Biosensores

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Biosensores

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

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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
• Tiras colorimétricas
• Electroquímicos
• Potenciométricos Glucosa, Lactato, Glicerol,
  Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol
• Amperométricos Glucosa, Sacarosa, Alcohol
• Ópticos BIAcore Ag proteicos.

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Propiedades de un buen Biosensor
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(No Transcript)
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BIOSENSORES

• Control de metabolitos críticos durante las
  operaciones quirúrgicas.
• 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
• Diagnóstico Doméstico
• Ensayos de Embarazos
• Control de Glucosa en diabéticos
• Aplicaciones in vivo
• Páncreas artificial
• Corrección de niveles de metabolitos
• Problemas Miniaturización y Biocompatibilidad
• 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

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TIPOS DE BIOSENSORES

• 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 soluciones
• BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS
• BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS
• BIOSENSORES ÓPTICOS
• De onda envanescente
• Resonancia de plasma superficial
• BIOSENSORES CELULARES
• INMUNOSENSORES

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UNIDADES FUNCIONALESDE UN BIOSENSOR
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(No Transcript)
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Cinéticas de reacción en biosensores
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TIPOS DE BIOSENSORES

• 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 soluciones
• BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS
• BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS
• BIOSENSORES ÓPTICOS
• De onda envanescente
• Resonancia de plasma superficial
• BIOSENSORES CELULARES
• INMUNOSENSORES

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Biosensores Electroquímicos AmperométricosEl
electrodo de Oxígeno
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Electrodo de Oxígeno
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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.
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DETERMINACION DE GLUCOSA
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DETERMINACION DE GLUCOSA
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DETERMINACION DE SACAROSA
flujo
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DETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADO
Tras la muerte, los nucleótidos del pescado
sufren una serie de reacciones de degradación
progresiva
ATP gt ADP gt AMP gt IMP gt HxR gt Hx gt Xantina gt
Acido úrico
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DETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADO
BIOSENSOR xantina-oxidasa y nucleósdio
fosforilasa inmovilizadas sobre una membrana de
triacilcelulosa de un electrodo de Oxígeno.
K lt 20 El pescado puede ser comido crudo. 20 gt
K lt 40 El pescado debe ser cocinado. K gt 40
Pescado no apto para el consumo
Los nucleótidos se podrían determinar utilizando
el mismo electrodo y muestra, pero añadiendo
nucleotidasa y adenosín-deaminasa
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Varios mecanismos redox
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Mediadores redox en biosensores amperométricos
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Miniaturización
Posible por la capacidad del pirrol para
polimerizar mediante oxidaciones electroquímicas
en condiciones suficientemente suaves como para
atrapar enzimas y mediadores sin desnaturalizarlos
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Microelectrodo glucosa/lactato
Se 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
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Biosensores Electroquímicos Potenciométricos

• Determinan cambios en la concentración de iones
  concretos

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Biosensores potenciométricos
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Biosensor potenciométrico
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Biosensores Electroquímicos Conductimétricos

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

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Sensor de Urea
Otros ejemplos amidasas, decarboxilasas, esterasa
s, fosfatasas y nucleasas.
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Biosensores TermométricosSensores bioquímicos
y TELISA
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Biosensor termométrico
Precisa un aislamiento Correcto Puede detectar
diferencias de 0,0001 ºC
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Reacciones usadas en biosensores termométricos
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Biosensores Termométricos

• Poco éxito comercial
• Ventaja se puede acoplar fácilmente varias
  reacciones en un único reactor
• Ejemplo
• Detector de Lactato
• Lactato O2------(lactato -oxidasa)---gt piruvato
  H2O
• Piruvato NADH H--(lactato deshidrogenasa)--gt
  lactato NAD
• Puede utilizarse células viables
• Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimático
  ELISA termométrico o TELISA

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Biosensores PiezoeléctricosNarices
bioelectrónicas

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

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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

• 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.

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Efecto Piezoeléctrico

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

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Biosensores Piezoeléctricos

• Se detectan variaciones muy pequeñas en la
  frecuencia de resonancia cantidades de hasta un
  ngr/cm2
• La medida se compra con un electrodo de
  referencia con cristal sin material biológico.
• Ejemplos
• Detectores gaseosos SO2, CO, HCl, NH3, CO2
• Detector de Cocaina
• Detector de Formaldehido
• Detector de Pesticidas (Organofosforados)

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Biosensores Piezoeléctricos

• 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.

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Biosensores Piezoeléctricos
2) Detector de Formaldehido CH2 H2O NAD
g?NADH HC02H H2 Catalizada por la
formaldehido deshidrogenasa inmovilizada con
glutation (cofactor) por entrecruzamiento con
glutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9 MHz
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Biosensores Piezoeléctricos

• 3) Detector de Pesticidas Organofosforados
• Colinesterasa inmovilizada en un cristal de
  cuarzo mediante glutaraldehido.

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Biosensores Piezoeléctricos

• Inconvenientes
• Muy influidos por la humedad.
• Baja poco sensibles
• Alta desaparece el efecto piezoelectrico
• Inutilizables en líquidos.
• Introducir y secar

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Biosensores Ópticos

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

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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)

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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

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Biosensores Ópticos

• 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.
• 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)---gtcolorante
  2H2O

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Biosensores Ópticos

• 3) Reacciones luminiscentes
• Utilización de luciferasa
• Detecta la presencia de microorganismos en orina
  al liberar ATP en su destrucción
• Luciferina ATP----(luciferasa)---gt
  oxiluciferina CO2 AMP ppi luz

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Biosensores ópticos de onda evanescente
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
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Biosensores ópticos de onda evanescente
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
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Biosensores ópticos de onda evanescente
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.
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Biosensores ópticos de onda evanescente
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.
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Inmunosensor de onda evanescente

• Especialmente 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

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

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

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Biosensores celulares
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Inmunosensores
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Tipos de inmunosensores
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(No Transcript)