TRANSDUCTORES Y SENSORES

Transductores y Sensores
Biosensores
TR ANSDUCTORES Y SENSORES
BIOSENSORES
Los sensores naturales son tan viejos como los organismos vivos. Estos bioreceptores son
transductores naturales que convierten todo tipo de señales físicas y químicas del ambiente en
señales eléctricas, resultando en potenciales de acción que pueden ser procesados por una
“computadora natural”, nuestro sistema nervioso. La presencia de bioreceptores no se limita a los
órganos de nuestros sentidos sino que aparecen en todos los procesos involucrados en los
organismos vivos y células. La aparición de los sensores artificiales y su progresiva expansión
permitió poner en contacto a los aparatos electrónicos con el mundo exterior, dotando de "sentidos" a
la tecnología. Por lo tanto, podemos definir un biosensor como un dispositivo bioquímico-electrónico
que permite identificar, transformar y cuantificar un evento biológico. Está compuesto por la
combinación de un bioreceptor, componente biológico y un transductor, método de detección.
En la Fig. 1 se muestra el principio de operación de un biosensor el cual, comenzando desde el
analito, puede proveer toda la información necesaria para su evaluación. Esta información puede ser
procesada y almacenada.
El biosensor está en contacto directo con la muestra a través del bioreceptor, que le confiere la
selectividad a través de un sitio selectivo que identifica al analito y lo transforma de alguna manera.
Generalmente el bioreceptor es una enzima inmovilizada que transforma el analito en un producto
que es detectable por el transductor.
Estos cambios que se producen al identificar al analito pueden ser: variaciones de temperatura,
de masa, constante dieléctrica, potencial de media celda, de conductividad iónica, de turbidez de la
muestra, entre otros. Por lo tanto, dependiendo de esta modificación bioquímica que se produzca se
escoge el transductor.
El transductor debe dar una señal óptima, sensible, fácil de monitorear y con el mínimo de ruido.
El transductor puede ser electroquímico, termométrico, fotométrico o piezoeléctrico y de acuerdo al
tipo de bioreceptor con el que se combina pueden formarse múltiples tipos de biosensores.
Como era de esperar, la tecnología ha llegado aún más lejos en algunos casos que nuestro
sistema sensorial. Los sensores se han convertido en "sentidos ultraperfeccionados" que llegan a
lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con una resolución
inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros no percibimos, como las ondas
electromagnéticas o los ultrasonidos. La información que aportan ha cobrado un valor extraordinario
en todos los ámbitos de la actividad humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad
Nuclear o la búsqueda de vida en otros planetas.
Fig. 1. Etapas en la determinación con un biosensor
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I. EL BIORECEPTOR
El bioreceptor es crucial pues produce el efecto físico-químico que será detectado por el
transductor. Esto involucra procesos como biocatálisis, acoplamientos inmunológicos o
quimiorecepción.
1. Tipos de bioreceptores
Los bioreceptores más empleados son:
Catalizadores biológicos (enzimas). Las enzimas pueden ser extraídas de una o más
fuentes biológicas (in situ) para aplicaciones específicas y pueden usarse solas o con sus
cofactores. Las enzimas que se consiguen comercialmente presentan las siguientes
ventajas: se reproducen por lotes, tiempo de vida y características conocidas,
disponibilidad inmediata. Las desventajas de las enzimas purificadas son que no son
siempre estables y necesitan la presencia de sus cofactores para operar en forma
apropiada. En algunos casos se necesitan cadenas enzimáticas para realizar las
transformaciones, lo que debe asegurarse la operación óptima del biosensor en forma
global.
Microorganismos. Son entidades estructurales que poseen todas las enzimas necesarias
y sus cofactores en un ambiente optimizado por la naturaleza. Pueden reproducir y
compensar pérdidas en la actividad enzimática con el tiempo.
Tejidos y organelas. El tejido tiene la ventaja de la cohesión, y tiene una estructura que es
lo suficientemente robusta para adherirse a un transductor sin necesidad de recurrir a
técnicas de inmovilización de proteínas. Pueden usarse:
Tejidos de animales y vegetales: estos tejidos son fuentes naturales de
material enzimático por lo cual pueden construirse biosensores muy
estables.
Organelas: se pueden encontrar biocatalizadores
cloroplastos, mitocondrias y microsomas.
en
lisosomas,
Inmunorreceptores. Debido a la reacción antígeno-anticuerpo se produce una débil
variación del potencial que puede detectarse, pero deben utilizarse distintos procesos
para mejorar la respuesta del transductor.
