Biosensores electroquímicos by GUADALUPE LIZBETH SOSA PEREYRA

SENSOR QUÍMICO

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:00:10 UTC

Cualquier dispositivo miniaturizado que fuera capaz de responder de manera
inequívoca a un analito concreto en el seno de una muestra compleja

Esquema de un biosensor y fundamento de su funcionamiento.

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:05:35 UTC

Se representa el esquema de las diferentes partes de un biosensor y su funcionamiento básico. Un biosensor electroquímico combina la sensibilidad de las técnicas electroquímicas conUn biosensor electroquímico combina la sensibilidad de las técnicas electroquímicas con la selectividad de los procesos de reconocimiento biológico.

La importancia del transductor: electrodos serigrafiados

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:09:27 UTC

La técnica de serigrafiado ha sido adaptada para fabricar electrodos serigrafiados con grandes ventajas. Estas incluyen:

Flexibilidad en el diseño : permite crear geometrías personalizadas para electrodos de trabajo y celdas electrolíticas ajustables.
Automatización : facilitar la producción a gran escala, asegurando precisión y reducción de costos.
Variedad de tintas : posibilita el uso de diferentes materiales electródicos (oro, platino, carbono, plata, etc.) en la misma celda.
Adaptabilidad de los soportes : los electrodos se pueden imprimir en diversos materiales como plásticos, cerámicas o alúmina, según las necesidades.

Electrodo serigrafiado con tres electrodos.

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:11:17 UTC

En la Figura podemos observar las distintas partes de una tarjeta serigrafiada con un diseño clásico de tres electrodos.

1. Nanoestructuración de electrodos serigrafiados

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:13:29 UTC

La nanoestructuración de electrodos serigrafiados mejora la sensibilidad de los sensores electroquímicos, permitiendo el desarrollo de transductores de nueva generación. Al modificar la superficie serigrafiada con nanopartículas de diferentes materiales, como nanotubos de carbono o nanopartículas de oro, se mejoran sus propiedades sin aumentar significativamente el costo. Esta mejora facilita el control de biomarcadores para el diagnóstico de enfermedades.

1.1 Electrodos serigrafiados modificados con nanotubos de carbono

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:16:33 UTC

Los nanotubos de carbono, descubiertos en 1992, son estructuras cilíndricas de grafeno enrollado. Existen dos tipos: SWCNT (pared sencilla, 0,4-2 nm de diámetro) y MWCNT (pared múltiple, 2-100 nm de diámetro). Los SWCNT tienen conductividad eléctrica dependiente de su quiralidad, mientras que los MWCNT son conductores metálicos. Ambas formas poseen alta elasticidad, dureza y estabilidad.

Debido a su hidrofobicidad, los nanotubos son insolubles en disolventes y deben ser modificados para obtener dispersiones estables, usualmente mediante oxidación en medios ácidos, lo que facilita su uso en la nanoestructuración de electrodos serigrafiados.

1.2 Electrodos serigrafiados modificados con nanopartículas de oro

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:20:10 UTC

Las nanopartículas de oro son atractivas por su biocompatibilidad y aplicaciones electroanalíticas debido a su alta conductividad y relación superficie/volumen. Esto ha impulsado su uso en transducción electroquímica, facilitado por la estabilidad de las suspensiones coloidales. Una forma sencilla y económica de crear transductores nanoestructurados de oro es mediante la evaporación de un coloide de nanopartículas de oro sobre electrodos serigrafiados. Además, la electrodeposición in situ permite generar nanopartículas de oro de manera controlada, sencilla y de bajo costo, optimizando las superficies nanoestructuradas con propiedades reproducibles y estables.

2. Selectividad y sensibilidad de un biosensor electroquímico

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:23:10 UTC

Selectividad y sensibilidad en biosensores

La selectividad de un biosensor depende del elemento de reconocimiento , mientras que la sensibilidad la determina el transductor , la técnica electroquímica y la metodología analítica . La preconcentración electródica y la catálisis enzimática sonde un biosensor depende del elemento de reconocimiento, mientras que la sensibilidad la determina el transductor, la técnica electroquímica y la metodología analítica.

2.1 Metodología con fosfatasa alcalina y plata

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:24:30 UTC

Una metodología destacada emplea fosfatasa alcalina como marca enzimática y plata junto con 3-indoxil fosfato como co-sustratos en biosensores sobre electrodos serigrafiados. La fosfatasa hidroliza el 3-indoxil fosfato, reduciendo los iones plata a plata elemental, que se oxida al índigo. La plata acumulada puede redisolverse en voltamperometría, generando picos cuya intensidad está directamente relacionada con la concentración de fosfatasa alcalina, facilitando la cuantificación precisa.

3. Aplicaciones

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:25:04 UTC

Biosensores enzimáticos: sensor de glucosa
La utilización de superficies nanoestructuradas
en la construcción de biosensores
Inmunosensores electroquímicos
Genosensores electroquímicos

3.1 Biosensores enzimáticos: sensor de glucosa

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:30:48 UTC

Un sensor enzimático utiliza una enzima como elemento de reconocimiento, y los biosensores amperométricos son los más comunes. En estos, la señal es una corriente faradaica relacionada con el analito, generada al mantener el electrodo de trabajo a un potencial fijo.

