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Introduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin Virtual Qu es la Instrumentacin Virtual? Es la tcnica de utilizar la computadora para construir un instrumento adaptado a las necesidades del usuarioIntroduccin a la Instrumentacin VirtualInstrumento Tradicional Instrumento VirtualDefinido por el fabricante Definido por el usuarioFuncionalidad especfica, con conectividad limitada.Funcionalidad ilimitada, orientado a aplicaciones, conectividad amplia.Hardware es la clave. Software es la claveAlto costo/funcin Bajo costo/funcin, variedad de funciones, reusable.Arquitectura "cerrada" Arquitectura "abierta".Lenta incorporacin de nuevas tecnologa.Rpida incorporacin de nuevas tecnologas, gracias a la plataforma PC.Bajas economas de escala, alto costo de mantenimiento.Altas economas de escala, bajos costos de mantenimiento.Introduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin Virtual ConclusionesUn instrumento virtual puede realizar las tres (3) funciones bsicas de un instrumento convencional: Adquisicin Anlisis Presentacin de datos.Sin embargo, el instrumento virtual me permite personalizar el instrumento, y agregarle mucha ms funcionalidad sin incurrir en costos adicionales.Quiere conectividad de su instrumento con Ethernet?Quiere almacenar sus datos en una tabla o archivo compatible con MS Excel?Quiere agregarle a su instrumento un nuevo algoritmo o funcin que necesita en su experimento?La respuesta a todas estas preguntas est en sus manos, ya que todo ello puede hacerse y, mejor an, puede hacerlo usted mismo.El instrumento virtual aprovecha la flexibilidad y poder del PC, y mediante el software que lo acompaa, el nivel de adaptabilidad y personalizacin del instrumento virtual es casi ilimitado. Por qu limitarse entonces? . . . . . . . . Introduccin a la Instrumentacin VirtualArquitectura de un sistema de Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualEn esta seccin vamos a introducir los sensores y actuadoresEn general, convierten una seal fsicano elctrica en otra elctrica que, enalgunos de sus parmetros (nivel detensin, nivel de corriente, frecuencia,) contiene la informacincorrespondiente a la primera.Por otra parte, es necesario utilizar circuitos deacondicionamiento con el objeto de que ste genere unaseal elctrica normalizada (ya sea por el fabricante osiguiendo pautas de organismos de normalizacin como IEC,IEEE, ).Introduccin a la Instrumentacin VirtualPrincipio de funcionamiento:Introduccin a la Instrumentacin Virtual Caractersticas: Dado que pretenden la obtencin de informacin de forma precisa, deben perturbar lo mnimo posible a la seal de entrada. La energa de la seal de entrada presenta dos componentes: - La que se extrae para transducirla (medida o indicacin de la energa medida).- La que no se extrae (la energa medida). La energa extrada debe ser pequea respecto a la energa no extrada. Generalmente se pueden modelar mediante una fuente de tensin con una impedancia de salida grande o mediante una fuente de corriente con una impedancia de salida pequea. Es necesario amplificar las seales que generan. Es necesario acoplar impedancias.Introduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin Virtual Analgicas Adaptacin: Amplificacin. Escalado. Filtrado. Aislamiento elctrico. Operaciones: Linealizacin. Comparacin con lmites o umbrales. Deteccin de fallos. Integracin. Diferenciacin. Digitales Amplitud: Conversin de niveles. Eliminacin de rebotes. Escuadrado. (hacer la seal ms cuadrada) Tiempo: Adicin de retardos. Ampliacin de pulsos. Detectores de flancos. Frecuencia: Multiplicadores y divisores. Osciladores. Comparacin de fase.Acondicionamiento de sealesIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTransductorIntroduccin a la Instrumentacin Virtual Segn el principio de funcionamiento: Pasivos de parmetro variable : Resistivos Capacitivos Inductivos Activos Fotovoltaicos Piezoelctricos Electromagnticos Especiales (Digitales, de alcance, etc) Segn la magnitud: Temperatura Presin Fuerza, esfuerzo deformacin. Aceleracin Desplazamiento distancia Humedad Caudal Y un largo etctera.Transductores. ClasificacinIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTransd. Resistivos: PotenciomtricosEjemplo de