Quimiorreceptores. Se emplean los receptores celulares específicos de membranas
celulares que se excitan químicamente para producir cambios conformacionales. Ej:
neurorreceptores para detectar drogas y toxinas.
2. Inmovilización de los bioreceptores
Un paso crucial en la construcción de un biosensor es inmovilizar las proteínas de interés (Ej:
enzimas). Esto asegura máximo contacto con la muestra, y estabilización de la proteína para poder
emplearla en forma repetida.
2.1. Inmovilización de enzimas
En la Fig. 2 se muestran distintos tipos de técnicas de inmovilización de enzimas.
Atrapamiento físico
Las enzimas tienen alto peso molecular y gran tamaño, lo suficiente como para atraparlas en
geles de poliacrilamida o membranas de diálisis. El primer electrodo de enzima fue construido por
Updike y Hicks atrapando glucosa oxidasa en una capa de gel de poliacrilamida, que a su vez se
adhería a un electrodo de oxígeno.
El atrapamiento físico no se usa generalmente porque la presencia de enzimas en una solución
no permite una actividad enzimática a largo plazo.
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Fig. 2. Técnicas de inmovilización de enzimas.
Inmovilización por enlace cruzado (cross-linking)
Este proceso usa un agente bi o multifuncional para formar un puente entre distintas especies
biocatalíticas o proteínas. Esto resulta en un incremento considerable del peso molecular, y los
compuestos que se forman son insolubles.
Es posible enlazar moléculas de una misma enzima, o coreticular dos o más proteínas diferentes
(enzima con enzima, enzima con proteína, etc). Un agente utilizado en cross-linking es el
glutaraldehído. Este agente bifuncional tiene dos grupos aldehídos en sus extremidades que
reaccionan con el grupo amina de una enzima o proteína.
Los métodos de cross-linking son: método de inmersión (para inmovilizar ureasa), método de
enlace directo, uso de aerosoles, uso de membranas y, membranas prefuncionalizadas.
Inmovilización electromagnética
Si una enzima puede incorporarse en un soporte magnético, entonces puede usarse un campo
electromagnético para inmovilizarla. La ventaja de este método es que los componentes biocatalíticos
pueden ser cambiados tan frecuentemente como se desee. La enzima puede despegarse deteniendo
la corriente en el solenoide. La dificultad es la fijación de la enzima a las partículas magnéticas. La
interacción bioespecífica usada es frágil e irreversible, y la enzima puede ser despegada bajo ciertas
condiciones de pH.
Inmovilización multienzimática
La naturaleza proteínica de las enzimas significa que contienen un gran número de grupos
reactivos que pueden ser simultáneamente inmovilizados, lo que permite que el sustrato pueda ser
reciclado, aumentando la sensibilidad de la respuesta del electrodo.
El uso de mediadores para reducir el potencial aplicado en los electrodos amperométricos, y la
interferencia, algunas veces requiere inmovilización multienzimática.
La inmovilización multienzimática necesita la catálisis de reacciones de descomposición
sucesivas que requieren muchas enzimas diferentes, pero eventualmente los productos pueden ser
detectados por un electrodo.
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Inmovilización de cofactores
Un cofactor (o coenzima) puede ser inmovilizado en un soporte insoluble al mismo tiempo que
una enzima, gracias a que forman una unidad indisociable con la apoenzima. Además, el cofactor
puede permanecer lo suficientemente móvil después de su inmovilización para pasar de un sitio
activo de una apoenzima al sitio activo de otra para su regeneración.
La inmovilización física de los cofactores es imposible debido a su tamaño tan reducido y por lo
tanto debe ser unido covalentemente ya sea a una enzima o un soporte insoluble.
A veces la regeneración de un cofactor no requiere otra enzima sino simplemente otro sustrato. El
cofactor es inmovilizado en un sitio activo de una enzima para obtener la reacción enzimática con el
primer sustrato, y luego el cofactor es regenerado por un segundo sustrato.
Inmovilización de mediadores
Los mediadores se usan para regenerar los cofactores involucrados en las reacciones redox
catalizadas por enzimas. La movilidad de un cofactor se reduce si la enzima no está en solución y se
requiere un mediador para transportar electrones entre el electrodo y el cofactor. Pueden usarse
ferrocenos y sales orgánicas conductoras. Los mediadores se inmovilizan usando redes poliméricas
inertes o electroactivas.
