BIOSENSORES

DEFINICIÓN

Un biosensor es una herramienta o sistema analítico compuesto por un material biológico inmovilizado (tal como una enzima, anticuerpo, célula entera, orgánulo o combinaciones de los mismos), en íntimo contacto con un sistema transductor adecuado que convierta la señal bioquímica en una señal eléctrica cuantificable.

Desarrollo de Los Biosensores

Los primeros biosensores consistían en la unión de electrodos de pH u oxígeno con enzimas inmovilizadas, tal como fueron construidos por Clark Lyons, Updike y Hicks en los años 60.

Generalmente estos dispositivos son, bien del tipo potenciométrico, en el que se mide un potencial ,o bien del tipo amperiométrico, en el que se registran cambios de intensidad de corriente.

Diversificación de los biosensores

Biosensores conductímetricos El sistema conductimetrico emplea dos pares de pequeños electrodos de conductividad en configuración plana.

Entre uno de los pares se coloca una membrana con la enzima que ha sido inmovilizada, mientras entre el segundo par se pone una membrana blanca, carente de enzima.

El aparato mide la conductividad a través de cada par de electrodos por turno, con una frecuencia fija.

En presencia del sustrato enzimático se pueden registrar cambios locales de conductividad en la vecindad de la membrana que contiene la enzima, los cuales dependen de la concentración del sustrato.

Midiendo la diferencia de respuesta entre ambos pares de electrodos se puede compensar la conductividad propia de la muestra biológica, usando los electrodos blancos como referencia.

Biosensores redox Redox (Potencial de Oxidación-reducción)

El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. Está relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el pH mide la actividad de protones y el potencial redox mide la de los electrones.

El potencial redox se calcula como:   Eh = 1, 234 - 0,058 pH + 0,0145 log (10) Po, siendo Po la presión parcial de

oxígeno expresada en atmósferas.

En las aguas, si el oxígeno está en equilibrio con el atmosférico y el pH es de 7, el valor es de + 0, 86 mv a 0 ºC y de + 0,80 mv a 25 ºC. En las aguas dulces y marinas raramente baja de + 0,3 mv excepto cuando hay gran escasez de oxígeno.

Biosensores redox Redox (Potencial de Oxidación-reducción)

El potencial de oxidación-reducción de materiales disueltos en agua se mide con un metal noble y un electrodo de referencia.

Es una medida del potencial electrónico de equilibrio y de la capacidad relativa de reaccionar con otros materiales oxidantes o reductores que pueden añadirse al agua.

Hay límites en los que la vida no puede desarrollarse en el potencial redox.

Biosensores redox El concepto de un biosensor basado en sistemas redox surgió de la investigación básica llevada a cabo en células de combustible biológico.

La clave en la construcción de este tipo de biosensores es facilitar la transferencia de los electrones generados por una enzima óxido-reductasa (o un sistema enzimático) a la superficie del electrodo.

El principio de operación de este tipo de biosensores y algunos datos representativos de su respuesta (tal como han sido obtenidos en el laboratorio, usando glucosa como sustrato) pueden verse en la figura.

Biosensores tipo termistor

Es una clase interesante de biosensores introducida en los años 70. Utilizan un dispositivo termistor capaz de registrar las pequeñas diferencias de temperatura producidas por las reacciones bioquímicas. A menudo se obtiene una respuesta lineal la temperatura, en el rango de 0.01 a 0.001ºC. Los grupos americanos y suecos fueron pioneros en el análisis térmico enzimático en forma de sondas o sistemas de flujo, pero la miniaturización de los dispositivos todavía es esencial para obtener un biosensor de formato aceptable.

Biosensores optoelectrónicos

Otro nuevo tipo de biosensores, basados en principios ópticos, fue desarrollado alrededor de 1980. El componente biológico inmovilizado es una enzima ligada a un cromóforo que a su vez está ligado a una membrana. Un cambio de pH generado por la reacción enzimática cambia el color del complejo cromóforo/membrana. El sistema transductor consiste en un simple diodo electroluminiscente (LED), con una longitud de onda correspondiente al pico de absorción del cromóforo y un fotodiodo acoplado.

Biosensores por bioafinidad

Además de las formas clásicas de biosensores enzimáticos descritas anteriormente ha surgido una nueva forma de biosensor que podríamos llamar sensor por afinidad.

La construcción de biosensores utilizando biosustancias capaces de reconocimiento molecular son:

Lecitinas: compuestos glucídicos;

Receptores hormonales: hormonas;Receptores de fármacos: fármacos y sus metabolitos activos;Anticuerpos: antígenos;Ácidos nucleicos (ADN, ARN): Esteroides complementarios (hibridación).

Biosensores de célula entera

Un campo totalmente diferente en la construcción de biosensores es aquel que utiliza orgánulos o células enteras inmovilizadas. Estos biosensores son básicamente potenciométricos o amperiométricos, pero tienen una lenta respuesta característica y a menudo responden a un amplio espectro de sustratos.

Los biosensores de célula entera podrán llegar a constituirse en una clase en sí mismos cuando se disponga de células manipuladas genéticamente para suministrar una secuencia enzimática determinada o regenerar factores complejos.

Usos y aplicaciones de los biosensores

En Salud

Los biosensores en esta área tiene infinidad de aplicaciones. Por ejemplo, una persona podría enviar vía Internet, los resultados de la muestra de sangre obtenida en casa, mediante un chequeo rutinario automático, al mejor experto del mundo.

