Qué es un biosensor: tipos y aplicaciones

El primer biosensor fue inventado en 1950 por el bioquímico estadounidense “LL Clark”. Este biosensor se usa para medir el oxígeno en la sangre, y el electrodo que se usa en este sensor se llama electrodo de Clark o electrodo de oxígeno. Luego, se colocó un gel con una enzima de oxidación de glucosa en el electrodo de oxígeno para calcular la glucosa en sangre. En consecuencia, la enzima ureasa se ha utilizado con un electrodo que se inventó especialmente para los iones NH4++ para calcular la urea en fluidos corporales como la orina y la sangre. Hay tres generaciones de biosensores disponibles en el mercado. En el primer tipo de biosensor, la reacción del producto se dispersa hacia el sensor y provoca la reacción eléctrica. En el segundo tipo, el sensor implica en particular mediadores entre el sensor y la respuesta para producir una mejor respuesta. En el tercer tipo, la respuesta misma provoca la reacción y ningún mediador está directamente involucrado. Este artículo proporciona una descripción general de un biosensor, el funcionamiento de biosensores, diferentes tipos y sus aplicaciones.

¿Qué es un biosensor?

Los biosensores se pueden definir como dispositivos analíticos que incluyen una combinación de elementos de detección biológica, como un sistema sensor y un transductor. Cuando los comparamos con cualquier otro dispositivo de diagnóstico existente actualmente, estos sensores son avanzados en las condiciones de selectividad y sensibilidad. los aplicaciones de estos biosensores incluyen principalmente la verificación de la descontaminación ecológica, tanto en el ámbito de la agricultura como de las industrias agroalimentarias. Las principales características de los biosensores son la estabilidad, el costo, la sensibilidad y la reproducibilidad.

La forma abreviada de sensor biológico se conoce como biosensor. En este sensor, un elemento biológico es quizás una enzima, un ácido nucleico o un anticuerpo. El bioelemento se comunica a través del analito controlado y la respuesta biológica puede transformarse en una señal eléctrica utilizando el transductor. Dependiendo de la aplicación, los biosensores se clasifican en diferentes tipos, como espejos resonantes, inmunes, canarios químicos, optrodos, biocomputadoras, glucómetros y biochips.

Componentes principales de un biosensor

los diagrama del biosensor comprende tres segmentos, a saber, el sensor, el transductor y los electrones asociados. En el primer segmento, el sensor es una parte biológica sensible, el segundo segmento es la parte detectora que cambia la señal resultante del contacto del analito, y para los resultados, se visualiza de forma accesible. La última sección incluye un amplificador llamado circuito de acondicionamiento de señal, una unidad de visualización y el procesador.

Principio de funcionamiento del biosensor

Normalmente, una enzima específica o un material biológico preferido se desactiva mediante algunos de los métodos habituales, y el material biológico desactivado está en estrecho contacto con el transductor. El analito se conecta con el objeto biológico para formar un analito claro que a su vez da la reacción electrónica que se puede calcular. En algunos ejemplos, el analito se reemplaza por un dispositivo que se puede conectar a la descarga de gas, calor, iones de electrones o iones de hidrógeno. En esto, el transductor puede modificar el dispositivo vinculado y convertirlo en señales eléctricas que pueden modificarse y calcularse.

Funcionamiento de biosensores

La señal eléctrica del transductor suele ser débil y se superpone a una línea de base bastante alta. Por lo general, el procesamiento de señales incluye inferir una señal de posición base, obtenida de un transductor asociado sin ninguna cobertura de biocatalizador.

La naturaleza relativamente lenta de la reacción del biosensor facilita enormemente el problema de filtrar el ruido eléctrico. En este punto, la salida directa será una señal analógica, pero se modifica a forma digital y se acepta en una fase de microprocesador donde la información avanza, se influye en las unidades preferidas y se conecta a una memoria de datos.