Sensores miniatura
Se utilizan en microsensores implantables para análisis clínicos in vivo. Pueden ser sensores
potenciométricos o amperométricos.
2.2. Inmovilización de microorganismos
Como los microorganismos son de mayor tamaño que las enzimas pueden ser inmovilizados por
atrapamiento físico. Pueden atraparse en geles agar o de poliacrilamida, o en membranas de diálisis
o filtración. También se pueden inmovilizar células enteras en suspensiones de colágeno tratadas con
glutaraldeido.
2.3. Inmovilización de inmunoagentes
Existen dos tipos de inmunosensores: aquellos que en forma directa explotan una variación de un
parámetro como resultado de un acoplamiento inmunológico y aquellos que recurren a una enzima
para liberar un producto, o consumir un co-sustrato, que es detectable por un transductor. El primer
paso en ambos casos es fijar un antígeno, un anticuerpo, o un compuesto que tenga bioafinidad con
el analito, sobre el transductor.
Inmovilización de anticuerpos
El objetivo de inmovilizar un anticuerpo en un transductor es detectar el antígeno
correspondiente. Los anticuerpos tienen estructuras proteínicas y pueden ser inmovilizados de la
misma forma que las enzimas, en forma directa (enlaces covalentes) o usando membranas.
Inmovilización de antígenos
Los antígenos no siempre poseen estructuras proteínicas como para inmovilizarlos en la misma
forma que los anticuerpos o las enzimas, y por lo tanto se los une a portadores iónicos.
Inmovilización de los compuestos con bioafinidad
Los compuestos con bioafinidad pueden usarse para preparar proteínas complejas por procesos
similares al acoplamiento inmunológico. Los compuestos se inmovilizan usando membranas
obtenidas por copolimerización de 1,8-diamino-4-amino-metiloctano con triacetato de celulosa. Las
membranas se sumergen en una solución que contiene ovalbúmina y luego HABA (ácido benzoico
2[(4-hidroxifenil)azo]), el compuesto con bioafinidad, se une con carbodiimida.
2.4. Inmovilización de tejidos y organelas
Se corta un trozo de tejido animal o vegetal que se inserta entre dos membranas semipermeables
que luego se adjuntan al transductor. El transductor generalmente es un electrodo de pO2, pCO2, o
pNH3 los cuales tienen su propia membrana hidrofóbica permeable a un gas. Los tejidos animales
pueden ser de hígado de conejo o bovinos, músculo o mucosa intestinal de conejo. Los componentes
celulares también se usan, por ejemplo mitocondrias. Estas organelas hacen más selectivo al
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biosensor porque contienen enzimas más específicas. Los tejidos vegetales se inmovilizan usando
retención mecánica.
Estos biosensores tienen un tiempo de respuesta mayor que los sensores de enzima
correspondientes. Para obtener respuestas más rápidas se incorpora el tejido en pastas de carbón
para facilitar el contacto entre el sitio biocatalítico y el componente sensible.
2.5. Inmovilización de quimiorreceptores
Los quimiorreceptores se adhieren en su estado natural a un electrodo potenciométrico para crear
sensores llamados “receptrodes”. De esta forma pueden crearse neurorreceptores para medir toxinas
y otros agentes químicos. Por ejemplo, el uso de receptores de acetilcolina permite la determinación
de acetilcolina a través de la detección de una impedancia específica comparada con otros
neurotransmisores.
II. TRANSDUCTORES EMPLEADOS EN BIOSENSORES
El transductor provee la evidencia de que ha ocurrido una reacción en el bioreceptor. La elección
del transductor depende del tipo de reacción, y las sustancias liberadas o consumidas. Generalmente,
la elección apropiada del transductor es el modelo comercial que existe para el método de detección
requerido. Hay un gran número de electrodos disponibles para detección electroquímica, por ejemplo,
electrodos sensibles a pH, a aniones o cationes, y a gases (pO2, pCO2, pNH3). El componente
sensible puede comprarse independientemente y luego adherirlo al biosensor.
La elección del transductor también depende la aplicación deseada del biosensor. Si va a ser
usado en ambientes biológicos, debe satisfacer criterios de biocompatibilidad, especialmente con
respecto a la deposición de proteínas, lípidos o células sobre su superficie. Si va a ser utilizado in
vivo, debe ser de tamaño reducido, y con forma adecuada para no dañar excesivamente los tejidos.
