instituto tecnologico de chihuahua división de estudios de posgrado e investigación...
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUAINSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUADivisión de Estudios de Posgrado e InvestigaciónDivisión de Estudios de Posgrado e Investigación
““Transductores Electroquímicos en Biología y Medicina”.Transductores Electroquímicos en Biología y Medicina”.
TESISTA:
Carlos Roberto Santillán Rodriguez
MC. José Rivera Mejia
CHIHUAHUA, CHIH.
Lunes 7 de Nov de 2005
PRESENTACION
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
ANTECEDENTESANTECEDENTES
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
PO
TE
NC
IAL D
E H
IDR
OG
EN
O
(pH)
El concepto de pH
fue definido por prim
era vez por el bioquímico
danés Soren P
oer Lauritz S
orensen, (1868-1939), en el año de 1909. O
riginalmente, la escala
de pH fue ideada para expresar
en forma adecuada, diferentes
concentraciones del ión (H+
) (ión H
idrógeno) en varias soluciones sin necesidad de utilizar núm
eros en form
a exponencial, debido a que con frecuencia, son núm
eros m
uy pequeños y por lo tanto es difícil trabajar con ellos, fue así entonces que se decidió trabajar con núm
eros enteros positivos. El
pH de una disolución, se define
como el logaritm
o negativo de la concentración del ión hidrógeno expresado en (m
ol/litro), la escala de pH
se define por la ecuación:
pH=
- log [H+
]
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La escala de pH va
de 0 (cero) hasta 14. Las substancias con un pH
entre 0 (cero) o m
enos de 7, son ácidos (pH
y [H+
] están inversam
ente relacionados, m
enor pH significa
mayor [H
+] y un
ácido más fuerte).
Las substancias con un pH
mayor a
7 y hasta 14 son bases o alcalinas (m
ientras mayor es
el pH, m
ás fuerte es la base). E
xactamente en el
medio, en pH
= 7,
están las substancias neutrales, por ejem
plo, el agua pura .
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ELE
CT
RO
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SIB
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SIB
LE
S D
E IO
N
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3.2.- ELECTRODO DE
OXIDO DE
METAL.
VE
NT
AJ
AS
:
Es
má
s fu
ert
e y
ma
s d
ura
ble
Si se une un m
eta
l (M)
con un me
ta-oxido
(MxO
y) y es una
reacción reversible:
MxO
y +
2y(e- + H
+)
xM
+
yH2O
Y el pH
aum
entara
linealm
ente
.
Tam
bien es po
sible
tener un reaccion metal
metal-oxido dond
e la
valencia mas alta y la
mas ba
ja son
influencia
das por e
l pH
.
Una reaccion
metal o
xido-
metal e
s:
2M
Oy +
2H+
+e-
(2y –
1)M2O
+
H2O
Donde se ten
dría un cam
bio de potencial de 59
m
v/pH a 2
5 ºC
con solo una m
olecula de H2
O
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3.2.2,3 O
TR
OS
E
LEC
TR
OD
OS
DE
M
ET
AL
OX
IDO
Electrodo
s de A
ntimonio.-
Se usa en
aplicaciones
donde hay
ambientes
extremadam
ente co
rrosivos, o
donde los
electrodos de vidrio no tienen
un bue
n com
portamient
o. Uno
de los
problem
as es
al substrato d
el m
etal.
Las reacciones usualm
ente son represe
ntada
s com
o:
2Sb
+
3H2O
S
b2O
3 +
6H+
+ 6e
-O
xido de iridio
.-una
desventaja es de lograr la estabilidad del Iridio, un m
étodo es calentarlo de 800
a 900
ºC
con una flam
a altam
ente oxidan
te.
Pala
dium.- S
e
recomienda
una
flama o
xidante
similar, de
spues
de haberlo
trabajado
fuertemente en
una solucion
de
hidroxido.
DE
SV
EN
TA
JAS
El Iridio y e
l P
aladium
no
sensan en trabajo
s al aire libre
O2
SUBSTRATO:In bi
ochemistry, a substrate is a molecule which is acted upon by an enzyme.