Ejemplo

Antes de discutir los diferentes tipos de biosensores y sus usos, debemos discutir el ejemplo simple de un biosensor como Glucometer. Esto se usa con mayor frecuencia en diferentes aplicaciones médicas. Sabemos que la diabetes es una de las enfermedades peligrosas que caracterizan los niveles de glucosa en sangre de los cuerpos humanos. Por lo tanto, para los pacientes diabéticos, es fundamental controlar los niveles de glucosa en sangre. Para ello se utiliza un glucómetro como biosensor para medir la concentración de glucosa en sangre humana.
Por lo general, un glucómetro incluye una tira reactiva.

Esta tira recoge la muestra de sangre y comprueba el nivel de glucosa en sangre. Esta tira incluye un gatillo así como un electrodo de referencia. Una vez que se vierte una muestra de sangre en la tira, se produce una reacción química para generar una corriente eléctrica directamente proporcional a la concentración de glucosa. El procesador utilizado en el glucómetro es Cortex-M3, de lo contrario Cortex-M4 a través del flujo de corriente al filtro, amplificador, convertidor de voltaje, una unidad de visualización.

Evolución del biosensor

La clasificación de los biosensores se puede hacer en 3 generaciones dependiendo de la cantidad de incorporación del componente separado como la técnica de conectar la molécula del biorreceptor o el bioreconocimiento hacia el elemento transductor básico.

En la primera generación, la molécula del biorreceptor queda atrapada físicamente en el área del sensor base después de una membrana discriminatoria como una membrana de diálisis. En las próximas generaciones, el logro de la inmovilización se puede realizar mediante enlaces covalentes en una interfaz de transductor adecuadamente personalizada o mediante la inclusión en una matriz de polímero en la superficie de transducción.
En la segunda generación, los componentes individuales permanecen separados, como la electrónica de control, la biomolécula y el electrodo.

En la tercera generación, el biorreceptor similar a una molécula se convierte en una parte esencial del elemento sensor básico, mientras que estas definiciones quizás estaban destinadas a los sistemas de electrodos enzimáticos, las clasificaciones asociadas generalmente se ajustan a los biosensores. Es dentro de la 2da y 3ra generación de familias que actualmente observamos el principal intento de desarrollo.

Características

Un biosensor consta de dos componentes principales distintos, como un componente biológico como una célula, una enzima y un componente físico como un amplificador y un transductor.

El componente biológico identifica y se comunica a través del analito para generar una señal que puede ser detectada por el transductor. El material biológico está debidamente inmovilizado en el transductor y estos pueden ser usados ​​frecuentemente varias veces durante mucho tiempo.

Tipos de biosensores

Los diferentes tipos de biosensores se clasifican según el dispositivo sensor y el material biológico que se analiza a continuación.

biosensor electroquímico

Generalmente, el biosensor electroquímico se basa en la reacción de catálisis enzimática que consume o genera electrones. Este tipo de enzimas se denominan enzimas redox. El sustrato de este biosensor comprende generalmente tres electrodos del tipo contador, de referencia y de trabajo.

El analito objeto participa en la respuesta que se produce en la superficie de un electrodo activo, y esta reacción también puede generar una transferencia de electrones a través del potencial de doble capa. La corriente se puede calcular a un potencial definido.

Los biosensores electroquímicos se clasifican en cuatro tipos.

• Biosensores amperométricos
• Biosensores potenciométricos
• Biosensores impedimétricos
• Biosensores voltamétricos

Biosensor amperométrico

Un biosensor amperométrico es un dispositivo integrado autónomo basado en la cantidad de corriente resultante de la oxidación. proporcionar información analítica cuantitativa precisa.

Generalmente, estos biosensores tienen tiempos de reacción, rangos de energía y sensibilidades comparables a los biosensores potenciométricos. El uso poco frecuente del biosensor amperométrico simple incluye el electrodo de "oxígeno Clark".