Además deben tenerse en cuenta las características tóxicas, metálicas, o componentes poliméricos
cuando se va a implantar por largo tiempo.
La interferencia química puede afectar la transducción, por lo que también debe tenerse en
cuenta en el momento de la elección del transductor.
El transductor debe aprovechar óptimamente las modificaciones fisicoquímicas que resulten de
las reacciones biológicas. Por ejemplo, si una reacción provoca una variación de la entalpía, se
produce un incremento muy débil de la temperatura y por lo tanto un termistor es un transductor
térmico más adecuado que una termocupla.
El mismo transductor puede usarse en modos de operación diferentes, que se eligen de acuerdo
al objetivo deseado. Por ejemplo, una fibra óptica puede usarse como un transductor extrínseco, con
un componente biorreactivo inmovilizado en su punta, o como un transductor intrínseco explotando la
interacción entre las inmunoproteínas de su superficie y las ondas evanescentes de la superficie.
Los transductores pueden ser:
Electroquímicos
Potenciométricos
Amperométricos
Semiconductores
Termométricos
Piezoeléctricos
Fotométricos
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1. Transductores electroquímicos
1.1. Potenciométricos
1.2. Amperométricos
1.3. Semiconductores
2. Transductores termométricos
Un sensor enzimático térmico, o entalpimétrico, mide la concentración de un sustrato usando la
variación de entalpía de una reacción enzimática. Existen distintos métodos para medir temperatura
(ópticos, mecánicos, eléctricos) pero los eléctricos son los más usados para la construcción de
biosensores térmicos debido a que la señal eléctrica puede obtenerse directamente de la variación de
la temperatura.
Pueden usarse termistores o termocuplas para la medición de temperatura. Las termocuplas
simples no son lo suficientemente sensibles para detectar las variaciones de entalpía de las
reacciones enzimáticas.
Los termistores y termopilas sí pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura. Los
termistores son mezclas de óxidos metálicos con semiconductores cristalinos. La alta resistividad de
estos materiales les confiere una rápida respuesta temporal gracias a su pequeño tamaño y
capacidad calorífica reducida. La resistencia de un termistor es función de la temperatura, lo cual se
ocupa como principio para la transducción. Las termopilas se construyen alternando uniones
termoeléctricas y se usan para construir biosensores. Generan señales pasivas lo que las hace
particularmente aptas para mediciones en soluciones fluidas.
Se emplean dos termistores, uno de los cuales está a una temperatura de referencia. La enzima
inmovilizada se coloca directamente sobre el termistor de trabajo (Fig. 3). La enzima transforma el
sustrato y libera o consume calorías que pueden medirse in situ por los termistores (o termocupla).
En una determinación se colocan dos termistores, uno mide las variaciones de la temperatura del
medio, y el otro las variaciones de temperatura por la reacción enzimática más las del medio. La
diferencia de las dos temperatura es la variación por la actividad enzimática.
Fig. 3. Esquema de un transductor termométrico.
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3. Transductores piezoeléctricos
Las mediciones piezoeléctricas usan la aparición de una polarización eléctrica, o una variación en
la polarización existente, en materiales anisotrópicos dieléctricos, por ejemplo cuarzo, cuando se
aplica una fuerza en la dirección apropiada. Este efecto piezoeléctrico es reversible.
Un sensor piezoeléctrico mide la masa depositada en la superficie de un cristal piezoeléctrico,
detectando la variación en la frecuencia de resonancia característica (FRC) del cristal. Intuitivamente,
al aumentar el peso del cristal su FRC disminuye, esto es análogo a las cuerdas de una guitarra, que
cuanto más gruesa es, resuena a una menor frecuencia.
Un sensor piezoeléctrico consiste en un cristal de cuarzo, electrodos metálicos y el receptor que
brinda la selectividad. En la Fig. 4 se presenta un esquema de un sensor piezoeléctrico.
La frecuencia de resonancia disminuye con el aumento de masa:
dF = −2.3.106.F 2 .
dM
A
donde F es la frecuencia fundamental, dF es la variación de frecuencia, dM es la masa adsorbida y A
es el área de la superficie cubierta por el receptor. Una frecuencia típica de trabajo es 10 MHz. Con
-12
este método se pueden detectar 10 gramos.
