INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA División de Estudios de Posgrado e Investigación

1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUADivisión de Estudios de Posgrado e Investigación PRESENTACIÓN “Varias tecnologías para biotransductores”. Alumno: Mariano Carrillo Romero G99540248 MC. José Rivera Mejia CHIHUAHUA, CHIH. jueves 17 noviembre de 2005

2. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI “Varias tecnologías para transductores”. • Calorímetros basados en enzimas • Microbalanzas piezoeléctricas • Transductores de ondas acústicas de superficie • Hidrogeles quimiomecanicos • Sensores de cristal liquido Mariano Carrillo Romero

3. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Calorímetros basados en enzimas Q Cantidad total de calor producido o ganado np número de moles del producto Cs Capacidad calorífica del sistema Mariano Carrillo Romero

4. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Calorímetros basados en enzimas Transductores de temperatura para calorímetros TERMISTORES Semiconductores cerámicos hechos de mezclas de óxidos metálicos Cuya resistencia varia con la temperatura de forma no lineal, descrita: Mediciones de temperatura pueden realizarse repetida y rápidamente Con gran exactitud. Mariano Carrillo Romero

5. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Microcalorímetros Método de calibración: MEZCLA Concentración Química conocida Generación o Absorción de calor REACCIÓN Mariano Carrillo Romero

6. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Aplicacones: Basados en la medición de la temperatura de un flujo conocido a través de un sistema Medición de los cambios en la temp. de salida del fluido o en un cambio en la reacción Regulando la temperatura y el flujo de entrada, se obtienen mediciones muy exactas. Danielsson(1991) diseño un biosensor de glucosa utilizando Catalasa Basado en el principio calorímetro Catalasa 100kj por mol de H2O2 2H2O2  O2 + H2O La catalasa es una de las enzimas involucradas en la destrucción del peróxido de hidrógeno generado durante el metabolismo celular. Mariano Carrillo Romero

7. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Un diseño similar, para un biosensor de lactate, utilizando: lactato-2-monooxigenasa Reacción: lactato-2-monooxigenasa L-lactate + O2 pyruvate + H2O2 Aquí se genera tanto calor como H2O2 es consumido Sin embargo Danielsson reporto mucha mas sensibilidad con un biosensor A partir de L-lactato-deshidrogenasa para la siguiente reacción: L-lactato-deshidrogenasa Pyruvate + NADH + H+ L-lactate + NAD+ Mariano Carrillo Romero

8. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Microbalanzas piezoeléctricas Transductores piezoeléctricos son usados para detectar cambios muy pequeños En masa de su superficie debidos a la incorporación de moléculas químicas o Biológicas en su superficie sensitiva. Cristales de cuarzo son usados como elemento piezoeléctrico, entran en resonancia por la aplicación de un campo eléctrico alterno externo. Estos cristales se recubren con el elemento de reconocimiento que suele ser de bioafinidad (anticuerpos, lectinas, etc) y se ponen en contacto con la muestra que contiene el analito que se desea detectar. La frecuencia de oscilación viene determinada por la masa del cristal, que varía cuando se produce la interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito y da lugar a una variación en la frecuencia de oscilación. Donde el cambio de masa puede ser calculado a partir del cambio de frecuencia dado Por la relacion de Sauerbrey (1959) Mariano Carrillo Romero

9. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Δf  Frecuencia medida Fo  Frecuencia resonante del cristal A  Área activa Δm  Cambio de masa Ρ  densidad del cuarzo μ  modulo de shear Mariano Carrillo Romero

10. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Kanazawa y Gordon (1985) proponen la siguiente ecuación para cuando el Transductor se encuentra en contacto con algún liquido. Mariano Carrillo Romero

11. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Aplicaciones: Cubriendo la superficie del piezoeléctrico con alguna película biológicamente activa, se pueden obtener diversas aplicaciones. Fatibello-Filho (1989), desarrollo un sensor de gas CO2 para monitoreo De fermentación. Encontrando como mejor material para esta aplicación el tetrakis (ethylenediamine), este material fue disuelto en acetona cubriendo el area En forma de pelicula. El espesor de la pelicula fue encontrado por medio De experimentaciones a prueba y error. El resultado final produjo un cambio en frecuencia de 430Hz por cada 10% De CO2. Bajo condiciones de temp. = 25ºC y un flujo de gas 100ml/min Sin embargo la absorción del CO2 se veía afectada por factores como agua, Etanol,acetaldehido y acetona. Mariano Carrillo Romero

12. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Transductores de ondas acústicas de superficie Utilizan el principio piezoelectrico La resonancia ocurre sólo en la superficie del cristal. La frecuencia resonante f0 puede llegar hasta los GHz. Ballantine y Wohltjen (1989) relaciono el cambio de frecuencia como: K1,k2 constantes del material piezoelect. Vr velocidad Rayleigh de la onda Lamnda Constante H espesor de la película Ro  densidad del material Sigma modulo shear El primer termino de la ec. Esta relacionado con la masa de la pelicula El segundo termino representa las propiedades elasticas de la pelicula. Mariano Carrillo Romero

13. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Aplicaciones: La mayoría de estos transductores han sido fabricados para la detección De vapores químicos. La diferencia entre las dos frecuencias fundamentales puede ser monitoreada. Según el material sea absorbido por el elemento de reconocimiento, la diferencia de frecuencia aumentara. Este tipo de diseño minimiza fluctuaciones por efectos de temperatura y presión Mariano Carrillo Romero

14. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Ejemplos: Ballatine y Wohltjen (1989) Utilizando películas de PtCl2 para detección de Estireno yvinil Asi como tambien para la deteccion de gases como H2, NH3,NO2,H2S y SO2 Y humedad. Mariano Carrillo Romero

15. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI • Hidrogeles quimiomecanicos Los hidrogeles constituyen un grupo muy importante dentro de esta Nueva generación de biomateriales. Presentan sensibilidad frente al pH, concentraciones iónicas y temperatura. Enzimas pueden ser atrapadas dentro de este gel Kost (1985) describe un gel sensible a la glucosa, partiendo de la Inmobilizacion de glucosa oxidase. En presencia de glucosa, gluconolactone, esta por accion de la enzima Se descompone en acido gluconico, dando como resultado un cambio En el pH del gel. A su ves, mayor cantidad de acido proboca que se Incremente el contenido de agua y el gel se expanda. De esta manera Se alteran las propiedades electricas del hidrogel. Mariano Carrillo Romero

16. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Utilizando estas técnicas. Osada (1922), describió un gel sintético (2-acrylamida-2 methyl propano Acido sulfonico) capas de deformarse bajo estímulos eléctricos. Una tira de gel de 1mm x 5mm x 20mm fue inmersa en 20mM pyridium Chloride, provoco que se expandiera 45 veces. El bloque puede cambiar su forma con la aplicación de un voltaje, al fluir La corriente a través del gel provoca que un lado se encoja, mientras que El otro se expanda. Al cambiar la polaridad, cambia también la deformación. Mariano Carrillo Romero

17. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Sensores de cristal liquido Los cristales líquidos tienden a cambiar sus propiedades ópticas con Respecto a factores como la temperatura. Zhu y Hieftje (1990) analizaron las propiedades fluorescentes del Cristal liquido. Una delgada capa de cristal liquido fue aplicada en ambos lados de una Lente, el cristal fue excitado con una onda continua de iones de argon A una λ= 351.1nm. Provoco un espectro fluorescente, cuyo pico fue De λ=539nm a temperatura ambiente Ahora a una temperatura de 200ºC, se obtuvo una λ=607nm, este Transductor fue utilizado para detectar anthracene vapor. Este vapor es un hridrocarbono polinuclear con efectos cancerigenas y mutágenos. Capacidad para detectar presencias tan bajas como 6.8x10-10M/cm3 y un tiempo de respuesta alrededor de 2 min. Mariano Carrillo Romero

18. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI “INMUNOSENSORES” Se caracterizan por presentar un anticuerpo como elemento biológico de reconocimiento y, por tanto, responsable de la especificidad del sensor Un anticuerpo es una proteína que se une de manera selectiva a una molécula complementaria denominada antígeno, que en este caso corresponde al analito. inmunosensores indirectos Gran parte de los inmunosensores requieren de una señal secundaria producida por un marcador radiactivo, una enzima, un compuesto fluorescente o electroactivo Mariano Carrillo Romero

19. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI 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. Mariano Carrillo Romero

20. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Inmunosensores electroquímicos Este tipo de sensores emplea el elemento de biorreconocimiento en combinación con transductores electroquímicos. Siendo el transductor más favorecido limitaciones principales: difícil regeneración de la fase sensorial la necesidad de añadir reactivos no integrados en el dispositivo, para Generar la señal analitica. Mariano Carrillo Romero

21. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Clasificación de inmunosensores electroquímicos: Amperométricos, potenciométricos e impedimétricos y conductimétricos Inmunosensores Amperométricos el electrodo se somete a un potencial constante y se mide la corriente eléctrica generada por la conversión electroquímica ventajas elevada sensibilidad y la rápida respuesta Mariano Carrillo Romero

22. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI En general, la detección de la reacción de afinidad precisa de la utilización de marcadores, fundamentalmente enzimas oxidoreductasas.que posibilitan la detección amperométrica de la reacción que tiene lugar entre elanticuerpo y su analito específico. Ésta, puede llevarse a cabo mediante la medición amperométrica del producto o del substrato de la reacción enzimática Mariano Carrillo Romero

23. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Immunosensores potenciométricos se basa en los electrodos selectivos de iones Estos electrodos, caracterizados por una transferencia de carga a través de una interfase en condiciones de corriente cero y en conjunción con diversas enzimas, como marcadores de la reacción de afinidad, permiten su utilización para la detección de distintos analitos. Mariano Carrillo Romero

24. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Immunosensores ópticos Los métodos ópticos han experimentado un enorme desarrollo en los últimos años, fundamentalmente debido a la aparición de metodologías que permiten la detección de la interacción antígeno-anticuerpo sin necesidad de utilizar moléculas marcadoras, en tiempo real y con suficiente sensibilidad principios de detección resonancia de plasmones de superficie onda evanescente Mariano Carrillo Romero

25. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Principio de funcionamiento: basados en el uso de la fibra óptica La radiación electromagnética viaja a través de la fibra mediante el fenómeno conocido como refracción interna total (TIR) De este modo, las interacciones entre la radiación electromagnética y compuestos marcadores unidos a los inmunoreactivos permiten detectar la reacción de afinidad como cambios en la fluorescencia, absorbancia, o polarización. Mariano Carrillo Romero

26. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Immunosensores de resonancia de plasmones de superficie se basa en un campo electromagnético evanescente generado en la superficie de un metal conductor excitado por una radiación electromagnética polarizada de una determinada longitud de onda y con un ángulo de incidencia adecuado (generacion de plasmones) Cuando el analito se une al anticuerpo inmovilizado, se detecta un diminuto cambio en el índice de refracción Este sistema permite la detección en tiempo real y de manera directa de las reacciones de afinidad posibilitando un gran número de aplicaciones Mariano Carrillo Romero

27. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Perspectivas de futuro de los inmunosensores Parece claro que el futuro más inmediato de los inmunosensores implica su inclusión en microchips donde coexistirán numerosos sensores para la detección multianalito Parece razonable pensar que la tecnología de los biosensores irá ligada en el futuro al desarrollo de la microelectrónica. Según los análisis químicos sean más fáciles de realizar y presenten mayor disponibilidad es de esperar una elevada proliferación de sus usos en conjunción con los equipos microelectrónicos y de telecomunicaciones. Este tipo de equipos capaces de adquirir y procesar datos prometen una gran aplicación en el uso personal para el cuidado de la salud, conocer la calidad de lo que comemos y del medioambiente que nos rodea Mariano Carrillo Romero

28. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI Bibliografía: Biosensors, Theory and applications. Donald G. Buerk Inmunosensores: herramientas analíticas con un gran potencial de futuro. Miguel Ángel López Gil y Fidel Ortega Ortiz de Apodaca Aplicaciones de biosensores en la industria agroalimentaria Víctor González Rumayor, Esther García Iglesias, Olga Ruiz Galán, Lara Gago Cabezas Mariano Carrillo Romero