Esto a su vez modificará la forma de atención en los centros de salud.

En un futuro próximo personas mayores podrán estar controladas en su casa con sensores que detecten y pongan en aviso sobre alguna descompensación orgánica”.

En SaludOtra aplicación importante, en materia de salud, consiste en descubrir rápidamente enfermedades nuevas o raras en grupos poblacionales.

También se puede incorporar ADN en los sensores, y ver cómo elementos extraños (metales, sustancias orgánicas, sintéticas) producidos por la industrialización, y que están en el ambiente, afectan el material genético y causan enfermedades en organismos vivos.

Al detectar mutaciones de las cadenas del ADN de un individuo, se podría aplicar medicina preventiva en muchos casos o establecer diagnósticos precoces.

Veterinaria, agricultura y alimentación

En este campo hay muchas áreas donde no se dispone de sistemas de análisis convencionales.

La introducción de biosensores adecuados repercutirá con éxito en las siguientes áreas:

Cuidado de animales: Control de la fertilidad y de enfermedades infecciosas.

Industrias lácticas: Leche (proteínas, grasa, anticuerpos, hormonas, vitaminas)

Frutas y verduras: Diagnosis viral y de hongos.

Alimentos: Contaminación y toxinas (Salmonella).

Fermentaciones: Mejora la producción y control de calidad

Beneficio en los procesos industriales

Proporciona la posibilidad de respuesta rápida y, por lo tanto, un control de realimentación mejorado.

No interfiere el flujo del proceso.

Un biosensor tiene una vida útil potencial de días, a veces semanas, lo que permite dedicar al personal técnico a otras tareas.

Facilita el muestreo rápido y el rechazo de materias primas por debajo del estandar durante la misma entrega.

Proporciona un método de monitorización de bajo coste para materias primas y productos almacenados.

Proporciona un acceso a medios remotos

Los biosensores pueden hacerse relativamente baratos.

Biosensores y medio ambiente

El ejemplo más claro que ya se está implementando es la medición de la demanda bioquímica de oxígeno (un parámetro que sirve para registrar el número de bacterias que hay en el agua).

Es el ensayo más importante que se le hace a un líquido contaminado.

Con la tecnología convencional esta prueba demanda alrededor de cinco días; con la nueva, los resultados se obtienen en 20 minutos.

Además, mediante un sistema de alarma, los biosensores pueden alertar inmediatamente si una fábrica está excediendo el límite de emisión de contaminantes ambientales.

Biosensores para el control de los alimentos

En el nivel internacional el foco de atención está puesto en detectar alimentos contaminados o modificados, y que pueden afectar la salud.

Los biosensores se usan para controlar los procesos informatizados de elaboración de los alimentos.

Al alertar al sistema sobre una anormalidad, ésta puede ser revertida automáticamente.

En Alemania ya existen en los supermercados góndolas con productos que incluyen chips que avisan si se ha cortado la cadena de frío.

Nueva Generación De Biosensores

Los MIPs ( Polímeros que contienen una memoria molecular impresa) tienen una propiedades únicas que los hacen especialmente sensibles a la tecnología de sensores.

Exhiben buenas especificaciones de varios componentes para el interés medico, medioambiental y de industria; y tienen una excelente estabilidad operacional.

Nueva Generación De Biosensores

La demostración más convincente de la utilidad de un sensor biomemorizado real basado en la impresión molecular es una fibra óptica en la cual un aminoácido fluorescente derivado (dansyl-l-phenylalanine) ligado a las partículas de polímero, resultan en fluorescencia señales que varían en función de los derivados.

BIOSENSORES

El ejemplo más exitoso y difundido hasta el momento es el biosensor para medir la glucosa en sangre de pacientes diabéticos. Se trata de un dispositivo más pequeño que un teléfono celular, cuyo medio de reconocimiento es la enzima glucosa oxidasa.

Explicación: La glucosa en solución pasa a través de una membrana selectiva y se oxida a ácido glucónico por la enzima glucosa oxidasa presente en el biosensor. La glucosa oxidasa reducida reacciona con oxígeno y forma agua oxigenada (H2O2). El H2O2 produce una señal electrónica que puede ser procesada por el detector

BIOSENSORES

BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE GLUCOSA EN MOSTOS Y VINOS

BIOSENSORES

BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE COLESTEROL EN ALIMENTOS

                                                                           

Fig. 1: Esquema del biosensor electroquímico de colesterol.

BIOSENSORES

Los biosensores desarrollados son materiales compuestos (conductor: grafito, aislante: Teflón) en cuya matriz se ha inmovilizados las enzimas COx (colesterol oxidasa) y HRP (peroxidasa) y ferroceno (mediador) obteniéndose un depósito tridimensional de estos tres componentes cuya superficie puede ser fácilmente regenerada por simple pulido.

Sensores para detectar virus

Científicos del Scientists del Argonne National Laboratory han desarrollado un nuevo tipo de sensor magnético capaz de detectar a biomoléculas.

El aparato se basa en la medición de la relajación browniana de nanopartículas magnéticas conectadas a biomoléculas.

Esta técnica podría ofrecer aplicaciones para el campo de la medicina y la detección de bacteria y virus en el medioambiente.