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SUBSTRATO:In bi
ochemistry, a substrate is a molecule which is acted upon by an enzyme.
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1.C
ab
le
2.C
ap
3.F
ill ho
le
4.B
od
y-gla
ss or e
po
xy
5.O
ute
r refe
ren
ce ch
am
be
r filled
with
inte
rna
l fill solu
tion
6.A
g/A
gC
l wire
7.A
nn
ula
r refe
ren
ce ju
nctio
n a
llow
s refe
ren
ce so
lutio
n to
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k
8.In
ne
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ren
ce ch
am
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r
9.O
ute
r refe
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be
r
10.p
H se
nsin
g b
ulb
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3.3 ME
MB
RA
NA
S S
EN
SIB
LES
El com
ponente principal e
s una m
embrana la cual
es ionophore (no es ionosfe
ra), esp
ecifica para el H
+
u otros iones.
Estos tipos de ionop
hore, son m
uy usables en la indu
stria y en laboratorios. U
n ion
ophore pa
ra el H+
, esta com
ercialmente disponible, pa
ra el uso d
e llena
do de liquidos de m
icroelectrodos sensibles de pH
, o en mem
branas de polimeros solidos.
El iono
phore puede ser en
capsu
lado dentro de cloruro
de po
livinilo o mem
branas de
silicon.
VE
NT
AJA
S:
El tiem
po de vida e
s muy la
rgo, siempre
y cuando se
almancenen
dentro de un cu
arto o
bscuro a
tem
peraturas normales.
Tienen un m
inimo d
e interfe
rencia de otros iones.
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3.4 ELE
CT
RO
DO
S D
E O
XIG
EN
O
3.4.1.-CA
TO
DO
La reacción electroqu
ímica del electrodo al O
2 es a
través de 2
paso
s. El O
2 es reducido
O2 +
HO
+ 2
e- H
2 O2 +
2O
H-
Y e
nto
nce
s
H2 O
2 + 2e-
2O
H-
Donde el num
ero máxim
o de electrone
s es 4
3.4.2.- AN
OD
O
El anod
o completa el circuito e
lectrico.
4Ag
+ 4C
l-
4e- + 4A
gCl
El num
ero de electrone
s podria dism
inuir si el H
2 O2 escapa
del sensor.
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3.4.3.- M
AT
ER
IA
LES
P
AR
A
LOS
E
LEC
TR
OD
OS
Oro
, y platino
son los m
as com
unes
Tam
bién
los hay de: P
lata, C
arbono,
plomo, o
combinac
iones
entre ellos.
3.4.7.- C
UE
RP
O.P
lástico, cerám
icos
y de
vidrio.
3.5- E
LEC
TR
OD
OS
D
E
DIO
XID
O D
E
CA
RB
ON
O
(1957)
Una
mem
brana de gas de C
O2, tal
como el
teflón, o el caucho de silicón, puede ser puesta sobre un electrodo de vidrio de pH
u otro transductor de pH
3.6- E
LEC
TR
OD
OS
DE
H
IDR
OG
EN
OAplicacione
s:Principalm
ente se usa en las m
ediciones del flujo se sangre. A
demas en
laboratorios de m
ediciones del tipo de sangre
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3.8- ELE
CT
RO
DO
S
DE
SU
PE
RF
ICIE
DE
C
AR
BO
NO
Las reacciones electroquím
icas basadas en carbono, has sido m
uy estudiadas, debido a las valencias libres estas disponibles sobres la superficie del carbono.
Entre sus aplicaciones
estas: la de m
ediciones electroquím
icas en vivo.
DE
SV
EN
TA
JAS
:
Las propiedades del carbono son usualm
ente alteradas después de un uso prolongado, en aplicaciones o exposiciones en fluidos biológicos.