La regla para este biosensor se basa en la cantidad de flujo de corriente entre el contraelectrodo y el trabajo que fomenta una respuesta redox en el electrodo de trabajo. La elección de los centros de analitos es fundamental para una amplia gama de usos, incluida la detección de fármacos de alto rendimiento, el control de calidad, la investigación y la gestión de problemas, y la monitorización biológica.

biosensor potenciométrico

Este tipo de biosensor proporciona una respuesta logarítmica mediante un alto rango de energía. Estos biosensores se complementan con frecuencia con monitores que fabrican prototipos de electrodos que descansan sobre un sustrato sintético, recubierto con un polímero de alto rendimiento al que se conecta una enzima.

Incluyen dos electrodos extremadamente reactivos y resistentes. Permiten el reconocimiento de analitos en pasos que anteriormente solo se podían lograr mediante HPLC, LC/MS y sin una preparación exacta de la plantilla.

Todos los tipos de biosensores generalmente ocupan la menor cantidad de preparación de la muestra porque el componente de detección biológica es extremadamente selectivo para el analito en dificultad. A través de los cambios físicos y electroquímicos, la señal se generará en la capa de polímero conductor debido al cambio que se produce fuera del biosensor.

Estos cambios podrían atribuirse a la fuerza iónica, la hidratación, el pH y las respuestas redox, siendo este último el marcador de la enzima que gira sobre un sustrato. En los FET, el terminal de puerta ha sido reemplazado por un anticuerpo o una enzima, que también puede detectar una atención muy baja de diferentes analitos, porque el analito requerido para el terminal de puerta cambia la corriente de drenaje a fuente.

El principal tipos de biosensores potenciométricos son ISE o electrodos selectivos de iones basados ​​en membranas, ISFET (transistores de efecto de campo selectivos de iones), dispositivos semiconductores, electrodos serigrafiados y electrodos modificados con óxido de metal químicamente similares, de lo contrario, polímeros electrodepositados como capas sensibles.

Biosensor impedimétrico

EIS (espectroscopia de impedancia electroquímica) es un indicador reactivo para una amplia gama de propiedades físicas y químicas. Actualmente se observa una tendencia al alza hacia la expansión de los biosensores impedimétricos. Se realizaron técnicas impedimétricas para diferenciar la invención de los biosensores así como para examinar las respuestas catalizadas de enzimas de lectina, ácido nucleico, receptor, célula entera y anticuerpo.

Biosensor voltamétrico

Esta comunicación es la base de un nuevo biosensor voltamétrico para detectar acrilamida. Este biosensor se construyó con un electrodo de pegamento de carbono personalizado con Hb (hemoglobina), que incluye cuatro grupos prostáticos (Fe). Este tipo de electrodo presenta un procedimiento reversible de oxidación o reducción de Hb (Fe).

biosensor físico

En condiciones de clasificación, los biosensores físicos son los sensores más fundamentales y los más utilizados. Las ideas principales detrás de esta categorización también provienen de la inspección de la mente humana. Como el método de trabajo general detrás de la inteligencia del oído, la vista y el tacto es reaccionar a los estímulos físicos externos, cualquier dispositivo de detección que ofrece una reacción a las posesiones físicas del medio se denomina biosensor físico.

Los biosensores físicos se clasifican en dos tipos, a saber, biosensores piezoeléctricos y biosensores termométricos.

Biosensores piezoeléctricos

Estos sensores son un conjunto de dispositivos analíticos que operan sobre una ley de “registro de interacción de afinidad”. La plataforma de un piezoeléctrico es un elemento sensor que opera según la ley de las oscilaciones transformadas debido a un salto de recolección en la superficie de un cristal piezoeléctrico. En este ensayo, se modifica la superficie de los biosensores con antígeno o anticuerpo, polímero estampado molecularmente e información hereditaria. Las partes de detección declaradas normalmente se unen mediante nanopartículas.

Biosensor termométrico

Existen diferentes tipos de reacciones biológicas relacionadas con la invención del calor, que es la base de los biosensores termométricos. Estos sensores se denominan generalmente biosensores térmicos.