El sensor de glucosa es el más utilizado, crucial para controlar la diabetes, afectando a 150 millones de personas. Los niveles normales de glucosa varían entre 70-120 mg/dl. Gracias a los sensores de glucosa de un solo uso, se facilita el control de la enfermedad, con un consumo anual de 6 billones de sensores.

3.1.1 Fundamento del sensor de glucosa

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:32:58 UTC

El sensor de glucosa es un biosensor enzimático de segunda generación, donde la glucosa es convertida por una enzima inmovilizada, como glucosa oxidasa (GOx) o glucosa deshidrogenasa (GDH), con la ayuda de un mediador como el ferricianuro. La enzima transforma la glucosa en un producto, y el mediador participa en un proceso redox que libera electrones. Estos electrones generan una corriente faradaica que se mide en el electrodo, siendo directamente proporcional a la concentración de glucosa en la muestra. Para que la medición sea posible, se aplica un potencial al electrodo para oxidar el mediador reducido, produciendo la señal analítica.

3.1.2 Diseño del sensor de glucosa

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:34:12 UTC

El sensor de glucosa utiliza un soporte plástico económico con dos electrodos: uno de trabajo (serigrafiado con carbono y con enzima y mediador) y otro combinado de referencia/auxiliar (serigrafiado de plata/cloruro de plata). La celda electrolítica tiene un volumen menor a 1 μL y se llena automáticamente por capilaridad. Estos sensores, de bajo costo, son los más populares, aunque también existen sensores para otros analitos como lactato y colesterol.

3.2 La utilización de superficies nanoestructuradas

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:44:03 UTC

La nanoestructuración de superficies en biosensores es una innovación reciente que está en pleno desarrollo, complementando los métodos tradicionales como los electrodos serigrafiados. Aunque muchos de estos biosensores aún están en fase experimental, prometen mejorar las aplicaciones clínicas.

3.2.1 Superficies nanoestructuradas con nanotubos de carbono: sensor de ácido úrico

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:48:45 UTC

El ácido úrico, producto final del metabolismo de las purinas, es clave en trastornos como la gota y la artritis cuando se presenta en niveles elevados. Un control fácil y económico de su concentración en sangre sería beneficioso para los pacientes. El ácido úrico es electroactivo y se oxida en electrodos sólidos, pero en muestras reales como suero o sangre, los componentes interferentes dificultan las mediciones. Al modificar el electrodo con nanotubos de carbono funcionalizados con grupos carboxílicos, se mejora la especificidad del sensor para detectar ácido úrico, eliminando interferencias. Esto convierte a los electrodos recubiertos con nanotubos en sensores específicos y eficientes para medir ácido úrico en sangre total y orina.

3.2.1.1 Fundamento del sensor de ácido úrico

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:50:56 UTC

El fundamento de la determinación del ácido úrico se basa en una etapa de preconcentración por adsorción del ácido úrico en la muestra, seguida de un barrido de potenciales. El pico registrado en el proceso tendrá una intensidad directamente proporcional a la concentración de ácido úrico. Esta metodología permite desarrollar sensores para medir ácido úrico en orina, sangre, suero o saliva.

3.2.2 Superficies nanoestructuradas con nanopartículas de oro: sensor de plomo

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:54:59 UTC

El plomo es un metal tóxico que ha sido utilizado en diversas aplicaciones, como la conducción de agua o en pinturas, y puede acumularse en el organismo por inhalación, ingesta o contacto. Sus efectos tóxicos afectan especialmente a los niños, dañando riñones y cerebro. Aunque su uso está restringido, persisten riesgos de contaminación. En Estados Unidos, existen sensores comerciales basados en electrodos de carbono nanoestructurados con nanopartículas de oro para analizar el plomo en sangre, especialmente en niños.

3.2.2.1 Fundamento del sensor de plomo

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:58:05 UTC

El sensor de plomo se basa en la reducción del catión Pb²⁺ a plomo elemental (Pb) en medios ácidos, siendo más eficiente en electrodos de oro debido a la quimiadsorción del plomo. La acumulación de plomo es reversible y se facilita en superficies nanoestructuradas de oro, lo que mejora la difusión y la transferencia electrónica. Esto optimiza la señal analítica, especialmente al usar voltamperometría de onda cuadrada, mejorando el rendimiento faradaico del proceso.

3.3 Inmunosensores electroquímicos

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 05:59:19 UTC

Aquél sensor cuyo elemento

de reconocimiento está constituido por anticuerpos o fracciones de an-

ticuerpos, antígenos o haptenos y cuyo fundamento son las interacciones

epítopo-parátopo o reacciones inmunológicas controladas por constantes

de afinidad o avidez.

