con glutation (cofactor) por entrecruzamiento con glutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9 MHz


3) Detector de Pesticidas Organofosforados:

• Colinesterasa inmovilizada en un cristal de cuarzo mediante glutaraldehido.


Inconvenientes:• Muy influidos por la humedad.

Baja = poco sensiblesAlta = desaparece el efecto

piezoelectrico• Inutilizables en líquidos.

Introducir y secar

Biosensores Ópticos:

• Permiten el uso de materiales detectores no eléctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo)

• No precisan sensores de referencia

Biosensor de fibra óptica para lactato

•Detecta cambios en la en la concentración de oxígeno determinando la reducción de la fluorescencia de un fluorocromo (quenching)

Biosensor de célula óptica para albúmina sérica

•Detecta la absorción de luz a 630 nm que pasa a través de la célula detectora.

•Se evalúa el cambio de amarillo a azul verdoso del verde de bromocresol cuando se une a la albúmina sérica a pH 3.8

•Respuesta lineal a la albúmina en un intervalo de 5 a 35 mg/cm3

Biosensores Ópticos1) Detección de Vapores:

• Ensayo sólido colorimétrico que detecta vapor de alcohol utilizando alcohol-oxidasa, peroxidasa y 2,6-diclorindofenol sólidos dispersados sobre placas de TLC (cromatografía en capa fina) de celulosa microcristalina transparente.

2) Tiras colorimétricas de un solo uso:• Los más utilizados: análisis de sangre y orina.• Control de la glucemia en diabéticos

- Glucosa oxidasa, peroxidasa de rábano y un cromógeno que cambia el color al ser oxidado

Cromógeno (2H) + H2O2----(peroxidasa)--->colorante + 2H2O

Biosensores Ópticos3) Reacciones luminiscentes:

• Utilización de luciferasa• Detecta la presencia de microorganismos en orina al

liberar ATP en su destrucción

Luciferina + ATP----(luciferasa)---> oxiluciferina + CO2 + AMP + ppi + luz

Biosensores ópticos de onda evanescente

Menor índice de refracción >

Mayor índice de refracción >

“Un haz de luz será reflejado en su totalidad cuando incida sobre una superficie transparente presente entre dos medios, cuando proceda del medio con mayor índice de refracción y cuando el ángulo de incidencia sea mayor que un valor critico”




“En el punto donde se produce la reflexión, se induce un campo electromagnético que penetra en el medio que tiene menor índice de refracción”“Este campo es denominado onda evanescente y decae exponencialmente con la distancia de penetración, desapareciendo tras unos pocos nanómetros”




“La onda evanescente decae exponencialmente con la distancia de penetración, desapareciendo tras unos pocos nanómetros” “La profundidad a la que penetra depende del índice de refracción, de la longitud de onda de la luz utilizada y puede ser controlada con el ángulo de incidencia.




“La onda evanescente puede interaccionar a su vez con el medio, provocando un campo electromagnético que puede volver al medio con mayor índice de refracción, dando lugar a cambios en la luz que continúa a lo largo de la guía de ondas.”

Inmunosensor de onda evanescenteEspecialmente indicados para inmunoensayos:

•No es necesario separar el resto de los componentes de una muestra clínica

•La onda solo penetra hasta el complejo antígeno anticuerpo

•Se excitan fluorocromos unidos a la superficie mediante la onda evanescente, y la luz emitida por ellos volverá a la fibra óptica

•La cantidad de muestra necesaria es mínima

Resonancia de plasma superficial

“Si la superficie del cristal está recubierta por una capa metálica (oro, plata, paladio) los electrones de su superficie pueden oscilar en resonancia con los fotones generando un onda de plasma superficial y amplificando el campo evanescente en la cara mas alejada del metal”


“Si la capa de metal es lo suficientemente delgada como para permitir al campo evanescente penetrar hasta la superficie opuesta, el efecto será muy dependiente del medio adyacente al metal”


“Este fenómeno sucede sólo cuando la luz incide con un ángulo específico, el cual depende de la frecuencia, el grosor de la capa metálica y el índice de refracción del medio que se encuentra inmediatamente sobre la superficie metálica”


“La producción de esta resonancia de plasma superficial absorbe parte de la energía de la luz reduciendo la intensidad de la luz reflejada internamente”


“Los cambios que suceden en el medio provocados por interacciones biológicas pueden ser apreciados detectando los cambios de intensidad de la luz reflejada o el ángulo de resonancia”

Cambio en la absorción por efecto de la resonancia de plasma

superficial“Detección de la gonadotropina coriónica humana (hCG) mediante un anticuerpo unido a la superficie del biosensor: La unión cause un cambio en el ángulo de resonancia”


•Permiten detectar partes por millón•Un análisis típico requiere 50µl de muestra y tarda 5 a 10 minutos•Puede utilizarse con DNA y RNA.

Biosensores celulares

Inmunosensores

Tipos de inmunosensores

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