La historia de los biosensores comenzó con el electrodo enzimático, un transductor químico en miniatura descrito por Leland C. Clark en 1962.
Desde entonces, científicos de diferentes áreas como VLSI, física, química y ciencia de materiales han desarrollado dispositivos biosensores más sofisticados, confiables y maduros para aplicaciones en los campos de la medicina, la agricultura, la biotecnología, así como la detección militar y del bioterrorismo. y prevención.
Un biosensor es un dispositivo integrado autónomo que incorpora un elemento de reconocimiento biológico (receptor bioquímico) íntimamente conectado o integrado dentro de un transductor para producir una señal electrónica digital que es proporcional a la concentración de una sustancia química específica o un conjunto de sustancias químicas.
El biosensor consta de dos partes principales: un biorreceptor y un transductor. El biorreceptor es un componente biológico (tejido, microorganismos, orgánulos, receptores celulares, enzimas, anticuerpos, ácidos nucleicos, etc.) que determina el analito diana. La fracción de diferencia es un transductor, un componente detector fisicoquímico que cambia el evento de detección en una señal medible.
Los biosensores tienen varias aplicaciones potenciales en clínicas, diagnóstico, control de procesos, biorreactores, control de calidad, agricultura y medicina veterinaria, diagnóstico bacteriano y viral, producción de arrastre, control de aguas residuales industriales, minería, industria de defensa militar, etc.
Los beneficios clave de los biosensores incluyen lo siguiente:
- Medición rápida y continua
- alta especificidad
- Se requiere un uso muy reducido de los reactivos para la calibración
- Tiempo de respuesta rápido
- Capacidad para medir moléculas no polares que no pueden ser estimadas por otros dispositivos convencionales.
La función de un biosensor depende de la especificidad bioquímica del material biológicamente activo. La elección del material biológico dependerá de varios factores: especificidad, almacenamiento, estabilidad operativa y ambiental. La principal aplicación de los biosensores hasta el momento es la detección de glucosa en sangre debido a su abundante potencial de mercado. Otras aplicaciones importantes de los biosensores se enumeran a continuación:
- Monitoreo del nivel de glucosa en pacientes con diabetes
- Análisis de alimentos
- Aplicaciones ambientales
- Aplicaciones de ingeniería de proteínas y descubrimiento de fármacos
- Tratamiento de aguas residuales.
En esta publicación, veremos algunos de los tipos clave de biosensores utilizados como herramientas de diagnóstico.
Tipos de biosensores
1. Biosensor resonante
El transductor de ondas acústicas en este tipo de biosensor está acoplado con un anticuerpo (biofactor). La molécula de analito (o antígeno) se agrega a la membrana, la masa de la membrana se diversifica, lo que resulta en una diversificación en la masa, posteriormente se diversifica la frecuencia resonante del transductor. A continuación, se mide este cambio de frecuencia.
2. Biosensores ópticos
Para este tipo de biosensor, la señal del transductor de salida medida es luz. El biosensor se basa en difracción óptica o electroquimioluminiscencia. Los transductores ópticos son especialmente atractivos para su aplicación en la detección directa (sin etiquetas) de bacterias. Estos sensores se logran para descubrir conversiones diminutas en el índice de refracción o el grosor, lo que sucede cuando las células se unen a los receptores inmovilizados en la superficie del transductor.
Correlacionan los cambios en la concentración, la masa o el número de moléculas con cambios directos en las características de la luz. Varias técnicas ópticas han sido reportadas para la detección de patógenos bacterianos, incluyendo guías de ondas dieléctricas monomodo, resonancia de plasmón superficial (SPR), elipsometría, el espejo resonante, el interferómetro, etc.
- Biosensor de resonancia de plasmón superficial (SPR): Este es un sensor óptico basado en un área evanescente que aplica una fina película de oro para los enfoques de detección. La interacción entre el analito que fluye sobre el interactuante inmovilizado en la superficie de oro se prueba a través de la detección de mínimos de reflexión en sensores de matriz de fotodetectores. SPR se ha aplicado con éxito a la detección de bacterias patógenas utilizando inmunorreacciones.