Termométrico-biosensor se utiliza para medir o estimar el colesterol sérico. Como el colesterol es oxidado por la enzima oxidar el colesterol, se puede calcular el calor producido. De manera similar, las evaluaciones de glucosa, urea, ácido úrico y penicilina G se pueden realizar con estos biosensores.

biosensor óptico

El biosensor óptico es un dispositivo que utiliza un principio de medición óptica. Utilizan fibras ópticas y transductores optoelectrónicos. El término optrode representa una compresión de los dos términos óptica y electrodo. Estos sensores involucran principalmente anticuerpos y enzimas como elementos transductores.

Los biosensores ópticos permiten la detección segura y no eléctricamente inaccesible de equipos. Una ventaja añadida es que a menudo no necesitan sensores de referencia, ya que la señal comparativa se puede producir utilizando una fuente de luz similar al sensor de muestreo. Los biosensores ópticos se clasifican en dos tipos, a saber, biosensores de detección óptica directa y biosensores de detección óptica etiquetados.

Biosensores portátiles

El biosensor portátil es un dispositivo digital, que se usa para llevar en el cuerpo humano en diferentes sistemas portátiles como relojes inteligentes, camisetas inteligentes, tatuajes que monitorean los niveles de azúcar en la sangre, la presión arterial, la frecuencia cardíaca, etc.

Hoy en día, podemos notar que estos sensores llevan una señal de mejora al mundo. Su mejor uso y facilidad pueden dar un nivel original de experiencia sobre el estado de salud en tiempo real de un paciente. Esta accesibilidad a los datos permitirá mejores opciones clínicas y afectará mejores resultados de salud y un uso más eficiente de los sistemas de salud.

Para los seres humanos, estos sensores pueden ayudar en el reconocimiento temprano de las acciones de salud y la prevención de la hospitalización. El potencial de estos sensores para reducir las estancias hospitalarias y los reingresos sin duda atraerá una conciencia positiva en un futuro próximo. Además, la información de la investigación indica que WBS ciertamente ofrecerá equipos de atención médica portátiles rentables en todo el mundo.

Biosensor enzimático

Este sensor es un tipo de dispositivo analítico que se utiliza para fusionar una enzima mediante un transductor para generar una señal que es proporcional a la concentración del analito objetivo. Además, esta señal puede ser amplificada, almacenada, procesada para su posterior análisis.

biosensor de ADN

El desarrollo de biosensores de ADN puede basarse en técnicas de identificación de ácidos nucleicos para el análisis de pruebas sencillas, rápidas y económicas de enfermedades genéticas e infecciosas. Además, la detección exacta de series de ADN es importante en varios campos como el alimentario, clínico, análisis ambiental, etc. Para mejores técnicas de detección, las tecnologías SAM y SELEX son Se utiliza para desarrollar mejores técnicas de reconocimiento para biosensores de ADN.

A diferencia de los anticuerpos o las enzimas, las capas de ácido nucleico de reconocimiento se pueden crear y regenerar a propósito para múltiples usos.

En comparación con la hibridación normal, estos sensores, así como los chips genéticos, tienen muchas ventajas debido a su enorme potencial para obtener datos específicos de una manera más fácil, económica y rápida. Además, estos sensores se han aumentado, pero aún se necesita una investigación fundamental para mejorar las tecnologías de sensores, los planes de detección, la instrumentación para el análisis y los procedimientos.

inmunosensores

Los sensores inmunológicos han sido reconocidos por el hecho de que los anticuerpos tienen una alta afinidad por sus antígenos particulares, ya que los anticuerpos se combinan particularmente con toxinas o patógenos o interactúan a través de componentes del sistema inmunológico del huésped. Estos tipos de biosensores se basan en dispositivos semiconductores de ligando de afinidad donde la reacción inmunoquímica se puede conectar a un transductor.

