Teorico 22 biosensores

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BIOSENSORES
Dr. Martín F. Desimone
Profesor Titular
Química Analítica Instrumental
https://youtu.be/KTM2BwTgaX0
Canarios en minas de carbón
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https://youtu.be/KTM2BwTgaX0
Biosensor de Glucosa
https://www.youtube.com/watch?v=75fyBMNz1Ok
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https://www.youtube.com/watch?v=75fyBMNz1Ok
GOX
b-D-Glucosa
Gluconolactona
FAD
FADH2 O2
H2O2
b-D-Glucosa + H2O + O2 H2O2 + ac. glucónico 
2 H+ + O2 + 2e Gluconato + H+
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2 Ferroceno
Med. Oxid.
GOX
b-D-Glucosa
Gluconolactona
FAD
FADH2
2 Ferriceno
Med. Reduc. 2 e-
Analito
Preparacion de la muestra
Deteccion
Señal
Analisis
Respuesta
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INTRODUCCION
• Un biosensor es un dispositivo analítico que combina un
sistema biológico de reconocimiento con un sistema
(transductor) capaz de traducir información biológica en una
señal proporcional a la concentración del analito.
•En 1962 Clark describe una membrana conteniendo una
enzima; transforma urea o glucosa y el producto es
detectable con un electrodo de pH u O2
•En 1967 Updike y Hicks describieron por un biosensor de
glucosa amperometrico, para lo cual acoplaron una enzima
inmovilizada con un detector electroquímico.
• A partir de esa fecha, se describieron otros tipos de
biosensores en los cuales diferentes tipos de biomoléculas
como: enzimas, anticuerpos, receptores o incluso
microorganismos y células animales fueron utilizadas como
elementos de reconocimiento.
•El primer biosensor basado en microorganismos fue
descripto por Karube en 1977.
•El empleo de microorganismos como elementos de
reconocimiento permitió detectar una amplia variedad de
sustancias químicas gracias a la posibilidad de realizar
modificaciones genéticas sobre los mismos.
•Los sistemas biológicos utilizados como elementos de
reconocimiento han sido integrados en una amplia variedad
de transductores como amperométricos, potenciométricos,
conductimétricos, colorimétricos, fluorescentes, etc.
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BIOSENSORES
a) Reconocimiento específico del analito
b) Elemento de bioreconocimiento
c) Transductor de señal
d) Procesamiento de señal
e) Señal de salida 
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AMPLIFICACIÓN AMPLIFICACIÓN
PROCESAMIENTO
DE LA
SEÑAL
CONDUCTIMETRÍA
POTENCIOMETRÍA
AMPEROMETRÍA
ÓPTICA PIEZOELÉCTRICA
ANALITO
EL EVENTO DE RECONOCIMIENTO 
SELECTIVO SE TRADUCE EN UN 
PARÁMETRO MEDIBLE
DIFUSIÓN DE 
ESPECIES 
ELECTROACTIVAS
SEÑAL 
ELECTROQUÍMICA
ELECTROMAGNÉTICA
RADIACIÓN 
ELECTROMAGNÉTICA
ALTERACIÓN DE LA 
MASA Y/O
MICROVISCOSIDAD
Un biosensor es un dispositivo integrado capaz de proveer información 
específica cuanti o semicuantitativa utilizando un elemento de bioreconocimiento 
retenido en la superficie de un transductor.
CLASIFICACIONES
Sistema de inmovilización empleado
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Sensores de Bio-afinidad
- Anticuerpos
- Receptores
- Lectinas
- Ácidos nucleicos
- Aptámeros: oligonucleótidos de ADN o ARN similares a los anticuerpos.
- Ácidos nucleicos peptídicos: mimetizan al ADN-ARN. No contienen pentosas 
ni fosfatos. Gran afinidad con cadenas de ADN.
- Polímeros de impresión molecular (MIPs)
Sensores de Bio-catálisis
- Enzimas
- Células y tejidos
1º componente: Elemento de reconocimiento.
Tipos de interacción
- Interaccionar específicamente con el analito que se desea detectar
•La función de un biosensor depende de la especificidad del
elemento biológico de reconocimiento pero también de otros
factores como las condiciones de almacenamiento y
estabilidad operacional, así como del analito que se desea
detectar.
•La matriz utilizada para la inmovilización del sistema de
detección debe asegurar que el mismo se mantenga activo y/o
viable, asegurar el acceso de los analitos y permitir un intimo
contacto con el sistema elegido como transductor de la señal.