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3.8- ELE
CT
RO
DO
S
SE
NS
IBLE
S D
E IO
N
En la actualidad, hay acerca
de 30 cationes y aniones que pueden ser detectados por varios tipos de sensores iónicos, ya sean m
embranas
liquidas o sólidas, han sido desarrolladas en varias configuraciones. A
demás,
los electrodos de vidrio de los sensores de pH
, pueden ser usados en otras m
ediciones iónicas, tales com
o:
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GLU
CO
SA
:
Yao (1991), repaso algunos m
étodos electroquímicos
para detectar glucosa usando un ciclo de voltaje. O
btuvo un rango de voltaje desde -1v hasta +1volt.
Otro m
étodo fue de una red compensada cargando el
ciclo de voltaje, que involucra una integración de la corriente sobre un ciclo potencial.
Brenda y W
ilson (1989) uso mem
branas solo de N
AF
ION
, así como electrodos de oro retrabajado. Las
mem
branas mejoraron la detección de la glucosa en un
mecanism
o de inyección de glucosa.
El electrodo de O
ro recubierto de NA
FIO
N, fue 2.4
veces mas sensible que un electrodo solo de O
ro.
VE
NT
AJA
S:
Detección de 25nM
glucosa
Respuesta lineal
La interferencia de otros materiales es reducida.
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UR
EA
:
Patzer (1991) obtuvo un rango de variación
de .5v hasta 1.1 volt por medio de m
étodos electroquím
icos para la detección de la U
RE
A.
Para este caso, se uso un relevador de
tiempo externo para revertir la polaridad de
2 electrodos de Platino. D
urante una parte del ciclo, uno de los electrodos de P
latino fue som
etido al incremento de corriente
mientras se m
onitoreaba el voltaje.
Si el voltaje superaba el 1.1 volt, el
relevador conmutaba y se aplicaba al
segundo electrodo.
DE
SV
EN
TA
JA:
Se oxida parte de la glucosa en el ciclo.
Se usa en aplicaciones en la m
edición de tipos de sangre
UREA.-La urea es un compuesto orgánico formado de carbono, nitrógeno, oxigeno e hidrogeno
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3.11. AP
LICA
CIO
NE
S C
LICN
ICA
S D
E
TR
AN
SD
UC
TO
RE
S E
LEC
TR
OQ
UIM
ICO
S
En la industria quím
ica, mediciones de sangre y
de la orina.
La muestra de sangre debe ser periódica
quitando los catéter puestos dentro del paciente.
En m
onitoreo de gas en la sangre de recién nacidos. E
sto es, un dispositivo calienta la piel y causa el m
áximo flujo de sangre en los vasos
sanguíneos. Donde las m
ediciones de PO
2 y P
CO
2 son proporcionales al flujo arterial.
DE
SV
EN
TA
JA:
Estos factores son m
as variables con la edad
VE
NT
AJA
:
Se puede diagnosticar la m
uerte de los glóbulos rojos, venas, …
, donde el flujo de sangre es bajo, y se reduce el P
O2 y se eleva el P
CO
2
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EN
ZIM
ALas en
zimas, en griego
in ferment, son
biocatalizadores com
puestos por una parte protéica llam
ada apoenzim
a y, en ocasiones, una no protéica llam
ada coenzim
a. Las enzimas,
también denom
inadas ferm
entos, son sustancias capaces de acelerar las reacciones bioquím
icas del organism
o. Están
formadas por una
proteína y en ocasiones una coenzim
a, sustancia de naturaleza no orgánica que es a veces un oligoelem
ento, im
prescindible para el funcionam
iento de la enzim
a, y que suele encontrarse en el centro activo de la m
isma
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TE
OR
IA D
E LA
BIO
CA
TA
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ZIM
AS
24
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S D
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MO
BILIZ
AC
ION
24
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DE
GLU
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30
MO
NIT
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NG
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33
MO
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GLU
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IND
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OL
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ZIM
AS
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NC
ILLAS
39
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MU
LTIP
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S 42
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EN
ZIM
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46
EN
ZIM
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S D
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NE
S 49
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4.1.-TE
OR
IA D
E
LA B
IOC
AT
ALIS
D
E LA
S
EN
ZIM
AS
El esquem
a m
as simple de
descripcion de una reaccion bioquim
ica catalizada por una enzim
a E,
es la reaccion irreversible de un sustrato S
a un producto P
:
E +
S
E
S
E +
P
4.2.- T
EC
NIC
AS
DE
IN
MO
VILIZ
AC
IO
N
El propósito
de la inm
ovilización, es asegurarse que la enzim
a D
E sea cero o
mucho m
enor que el substrato y el producto, de tal m
anera que se pueda m
antener la actividad de la enzim
a controlada.