- Biosensores piezoeléctricos: El biosensor piezoeléctrico (PZ) ofrece una salida en tiempo real, simplicidad de uso y rentabilidad. La idea principal se basa en recubrir la superficie del sensor PZ con un material de unión selectiva, por ejemplo, anticuerpos contra bacterias, y luego colocarlo en una solución que contenga bacterias. Las bacterias se unirán a los anticuerpos y la masa del cristal aumentará mientras que la frecuencia de resonancia de la oscilación disminuirá proporcionalmente.
3. Biosensores Térmicos
Este tipo de biosensor aprovecha una de las propiedades fundamentales de las reacciones biológicas: la absorción o producción de calor, que modifica la temperatura del medio en el que tiene lugar la reacción. Se combinan con sensores de temperatura mediante la combinación de moléculas de enzimas inmovilizadas. Cuando el analito entra en contacto con la enzima, la reacción térmica de la enzima se mide y calibra frente a la concentración del analito. Los usos comunes de este tipo de biosensor incluyen la detección de pesticidas y bacterias patógenas.
4. Biosensores electroquímicos
Los biosensores electroquímicos se utilizan principalmente para detectar ADN hibridado, fármacos que se unen al ADN, concentración de glucosa, etc. Los biosensores electroquímicos se pueden clasificar según las pautas eléctricas de cálculo como (i) conductimétricos, (ii) amperométricos y (iii) potenciométricos. Al contrario de los enfoques ópticos, la electroquímica le permite al analista actuar con muestras turbias y el costo de capital del equipo es mucho menor. Por otro lado, los métodos electroquímicos presentan una selectividad y sensibilidad ligeramente más limitadas que sus contrapartes ópticas.
- Biosensores conductimétricos: El parámetro medido es la conductividad o resistencia eléctrica de una solución. Cuando las reacciones electroquímicas crean iones o electrones, la conductividad o resistividad general de la solución se altera. Esta conversión finaliza y se calibra en un grado apropiado. Las medidas de conductancia tienen una sensibilidad relativamente baja (9).
- Biosensores amperométricos: Este es quizás el enfoque de descubrimiento electroquímico más común aplicado en biosensores. Este biosensor de alta sensibilidad puede descubrir especies electroactivas presentes en muestras de pruebas biológicas. Los biosensores amperométricos producen una corriente proporcional a la concentración de la sustancia a detectar. Los biosensores amperométricos más comunes utilizan el electrodo de oxígeno de Clark.
- Biosensores potenciométricos: Estos son los menos comunes de todos los biosensores, pero se pueden encontrar diferentes estrategias; sin embargo, en esta categoría del sensor, la pauta calculada es el potencial de oxidación o reducción de una reacción electroquímica. La base de trabajo se basa en el hecho de que el flujo de corriente se produce debido a reacciones electroquímicas cuando se aplica un voltaje a un electrodo en una solución. El voltaje al que ocurren esas reacciones indica una reacción y una especie específicas.
5. Sensores de bioluminiscencia
Los avances recientes en sensores bioanalíticos han llevado a la utilización de la capacidad de ciertas enzimas para emitir fotones como subproducto de sus reacciones. Este fenómeno se conoce como bioluminiscencia. Las posibles aplicaciones de la bioluminiscencia para la detección de bacterias se iniciaron con el desarrollo de fagos indicadores de luciferasa. El gen lux de la luminiscencia bacteriana se ha utilizado ampliamente como indicador en un mecanismo inducible o constitutivo.
De manera inducible, el gen reportero lux se fusiona con un promotor regulado por la concentración de una combinación de interés. Como efecto, la concentración del compuesto puede ensayarse cuantitativamente determinando la intensidad de la bioluminiscencia. Los sistemas de bioluminiscencia se han utilizado para la detección de una amplia gama de microorganismos.
6. Biosensores basados en ácido nucleico
Un biosensor de ácido nucleico es un instrumento analítico que integra un oligonucleótido con un transductor de señal. La sonda de ácido nucleico se inmoviliza en el transductor y se comporta como la molécula de biorreconocimiento para detectar fragmentos de ADN/ARN.
7. Nanobiosensores
Los nanosensores pueden describirse como sensores basados en nanotecnología. El desarrollo de nano biosensores es uno de los avances más actuales en el área de la Nanotecnología. La plata y otras nanopartículas de metales nobles tienen muchas aplicaciones importantes en el campo del bioetiquetado, sistemas de administración de fármacos, filtros y también fármacos antimicrobianos, sensores.