¿Qué son los biosensores?

Los biosensores son sistemas bioanalíticos que pueden detectar muestras biológicas. Son dispositivos pequeños y potentes capaces de analizar muestras biológicas para comprender su función, composición y estructura. Esto se logra convirtiendo una señal biológica o una respuesta en una respuesta medible.

Biosensor, si intentas dividir la palabra en “bio” y “sensor”, te dará una mejor idea de lo que es.

Los biosensores son sistemas bioanalíticos que pueden detectar muestras biológicas. Son dispositivos pequeños y potentes capaces de analizar muestras biológicas para comprender su función, composición y estructura. Esto se logra convirtiendo una señal biológica o una respuesta en una respuesta medible.

Es posible que haya visto personas que usan glucómetro para el control de glucosa de rutina, oxímetros de pulso de la yema del dedo para medir los niveles de saturación de oxígeno y la frecuencia del pulso, y relojes inteligentes para el control diario de nuestra actividad física. Estos glucómetros, pulsioxímetros y relojes inteligentes son todos ejemplos de biosensores.

Esta tecnología tiene varias aplicaciones que no se limitan al cuidado de la salud. Son vitales para el descubrimiento de fármacos y la protección contra enfermedades. También pueden controlar la calidad del medio ambiente, el suelo, el agua y los alimentos. También se utilizan en ingeniería metabólica, para controlar el correcto funcionamiento de dispositivos protésicos y en biodefensa.

El primer biosensor, conocido como el “electrodo de Clark”, fue desarrollado para detectar oxígeno por Leland C. Clark en 1956. Su trabajo en el campo de los biosensores le valió el reconocimiento como el “Padre de los biosensores”. El primer biosensor comercial fue desarrollado en el año 1975 por “Yellow Springs Instruments”.

Veamos cómo funcionan los biosensores.

Biosensores

Un glucómetro en sangre es un ejemplo de biosensor invasivo para controlar el nivel de glucosa en sangre. Un oxímetro de pulso es un ejemplo de biosensor no invasivo. Un reloj inteligente es un biosensor no invasivo que se utiliza a diario. (Crédito de la foto: veinte20)

Funcionamiento general de un biosensor

Si ponemos una muestra biológica o el analito en el biosensor, el biosensor nos da una lectura digital que tiene una interpretación biológica. Un analito es la sustancia de interés que debe detectarse.

¿Cómo se convierte el componente biológico en información digital o respuesta medible? Esto se logra mediante los diversos componentes presentes dentro del biosensor, como el elemento de reconocimiento biológico, un transductor de señal, un amplificador de señal, un procesador de señal y una unidad de visualización.

Veamos qué hace cada uno de estos componentes.

Cuando se aplica la muestra biológica (analito), el elemento de reconocimiento detectará los biomarcadores presentes en el analito. Un biomarcador podría ser cualquier compuesto o señal que pueda usarse como determinante de un estado de enfermedad o alteraciones en la fisiología del organismo. El transductor convertirá este cambio biológico en una señal eléctrica. Esta señal analógica será amplificada por el amplificador de señal. El procesador de señales convertirá la señal analógica amplificada en una señal digital que se mostrará en la pantalla LCD.

Desglose del biosensor

Los diferentes componentes del biosensor incluyen el bioelemento, el transductor, el amplificador, el procesador y la unidad de visualización.

Características de los biosensores

En el diagnóstico biomédico, el uso de biosensores presenta varias ventajas sobre las técnicas de laboratorio habituales. ya que son pequeños, fáciles de usar, baratos y proporcionan resultados inmediatos.

El rendimiento de cualquier biosensor se basa en varias características clave.

Un biosensor debe ser selectivo en su capacidad para detectar la presencia de un analito específico. Los resultados generados por el biosensor deben ser reproducibles, lo que significa que el biosensor debe poder generar lecturas idénticas para varias muestras idénticas.

Las mediciones deben ser precisas con una variación mínima entre los valores detectados por el biosensor y los valores obtenidos por los métodos convencionales. El rendimiento del biosensor debe ser estable y no debe verse afectado por cambios externos en la temperatura. Debe ser muy sensible para detectar incluso pequeñas cantidades del analito y las mediciones deben ser lineales para un amplio rango de concentraciones del analito.

Tipos de analitos para biosensores

La mayoría de nosotros puede creer que la sangre es el único fluido corporal que se utiliza para la biosección. Pero eso no es cierto. Además de la sangre, la saliva, el sudor, la orina, las lágrimas y el aliento también se pueden utilizar para la detección de varios biomarcadores.

Veamos algunos ejemplos.

Los biosensores a base de sangre se utilizan para monitorear componentes sanguíneos como la glucosa.

Los biosensores basados ​​en saliva están ganando popularidad lentamente para la detección de glucosa en comparación con los biosensores invasivos basados ​​en sangre. También se puede utilizar para detectar niveles de sustancias químicas como lactato y cortisol.

Los biosensores basados ​​en el sudor pueden detectar niveles de compuestos como glucosa, lactato, ácido ascórbico y ácido úrico, mientras que los kits de embarazo son un gran ejemplo de biosensores basados ​​en orina.