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4.2.3.- AC
TIV
IDA
D D
E
LA E
NZ
IMA
:
El m
edio en que se encuentra la enzim
a, puede provocar efectos no deseados en la estabilidad de la enzim
a.
La mayoría de las
enzimas incapaces de
resistir temperaturas
arriba de 50º C.
El ph es esencialm
ente critico en la reacción de enzim
a-catalizador, pero no siem
pre es posible para operar en el optim
o pH para una
especifica reacción.
Algunas veces se usan
inhibidores químicos
para inhabilitar las enzim
as.
4.2.4.- MA
TE
RIA
LES
IN
MO
BILIZ
AD
OR
ES
Existen 5 m
étodos para inm
ovilizar una enzima:
•A
trapado físico
•M
icroencapsulamiento.
•A
bsorción
•E
nlazado covalente cruzado
•Ligadura covalente.
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AT
RA
PA
DO
FIS
ICO
Las enzimas son sujetadas en soluciones acuosas
cercanas al biocensor y fisicamente restringidas por
mem
branas.
Entre las m
embranas m
as comunes estan:
•C
elofano
•A
cetato de celulosa
•A
cetato de Nitrato
•P
olivinilo o alcohol
•P
olyuretano
En las substancias viscosas se encuentran:
Gelatina, polyyacrylam
ide, poli (N m
etilpropileno)
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ME
TO
DO
DE
M
ICR
OE
NC
AP
SU
LAC
ION
Se pueden usar para
encapsular una enzima
dentro de una mem
brana, en gel viscoso, m
ateriales porosos (esponjoso), cerca del elem
ento transductor del biosensor.
La mayoria de las
mem
branas, absorberán las enzim
as directamente
sobres la superficie, sin em
bargo, a veces la fuerza de atracción no es suficiente.
En estos casos es necesario
reforzar la atracción, una form
a de hacer esto es con proteinas.
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AG
EN
TE
S D
E
EN
LAZ
AD
O
CR
UZ
AD
O
Aum
entan significativam
ente la fuerza de atracción.
DE
SV
EN
TA
JA
Estos agentes
pueden interferir con la actividad de la enzim
a, especialm
ente en altas concentraciones.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
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4.4.-B
IOS
EN
SO
R
DE
GLU
CO
SA
:
La enzima
catalizadora de oxidación de glucosa es de la siguiente form
a:
D-
glucosa + O
2 +
HO
2
H2O
2 +
D-glucosa acida
Si tanto las
concentraciones de glucosa o de O
2 son bajas, la reacción puede llegar ser lim
itada.
Existen tres
tipos de m
ediciones disponibles para obtener un m
edición de la concentración de glucosa, con transductores electroquím
icos:
1.La caída de O
2 como la
reacción posterior
2.La producción de H
2O2
3.E
l cambio
de pH con la
producción de glucosa acida
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.3.2.-E
LEC
TR
OD
OS
M
OD
IFIC
AD
OS
DE
O2
Clark y Lyons
(1962) fueron los prim
eros en sugerir los transductores electroquím
icos com
o transductor para m
edir la concentración de glucosa en la sangre, basado en el cam
bio de O2
en la reacción de la glucosa oxidación-canalización (un electrodo que tenia una m
embrana
tipo CLA
RK
, cubierta de O
2)
Después vino U
pdike y Hicks (1967),
ellos usaron un diseñó diferente. era un electrodo con dos m
embranas
cubiertas, tipo Clark, para la m
edición de O
2 .Sobre un cátodo, la glucosa se
inmovilizaba en un 25 a
50microm
etros de estrado grueso de gel acrilam
ida, puesto en una malla
de nailon.
