Biosensores: tipos y características generales de los biosensores

Biosensores: tipos y características generales de los biosensores!

Un biosensor es un dispositivo analítico que emplea material biológico para interactuar específicamente con un analito.

Producir algunos cambios físicos detectables que se miden y se convierten en una señal eléctrica por un transductor. La señal eléctrica finalmente se amplifica, se interpreta y se muestra como concentración de analito en la solución / preparación. Un analito es un compuesto cuya concentración debe determinarse, los materiales biológicos generalmente son enzimas, pero también se utilizan ácidos nucleicos, anticuerpos, lectinas, células completas, órganos completos o cortes de tejido (Tabla 12.4).

La naturaleza de la interacción entre el analito y el material biológico utilizado en el biosensor es de dos tipos:

(a) El analito se puede convertir en una nueva molécula química mediante enzimas; tales biosensores se llaman biosensores catalíticos, y

(b) El analito puede simplemente unirse al material biológico presente en el biosensor (por ejemplo, a anticuerpos, ácido nucleico); Estos biosensores son conocidos como sensores de afinidad.

Un biosensor exitoso debe tener al menos algunas de las siguientes características: (a) Debe ser altamente específico para el analito.

(b) La reacción utilizada debe ser independiente de factores manejables como pH, temperatura, agitación, etc.

(c) La respuesta debe ser lineal en un rango útil de concentraciones de analito.

(d) El dispositivo debe ser pequeño y biocompatible, en caso de que se utilice para análisis dentro del cuerpo.

(e) El dispositivo debe ser barato, pequeño, fácil de usar y capaz de uso repetido.

Características generales del biosensor:

Un biosensor tiene dos tipos distintos de componentes:

(a) Biológicos, por ejemplo, enzimas, anticuerpos y

(b) Físico, por ejemplo, transductor, amplificador, etc.

El componente biológico del biosensor realiza dos funciones importantes.

(a) Reconoce específicamente el analito y

(b) Interactúa con él de tal manera que produce algún cambio físico detectable por el transductor.

Estas propiedades del componente biológico imparten al biosensor su sensibilidad específica y la capacidad de detectar y medir el analito. El componente biológico se inmoviliza adecuadamente sobre el transductor. En general, la correcta inmovilización de las enzimas mejora su estabilidad. Como resultado, muchos sistemas inmovilizados con enzimas pueden usarse más de 10, 000 veces durante un período de varios meses.

El componente biológico interactúa específicamente con el analito que produce un cambio físico cerca de la superficie del transductor. Este cambio físico puede ser:

1. Calor liberado o absorbido por la reacción (biosensores calorimétricos)

2. Producción de un potencial eléctrico debido al cambio en la distribución de los electrones (biosensores potenciométricos).

3. Movimiento de electrones por reacción redox (biosensores amperométricos).

4. Luz producida o absorbida durante la reacción (biosensores ópticos).

5. Cambio en la masa del componente biológico como resultado de la reacción (biosensores de onda acústica).

El transductor detecta y mide este cambio y lo convierte en una señal eléctrica. Esta señal, que es muy pequeña, se amplifica mediante un amplificador antes de que se alimente al microprocesador. La señal se procesa e interpreta, y se muestra en unidades adecuadas.

Por lo tanto, los biosensores convierten un flujo de información química en un flujo de información eléctrica, que implica los siguientes pasos:

(a) El analito difunde de la solución a la superficie del biosensor.

(b) El analito reacciona específica y eficientemente con el componente biológico del biosensor.

(c) Esta reacción cambia las propiedades físico-químicas de la superficie del transductor.

(d) Esto conduce a un cambio en las propiedades ópticas o electrónicas de la superficie del transductor.

(e) El cambio en las propiedades ópticas / electrónicas se mide, se convierte en señal eléctrica que se amplifica, procesa y muestra.

Tipos de biosensores:

Los biosensores son de 5 tipos:

1. Biosensores calorimétricos:

Muchas reacciones catalizadas por enzimas son exotérmicas. Los biosensores calorimétricos miden el cambio de temperatura de la solución que contiene el analito luego de la acción de la enzima y lo interpretan en términos de la concentración de analito en la solución. La solución de analito se pasa a través de una pequeña columna de lecho compacto que contiene enzima inmovilizada; la temperatura de la solución se determina justo antes de la entrada de la solución en la columna y justo cuando sale de la columna utilizando termistores separados.