Fig. 4. Esquema de un sensor piezoeléctrico.
Aplicaciones
Empleando enzimas
Detección y cuantificación de organofosfatos: se emplea la enzima colinesterasa, la cual forma
compuestos con los derivados organofosfatados, permitiendo su detección en fase gaseosa. El
aumento de peso sobre el cristal se debe a los compuestos formados.
Empleando agentes inmunológicos
Detección y cuantificación de bacterias:
La variación de masa se produce por el acoplamiento antígeno-anticuerpo.
Inmovilizando el anticuerpo anti-Candida para la bacteria Candida albicans, se pueden
medir concentraciones entre 106 y 5.108 bact/ml.
Cuantificación de Digoxina
Se inmoviliza anti-Digoxina sobre el cristal de cuarzo.
Se coloca el sensor en el ambiente con el antígeno.
Se deja secar el sensor con el complejo antígeno-anticuerpo.
Se mide frecuencia en fase gaseosa.
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Se obtiene una relación lineal entre concentración de Digoxina y frecuencia entre 100 y
800 ng/ml.
4. Transductores fotométricos
Se basan en la medición de la variación de las propiedades ópticas de un medio o un receptor
inmovilizado. La luz puede atravesar, reflejarse o emitirse del material analizado.
Las fibras ópticas pueden usarse para construir biosensores. La luz entre una muestra y una
fuente o detector se transporta a lo largo del interior de las fibras siguiendo los principios de reflexión
total. La luz se propaga a lo largo de la fibra en diferentes modos, de acuerdo a un ángulo de
incidencia dado.
La reflexión total en una fibra nunca es perfecta y por lo tanto algo de radiación electromagnética
penetra la cubierta de la fibra. Esto se llama ondas evanescentes, y pueden usarse para detectar
variaciones de las propiedades ópticas de películas químicas y biológicas que se colocan alrededor
de la fibra.
Comúnmente el material (reactivo) que cambia sus propiedades ópticas (absorción, fluorescencia,
y luminiscencia) es inmovilizado en la punta o alrededor de una fibra óptica.
Absorción de luz
El detector mide la reducción de la intensidad de la luz de la fuente. Esta reducción es causada
por un producto absorbente que proviene de la reacción entre la sustancia inmovilizada y el analito.
Generalmente se utilizan ondas de longitud de onda monocromática, y los rayos, incidente y emitido,
tienen la misma longitud de onda.
Como se muestra en la Fig. 5, se basan en el recubrimiento de la punta de una fibra óptica con un
indicador coloreado incorporado a una matriz polimérica. Se emplean en medidores de pH.
Fig. 5. Esquema de un sensor óptico.
Fluorescencia
La longitud de onda de la emisión fluorescente es diferente de la longitud de onda de la onda de
excitación, y una sola fibra es suficiente para transportar la radiación de excitación y emisión.
También se usa una sola fibra para medir fluorescencia, que ocurre cuando un compuesto absorbe
en la misma región espectral que la emisión presente.
Es muy sensible y detecta muy bajas concentraciones. Se emplean indicadores fluorescentes
inmovilizados en la punta de una fibra. Un cambio de pH provoca un cambio en la fluorescencia del
indicador. Se emplea luz láser para iluminar la punta.
Bio o Quimioluminiscencia
La Bioluminiscencia está asociada a la emisión de luz de organismos vivos como las luciérnagas.
Básicamente, una reacción es catalizada por la luciferasa y libera un compuesto en su estado
excitado, que emite luz cuando vuelve al estado de reposo. Se emplea para cuantificar ATP o
procesos que usen ATP como cofactor.
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La Quimioluminiscencia proviene de reacciones químicas, en las que ocurre una oxidación que
involucra oxígeno molecular, o peróxido de hidrógeno (H2O2). Estos sensores sirven para medir H2O2 .
III. TIPOS DE BIOSENSORES
Los biosensores pueden clasificarse de acuerdo al tipo de bioreceptor o del transductor usado. En
este caso están clasificados por tipo de bioreceptor porque este componente es quien determina la
acción primaria del biosensor.
1. Biosensores de enzima
Un biosensor de enzima es la combinación de un transductor y una capa delgada enzimática, que
se usa normalmente para medir concentración de un sustrato. La reacción enzimática transforma el
sustrato en un producto de reacción que el transductor puede detectar. La concentración de una
sustancia se mide según cómo afecte su presencia a la velocidad de reacción enzimática.