Este cátodo, m
edia la tensión del O2
en estado estable en el gel, después de que el O
2 había sido consumido en
la reacción con la glucosa.
PR
OB
LEM
AS
:
El am
perímetro, al m
edir la señal de este cátodo solo, no siem
pre era suficiente para determ
inar la concentración de glucosa.
SO
LUC
ION
:
se agrego un gel de igual espesor, sobre el segundo cátodo, lo cual perm
itía la medición del O
2.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPIV
EN
TA
JAS
:
•E
l amperím
etro ahora detectaba una señal de diferencia entre los 2 cátodos, y era linealm
ente proporcional a la concentración de glucosa
•Independiente la tensión del O
2
•R
ango de operación razonable
DE
SV
EN
TA
JAS
:
La señal del segundo cátodo, se veía m
as afectada por la disponibilidad del O
2
Ocasionando m
ediciones erróneas en el biosensor
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.3.3. E
LEC
TR
OD
OS
M
OD
IFIC
AD
OS
DE
H
2O2
Clark y G
uilbault, en 1973, fueron los prim
eros en manejar
H2O
2 el para la reacción de la glucosa, utilizando un electrodo de platino, polarizando con una diferencia de potencial para reducir electroquim
icamente
el H2O
2.
VE
NT
AJA
S:
El am
perímetro
encontró una señal de H
2O2 directam
ente proporcional a la glucosa bajo condiciones de estado estable.
4.4 M
ON
ITO
RE
O
DE
LA
GLU
CO
SA
E
N LA
S
AN
GR
E
AP
LICA
CIO
NE
S
IMP
OR
TA
NT
ES
:
En el
monitoreo de
niveles de glucosa en la sangre para gente con diabetes.
DIA
BE
TIC
OS
=
mayo
r o igual a 140 m
g/dL (ver N
OT
A)
NO
RM
AL
=m
enor o igual a 115mg/dL
NO
TA
. T
hi
s me
an
s mill
igr
am
s/de
cilite
r .mg
/dl is a
u
ni
t of
me
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me
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ed
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m
ea
su
re b
loo
d
suga
r con
ce
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rati
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.T
his m
ea
su
rem
en
t m
ay a
lso
b
e
writ
ten
a
s m
g%
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI•
Checador
casero.- se obtiene una m
uestra de sangre pinchando un dedo.
•C
hecadores portatiles.-M
onitorea los niveles de glucosa en la sangre con un sensor electroquím
ico. E
s flexible, durable. E
l plástico m
antiene la m
uestra de sangre sobre el sensor electroquím
ico de H
2O2, el
cual esta recubierto con una m
embrana
de una enzima
activada. El
biosensor es lineal con el rango de concentración de glucosa desde 0 hasta 500 m
g/dL
Updike (1988) utilizo 8
instrumentos elegidos al
azar, del laboratorio de M
arkwell M
edical, donde su rango de trabajo era de 57 a 347m
g/dL
RE
SU
LTA
DO
S:
El coeficiente de variacion
fue de 2 a 5% del valor
verdadero
Con una m
edia de 3.7% en
las mediciones
Mayor inexactitud en
mediciones donde la
concentracion de glucosa era m
uy baja promedio de
variacion en el rango de 2.7 al 10.5%
En nivels altos, m
ayor exactitud, con variacion de 1.9%
hasta 4.8%
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI•
Biosensores de glucosa im
plantados.-se crea un lazo cerrado para la regulación de la liberación de insulina, m
anteniendo una retroalimentación
basada en la demanda biológica.
DE
SV
EN
TA
JAS
:
En 1986, los biosensores tenían que ser
cambiado cada 4 días
En 1996, no había biosensores que duraran
temporadas largas dentro del cuerpo
El dispositivo esta en contacto directo con la
sangre del paciente.