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Técnicas de inmovilización
DEFINICIÓN: SON ENZIMAS O CÉLULAS 
ENTERAS (O BIEN COMBINACIONES DE ELLOS) 
QUE SE ENCUENTRAN RETENIDOS EN UN 
LUGAR DEFINIDO, EN UN ESTADO TAL QUE SE 
PERMITE SU REUTILIZACIÓN. 
INMOVILIZACIÓN
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INMOVILIZACIÓN
La inmovilización 
es el proceso por 
el que las enzimas 
y las células 
pueden 
transformarse en 
catalizadores 
heterogéneos
El biocatalizador 
se confina a una 
región 
determinada a 
través de la cual 
se pasa la solución 
del substrato, que 
sale como un 
producto, libre de 
catalizador.
Heterogéneo: uso continuado
‰
‰
Operación continua
Reutilización
Los tratamientos a los que son sometidas tanto las células 
como las enzimas libres que serán inmovilizadas afectan en 
cierto grado la actividad.
La inmovilización, entonces, debe tratar de ser realizada en 
condiciones tales que la pérdida de actividad sea reducida.
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COMPONTETESDE LOS BIOCATALIZADORESINMOVILIZADOS
Necesidad de 
mantener su 
estructura 
organizada
Células 
vivas
Enzimas
Durante la inmovilización 
debe mantenerse la estructura 
evitándose el impedimento 
estérico del sitio activo
MÉTODOS DE INMOVILIZACIÓN
Adhesión
AdsorciónUnión
Covalente
X
-+O
H H
OH OH
OH
CH2OH
O
Lectina Ab Ag
Colorant e
Geles
Atrapamiento
1.- Láminas
2.- Fibras cóncavas o huecas
3.- Encapsulación
Membranas
1.- No específica
2.- Intercambio iónico
3.- Hidrofóbico
4.- Pseudoafinidad
5.- Afinidad
Retención químicaRetención física
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Enzimas inmovilizadas
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• La enzima o célula debe ser estable en las condiciones experimentales 
empleadas.
• Si se emplean agentes entrecruzantes, éstos no deben afectar al sitio activo. 
Si pudieran interferir con éste, se debe utilizar un agente entrecruzante lo más 
grande posible.
• Si es posible, se debería proteger el sitio activo:
- si existen grupos -SH, éstos deben hacerse reaccionar con cisteína 
o glutation, para reactivarse posteriormente tras la inmovilización.
- se puede realizar la inmovilización en presencia de concentraciones 
saturantes de sustrato.
• El proceso de lavado no debe afectar negativamente a la enzima.
•Coherencia con la posterior biotransformación.
- si soporte = polianión, la conversión de un sustrato aniónico será 
muy difícil (repulsión)
- enzima atrapada en un gel: si el sustrato presenta un alto peso 
molecular, el resultado será malo.
REQUISITOS MINIMOS PARA LA INMOVILIZACION.
• Gran importancia de las propiedades mecánicas (estabilidad del 
soporte, forma física del mismo).
•El soporte debe presentar una alta superficie específica, para 
minimizar los problemas de transferencia de materia.
• El soporte debe conferir al derivado inmovilizado una buena 
resistencia a la contaminación microbiana.
• El soporte debe permitir que se inmovilice una alta cantidad de 
biocatalizador (alto "loading").
• El soporte debe ser comercialmente accesible:
-bajo precio
-buena disponibilidad
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VENTAJAS
1.- Se produce un gran aumento de la estabilidad de la enzima o 
célula inmovilizada.
2.- Se aumenta de gran manera la productividad enzimática por la 
capacidad de reutilización.
3.- Se aumenta la facilidad de recuperación y purificación de los 
productos
4.- Se puede elegir entre una gran variedad de diseños
5.- Se aumenta la facilidad de operación y control del proceso, al 
trabajar en condiciones más suaves.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA INMOVILIZACIÓN
DESVENTAJAS
1.- Generalmente, se disminuye la actividad enzimática.
2.- Se aumentan los problemas difusionales.
3.- Se aumenta el costo
4.- El intervalo de pH de trabajo puede ser distinto al del 
biocatalizador nativo.
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adsorption
Adsorption of cells to a determined matrix is one of the simplest processes of
immobilization, in which the matrix provides only mechanical support to
microorganism’s adsorption. Several works have been presented, where 
sheets of acetylcellulose, filter paper or nylon were employed to immobilize 
biological systems for the construction of biosensors. There are, however, 
some drawbacks associated with non-covalent linkage. As low energy forces 
are involved (Van der Waals forces, hydrogen bonds and electrostatic 
interactions), they may be easily disturbed causing cell leaching from the 
material by shearing forces or changes in the pH and ionic strength of the 
solution.