Principios de operación
En la Fig. 6 se presenta un biosensor de enzima. La superficie sensible del transductor está en
contacto con una capa enzimática, y se asume que no hay transferencia de masa a través de esta
interfase. La superficie externa de la capa enzimática está inmersa en una solución que contiene el
sustrato bajo estudio. El sustrato migra hacia el interior de la capa y se convierte en productos de
reacción cuando reacciona con la enzima inmovilizada. Para alcanzar un rápido equilibrio de
concentración la membrana enzimática debe ser tan delgada como sea posible. La solución debe
agitarse para asegurar un suministro constante de sustrato. En resumen, los diferentes pasos son:
1. Transporte del sustrato desde el seno de la solución hacia la capa enzimática.
2. Difusión del sustrato en esta capa, acompañado por la transformación enzimática del sustrato
en productos de reacción.
3. Migración del producto hacia el transductor.
4. Conversión de la concentración del producto en esta superficie en una señal eléctrica por el
transductor.
Fig. 6. Representación esquemática de la difusión de un sustrato S
y su producto P en una capa enzimática sobre un transductor.
Los biosensores basados en enzimas pueden formarse usando principios de transducción
electroquímicos, ópticos, térmicos o gravimétricos. Los basados en principios electroquímicos se
denominan electrodos de enzima y miden la formación de un producto o el consumo de un sustrato, si
el producto o sustrato es electroactivo.
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El principio amperométrico se ha usado extensamente en electrodos de enzima en los cuales se
mide el consumo de oxígeno o la formación de peróxido de hidrógeno con un electrodo polarográfico.
Por ejemplo, la glucosa se oxida por la reacción enzimática de la glucosa oxidasa (GOD) según:
Glu cos a + O2 GOD

→ Gluconolactato + H 2 O2
Tanto el O2 como sustrato y H2O2 como producto pueden ser detectados. El electrodo de glucosa
consiste de un electrodo polarográfico con una capa de GOD inmovilizada cubierta por una
membrana permeable a glucosa, como se muestra en la Fig. 7. La concentración de glucosa se mide
por el cambio de la corriente del electrodo de oxígeno o del electrodo de peróxido. Cuando se emplea
medición de oxígeno, se necesita la operación diferencial de dos electrodos de oxígeno, con o sin
GOD, en cambio la producción de peróxido de hidrógeno puede medirse con un solo electrodo por lo
cual, se utiliza esta técnica más frecuentemente.
Fig. 7. Ejemplo de un electrodo de glucosa polarográfico.
Los electrodos de enzima también se forman por electrodos ión selectivo (ISE) y transistores de
efecto de campo de ión selectivo (ISFET), ambos basados en el principio potenciométrico. A estos
sensores se los denomina ENFET (Fig. 8). Consisten en un ISE o ISFET cubiertos por una capa de
enzima inmovilizada y una membrana protectora. En los electrodos de enzima potenciométricos, se
mide el producto de las reacciones enzimáticas. Por ejemplo, la hidrolización de urea es catalizada
por la ureasa,
Urea + 2 H 2 O + H + Ureasa
→ 2 NH 4+ + HCO3−
y luego NH3 se forma como:
NH 4+ + OH − 
→ NH 3 + H 2 O
Según estas reacciones la urea puede medirse a través de un electrodo de NH3. También hay
otros electrodos potenciométricos para medir aminoácidos, penicilina, etc.
Fig. 8. Esquema de un ENFET. Las enzimas se inmovilizan en 2.
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El principio termométrico también se utiliza para mediciones en algunos electrodos de enzima
debido a que las reacciones enzimáticas siempre producen calor en un rango de 20 a 100 kJ mol-4. La
cantidad de sustancia puede estimarse del calor producido. Inyectando una muestra estabilizada a
una temperatura en una pequeña columna con enzimas inmovilizadas con una velocidad de flujo
constante, puede medirse el calor producido como la diferencia entre las terminales de entrada y
salida de la columna. Las sustancias típicas que se analizan por principios termométricos son etanol,
glucosa, lactato, ácido oxálico, penicilina, sucrosa, y urea. Un termistor recubierto con una enzima
inmovilizada puede ser un biosensor simple y se llama termistor unido a enzima.