Riesgo de que el paciente se acostum
bre a la insulina
La natural degradación del biosensor
SO
LUC
ION
:
Se hicieron biosensores basados en el uso de una
enzima recargable, de ultra carbón puro.
VE
NT
AJA
S:
Ya no era necesario una cirugía frecuentem
ente.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.5 M
ON
ITO
RE
O
DE
G
LUC
OS
A
EN
LA
IND
US
TR
IA
Ferm
entación de cultivos
Procesado de
alimentos
Producción
de azucares, com
o fructosa, lactosa, m
altosa, sucrosa.
4.6.- BIO
SE
NS
OR
DE
UR
EA
La urea es un compuesto
orgánico formado de carbono,
nitrógeno, oxigeno e hidrogeno. S
u formula es:
CO
N2
H4
or (N
H2
)2C
O
AP
LICA
CIO
NE
S:
La detección de UR
EA
tiene aplicaciones m
edicas, principalm
ente en pacientes con enferm
edades renales, com
o materia prim
a en la m
anufactura del plástico, com
ponente en fertilizantes y alim
entos para animales,
aditivo en cigarros, desordenes en la sangre
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.7 B
IOS
EN
SO
RE
S
DE
ALC
OH
OL
Se tienen
arreglos de enzim
a/mem
brana en form
a de sandw
ich (em
paredado), para electrodos de H
2O2 y de O
2, obteniendo una respuesta lineal de solo .02%
en el etanol.
La mejor
respuesta se tuvo con la m
embrana
de silicón policarbonato, con el electrodo de H
2O2. con este
arreglo se obtuvo una respuesta lineal arriba de .5%
en concentraciones de etanol, y con un m
ínimo de
detección de .0002%
de etanol.
Metanol
donde la respuesta de .32m
g/dl fue de 117%
N-propanol,
la respuesta para .58m
g/dl es de 28.7%
Isopropanol, a 8.1m
g/dL fue de solo 8.09%
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.8 B
IOS
EN
SO
RE
S B
AS
AD
OS
E
N E
NZ
IMA
S
SE
NC
ILLAS
Macholan
realizo una lista de 100 especies quím
icas que pueden ser detectadas por biosensores de m
embranas.
Las agrupo en categorías generales:
Alcoholes,
aldehídos, am
inas, am
inoácidos, carbohidratos, lípidos, nucleicos, bases, fenoles, entre m
uchos m
as.
4.9 B
IOS
EN
SO
R
LAC
TA
NT
E
Se basa
en la reacción
L-lactate +
O2
pyruvate (o C
H3C
OC
OO
− ) +
H
2O2
NOTA:LACTATE.- Ácido orgánico con dos grupos funcionales: ácido carboxílico y alcohol en posición alfa respecto al grupo ácido. . Lactate is its ionic equivalent.
Usando tanto
transductores de O2
como de H
2O2,
AP
LICA
CIO
NE
S:
Cuantificar la
severidad de la obstrucción del m
iocardio
Fallas del corazón.
En m
edicina del deporte
El estado progresivo
de algunas enferm
edades.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.8.2.- B
IOS
EN
SO
RE
S U
SA
ND
O
ELE
CT
RO
DO
S D
E pH
Kum
aran (1991), probo diferente tipos de biosensores basados en enzim
as, utilizando un electrodo de vidrio de pH
como
transductor. Se aplico una delgada cubierta
de gelatina de 1 a 2um. S
e probaron 4 enzim
as;
Acetylcholinesterase
Butyrylcholunesterase
Penicillinase
Urease
El sensor de A
cetylcholinesterase fue el que tuvo m
ejor tiempo de vida, de 10 a14 días,
antes de que disminuyera su sensitividad.
Los biosensores fueron almacenados a 4
grados centígrados.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.8.3 B
IOS
EN
SO
RE
S U
SA
ND
O
TR
AN
SD
UC
TO
RE
S D
E A
MO
NIA
CO
Los biosensores para aminoácidos pueden usar
transductores de amoníaco N
H+
4, a través de la reacción de :
L-arginine
citrulline + N
H3
O usando otras enzim
as que actúen como
aminoácidos.