uso:AutomvilesIntroduccin a la Instrumentacin VirtualGalgas extensomtricasEcuacin de la galga(K: Factor de galga: Deformacin).Acondicionamiento: Puente de WheatstoneAplicacin: Puente completo para medir la flexin producida por un peso(Se tiene dos veces ms sensibilidad que en medio puente y 4 veces ms que en cuarto de puente)Ecuacin general del puente asumiendo pequeos incrementos de R(R2 = R3 = -R1 = -R4 )LAB KVRRVV 00044Introduccin a la Instrumentacin VirtualAplicaciones de las Galgas: Clulas de carga: Miden peso. Construido en acero elstico. Puente incluido y calibrado Gran robustez. Utilizado muy ampliamente en bsculas de precisin.Sensibilidad de la clula de carga (especificada por el fabricante):Sensibilidad = (Tensin salida fondo escala/Tensin alimentacin puente) (mV/V).Introduccin a la Instrumentacin VirtualMedida de presin con galgas integradasLa presin produce deformacin en lminas, tubos membranasSobre estas membranas (generalmente de silicio) se integran micro-galgas y su circuito de acondicionamiento.Introduccin a la Instrumentacin VirtualAcelermetros Miden la aceleracin a travs de la deformacin que sufre el soporte de una masa inercial, empleando sensores del tipo galga extensomtrica, que han sido serigrafiados y calibrados durante el proceso de fabricacin del sensor.Introduccin a la Instrumentacin VirtualTemperature-Dependent Resistors (RTD) Resistencia de platino (muy cara). Muy lineal: R Ro(1 + T ) Valor hmico en torno a 100-200 ohm.(PT100, PT200) Se utiliza la configuracin en puente para medir con RTD. Necesita gran amplificacin, ya que es muy pequea (000385 C-1) y cada grado producir increm. de 0.385 ohm en una PT100. Miden hasta unos 500C.Introduccin a la Instrumentacin VirtualTermistores (NTC y PTC)R. variable con Temp. A diferencia de las RTD, estn hechas con semiconductores.PTC (Positive Temperature Coefficient): Mayor linealidad, menor sensibilidadNTC (Negative Temperature Coefficient): Menor linealidad, mayor sensibilidad, son ms usadas.Para temperaturas por debajo de 50C se puede considerar la sigte. Ecuacin:Ro es la resistencia a la temp. de referencia To (25C)T y To en K es una caracterstica del material.Introduccin a la Instrumentacin VirtualLight Dependent Resistor (LDR) Una LDR es una resistencia con una caracterstica muy particular: su valor depende de la intensidad de luz que incide en ella. Cuando la intensidad de la luz aumenta, el valor de la resistencia desciende, y viceversa. Una aplicacin es la automatizacin de los sistemas de iluminacin, de tal manera que al oscurecer se enciendan las luces.Sensor de luzSensor de oscuridadIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTransductores activos: Fotodiodos La unin P-N de los diodos genera corriente inversa al ser irradiada por fotones incidentes. Son bastante ms rpidos que las LDR. Suelen ser muy sensibles a los I.R.Circuito tpico de utilizacin SalidaAlimentacinLuz incidenteIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTransductores activos: Termopares La simple unin de dos metales produce una tensin que depende de la temperatura y de la composicin de ambos metales. Se trata de tensiones muy pequeas. Son sensores muy robustos y alcanzan temperaturas de hasta 1700C, pero requieren instrumentacin cara para hacer las medidas correctamente. El cableado ha de hacerse con el mismo par de metales del termopar de que se trate (hay 6 tipos estndar: E,J,K,R,S,T)Introduccin a la Instrumentacin VirtualCodificadores pticos: IncrementalesTrenes de pulsos obtenidos en los dos canalesEjemplos de discos pticos y forma de montaje tpicaPrincipio de funcionamientoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualCodificadores pticos: AbsolutosBinario naturalCdigo GrayCdigo de barrasEntregan la posicin absoluta en N bit.Hay que tener cuidado con los saltos de cdigosLo habitual es usar el Cdigo Gray. Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensoresInstrumentos analticos que transforman procesos biolgicos en seales elctricas u pticas y permiten su cuantificacinIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBIOSENSORES Utilizan la especificidad de los procesos biolgicos: Enzimas x Sustratos Anticuerpos x Antgenos Lectinas x Carbohidratos Complementariedad de cidos nucleicos. Ventajas: Reutilizacin Menor manipulacin Menor tiempo de ensayo Repetitividad Tipos y usos mas comercializados:1. Tiras colorimtricas2. Electroqumicos: Potenciomtricos: Glucosa, Lactato, Glicerol,Alcohol, Lactosa, L-aminocidos, Colesterol Amperomtricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol3. pticos: BIAcore: Ag proteicos.Propiedades de un buen BiosensorIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBIOSENSORES1. Control de metabolitos crticos durante las operaciones quirrgicas.2. Consultas y Urgencias Hospitalarias: Obvia anlisis caros y lentos en laboratorios centrales Acelera la diagnosis y el comienzo del tratamiento Menor riesgo de deterioro de la muestra3. Diagnstico Domstico: Ensayos de Embarazos Control de Glucosa en diabticos4. Aplicaciones in vivo: Pncreas artificial Correccin de niveles de metabolitos Problemas : Miniaturizacin y Biocompatibilidad5. Aplicaciones Industriales, militares y medio ambientales: Alimentacin Cosmtica Control de Fermentaciones Controles de Calidad Deteccin de Explosivos Deteccin de gases nerviosos y/o toxinas biolgicas Control de polucin.Introduccin a la Instrumentacin VirtualTIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUMICOS Amperomtricos: Determinan corrientes elctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox Potenciomtricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones Conductimtricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente inico de las soluciones2. BIOSENSORES TERMOMTRICOS3. BIOSENSORES PIEZOELCTRICOS4. BIOSENSORES PTICOS De onda envanescente Resonancia de plasma superficial5. BIOSENSORES CELULARES6. INMUNOSENSORESIntroduccin a la Instrumentacin VirtualUNIDADES FUNCIONALESDE UN BIOSENSORIntroduccin a la Instrumentacin VirtualMaterial biolgico + Analito Analito unido(Mxima respuesta electrnica posible) x (Concentracin del analito)(Constante de semisaturacin) + (Concentracin del analito)Respuesta electrnica=Respuesta biolgicaRespuesta ElectrnicaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUMICOS Amperomtricos: Determinan corrientes elctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox Potenciomtricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones Conductimtricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente inico de las soluciones2. BIOSENSORES TERMOMTRICOS3. BIOSENSORES PIEZOELCTRICOS4. BIOSENSORES PTICOS De onda envanescente Resonancia de plasma superficial5. BIOSENSORES CELULARES6. INMUNOSENSORESIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Electroqumicos Amperomtricos:El electrodo de OxgenoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualElectrodo de OxgenoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualDETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADOTras la muerte, los nucletidos del pescado sufren una serie de reacciones de degradacin progresiva:BIOSENSOR: xantina-oxidasa y nuclesdio fosforilasa inmovilizadas sobre una membrana de triacilcelulosa de un electrodo de Oxgeno.K < 20 El pescado puede ser comido crudo.20 > K < 40 El pescado debe ser cocinado.K > 40 Pescado no apto para el consumoLos nucletidos se podran determinar utilizando el mismo electrodoy muestra, pero aadiendo nucleotidasa y adenosn-deaminasaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualMicroelectrodo glucosa/lactatoSe puede recubrir la superficie de pequeos electrodospolimerizando pirroles junto con biocatalizadores y mediadores,utilizando mtodos de micro fabricacin de microprocesadores, enincluso disponiendo varios sensores en los mismosIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Electroqumicos PotenciomtricosDeterminan cambios en la concentracin de iones concretosIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores potenciomtricosIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensor potenciomtricoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Electroqumicos ConductimtricosDetectan cambios en conductividad elctrica causados por alteraciones en la concentracin de ionesIntroduccin a la Instrumentacin VirtualSensor de UreaNH2CONH2 +3H2O2HN 4+ + HCO3- + OH-UreasaOtros ejemplos:amidasas,decarboxilasas,esterasas,fosfatasas ynucleasas.