Inclusionin polymeric matrices and membranes
This method is the preferred one for cell encapsulation. Polymeric gels are
obtained in different ways and the result is a matrix which resembles the
extracellular environment, thus protecting cells from harsh conditions. 
Organic or inorganic polymers may be used, being the former preferred for 
its biocompatibility and the latter for its mechanical properties, providing 
strength and an overall structure. Hybrid polymers would show superior 
properties compared with their pure counterparts.
Natural occurring polymers
Proteins
Gelatin is a collagen derivative, obtained 
from animal’s bones and skin. Collagen is 
composed of three polypeptide strands 
forming an alpha helix which associate to 
form microfibrils. In gelatin, natural bonds 
between individual collagen strands are 
broken down preserving its original 
chemical composition. It can be used 
alone or with the aid of glutaraldehide to 
immobilize cells and enzymes. A major 
drawback could arise when bacterial 
strains are immobilized, due to its 
proteinous composition. Collagen has 
attracted special interest in the field of cell 
immobilization, due to it’s low 
immunogenicity, high stability, large pores 
and ability to support cell growth.
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Polysaccharides
Agarose is a linear polysaccharide obtained from agar, formed by multiple 
units of the dissacharide agarobiose. It is extensively used in microbiology 
and in molecular biology, being itself nontoxic and biodegradable.
Chitosan is a linear polysaccharide, composed of K(1L4) linked D-
glucosamine and N-Acetyl-D-glucosamine, product from chitin 
deacetylation, the structural element forming part of crustacean’s 
exoskeletons and fungi cell walls. Chitosan contains mainly cationic groups, 
which promotes binding to negatively charged surfaces such as mucosal 
membranes. This makes chitosan a bioadhesive, which is also 
biocompatible and biodegradable. 
Alginate or alginic acid is an anionic linear polysaccharide extracted from 
seaweed, composed of K-D-mannuronic acid and M-L-guluronic acid. It is a 
biodegradable, non toxic polymer, capable of retaining high amounts of 
water. Sodium alginate readily gelifies when exposed to divalent cation 
solutions, being extensively used in the immobilization of cells and 
enzymes.
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Crecimiento de 
hibridomas 
inmovilizados en 
microcapsulas de 
alginato y alginato-
agarosa
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Silicates
Optically transparent materials can be produced by the hydrolysis and
polycondensation of organometallic compounds at low temperatures. Silica 
gel prepared by the sol-gel method renders a porous matrix formed by a SiO2
network, in which the pore size varies depending on the conditions and 
additives used in the preparation. Sol-gel materials have various advantages 
such as optical transparency, biocompatibility, chemical, thermal and 
mechanical stability. On the other side, diffusion can be affected in thick films 
or in gels with small pores. Furthermore in the aging process, as pores 
become smaller, not only diffusion is affected but also cell viability because of 
the mechanical stress imparted by gel shrinkage. Modifications of prepolymer 
composition and immobilization procedure could increase the viability of the 
entrapped cells and also influence sensors properties. The synthesis of solid 
inorganic materials from alkoxide, aqueous and polyol-modified silanes 
routes, as well as the incorporation of organic polymers, was studied in order 
to improve the viability of encapsulated cells. 
This emerging field of material science has generated considerable and 
increasing interest during the past decade and was covered in 
comprehensive Reviews and the patents associated to the immobilization 
of whole living cells in sol-gel derived hybrid materials.
Bacteria in sol-gel matrices
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Synthetic Polymers
Synthetic Latex
Latex refers generically to a stable dispersion (emulsion) of polymer
microparticles in an aqueous solution. Latex immobilization has various
advantages as it effectively traps cells in a flexible matrix, preventing leakage,
without altering cell viability. Furthermore, the capacity to form thin films
enables better nutrient diffusion.
Polyvinyl alcohol
Polyvinyl alcohol (PVA) is a water-soluble synthetic polymer. It has film forming
and adhesive properties. It is also biocompatible with human tissues and
degradable. Concentrated solutions of PVA, when allowed to stand at room
temperature, gel forming hydrogels with low mechanical strength. In order to
improve mechanical properties, cross-linking with glutaraldehide or borax, among
others have been reported, though it was observed that enhancing mechanical
strength reduced the water content of the gel. A partial solution to this problem
was gelling PVA by iterative freeze-thaw.
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Biosensor 
utilizando algas 
y detección por 
fluorescencia
Materiales funcionales: combinan la capacidad biosorbente del 
material con la actividad de bacterias inmovilizadas en su interior.
