Biosensor

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Un biosensor  es un dispositivo analítico que utiliza las reacciones de estos compuestos catalizadas por enzimas, reacciones inmunoquímicas o reacciones que ocurren en orgánulos , células o tejidos para determinar compuestos químicos [1] . En los biosensores, un componente biológico se combina con un transductor fisicoquímico.

Los biosensores constan de tres partes:

• elemento bioselectivo (material biológico, como tejidos , microorganismos , orgánulos , receptores celulares , enzimas , anticuerpos , ácidos nucleicos , etc.), material de origen biológico o biomímico). El elemento sensor se puede crear mediante bioingeniería .
• un transductor (que opera sobre principios físicos y químicos; óptico, piezoeléctrico, electroquímico, etc.), que convierte la señal resultante de la interacción del analito con un elemento bioselectivo en otra señal más fácil de medir;
• electrónica asociada, que es la principal responsable de mostrar los resultados de una manera fácil de usar. [2] .

El ejemplo más conocido de un biosensor comercial es el biosensor de glucosa en sangre, que utiliza la enzima glucosa oxidasa para descomponer la glucosa en la sangre. Durante la digestión, la enzima primero oxida la glucosa y usa dos electrones para reducir FAD (un componente de la enzima) a FAD H2, que a su vez es oxidado en varios pasos por el electrodo. La corriente resultante es proporcional a la concentración de glucosa. En este caso, el electrodo es un transductor y la enzima es un elemento bioselectivo.

Más recientemente, se han utilizado matrices de muchas moléculas detectoras diferentes en las denominadas narices electrónicas, en las que se utilizan conjuntos de respuesta de los detectores para detectar sustancias. Las narices electrónicas modernas, sin embargo, no utilizan material biológico (es decir, son quimiosensores).

El canario doméstico , que era utilizado por los mineros para avisar de fugas de gas, podría considerarse un biosensor. Muchos de los biosensores actuales funcionan según el mismo principio, es decir, utilizan organismos que reaccionan a concentraciones mucho más bajas de sustancias tóxicas que los humanos, advirtiendo así de la presencia de veneno. Estos dispositivos se pueden utilizar para el control ambiental, la determinación de impurezas menores de productos derivados del petróleo y en plantas de tratamiento de aguas residuales.

Historia de los biosensores

La idea de crear biosensores se remonta al experimento realizado por el fisiólogo alemán Max Kremer en 1906, cuando demostró que la concentración de ácido en un líquido es proporcional al potencial eléctrico que se produce entre las partes del mismo . líquido ubicado en lados opuestos de la membrana de vidrio [3] . El primer biosensor del tipo moderno fue diseñado por Leland Clark, Jr. (1918-2005) en 1956 para detectar oxígeno, más tarde este electrodo se conoció como el "electrodo Clarke" [3] [4] . En 1962, Clark había demostrado el primer electrodo enzimático amperométrico para la detección de glucosa. En 1969, George Guilbaud y Joseph Montalvo, Jr. crearon el primer biosensor potenciométrico para la detección de urea. El primer biosensor comercial fue desarrollado en 1975 por Yellow Spring Instruments (YSI) [3] .

Clasificación de biosensores

Según el tipo de transductor, los biosensores se clasifican en ópticos, acústicos, calorimétricos, térmicos y electroquímicos. Los biosensores electroquímicos, a su vez, se dividen en potenciométricos, amperométricos y conductimétricos. [5]

Biosensores ópticos

El principio de funcionamiento de la mayoría de los biosensores ópticos se basa en el fenómeno de la resonancia de plasmones superficiales. Este efecto se puede lograr irradiando la superficie del plástico de vidrio con una fina capa de oro metálico u otro metal noble con un haz de luz láser de cierta longitud de onda, debido a lo cual se crean ondas de electrones (plasmones superficiales) durante su sorción parcial. Como regla general, el efecto de la resonancia de plasmones ocurre no solo a una determinada longitud de onda de la radiación láser, sino también a un valor específico del ángulo de la luz incidente y depende de las características físicas de la superficie de la película metálica, a la que se dirige el analito. se añadió como resultado de la reacción.

Los sensores basados ​​en resonancia de plasmón superficial son un chip que consiste en un casete de plástico que lleva una placa de vidrio, uno de cuyos lados está cubierto con una capa microscópicamente delgada de oro metálico y es capaz de interactuar con la parte óptica del sensor electrónico del dispositivo. . El lado opuesto del plato del sensor de vidrio está conectado al sistema de flujo de líquido del instrumento, en el que ingresa la muestra, mientras que las sustancias de la muestra disueltas en el líquido entran en contacto directo con la superficie del plato. La superficie del lado opuesto de la placa de vidrio suele estar recubierta con un polímero. A menudo, una capa de carboximetil dextrano u otra sustancia químicamente similar actúa como un recubrimiento de polímero.

Un haz de luz con una longitud de onda fija, que cae sobre la superficie de la placa, se refleja desde el lado recubierto de oro del chip de vidrio en un ángulo de reflexión interna total y es detectado por el hardware electrónico del dispositivo. En este caso, el haz de luz induce una onda que se desvanece, que penetra a través del plato de vidrio hacia la solución cerca de su superficie.

El índice de refracción del lado de flujo del chip sensor afecta directamente el comportamiento de la luz reflejada desde el lado dorado. La unión de sustancias a la superficie del lado de flujo del chip afecta el índice de refracción, que puede ser registrado por un equipo óptico; por lo tanto, las interacciones biológicas se pueden medir con un alto nivel de sensibilidad.