Enzim
a que utilizan transductores de antim
onio ::
Alanina
asparagina
espártame
glutamina
histidina,
methionine
tryptophan
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.8.3 B
IOS
EN
SO
RE
S
US
AN
DO
T
RA
NS
DU
CT
OR
ES
DE
PC
O2
Son
aminoácidos
que se degradan para form
ar el CO
2,
su reacción es:
tyrosina
tyram
ina + C
O2,
El H
istidine y Lysine pueden tam
bién ser detectados por el transductor de C
O2 usando
decarboxylases para esto am
inoácidos.
4.9.- B
IOS
EN
SO
RE
S D
E
MU
LTIP
LES
E
NZ
IMA
S
Es posible
combinar
algunas enzim
as para alcanzar una sensibilidad lo suficientem
ente buena para un análisis deseado; o pueden convertir el producto de una reacción a otra especie quím
ica que pueda ser m
edida fácilm
ente por transductores com
erciales.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.9.1.- A
CID
OS
GR
AS
OS
LIBR
ES
Sode (1989), diseño un biosensor para acidos grasos,
basado en el un proceso de 2 pasos:
1)R
– CH
2CH
2CO
OH
+ R
’CO
– CoA
R - C
H2C
H2C
O –
CoA
+ R
’CO
H
2)R
- CH
2CH
2CO
– CoA
+ O
2 RC
H =
CH
CO
– CoA
+
H2O
2
RE
SU
LTA
DO
S:
Se logro atrapar a enzim
as dentro de una mem
brana de nitrato, la cual fue colocada sobre una m
embrana de
teflon de una mem
brana tipo Clark.
El biosensor fue lineal desde .038 hasta 2m
M de acido
oleico
Para el acido palm
itico fue lineal hasta 2.2 mm
.
VE
NT
AJA
S:
El biosensor de 2 enzim
as, fue simple de hacer.
Mas sensible que un biosensor de 5 enzim
as
En aplicaciones m
edicas (detectar ácidos grasos en la sangre), en la industria de la com
ida
Un ácido graso es una molécula orgánica formada por una larga cadena hidrocarbonada, de número par de átomos de carbono, en cuyo extremo hay un grupo carboxilo.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.9.2.- B
IOS
EN
SO
R D
E
PE
SC
AD
O F
RE
SC
O:
Consta de 4 biosensores:
•E
l primer biosensor consta de
una sola enzima
•E
l segundo biosensor consta de 2 enzim
as:
•E
l tercero de 8 enzimas
•E
l cuarto de 4 enzimas
Se obtuvo un algoritm
o de la reacción de las enzim
as y la interacción entre los cuatro biosensores:
100*AcidouricoHXINOIMPAMPADPATP
HXINOK
El resultado
nos permite
clasificar al pescado.
K<
10% es
muy fresco
K<
40%
Fresco
K>
40% no es
fresco
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
4.9.3.-A
MP
LIFIC
AC
ION
C
ON
EN
ZIM
A
RE
CIC
LAD
A
Macholan (1991),
realizo una búsqueda de una reacción de una enzim
a, para am
plificar la respuesta de un biosensor.
Este concepto esta
basado en el reciclado de substrato, a través de la segunda reacción, la cual entra de nuevo en la prim
era reacción (solo en reacciones reversibles).
El objetivo principal,
es generar mayor
reacción del producto, de tal m
anera que pueda ser detectada por el transductor.
VE
NT
AJA
S:
Esto perm
ite detectar niveles m
as bajos para su analisis.
