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Química aplicada a la Ingeniería Biomédica
Biosensores
Omar Ferrús Alejandro Mañas Ignacio Suay Alejandro D. López
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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
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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
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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.
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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 -> 2HN4+ + HC3- + OH-
Gran cambio concentración iónica
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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
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Biosensores Ópticos
Tipos de biosensores ópticos:
Biosensores de fibra óptica
Transmisión de la luz FIBRA ÓPTICA
• ELEMENTO DE BIORRECONOCIMIENTO
• SISTEMA DE DETECCIÓNFibra óptica
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Biosensores Ópticos
Tipos de biosensores ópticos:
Biosensores de guías de ondas planas
Transmisión de la luz Guías de onda planas
Ej: Interferómetro de MachZender
(circuito de óptica integrada)
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Biosensores Ópticos
Tipos de biosensores ópticos:
Biosensores de onda evanescente
Interacción: Biorreconocimiento Onda Evanescente
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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
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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
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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
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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
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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
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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