La mayoría de los biosensores usados en medicina son biosensores de enzima debido a su
especificidad, fácil implementación, y por la disponibilidad comercial de enzimas y su correspondiente
transductor. El uso in vivo requiere la resolución de problemas de biocompatibilidad, especialmente
aquellos referidos al depósito de fibrina y plaquetas en la membrana enzimática.
Entre las aplicaciones se encuentra el sensor de GOD para determinar glucosa en sangre y orina
para el diagnóstico de diabetes. Otros biosensores también son capaces de medir metabolitos en un
medio biológico. Los electrodos de urea y creatinina pueden controlar funciones renales; el electrodo
de colesterol se usa para la detección y prevención de arteriosclerosis; el electrodo de acetilcolina
puede monitorear los neurotransmisores relacionados a la transmisión química en la sinapsis; y el
electrodo de lactato puede evaluar esfuerzo muscular. También hay enzimas con actividad
antitumoral, cicatrizante y con otras acciones terapéuticas. Por ejemplo, la L-asparaginasa se utiliza
en el tratamiento de leucemias y cánceres diseminados que requieren asparragina para desarrollarse.
Se ha diseñado un hemodializador de fibra hueca que contiene asparaginasa inmovilizada. La tripsina
o la colagenasa se utilizan para eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, úlceras, etc.;
para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos e injertos de piel, y también para inhibir el crecimiento
de algunos microorganismos contaminantes. Este tipo de enzimas se pueden inmovilizar en celulosas
o fibras que formarán parte del tejido de apósitos y vendas.
2. Inmunosensores
Los sensores inmunológicos o biosensores reconocen el acoplamiento entre un antígeno y un
anticuerpo. El antígeno (Ag) y el anticuerpo (Ab) forman un complejo antígeno-anticuerpo (AgAb),
Ab + Ag ↔ AgAb
donde puede definirse una constante K porque la reacción es constante y reversible en el equilibrio. K
es la constante de afinidad,
K=
[ Ab Ag ]
[ Ab ][ Ag ]
Cuando se introduce Ag y Ab se mantiene constante, la cantidad de Ag introducida se determina por el
incremento de AgAb. Si el anticuerpo Ab se inmoviliza y fija en la superficie del sensor, como se
muestra en la Fig. 9, la formación de AgAb causará un cambio en potencial de electrodo [3], o de la
masa o de las propiedades ópticas, que pueden ser detectados directamente con una variedad de
transductores [2].
La detección potenciométrica de la reacción antígeno-anticuerpo se demostró en un estudio en el
cual se inmovilizó gonadotropina coriónica humana (hCG), o un anticuerpo contra hCG, en un
alambre de titanio, y se observaron los cambios de potencial cuando se agregó el anticuerpo o
antígeno correspondiente. Para detectar este cambio se utilizan transistores de efecto de campo ión
selectivo llamados IMFET.
Pueden formarse inmunosensores altamente sensibles utilizando reacciones enzimáticas, en los
cuales se fija una cantidad de antígeno marcado con una enzima. Como se muestra en la Fig. 9,
antígenos marcados o no, se unen con anticuerpos inmovilizados. Después de remover los antígenos
libre, la actividad enzimática se mide introduciendo un sustrato y detectando el cambio del producto a
través de alguna técnica adecuada.
Los inmunosensores tienen un gran potencial en medicina debido a la especificidad de las
reacciones inmunológicas. Estos biosensores se usan para medir drogas como theophylline (alcaloide
que se extrae del te), y para determinar la hormona HCG para el diagnóstico de embarazo, alfafetoproteína para la identificación de cáncer, y el antígeno de superficie de hepatitis B.
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Fig. 9. Inmunosensores de detección gravimétrica, electroquímica y óptica.
Estos biosensores no pueden usarse in vivo porque la amplificación enzimática involucrada
requiere la adición de un sustrato para la operación del sensor. Además, la formación del complejo
anticuerpo-antígeno es lenta y requiere un gran número de pasos.
La definición de inmunosensores corresponde a un biosensor ideal. Sin embargo, en la práctica la
mayor parte de los dispositivos no cumplen alguno de los requisitos. Por ejemplo, gran parte de los
inmunosensores desarrollados no dan una respuesta directa ante la presencia del analito; precisan de
una señal secundaria producida por un marcador radiactivo, una enzima, un compuesto fluorescente
o electroactivo, etcétera. Son los denominados inmunosensores indirectos. Por otro lado, gran
número de inmunosensores no trabajan en condiciones de total reversibilidad, son difíciles de
miniaturizar o no presentan la configuración electrónica adecuada para ser utilizados in-situ
masivamente.