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Termomtricos:Sensores bioqumicos y TELISAIntroduccin a la Instrumentacin VirtualPrecisa un aislamiento CorrectoPuede detectar diferencias de 0,0001 CBiosensor termomtricoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualReacciones usadas en biosensores termomtricosIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Termomtricos1) Poco xito comercial2) Ventaja: se puede acoplar fcilmente varias reacciones en un nico reactor3) Ejemplo:1) Detector de LactatoLactato + O2------(lactato -oxidasa)---> piruvato + H2OPiruvato + NADH+ H+--(lactato deshidrogenasa)--> lactato + NAD+4) Puede utilizarse clulas viables5) Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimtico: ELISA termomtrico o TELISAIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Piezoelctricos:Narices bioelectrnicasAprovechan las propiedades elctricas de los cristales:- En transmisores y emisores de radio- En transistores- En chipsIntroduccin a la Instrumentacin VirtualEfecto PiezoelctricoProduccin de un campo elctrico por separacin de las cargas positivas y negativas en algunos tipos de cristales al someterlos a ciertas tensiones1) Si un cristal piezoelctrico se somete a un campo elctrico se deformar.2) Si un cristal piezoelctrico se somete a un campo elctrico que oscila a una frecuencia determinada vibrar con una frecuencia caracterstica.Introduccin a la Instrumentacin VirtualEfecto Piezoelctrico1) La frecuencia de resonancia se encuentra en el rango de los 10 MHz (radiofrecuencia). 2) La frecuencia de resonancia depende de: La composicin del cristal El Grosor La forma en que fue cortado3) Un cristal piezoelctrico vara su frecuencia de resonancia cuando se adhieren molculas a su superficie.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Piezoelctricos1) Se detectan variaciones muy pequeas en la frecuencia de resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm22) La medida se compra con un electrodo de referencia con cristal sin material biolgico.3) Ejemplos:1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO22) Detector de Cocaina3) Detector de Formaldehido4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Piezoelctricos1)Detector de Cocana: Anticuerpos contra cocana fijados sobre un cristal piezoelctrico. Detecta una parte por billn 50 MHz de cambio en la frecuencia de resonancia. Se limpia en segundos por aireacin.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Piezoelctricos2) Detector de Formaldehido:CH2 +H2O +NAD+ gNADH +HC02H + H2Catalizada por la formaldehidodeshidrogenasa inmovilizada con glutation(cofactor) por entrecruzamiento conglutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9MHzIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores Piezoelctricos3) Detector de Pesticidas Organofosforados: Colinesterasa inmovilizada en un cristal de cuarzo mediante glutaraldehido.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores PiezoelctricosInconvenientes: Muy influidos por la humedad.Baja = poco sensiblesAlta = desaparece el efecto piezoelectrico Inutilizables en lquidos.Introducir y secarIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos: Permiten el uso de materiales detectores no elctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo) No precisan sensores de referenciaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensor de fibra ptica para lactato Detecta cambios en la en la concentracin de oxgeno determinando la reduccin de la fluorescencia de un fluorocromo (quenching)Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensor de clula ptica para albmina srica Detecta la absorcin de luz a 630 nm que pasa a travs de la clula detectora. Se evala el cambio de amarillo a azul verdoso del verde de bromocresol cuando se une a la albmina srica a pH 3.8 Respuesta lineal a la albmina en un intervalo de 5 a 35 mg/cm3Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos1) Deteccin de Vapores: Ensayo slido colorimtrico que detecta vapor de alcohol utilizando alcohol-oxidasa, peroxidasa y 2,6-diclorindofenol slidos dispersados sobre placas de TLC (cromatografa en capa fina) de celulosa microcristalina transparente.2) Tiras colorimtricas de un solo uso: Los ms utilizados: anlisis de sangre y orina. Control de la glucemia en diabticos- Glucosa oxidasa, peroxidasa de rbano y un cromgeno que cambia el color al ser oxidadoCromgeno (2H) + H2O2----(peroxidasa)--->colorante + 2H2OIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos3) Reacciones luminiscentes: Utilizacin de luciferasa Detecta la presencia de microorganismos en orina al liberar ATP en su destruccinLuciferina + ATP----(luciferasa)---> oxiluciferina + CO2 + AMP + ppi + luzIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos de onda evanescenteMenor ndice de refraccin >Mayor ndice de refraccin >Un haz de luz ser reflejado en su totalidad cuando incida sobre unasuperficie transparente presente entre dos medios, cuando proceda delmedio con mayor ndice de refraccin y cuando el ngulo de incidencia seamayor que un valor criticoIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos de onda evanescenteMenor ndice de refraccin >Mayor ndice de refraccin >En el punto donde se produce la reflexin, se induce un campoelectromagntico que penetra en el medio que tiene menor ndice derefraccinEste campo es denominado onda evanescente y decae exponencialmentecon la distancia de penetracin, desapareciendo tras unos pocosnanmetrosIntroduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos de onda evanescenteMenor ndice de refraccin >Mayor ndice de refraccin >La onda evanescente decae exponencialmente con la distancia depenetracin, desapareciendo tras unos pocos nanmetrosLa profundidad a la que penetra depende del ndice de refraccin, de lalongitud de onda de la luz utilizada y puede ser controlada con el ngulo deincidencia.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores pticos de onda evanescenteMenor ndice de refraccin >Mayor ndice de refraccin >La onda evanescente puede interaccionar a su vez con el medio,provocando un campo electromagntico que puede volver al medio conmayor ndice de refraccin, dando lugar a cambios en la luz que contina alo largo de la gua de ondas.Introduccin a la Instrumentacin VirtualInmunosensor de onda evanescenteEspecialmente indicados para inmunoensayos: No es necesario separar el resto de los componentes de una muestra clnica La onda solo penetra hasta el complejo antgeno anticuerpo Se excitan fluorocromos unidos a la superficie mediante la onda evanescente, y la luz emitida por ellos volver a la fibra ptica La cantidad de muestra necesaria es mnimaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficialSi la superficie del cristal est recubierta por una capa metlica (oro, plata,paladio) los electrones de su superficie pueden oscilar en resonancia con losfotones generando un onda de plasma superficial y amplificando el campoevanescente en la cara mas alejada del metalIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficialSi la capa de metal es lo suficientemente delgada como para permitir alcampo evanescente penetrar hasta la superficie opuesta, el efecto ser muydependiente del medio adyacente al metalIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficialEste fenmeno sucede slo cuando la luz incide con un ngulo especfico,el cual depende de la frecuencia, el grosor de la capa metlica y el ndice derefraccin del medio que se encuentra inmediatamente sobre la superficiemetlicaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficialLa produccin de esta resonancia de plasma superficial absorbe parte de laenerga de la luz reduciendo la intensidad de la luz reflejada internamenteIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficialLos cambios que suceden en el medio provocados por interaccionesbiolgicas pueden ser apreciados detectando los cambios de intensidad dela luz reflejada o el ngulo de resonanciaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualCambio en la absorcin por efecto de la resonancia de plasma superficialDeteccin de lagonadotropinacorinica humana(hCG) mediante unanticuerpo unido a lasuperficie delbiosensor:La unin cause uncambio en el ngulo deresonanciaIntroduccin a la Instrumentacin VirtualResonancia de plasma superficial Permiten detectar partes por milln Un anlisis tpico requiere 50l de muestra y tarda 5 a 10 minutos Puede utilizarse con DNA y RNA.Introduccin a la Instrumentacin VirtualBiosensores celularesIntroduccin a la Instrumentacin VirtualInmunosensoresIntroduccin a la Instrumentacin VirtualTipos de inmunosensoresIntroduccin a la Instrumentacin VirtualIntroduccin a la Instrumentacin Virtual

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