Las lágrimas se pueden utilizar para estimar las cantidades de glucosa, alcohol y ciertas vitaminas, mientras que el departamento de policía utiliza habitualmente biosensores basados ​​en el aliento para detectar rastros de alcohol.

Tipos de biosensores

Los biosensores, como el glucómetro de punción digital, que se utiliza para comprobar los niveles de azúcar en sangre, requieren que el usuario se pinche el dedo y utilice la muestra de sangre como analito biológico. Este es un ejemplo de biosensor invasivo. Por el contrario, el uso del oxímetro de pulso requiere que el usuario simplemente inserte la punta del dedo dentro del instrumento. Este es un ejemplo de biosensor no invasivo.

Entonces, según cómo se aplique el analito biológico requerido, los biosensores pueden clasificarse como invasivos o no invasivos.

Los biosensores también se pueden clasificar según el tipo de elemento de reconocimiento biológico y el mecanismo de transducción empleado. El elemento de reconocimiento de un biosensor puede ser ADN, anticuerpo, enzima, fago, tejidos, receptores celulares, células microbianas completas, etc.

Dependiendo del tipo de transductores utilizados para el diseño de biosensores, se pueden clasificar en biosensores ópticos, biosensores electroquímicos o biosensores de masa.

Las fibras ópticas juegan un papel clave en el funcionamiento de los biosensores ópticos al detectar el analito biológico en función de su propiedad de fluorescencia y absorción y dispersión de la luz. Son de naturaleza no eléctrica y las mediciones se basan en los cambios en el índice de refracción.

Los biosensores electroquímicos son de naturaleza eléctrica en los que la molécula sensora o el elemento de reconocimiento interactuarán con el analito de la muestra. La señal eléctrica producida suele ser proporcional a la concentración del analito.

Los biosensores de masa son biosensores eléctricos en los que las señales eléctricas producidas son proporcionales a las vibraciones mecánicas o acústicas (sonoras) de las moléculas de detección.

Biosensores de uso común

Los biosensores más utilizados son, sin duda, los biosensores de glucosa o glucómetros, que se basan en sangre o saliva, y las tiras de prueba de embarazo que se realizan en orina.

Glucómetro

El primer biosensor de glucosa producido comercialmente fue fabricado por Yellow Springs Instrument en 1975. Desde entonces, el diseño y el rendimiento de los biosensores de glucosa han experimentado avances drásticos.

Las comparaciones entre el primer glucómetro inventado y los glucómetros que se utilizan actualmente pueden reflejar fácilmente los avances tecnológicos por los que ha pasado la tecnología de biosensores.

La primera generación de biosensores de glucosa utilizó oxígeno atmosférico como sustrato y detectó la producción de peróxido de hidrógeno. Los biosensores de segunda generación reemplazaron el oxígeno con otros mediadores de electrones cuya función era llevar los electrones de la enzima al electrodo. Los biosensores de tercera generación carecían totalmente de reactivos. Los mediadores de electrones ya no se utilizaron y la enzima transfirió directamente los electrones a los electrodos.

Estos avances fueron fundamentales para la detección, el diagnóstico y el tratamiento oportunos de los diabéticos que utilizan sangre y saliva.

Desde la perspectiva del usuario, los basados ​​en saliva pueden ser más preferidos ya que la recolección de muestras es no invasiva (menos o ningún dolor) con una sensibilidad mejorada.

Tira de embarazo

Los otros biosensores de uso común son las tiras de prueba de embarazo que se basan en anticuerpos y determinan la presencia de HCG (gonadotropina coriónica humana) a partir de la sangre o la orina.

Los elementos de reconocimiento son los anticuerpos anti-HCG que se aglutinarán con la HCG de la sangre / orina (si está presente) y formarán una línea de aglutinación. La presencia de una línea indica una prueba positiva, mientras que la falta de la línea es una prueba negativa de embarazo.

tecnología de biosensor

La imagen claramente nos da una idea de cómo ha avanzado la tecnología de biosensores con el tiempo. Los glucómetros más grandes son los primeros desarrollados (1983) con un tiempo de lectura de 2 minutos y los dispositivos portátiles más pequeños con la última tecnología (2004) con un tiempo de lectura de 7 segundos. Los kits de prueba para embarazadas son sensores basados ​​en anticuerpos para la detección de HCG, un biomarcador del embarazo. Una sola línea es un indicador negativo de embarazo, mientras que la presencia de dos líneas indica embarazo. (Crédito de la foto: veinte20)

Conclusión y perspectivas de futuro

Los biosensores son una poderosa integración de conocimiento biológico y avances tecnológicos. Tienen usos ubicuos en varias disciplinas. El método es rápido, específico, fácil, económico de usar y proporciona resultados más rápidos con un uso reducido de reactivos. La tecnología de biosensores ha experimentado una evolución draconiana en las últimas 2-3 décadas. La visión de futuro de esta industria será la creación de tecnología a microescala para hacerla más pequeña y útil al mismo tiempo.