3.3.1 Inmunosensor de PSA

guadalupesosa8391 — 2025-03-23 06:02:29 UTC

El PSA (antígeno prostático específico) es una proteína producida por la glándula prostática que se utiliza como biomarcador para el cáncer de próstata. Si la concentración de PSA total (tPSA) en suero es mayor a 10 ng/mL, el riesgo de cáncer es alto, mientras que si es menor a 2,5 ng/mL, el riesgo es bajo. Entre 2,5 y 10 ng/mL (zona gris), se debe medir también el PSA libre (fPSA). Si la relación fPSA/tPSA es mayor a 0,25, el riesgo es bajo, pero si es menor, el riesgo es alto

3.3.1.1 Fundamento del inmunosensor de PSA

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:14:02 UTC

El inmunosensor de PSA se basa en tres aspectos clave para lograr alta selectividad y sensibilidad:

Transductor: Se utiliza un electrodo serigrafiado de carbono nanoestructurado con nanopartículas de oro de 70 nm, como transductor electroquímico.
Inmovilización del anticuerpo: Se inmoviliza un anticuerpo monoclonal con alta afinidad por la tPSA o fPSA, dependiendo del tipo de medición, asegurando mínima reactividad cruzada.
Mejora de la sensibilidad: La señal analítica se mejora mediante catálisis enzimática y un voltamperograma de redisolución anódica, lo que permite alcanzar bajos límites de detección.

3.3.1.2 Construcción del inmunosensor de PSA

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:15:56 UTC

El inmunosensor se construye sobre una superficie nanoestructurada de oro, siguiendo los pasos indicados en la Figura 14A. Después de un bloqueo con caseína, el sensor se almacena a 4°C, siendo estable durante al menos seis meses.

3.3.1.3 Obtención de la señal analítica

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:18:50 UTC

La señal analítica se obtiene mediante la metodología voltamétrica enzimática, utilizando fosfatasa alcalina como enzima marcadora y 3-indoxil fosfato y cationes plata como sustrato y cosustrato. El proceso incluye el uso de un anticuerpo monoclonal biotinilado y estreptavidina marcada con fosfatasa alcalina. Tras mezclar estos reactivos con la muestra, se coloca una gota de 40 μL sobre el inmunosensor y se espera 60 minutos para completar las reacciones biológicas. Luego, se lava la superficie y se añade una mezcla de 3-indoxil fosfato/Ag+, permitiendo que la catálisis enzimática ocurra durante 20 minutos. Finalmente, se redisuelve la plata acumulada en la superficie del electrodo mediante voltamperometría lineal de redisolución anódica.

3.3.2 Sensor biparamétrico de PSA

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:22:34 UTC

Un sensor biparamétrico mide simultáneamente dos parámetros diferentes en una muestra. En el caso de PSA, mide tanto el tPSA (PSA total) como el fPSA (PSA libre). Este sensor es especialmente útil en la zona gris de PSA, donde los niveles se encuentran entre 2,5 y 10 ng/mL, ayudando a obtener una evaluación más precisa para detectar posibles problemas de salud.

3.3.2.1 Diseño y funcionamiento

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:24:13 UTC

El bisensor diseñado consta de dos electrodos de trabajo en una misma celda electroquímica, cada uno modificado con un anticuerpo monoclonal diferente, uno para tPSA y otro para fPSA. La metodología analítica es similar a la del inmunosensor de PSA, compartiendo muestras y reactivos. La señal analítica se genera mediante catálisis enzimática que produce plata metálica, la cual solo se deposita en el lugar de la reacción, evitando interferencias entre los electrodos, a pesar de compartir muestras y reactivos.

3.4 Genosensores electroquímicos

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:28:04 UTC

Un genosensor electroquímico es un biosensor que utiliza hebras de ADN para detectar material genético mediante la hibridación de hebras complementarias. Su alta sensibilidad y simplicidad lo hacen ideal para aplicaciones en medicina forense y diagnóstico clínico, permitiendo identificar material genético sin necesidad de amplificación por PCR. Un ejemplo es el genosensor para detectar el virus del SARS, que usa nanopartículas de oro en el electrodo.

3.4.1 Genosensor para la detección del virus del SARS

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:31:54 UTC

El genosensor para SARS es una herramienta diagnóstica diseñada para detectar de manera rápida el virus causante del síndrome respiratorio agudo grave (SARS), una neumonía grave provocada por el coronavirus, identificado por primera vez en 2003. Este genosensor permite un diagnóstico temprano y preciso, lo que facilita una respuesta rápida ante posibles brotes de la enfermedad.

3.4.1.1 Fundamento del genosensor

guadalupesosa8391 — 2025-03-24 00:34:53 UTC

El genosensor para la detección de SARS utiliza un electrodo serigrafiado nanoestructurado con nanopartículas de oro como transductor. Como sonda, se emplea un oligonucleótido sintético de 30 bases tiolado y biotinilado en su extremo 3', complementario al genoma del virus. La metodología analítica seguida es similar a la del inmunosensor para PSA.