Se han comercializado otros biosensores de ondas evanescentes utilizando guías de ondas en las que la constante de propagación de la luz a través de la guía de ondas cambia a medida que las moléculas se absorben en la superficie de la guía de ondas. Por ejemplo, en la interferometría de doble polarización se utilizan dos guías de ondas, una de las cuales está aislada y es de referencia, y la segunda guía de ondas está en contacto directo con la muestra en estudio. Al comparar las constantes de velocidad de propagación de la luz en ambas guías de ondas, se llega a una conclusión sobre la concentración del analito.

Los biosensores ópticos se basan principalmente en un cambio en la absorbancia o la fluorescencia del componente indicador respectivo y no requieren una reflexión interna total. Por ejemplo, se ha desarrollado un dispositivo prototipo totalmente funcional para la determinación de caseína en la leche. El instrumento se basa en detectar cambios en la absorbancia de la capa de oro. [6] Una herramienta de investigación ampliamente utilizada en biología molecular, la micromatriz de ADN también puede considerarse un biosensor óptico.

Biosensores electroquímicos

Los biosensores electroquímicos suelen basarse en la catálisis enzimática de una reacción en la que se liberan o absorben electrones (las enzimas utilizadas pertenecen a la clase de las oxidorreductasas ). El biosensor suele incluir tres electrodos : un electrodo de referencia , un electrodo de trabajo y uno auxiliar. Se aplica un material biológico a la superficie del electrodo de trabajo, que reacciona específicamente con el analito. Los productos de reacción cargados crean un potencial en el electrodo de trabajo, que se resta del potencial en el electrodo de referencia para obtener una señal de salida. También se utiliza la medición de corriente (en este caso, la intensidad del flujo de electrones es proporcional a la concentración del analito) a un potencial constante, o el potencial se puede medir a corriente cero (esto da una respuesta logarítmica). Cabe señalar que el potencial de los electrodos se ve afectado por la carga de su entorno, que se usa a menudo. Además, es posible detectar eléctricamente pequeños péptidos y proteínas directamente por su carga característica utilizando transistores de efecto de campo selectivos de iones modificados biológicamente ( ISFET ). [7]

Otros tipos de biosensores

Los sensores piezoeléctricos utilizan cristales que se deforman elásticamente cuando se someten a un potencial eléctrico. Un potencial alterno a cierta frecuencia provoca una onda estacionaria en el cristal. Esta frecuencia depende en gran medida de las propiedades elásticas del cristal, por lo que si el cristal está recubierto con un elemento de reconocimiento biológico, la unión de una gran cantidad de analito al receptor provocará un cambio en la frecuencia resonante, que sirve como enlace. señal.

Los biosensores térmicos y magnéticos prácticamente no están muy extendidos. Los nanodispositivos con nanoantenas se pueden utilizar como sensores biológicos [8] .

Véase también

• Análisis múltiplex

Notas

1. ↑ biosensor // Libro de oro de la IUPAC . Consultado el 31 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2010. (indefinido)
2. ↑ Cavalcanti A., Shirinzadeh B., Zhang M., Kretly LC Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense  //  Sensors: journal. - 2008. - Vol. 8 , núm. 5 . - P. 2932-2958 . -doi : 10.3390/ s8052932 .
3. ↑ 1 2 3 Bhalla N., Jolly P., Formisano N. y Estrela P. Introducción a los biosensores   // Essays Biochem . - 2016. - Vol. 60 , núm. 1 . — P. 1–8 . -doi : 10.1042/ EBC20150001 .
4. ↑ Heineman WR, Jensen WB Leland C. Clark Jr. (1918–2005)  (inglés)  // Biosensores y bioelectrónica. - 2006. - vol. 21 , núm. 8 _ - P. 1403-1404 . -doi : 10.1016/ j.bios.2005.12.005 .
5. ↑ Dzyadevich S.V., Soldatkin O.P. Emboscada científica y tecnológica de la creación de biosensores electroquímicos en miniatura. - 1ª ed. - Kyiv: Naukova Dumka, 2006. - S. 3, 6. - 256 p. — ISBN 966-00-0595-4 .
6. ↑ HM Hiep et al. "Un inmunosensor basado en resonancia de plasmón superficial localizado para la detección de caseína en la leche" Sci. Tecnología Adv. mater 8 (2007) 331 descarga gratuita Archivado el 9 de julio de 2012.
7. ↑ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer y AR Bausch (2006), "Efecto de campo de las cargas filtradas: detección eléctrica de péptidos y proteínas mediante una resistencia de película delgada" ChemPhysChem 7(2), 379-384 [ una]
8. ↑ Slyusar V. I. Nanoantennas: enfoques y perspectivas Copia de archivo fechada el 3 de junio de 2021 en Wayback Machine // Electronics: Science, Technology, Business. - 2009. - Nº 2. - Pág. 60.

Literatura

• Banica F.-G., Sensores químicos y biológicos: fundamentos y aplicaciones. Tecnosfera, Moscú, 2014; Precio: 869. ISBN 978-5-94836-380-6
• Budnikov G. K. Los biosensores como un nuevo tipo de dispositivos analíticos // Soros Educational Journal , 1996, No. 12, p. 26-32.
• Varfolomeev SD Biosensores // Soros Educational Journal , 1997, No. 1, p. 45-49.
• Kompanets O.N. Biosensores ópticos portátiles para la determinación de compuestos biológicamente activos y tóxicos // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, v. 174, n.º 6, p. 684-686.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V.  Física en el cambio de milenio: estado condensado, 2.ª ed., M.: LKI, 2012, 336 páginas, ISBN 978-5-382-01365-7

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