DE
VE
NT
AJA
S:
La vida del biosensor no es buena, ya que su sensitividad cae por debajo del 50%
en solo 2 sem
anas.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
4.10.-B
IOS
EN
SO
RE
S
DE
E
LEC
TR
OD
OS
D
E C
AR
BO
N
BA
SA
DO
S E
N
EN
ZIM
AS
Para m
odificar los electrodos de carbón, tienen que com
binarse con partículas de carbón fino, con aceite de silicona, paradina, N
ujol (aceite m
ineral), cera y otros m
ateriales. G
racias a esto, la enzim
a puede ser inm
ovilizada sobre la superficie del carbón, y conectada eléctricam
ente a un m
etal nobles u otros tipos de electrodos. E
sto fue usado en el diseño de biosensor im
plantable de glucosa, por X
ie y W
ilkins (1991).
4.11.-BIO
SE
NS
OR
ES
D
E E
NZ
IMA
DE
FA
SE
O
RG
AN
ICO
Es posible m
antener enzim
as en ambientes
mas activos, usando
líquidos orgánicos, com
o el benceno, cloroform
o, heptano, hexano en lugar de m
edios acuosos.
Esto es posible, gracias
a una cantidad determ
inada de H2O
, para acegurar que la enzim
a retenga la actividad catalítica.
Se requiere tam
bién un soporte electrolítico no acuoso u otro m
étodo para transferir electrones en la fase orgánica, preferentem
ente líquidos orgánicos (ya que son no conductores).
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPIE
sto es un concepto muy reciente
para biosensores, usados para el análisis de sustancias poco solubles en el agua:
Aceites y lípidos.
Hay evidencia de que esta
técnica puede mantener algunas
enzimas en un nivel de catálisis
tan alto que es normalm
ente posible en el H
2O.
VE
NT
AJA
S:
Extiende el tiem
po de vida de algunas enzim
as, a comparación
con los ambientes acuosos.
CATALISIS.-La catálisis es el proceso a través del cual se acelera una reacción química.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.11.2.- A
PLI
CA
CI
ON
ES•M
edición de para-cresol
Los cresoles son un grupo de compuestos químicos manufacturados que también ocurren normalmente en el medio ambiente.
•M
edición de colesterol.- se utiliza la oxidación del colesterol sobre polvo de alum
inio, mezclado con
cloroformo y hexano. S
e uso un electrodo de O
2 com
o transductor.
RE
SU
LTA
DO
S:
La actividad optima se
tiene cuando hay 5% de
H2O
presente.
El biosensor fue lineal solo
dentro de un rango de concentración de colesterol desde 1 hasta 10m
m
El lim
ite de detección mas
bajo es alrededor de .4mm
.
Tam
bién detecta Sterols
(es un subgrupo de los esteroides).
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.12.- D
ON
AN
TE
S A
LTE
RN
AT
IVO
S D
E
ELE
CT
RO
NE
S:
Mientras que el O
2 es la mayor fuente
biológica de electrones libres para el m
antenimiento del m
etabolismo en células
animales, otros agentes reductores proveen
una fuente de electrones para diferentes tipos de reacciones de enzim
as catalizadoras.
•gionones
•tetrathiafulvalene
•rubidio
•T
ungsteno
• phonoxazines
•A
zufre
•S
ales conductoras organicas como el N
-m
etilphenazinium
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPIV
EN
TA
JAS
:
La medición pues ser
hecha bajo condiciones con oxigeno y sin oxigeno.
Es posible m
edir la corriente en un pequeño potencial en donde norm
almente se
necesitaría un electrodo de O
2 o de H2O
2.
DE
SV
EN
TA
JAS
:
Cuando el O
2 esta presente, pueden existir interferencias con las otras especies quím
icas donadoras.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI4.12.2.-A
PLIC
AC
IO
N
La principal aplicación es en los biosensores de glucosa. E
sto perm
ite la biosensor operar en un rango donde el encorbate (o acido ascórbico, conocido com
o vitam
ina C
) y urate (ácido úrico) no interfieran con la m
edicion.
ácido úrico es un compuesto or
gánico de carbono, ni
trógeno, oxígeno e hi
drógeno. Su fórmula química es C5H4N4O3.
VE
NT
AJA
:Ade
más
de detectar lim
ites de concentración de glucosa m
as bajos.
Carlos Roberto Santillán RodriguezCarlos Roberto Santillán Rodriguez
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI