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Introducción a la Instrumentación Virtual

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Introducción a la Instrumentación Virtual

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Introducción a la Instrumentación Virtual

• ¿Qué es la Instrumentación Virtual?

• Es la técnica de utilizar la computadora para construir un instrumento adaptado a las necesidades del usuario

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Introducción a la Instrumentación Virtual

Instrumento Tradicional Instrumento Virtual

Definido por el fabricante Definido por el usuario

Funcionalidad específica, con

conectividad limitada.

Funcionalidad ilimitada, orientado a

aplicaciones, conectividad amplia.

Hardware es la clave. Software es la clave

Alto costo/función Bajo costo/función, variedad de

funciones, reusable.

Arquitectura "cerrada" Arquitectura "abierta".

Lenta incorporación de nuevas

tecnología.

Rápida incorporación de nuevas

tecnologías, gracias a la plataforma

PC.

Bajas economías de escala, alto costo

de mantenimiento.

Altas economías de escala, bajos costos

de mantenimiento.

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Introducción a la Instrumentación Virtual

• ConclusionesUn instrumento virtual puede realizar las tres (3) funciones básicas de un instrumento convencional:

• Adquisición

• Análisis

• Presentación de datos.

Sin embargo, el instrumento virtual me permite personalizar el instrumento, y agregarle mucha más 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 función que necesita en su experimento?

La respuesta a todas estas preguntas está en sus manos, ya que todo ello puede hacerse y, mejor aún, puede hacerlo usted mismo.

El instrumento virtual aprovecha la flexibilidad y poder del PC, y mediante el software que lo acompaña, el nivel de adaptabilidad y personalización del instrumento virtual es casi ilimitado.

¿Por qué limitarse entonces? . . . . . . . .

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Arquitectura de un sistema de Instrumentación Virtual

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En esta sección vamos a introducir los sensores y actuadores

En general, convierten una señal físicano eléctrica en otra eléctrica que, enalgunos de sus parámetros (nivel detensión, nivel de corriente, frecuencia,…) contiene la informacióncorrespondiente a la primera.

Por otra parte, es necesario utilizar circuitos deacondicionamiento con el objeto de que éste genere unaseñal eléctrica normalizada (ya sea por el fabricante osiguiendo pautas de organismos de normalización como IEC,IEEE, …).

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Principio de funcionamiento:

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Introducción a la Instrumentación Virtual

• Características:• Dado que pretenden la obtención de información de forma precisa, deben

perturbar lo mínimo posible a la señal de entrada.

• La energía de la señal de entrada presenta dos componentes: - La que se extrae para transducirla (“medida” o indicación de la energía medida).

- La que no se extrae (la energía medida).

• La energía extraída debe ser pequeña respecto a la energía no extraída.

• Generalmente se pueden modelar mediante una fuente de tensión con una impedancia de salida grande o mediante una fuente de corriente con una impedancia de salida pequeña.

• Es necesario amplificar las señales que generan.

• Es necesario acoplar impedancias.

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• Analógicas• • Adaptación:• – Amplificación.• – Escalado.• – Filtrado.• • Aislamiento eléctrico.• • Operaciones:• – Linealización.• – Comparación con

• límites o umbrales.• – Detección de fallos.• – Integración.• – Diferenciación.

• Digitales• • Amplitud:• – Conversión de niveles.• – Eliminación de rebotes.• – Escuadrado. (hacer la señal• más cuadrada)• • Tiempo:• – Adición de retardos.• – Ampliación de pulsos.• – Detectores de flancos.• • Frecuencia:• – Multiplicadores y• divisores.• – Osciladores.• • Comparación de fase.

Acondicionamiento de señales

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Transductor

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• Según el principio de funcionamiento:– Pasivos ó de parámetro

variable :• Resistivos

• Capacitivos

• Inductivos

– Activos• Fotovoltaicos

• Piezoeléctricos

• Electromagnéticos

– Especiales (Digitales, de alcance, etc…)

• Según la magnitud:• Temperatura• Presión• Fuerza, esfuerzo ó

deformación.• Aceleración• Desplazamiento ó

distancia• Humedad• Caudal• Y un largo etcétera….

Transductores. Clasificación

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Transd. Resistivos: Potenciométricos

Ejemplo de uso:Automóviles

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Galgas extensométricas

Ecuación de la galga(K: Factor de galgaє: Deformación).

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Acondicionamiento: Puente de Wheatstone

Aplicación: Puente completo para medir la flexión producida por un peso

(Se tiene dos veces más sensibilidad que en medio puente y 4 veces más que en cuarto de

puente)

Ecuación general del puente asumiendo pequeños incrementos de R

(∆R2 = ∆R3 = -∆R1 = -∆R4 )

LAB KVR

RVV 0

0

04

4

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Aplicaciones de las Galgas:

• Células de carga:• Miden peso.

• Construido en acero elástico.

• Puente incluido y calibrado

• Gran robustez.

• Utilizado muy ampliamente en básculas de precisión.

Sensibilidad de la célula de carga (especificada por el fabricante):Sensibilidad = (Tensión salida fondo escala/Tensión alimentación puente) (mV/V).

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Medida de presión con galgas integradas

La presión produce deformación en láminas, tubos ó membranas

Sobre estas membranas (generalmente de silicio) se integran micro-galgas y su circuito de acondicionamiento.

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Acelerómetros

• Miden la aceleración a través de la deformación que sufre el soporte de una masa inercial, empleando sensores del tipo galga extensométrica, que han sido serigrafiados y calibrados durante el proceso de fabricación del sensor.

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Temperature-Dependent Resistors (RTD)

• Resistencia de platino (muy cara).

• Muy lineal:

• R ≈ Ro(1 + T )

• Valor óhmico en torno a 100-200 ohm.(PT100, PT200)

• Se utiliza la configuración en puente para medir con RTD.

• Necesita gran amplificación, ya que es muy pequeña (0’00385 ºC-1) y cada grado producirá increm. de 0.385 ohm en una PT100.

• Miden hasta unos 500ºC.

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Termistores (NTC y PTC)R. variable con Temp. A diferencia de las RTD, están hechas con semiconductores.

PTC (Positive Temperature Coefficient): Mayor linealidad, menor sensibilidadNTC (Negative Temperature Coefficient): Menor linealidad, mayor sensibilidad, son más usadas.Para temperaturas por debajo de 50ºC se puede considerar la sigte. Ecuación:

Ro es la resistencia a la temp. de referencia To (25ºC)T y To en ºK es una característica del material.

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Light Dependent Resistor (LDR)

• Una LDR es una resistencia con una característica 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 aplicación es la automatización de los sistemas de iluminación, de tal manera que al oscurecer se enciendan las luces.

Se

nsor

de

luz

Se

nsor

de

oscuri

dad

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Transductores activos: Fotodiodos• La unión P-N de los diodos genera

corriente inversa al ser irradiada por fotones incidentes.

• Son bastante más rápidos que las LDR.

• Suelen ser muy sensibles a los I.R.

Circuito típico de utilización Salida

Alimentación

Luz incidente

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Transductores activos: Termopares

• La simple unión de dos metales produce una tensión que depende de la temperatura y de la composición de ambos metales.

• Se trata de tensiones muy pequeñas.

• Son sensores muy robustos y alcanzan temperaturas de hasta 1700ºC, pero requieren instrumentación 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 estándar: E,J,K,R,S,T)

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Codificadores ópticos: Incrementales

Trenes de pulsos obtenidos en los dos canales

Ejemplos de discos ópticos y forma de montaje típicaPrincipio de funcionamiento

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Codificadores ópticos: Absolutos

Binario natural

Código Gray

Código de barras

Entregan la posición absoluta en N bit.

Hay que tener cuidado con los saltos de códigos

Lo habitual es usar el Código Gray.

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Biosensores

“Instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en

señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación”

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BIOSENSORES• Utilizan la especificidad de los procesos biológicos:

– Enzimas x Sustratos

– Anticuerpos x Antígenos

– Lectinas x Carbohidratos

– Complementariedad de ácidos nucleicos.

• Ventajas:– Reutilización

– Menor manipulación

– Menor tiempo de ensayo

– Repetitividad

• Tipos y usos mas comercializados:1. Tiras colorimétricas

2. Electroquímicos:• Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol,

Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol

• Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol

3. Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.

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Propiedades de un buen BiosensorIntroducción a la Instrumentación Virtual

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BIOSENSORES1. Control de metabolitos críticos durante las operaciones quirúrgicas.

2. Consultas y Urgencias Hospitalarias:

– Obvia análisis caros y lentos en laboratorios centrales

– Acelera la diagnosis y el comienzo del tratamiento

– Menor riesgo de deterioro de la muestra

3. Diagnóstico Doméstico:

• Ensayos de Embarazos

• Control de Glucosa en diabéticos

4. Aplicaciones in vivo:

– Páncreas artificial

– Corrección de niveles de metabolitos

– Problemas : Miniaturización y Biocompatibilidad

5. Aplicaciones Industriales, militares y medio ambientales:

– Alimentación

– Cosmética

– Control de Fermentaciones

– Controles de Calidad

– Detección de Explosivos

– Detección de gases nerviosos y/o toxinas biológicas

– Control de polución.

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TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS

– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox

– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones

– Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente iónico de las soluciones

2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS

3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS

4. BIOSENSORES ÓPTICOS

– De onda envanescente

– Resonancia de plasma superficial

5. BIOSENSORES CELULARES

6. INMUNOSENSORES

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UNIDADES FUNCIONALESDE UN BIOSENSOR

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Material biológico + Analito Analito unido

(Máxima respuesta electrónica posible) x (Concentración del analito)

(Constante de semisaturación) + (Concentración del analito)

Respuesta

electrónica=

Respuesta biológica

Respuesta Electrónica

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TIPOS DE BIOSENSORES1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS

– Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con loselectrones involucrados en procesos redox

– Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones

– Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociadoscon cambios en el ambiente iónico de las soluciones

2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS

3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS

4. BIOSENSORES ÓPTICOS

– De onda envanescente

– Resonancia de plasma superficial

5. BIOSENSORES CELULARES

6. INMUNOSENSORES

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Biosensores Electroquímicos Amperométricos:

“El electrodo de Oxígeno”

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Electrodo de Oxígeno

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DETERMINACION DELA FRESCURA DEL PESCADO

Tras la muerte, los nucleótidos del pescado sufren una serie de reacciones de

degradación progresiva:

BIOSENSOR:

xantina-oxidasa y nucleósdio fosforilasa inmovilizadas sobre una membrana

de triacilcelulosa de un electrodo de Oxígeno.

K < 20 El pescado puede ser comido crudo.

20 > K < 40 El pescado debe ser cocinado.

K > 40 Pescado no apto para el consumo

Los nucleótidos se podrían determinar utilizando el mismo electrodo

y muestra, pero añadiendo nucleotidasa y adenosín-deaminasa

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Microelectrodo glucosa/lactatoSe puede recubrir la superficie de pequeños electrodos

polimerizando pirroles junto con biocatalizadores y mediadores,

utilizando métodos de micro fabricación de microprocesadores, en

incluso disponiendo varios sensores en los mismos

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Biosensores Electroquímicos Potenciométricos

Determinan cambios en la concentración de iones concretos

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Biosensores potenciométricosIntroducción a la Instrumentación Virtual

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Biosensor potenciométrico

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Biosensores Electroquímicos Conductimétricos

Detectan cambios en conductividad eléctrica causados por alteraciones en la concentración de

iones

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Sensor de UreaNH2CONH2 +3H2O

2HN 4+ + HCO3

- + OH-

Ureasa

Otros ejemplos:

amidasas,

decarboxilasas,

esterasas,

fosfatasas y

nucleasas.

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Biosensores Termométricos:“Sensores bioquímicos y TELISA”

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Precisa un aislamiento Correcto

Puede detectar diferencias de 0,0001 ºC

Biosensor termométrico

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Reacciones usadas en biosensores termométricos

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Biosensores Termométricos1) Poco éxito comercial

2) Ventaja: se puede acoplar fácilmente varias reacciones en un único

reactor

3) Ejemplo:

1) Detector de Lactato

Lactato + O2------(lactato -oxidasa)---> piruvato + H2O

Piruvato + NADH+ H+--(lactato deshidrogenasa)--> lactato + NAD+

4) Puede utilizarse células viables

5) Puede acoplarse a un inmunoensayo enzimático: ELISA termométrico o

TELISA

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Biosensores Piezoeléctricos:“Narices bioelectrónicas”

Aprovechan las propiedades eléctricas de los cristales:

- En transmisores y emisores de radio

- En transistores

- En chips

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Efecto Piezoeléctrico

“Producción de un campo eléctrico por separación de las cargas positivas y

negativas en algunos tipos de cristales al someterlos a ciertas tensiones”

1) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico se

deformará.

2) Si un cristal piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico que

oscila a una frecuencia determinada vibrará con una

frecuencia característica.

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Efecto Piezoeléctrico1) La frecuencia de resonancia se encuentra en el rango de los

10 MHz (radiofrecuencia).

2) La frecuencia de resonancia depende de:

• La composición del cristal

• El Grosor

• La forma en que fue cortado

3) Un cristal piezoeléctrico varía su frecuencia de resonancia

cuando se adhieren moléculas a su superficie.

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Biosensores Piezoeléctricos1) Se detectan variaciones muy pequeñas en la frecuencia de

resonancia: cantidades de hasta un ngr/cm2

2) La medida se compra con un electrodo de referencia con

cristal sin material biológico.

3) Ejemplos:

1) Detectores gaseosos: SO2, CO, HCl, NH3, CO2

2) Detector de Cocaina

3) Detector de Formaldehido

4) Detector de Pesticidas (Organofosforados)

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Biosensores Piezoeléctricos

1)Detector de Cocaína:

• Anticuerpos contra cocaína fijados

sobre un cristal piezoeléctrico.

• Detecta una parte por billón

• 50 MHz de cambio en la frecuencia

de resonancia.

• Se limpia en segundos por

aireación.

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Biosensores Piezoeléctricos2) Detector de Formaldehido:

CH2 +H2O +NAD+ gNADH +HC02H + H2

Catalizada por la formaldehido

deshidrogenasa inmovilizada con glutation

(cofactor) por entrecruzamiento con

glutaraldehido en un cristal de cuarzo a 9

MHz

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Biosensores Piezoeléctricos

3) Detector de Pesticidas

Organofosforados:

• Colinesterasa inmovilizada en un

cristal de cuarzo mediante

glutaraldehido.

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Biosensores Piezoeléctricos

Inconvenientes:

• Muy influidos por la humedad.

Baja = poco sensibles

Alta = desaparece el efecto

piezoelectrico

• Inutilizables en líquidos.

Introducir y secar

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Biosensores Ópticos:

• Permiten el uso de materiales detectores no eléctricos, seguros en ambientes peligrosos o sensibles (in vivo)

• No precisan sensores de referencia

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Biosensor de fibra óptica para lactato

• Detecta cambios en la en la

concentración de oxígeno

determinando la reducción de la

fluorescencia de un fluorocromo

(quenching)

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Biosensor de célula óptica para albúmina sérica

• Detecta la absorción de luz

a 630 nm que pasa a través

de la célula detectora.

• Se evalúa el cambio de

amarillo a azul verdoso del

verde de bromocresol cuando

se une a la albúmina sérica a

pH 3.8

• Respuesta lineal a la

albúmina en un intervalo de 5

a 35 mg/cm3

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Biosensores Ópticos1) Detección de Vapores:

• Ensayo sólido colorimétrico que detecta vapor de alcohol utilizando

alcohol-oxidasa, peroxidasa y 2,6-diclorindofenol sólidos

dispersados sobre placas de TLC (cromatografía en capa fina) de

celulosa microcristalina transparente.

2) Tiras colorimétricas de un solo uso:

• Los más utilizados: análisis de sangre y orina.

• Control de la glucemia en diabéticos

- Glucosa oxidasa, peroxidasa de rábano y un cromógeno que

cambia el color al ser oxidado

Cromógeno (2H) + H2O2----(peroxidasa)--->colorante + 2H2O

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Biosensores Ópticos

3) Reacciones luminiscentes:

• Utilización de luciferasa

• Detecta la presencia de microorganismos en orina al liberar ATP en

su destrucción

Luciferina + ATP----(luciferasa)---> oxiluciferina + CO2 + AMP + ppi +

luz

Introducción a la Instrumentación Virtual

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Biosensores ópticos de onda evanescente

Menor índice de refracción >

Mayor índice de refracción >

“Un haz de luz será reflejado en su totalidad cuando incida sobre una

superficie transparente presente entre dos medios, cuando proceda del

medio con mayor índice de refracción y cuando el ángulo de incidencia sea

mayor que un valor critico”

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Biosensores ópticos de onda evanescente

Menor índice de refracción >

Mayor índice de refracción >

“En el punto donde se produce la reflexión, se induce un campo

electromagnético que penetra en el medio que tiene menor índice de

refracción”

“Este campo es denominado onda evanescente y decae exponencialmente

con la distancia de penetración, desapareciendo tras unos pocos

nanómetros”

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Biosensores ópticos de onda evanescente

Menor índice de refracción >

Mayor índice de refracción >

“La onda evanescente decae exponencialmente con la distancia de

penetración, desapareciendo tras unos pocos nanómetros”

“La profundidad a la que penetra depende del índice de refracción, de la

longitud de onda de la luz utilizada y puede ser controlada con el ángulo de

incidencia.

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Biosensores ópticos de onda evanescente

Menor índice de refracción >

Mayor índice de refracción >

“La onda evanescente puede interaccionar a su vez con el medio,

provocando un campo electromagnético que puede volver al medio con

mayor índice de refracción, dando lugar a cambios en la luz que continúa a

lo largo de la guía de ondas.”

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Inmunosensor de onda evanescente

Especialmente indicados para

inmunoensayos:

• No es necesario separar el

resto de los componentes de

una muestra clínica

• La onda solo penetra hasta el

complejo antígeno anticuerpo

• Se excitan fluorocromos

unidos a la superficie mediante

la onda evanescente, y la luz

emitida por ellos volverá a la

fibra óptica

• La cantidad de muestra

necesaria es mínima

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Resonancia de plasma superficial

“Si la superficie del cristal está recubierta por una capa metálica (oro, plata,

paladio) los electrones de su superficie pueden oscilar en resonancia con los

fotones generando un onda de plasma superficial y amplificando el campo

evanescente en la cara mas alejada del metal”

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Resonancia de plasma superficial

“Si la capa de metal es lo suficientemente delgada como para permitir al

campo evanescente penetrar hasta la superficie opuesta, el efecto será muy

dependiente del medio adyacente al metal”

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Resonancia de plasma superficial

“Este fenómeno sucede sólo cuando la luz incide con un ángulo específico,

el cual depende de la frecuencia, el grosor de la capa metálica y el índice de

refracción del medio que se encuentra inmediatamente sobre la superficie

metálica”

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Resonancia de plasma superficial

“La producción de esta resonancia de plasma superficial absorbe parte de la

energía de la luz reduciendo la intensidad de la luz reflejada internamente”

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Resonancia de plasma superficial

“Los cambios que suceden en el medio provocados por interacciones

biológicas pueden ser apreciados detectando los cambios de intensidad de

la luz reflejada o el ángulo de resonancia”

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Cambio en la absorción por efecto de la resonancia de plasma superficial

“Detección de la

gonadotropina

coriónica humana

(hCG) mediante un

anticuerpo unido a la

superficie del

biosensor:

La unión cause un

cambio en el ángulo de

resonancia”

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Resonancia de plasma superficial

• Permiten detectar partes por millón

• Un análisis típico requiere 50µl de muestra y tarda 5 a 10 minutos

• Puede utilizarse con DNA y RNA.

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Biosensores celulares

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Inmunosensores

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Tipos de inmunosensore

s

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