1: Biosensores electroquímicos

Los biosensores electroquímicos aprovechan las propiedades redox naturales de muchos procesos biológicos, como la catálisis enzimática y otros eventos de unión. Los sensores electroquímicos utilizan electrodos que a menudo se funcionalizan con enzimas activas redox. Cuando la molécula objetivo está involucrada en una reacción con la enzima, la ganancia o pérdida de electrones se mide y se relaciona con la concentración. En este video, revisaremos los principios de la detección electroquímica y luego describiremos los conceptos básicos de un sensor electroquímico de ejemplo, el biosensor de glucosa en sangre.

En primer lugar, profundicemos en los conceptos generales que hay detrás de un biosensor electroquímico. Al igual que las celdas electroquímicas clásicas, estos sensores normalmente se componen de tres electrodos: el electrodo de trabajo, el contraelectrodo y el electrodo de referencia. La reacción se produce en el electrodo de trabajo, mientras que el contraelectrodo completa el circuito. El electrodo de referencia proporciona un punto de referencia estable para el potencial redox. Los materiales de los electrodos se eligen en función del tipo de sensor, el analito que se va a detectar y la técnica de medición utilizada. Con el fin de aumentar la especificidad de la molécula objetivo, el elemento de biorreconocimiento, como enzimas complementarias, anticuerpos o ADN monocatenario, se inmoviliza en la superficie de los electrodos y se utiliza para capturar la molécula objetivo correspondiente. Luego se aplica una señal eléctrica, lo que resulta en la reducción u oxidación del objetivo. Esto crea un excedente o déficit de electrones, que se detecta. Ahora, usando la clásica celda de tres electrodos como ejemplo, echemos un vistazo a cómo los sensores electroquímicos miden este evento redox.

Los sistemas electroquímicos se dividen en diferentes categorías: amperométricos, potenciométricos e impedimétricos según el tipo de señal de salida medida. Los dispositivos amperométricos miden el cambio de corrientes entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo cuando se conoce el voltaje. La entrada de voltaje se mantiene en un valor constante o como una rampa lineal o se cicla continuamente entre dos valores. El cambio de corriente de oxidación o reducción medido es directamente proporcional a la concentración del analito. Para obtener más información sobre esta técnica, consulte nuestro video de voltamperometría cíclica.

Los dispositivos potenciométricos miden el cambio de voltaje entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia a una corriente constante. La concentración de la solución se puede calcular utilizando el cambio de potencial.

Finalmente, los dispositivos impedimétricos miden el cambio en la conductividad eléctrica de la solución de analito. Midiendo el cambio de corriente entre los electrodos de trabajo y los contraelectrodos a lo largo del tiempo a una frecuencia de voltaje de CA de entrada conocida. A partir de esta corriente en voltaje, se calcula la impedancia de la solución de analito. Esta impedancia disminuye cuando aumenta la conductividad eléctrica de la solución de analito y aumenta cuando disminuye la conductividad eléctrica de la solución de analito.

Después de haber repasado los principios y los diferentes tipos de detección electroquímica, veamos ahora el funcionamiento de un biosensor electroquímico, el sensor de glucosa en sangre portátil como ejemplo. Las pruebas caseras actuales sobre los niveles de azúcar en la sangre se realizan utilizando electrodos que se imprimen en tiras desechables. Estas tiras de electrodos, o circuitos, se recubren con la capa enzimática y mediadora, una capa de absorción de líquidos y una película protectora de circuitos, todo unido por finas láminas adhesivas y espaciadores. La capa de absorción de líquidos de la tira ayuda a la separación de las células sanguíneas para que solo el suero sanguíneo llegue a los electrodos cubiertos por la enzima y el mediador. Finalmente, se aplica un voltaje entre los electrodos, lo que desencadena la reacción redox del mediador de la enzima de la glucosa en la capa de enzima mediadora inmovilizada. La glucosa en el suero sanguíneo se convierte en ácido glucónico mientras reduce la enzima glucosa oxidasa. La enzima reducida vuelve a su estado oxidado al perder los electrones en la molécula mediadora, reduciendo así el mediador. Ahora bien, este mediador reducido actúa como una lanzadera para los electrones entre la capa de enzima mediadora y la capa de electrodos que se encuentra debajo de ella. Pierde los electrones en la superficie de los electrodos y se oxida, generando corriente en el electrodo. Este aumento de corriente, medido a un potencial dado, es directamente proporcional a la concentración de glucosa en la muestra.

Después de haber revisado la electroquímica de la glucosa oxidasa, echemos un vistazo rápido al sensor de glucosa que se utiliza en un paciente. La sangre para esta prueba se recolecta con una lanceta de seguridad. Luego, la sangre recolectada se mancha cuidadosamente en el área de recolección de sangre de la tira desechable para realizar pruebas precisas. El medidor de glucosa cuenta los electrones depositados por el mediador en los electrodos como corriente y luego calcula cuánta glucosa se necesitó para generar esa cantidad de electricidad. Luego, el medidor de glucosa muestra ese número en su pantalla.

Ahora que hemos cubierto los principios y el procedimiento detrás de los sensores de glucosa en sangre, veamos cómo los investigadores están aplicando la biodetección electroquímica en algunos otros campos. La detección electroquímica también se puede utilizar para detectar el cáncer. En un sistema de sensores, los anticuerpos específicos de proteínas cancerosas se inmovilizan en la superficie de perlas magnéticas, que se incuban en la solución de muestra, seguidas de una segunda solución de anticuerpos detectores activos redox que también es complementaria al objetivo. A continuación, las perlas se capturan utilizando campos magnéticos en la superficie de un electrodo y se realizan mediciones amperométricas para detectar la concentración de proteínas cancerosas en la muestra.

Por último, la electroquímica también se utiliza con microorganismos para generar energía, conocida como pilas de combustible bioelectroquímicas. Los microorganismos se cultivan para formar una película en la superficie del ánodo o cátodo de la pila de combustible. Las proteínas activas redox de los microbios participan en las reacciones redox de los electrodos, que generan electrones y producen energía que se aprovecha para otras aplicaciones.

Acabas de ver el vídeo de Jove sobre la biodetección electroquímica. Este vídeo contenía una visión general básica de los principios clave de los biosensores electroquímicos y explicaba en detalle el funcionamiento del sensor de glucosa en sangre. Por último, ilustramos algunas aplicaciones del mundo real de la biodetección electroquímica. Gracias por mirar.