Este es el tipo de biosensor de aplicación más general y se puede utilizar para soluciones turbias y de colores fuertes. La mayor desventaja es mantener la temperatura de la corriente de muestra, por ejemplo, ± 0.01 ° C, temperatura. La sensibilidad y el rango de tales biosensores es bastante bajo para la mayoría de las aplicaciones. La sensibilidad puede aumentarse utilizando dos o más enzimas de la vía en el biosensor para vincular varias reacciones para aumentar la producción de calor. Alternativamente, se pueden usar enzimas multifuncionales. Un ejemplo es el uso de la glucosa oxidasa para la determinación de la glucosa.

2. Biosensores potenciométricos:

Estos biosensores utilizan electrodos selectivos de iones para convertir la reacción biológica en una señal electrónica. Los electrodos empleados son más comúnmente electrodos de vidrio de medidor de pH (para cationes), electrodos de pH de vidrio recubiertos con una membrana selectiva de gas (para CO 2, NH o H2S) o electrodos de estado sólido. Muchas reacciones generan o usan H + que se detecta y mide con el biosensor; En tales casos se utilizan soluciones tamponadas muy débiles. Los electrodos sensores de gas detectan y miden la cantidad de gas producido. Un ejemplo de tales electrodos se basa en la ureasa que cataliza las siguientes reacciones:

CO (NH 2 ) 2 + 2H 2 O + H + → 2NH 4 + + HCO - 3

Esta reacción se puede medir con un electrodo sensible al pH, sensible al ion amonio, sensible al NH3 o sensible al CO2. Los biosensores ahora pueden prepararse colocando membranas recubiertas con enzimas en las puertas selectivas de iones de los transistores de efecto archivado selectivos de iones; Estos biosensores son extremadamente pequeños.

3. Biosensores de onda acústica:

Estos también son llamados dispositivos piezoeléctricos. Su superficie suele estar recubierta con anticuerpos que se unen al antígeno complementario presente en la solución de la muestra. Esto conduce a un aumento de masa que reduce su frecuencia vibratoria; este cambio se utiliza para determinar la cantidad de antígeno presente en la solución de la muestra.

4. Biosensores amperométricos:

Estos electrodos funcionan mediante la producción de una corriente cuando se aplica un potencial entre dos electrodos, siendo la magnitud de la corriente proporcional a la concentración del sustrato. Los biosensores amperométricos más simples utilizan el electrodo de oxígeno de Clark, que determina la reducción de O 2 presente en la solución de muestra (analito). Estos son los biosensores de primera generación. Estos biosensores se utilizan para medir las reacciones redox, un ejemplo típico es la determinación de glucosa usando glucosa oxidasa.

Un problema importante de tales biosensores es su dependencia de la concentración de O 2 disuelto en la solución de analito. Esto se puede superar mediante el uso de mediadores; estas moléculas transfieren los electrones generados por la reacción directamente al electrodo en lugar de reducir el O 2 disuelto en la solución de analito. Estos también son llamados biosensores de segunda generación. Los electrodos actuales, sin embargo, eliminan los electrones directamente de las enzimas reducidas sin la ayuda de mediadores, y están recubiertos con sales orgánicas conductoras de electricidad.

5. Biosensores ópticos:

Estos biosensores miden tanto las reacciones catalíticas como las de afinidad. Miden un cambio en la fluorescencia o en la absorbancia causada por los productos generados por las reacciones catalíticas. Alternativamente, miden los cambios inducidos en las propiedades ópticas intrínsecas de la superficie del biosensor debido a la carga en ella de moléculas dieléctricas como proteínas (en caso de reacciones de afinidad). Un biosensor más prometedor que involucra luminiscencia usa la enzima luciferasa de la luciérnaga para la detección de bacterias en alimentos o muestras clínicas. Las bacterias se lisan específicamente para liberar ATP, que es usado por la luciferasa en presencia de 0 2 para producir la luz que se mide con el biosensor.