Biosensores magnéticos

Estos tipos de sensores se utilizan para evaluar los cambios en los efectos persuadidos magnéticamente o las propiedades magnéticas. Estos tipos de sensores utilizan cristales o partículas superparamagnéticas paramagnéticas para detectar comunicaciones biológicas midiendo cambios en las propiedades magnéticas, como cambios en la inductancia de la bobina, la resistencia.

Biosensores resonantes

En un biosensor resonante, se puede conectar un transductor como una onda acústica a través de un bioelemento. Una vez que la molécula de analito se conecta a la membrana, la masa de la membrana cambia. Por lo tanto, el cambio final de masa cambia la frecuencia de resonancia del transductor. Después de eso, se puede medir el cambio de frecuencia.

Biosensor de detección térmica

El biosensor de tipo de detección térmica utiliza una de las propiedades básicas de reacción biológica como la generación o absorción de calor y cambia la temperatura cuando ocurre la reacción. El diseño de este sensor se puede hacer juntando las moléculas de una enzima inmovilizada usando sensores de temperatura. Una vez que el analito y los enfoques están en contacto, la reacción térmica de la enzima se puede medir y ajustar según la concentración del analito.

Todo el calor generado de otro modo absorbido puede ser proporcional a la entalpía molar y al número total de moléculas en la reacción. La medición de la temperatura normalmente se realiza utilizando un termistor conocido como termistores enzimáticos. Los termistores son ideales en algunas aplicaciones porque son sensibles a los cambios térmicos. A diferencia de otros tipos de transductores, los sensores térmicos no requieren una recalibración periódica y son insensibles a las propiedades electroquímicas y ópticas de la muestra. Estos sensores se utilizan para detectar bacterias patógenas y pesticidas.

Aplicaciones de los biosensores

Los dispositivos biosensores incluyen un elemento biológico así como un detector fisicoquímico y la función principal de este dispositivo es detectar analitos. Por lo tanto, las aplicaciones de los biosensores se encuentran en una amplia gama. Estos dispositivos son aplicables en el sector médico, la industria alimentaria, el marítimo porque ofrecen una buena sensibilidad y estabilidad en comparación con las técnicas habituales. En los últimos años, estos sensores se han vuelto muy populares y son aplicables en diferentes campos que se mencionan a continuación.

• Comprobación de salud común
• Medición de metabolitos
• Detección de enfermedades
• tratamiento con insulina
• Psicoterapia clínica y diagnóstico de enfermedades.
• En el ejercito
• Aplicaciones agrícolas y veterinarias
• Mejora de drogas, detección de delitos.
• Procesamiento y seguimiento en la industria
• Lucha contra la contaminación ecológica
• Diagnóstico y clínica
• Aplicaciones industriales y medioambientales
• Estudio e Interacción de Biomoléculas
• Desarrollo de fármacos
• Detección de delitos
• Diagnostico medico
• Monitoreo de dominio ambiental
• Control de calidad
• Control de procesos en industrias
• Fabricante de productos farmacéuticos y reemplazo de órganos.

Así, los biosensores se están volviendo cada vez más complicados, principalmente debido a una mezcla de avances en dos campos tecnológicos como son la biotecnología y la microelectrónica. Son dispositivos muy importantes para medir una amplia gama de analitos como gases, compuestos orgánicos, bacterias e iones.

Así, se trata de una visión general de los biosensores y los componentes principales utilizados en este sensor son componentes físicos como amplificador y transductor, mientras que componentes biológicos como analito y bioelemento sensible. Las características de los biosensores incluyen principalmente linealidad, sensibilidad, selectividad y tiempo de respuesta.

Del artículo anterior, finalmente, podemos concluir que biosensores y bioelectrónica se han utilizado en muchas áreas de la salud, la investigación en ciencias de la vida, el medio ambiente, la alimentación y las aplicaciones militares. Además, estos sensores se pueden mejorar como nanobiotecnología. El mejor ejemplo del uso futuro de la nanobiotecnología incluye papel electrónico, lentes de contacto y Nokia morph. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué son los biosensores portátiles?