Los distintos inmunosensores pueden ser clasificados en función de la naturaleza física del
transductor. De este modo existen inmunosensores electroquímicos, ópticos, piezoeléctricos,
termométricos o magnéticos. Los tres primeros son los más desarrollados.
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3. Biosensores microbianos
Los sensores microbianos surgen de la combinación de un microorganismo con un transductor
capaz de detectar el metabolito involucrado. Los microorganismos poseen sistemas enzimáticos que
son los que dan la selectividad. Los microorganismos se inmovilizan generalmente en geles o usando
membranas de diálisis. Los electrodos potenciométricos y amperométricos son útiles porque tienen
una membrana hidrofóbica en la cual se insertan los microorganismos (entre esta membrana y la
membrana de diálisis).
Las ventajas que presentan frente a los electrodos de enzimas aisladas son:
- Los sensores microbianos son menos sensibles a inhibirse por solutos y más tolerantes en
ambientes de pH subóptimo.
- Tienen mayor tiempo de vida que los electrodos de enzimas.
- Más baratos (porque la enzima no necesita aislarse).
- Mantienen las enzimas en su ambiente natural evitando los problemas de regeneración de
cofactores.
Por otro lado la construcción de estos biosensores presenta algunos problemas:
- Son inapropiados para mediciones in vivo y, en ambientes biológicos complejos.
- El gran número de enzimas presente en los microorganismos puede hacer bastante difícil
las interpretaciones analíticas.
- El crecimiento microbacterial incrementa el tiempo de respuesta del sensor porque varía con
el espesor de la capa activa y el coeficiente de difusión del sustrato, el cual cambia durante la
operación del biosensor.
Estos biosensores pueden clasificarse como biosensores de medición de respiración o de
metabolitos. Como se muestra en la Fig. 10 (a) los sensores de medición de respiración consisten de
microorganismos aeróbicos inmovilizados y un electrodo de oxígeno. Cuando un sustrato, que puede
ser metabolizado por el microorganismo, se encuentra en una solución saturada de oxígeno, ocurre
una reacción metabólica por el consumo de oxígeno disuelto, entonces puede medirse el sustrato por
la disminución de la tensión de oxígeno. A través de estos biosensores pueden medirse muchas
sustancias como glucosa, azúcares, ácido acético, amonio, y alcoholes. También puede medirse la
demanda bioquímica de oxígeno (BOD).
En la Fig. 10 (b) se muestra un sensor microbiano de medición de metabolitos. Consiste de
microorganismos inmovilizados y un sensor que detecta el metabolito producido por la reacción
catalizada por ese microorganismo. Usando distintos tipos de sensores de gases e iones, pueden
medirse muchas sustancias detectando los diferentes metabolitos. Por ejemplo, el electrodo de celda
utilizado para detectar H2 para medir ácido fórmico, el electrodo de CO2 para ácido glutámico y lisina,
y el electrodo de pH para céfalosporina y ácido nicotínico.
Algunas bacterias exhiben luminiscencia. Si se inmovilizan estas bacterias y se combinan con un
fotodetector, se pueden medir sustancias que afecten la bioluminiscencia detectando el cambio en la
luminiscencia con un sensor llamado biosensor fotomicrobiano. Algunas sustancias como la glucosa
incrementan la luminiscencia, mientras que otras como el cromo, el mercurio, etc.
Existen los sensores híbridos que son la combinación de un biosensor microbiano y una
membrana con enzimas inmovilizadas. Por ejemplo, el biosensor de urea se forma combinando un
membrana de ureasa y un sensor microbiano de NH3 usando bacterias que causan nitración. Este
sensor es superior al potenciométrico de amonio en el sentido de que la interferencia iónica o
compuestos volátiles como aminas es menos común.
También se han propuesto sensores para detectar cambios químicos mutagénicos. Como la
mutagenecidad se correlaciona con la carcinogenicidad, se espera usar este tipo de biosensores para
monitorear carcinógenos.
Bioing. Maria Lorena López Rodriguez
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Transductores y Sensores
Biosensores
Fig. 10. Sensores microbianos (a) medición de respiración y (b) medición metabólica.
Bioing. Maria Lorena López Rodriguez
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Transductores y Sensores
Biosensores
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Bioing. Maria Lorena López Rodriguez
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