Antes Después
de la exposición a cromo
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Biosensor basado en 
levaduras.
a) Microscopía de 
fluorescencia de las 
levaduras inmovilizadas.
a) Respuesta electroquímica 
del biosensor durante 60 
dias
Antibodies detection employing sol-gel immobilized 
parasites. Journal of Immunological Methods, 335:65-
70, 2008. GJ Copello; MC De Marzi; MF Desimone; EL 
Malchiodi; LE Diaz.
Desarrollo de un procedimiento para inmovilizar Trypanosoma cruzi
epimastigotes y Leishmania guyanensis promastigotes en una superficie
de óxido de silicio para la detección de anticuerpos en improntas de
inmuno-detección.
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BIOSENSOR IDEAL
• Alta sensibilidad.
• Alta selectividad.
• Alta fiabilidad.
• Tiempo de vida largo.
• Bajo costo de producción.
• Tiempo de análisis corto.
• Pre-tratamiento de muestra innecesario.
• Manejo sencillo.
• Análisis en tiempo real.
• Portátiles (análisis in situ).
• Automatizables (procesos industriales o análisis clínicos).
• Miniaturizables. Multi-análisis.
• Pocos requerimientos operativos y de almacenamiento.
APLICACIONES
• Agroalimentaria
• Estudio de biomoléculas y su interacción
• Desarrollo de drogas
• Medicina legal y forence
• Diagnóstico médico
• Monitoreo ambiental
• Control de calidad
• Control de procesos industriales
• Sistemas de detección para la defensa
• Producción de fármacos
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https://www.youtube.com/watch?v=xaYvGehL1Ws&feature=youtu.be
thermal biosensing 
https://www.youtube.com/watch?v=amGw7txpGzM
DNA biosensor
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PREMIOS INNOVAR 2017
“Empleo de Resonancia Plasmónica de Superficie (SPR) y nanopartículas para la 
detección de toxinas bacterianas en bajas concentraciones en fluidos de pacientes y 
alimentos.”
El grupo de trabajo ganador fue seleccionado por el novedoso procedimiento que 
emplea un biosensor basado en la Resonancia Plasmónica de Superficie, acoplado al 
uso de nanopartículas para la detección de enterotoxinas bacterianas causantes del 
Síndrome de Shock Tóxico asociado a la infección por bacterias de las especies 
Staphylococcus aureus y Streptococcus pyogenes, y del envenenamiento por 
alimentos causados por los mismos patógenos.
Autores premiados:
María B. Sarratea Sofía Noli Truant Romina Mitarotonda
María B. Antonoglou María J.Fernández Lynch Pablo Romasanta
Cristina Vescina Martín Desimone Mauricio C. De Marzi
Emilio L. Malchiodi Marisa M Fernández
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FIN
https://www.researchgate.net/profile/Martin_Desimone
https://ar.linkedin.com/in/martin-desimone-01430919
https://twitter.com/Dr_Desimone
Bibliografía
 The supramolecular chemistry of organic-inorganic hybrid materials. Edited by Knut
Rurack and Ramon Martinez-Mañez. Nanostructures & nanomaterials. Synthesis, properties & applications. Edited by
Guozhong Cao. Surface Chemistry of Nanobiomaterials: Applications of Nanobiomaterials. Editado por
Alexandru Grumezescu MULTI VOLUME SET (I-XI). ELSEVIER. ISBN: 978-0-323-
42861-3. (487 páginas). Año 2016.
 Advanced Surface and Interface Materials. Editor: Ashutosh Tiwari, HirakK. Patra and
Xuemei Wang. Managing Editors: Sachin Mishra and Sophie Thompson. WILEY-
Scrivener Publishing, USA. Año 2016.
 Nanobiotechnology II. More concepts and application. Edited by Chad A. Mirkin and
Christof M. Niemeyer Cellular response to biomaterials. Edited by Lucy Di Silvio. Functional Hybrid Materials. Edited by Pedro Gomez-Romero and Clement Sanchez.
Análisis Instrumental. 4ta Edición Mc Graw-Hill. Skoog DA, Leary JJ (1994) ISBN: 0-03-
023343-7.
• Principios de Análisis Instrumental. 5º Edición Mc Graw-Hill. Skoog DA, Holler FJ, Nieman
TA (2001) ISBN: 84-481-2775-7
• Principios de Análisis Instrumental. 6º Edición Cengage Learning. D.A. Skoog, F.J. Holler,
S.R. Crouch (2007)
• Análisis Instrumental. Pearson Practice Hall. Rubinson KA, Rubinson JF (2001) ISBN: 0-13-
790726-5