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20 Isagogé, 1 (2004) BIOSENSORES ÓPTICOS Ana González Segura ¿Qué entendemos por biosensor? Un biosensor, como su nombre indica, es simplemente un dispositivo electrónico que se encarga de detectar sustancias biológicas en una determinada muestra, o, de forma algo más rigurosa, podría definirse como «una herramienta o sistema analítico compuesto por un material biológico inmovilizado (tal como una enzima, anticuerpo, célula entera, orgánulo o combinaciones de los mismos), en íntimo contacto con un sistema transductor adecuado que convierta la señal bioquímica en una señal eléctrica cuantificable» (fig. 1). Fig. 1. Esquema de Biosensor. Quizá, el biosensor más conocido y difundido comercialmente sea el utilizado por los diabéticos para medir la concentración de glucosa en sangre. Su funcionamiento se basa en el anclaje sobre un electrodo de una enzima seca (en estado hidrofilizado) que, al entrar en contacto con la sangre, se regenera, originándose así una reacción química que lleva asociado un movimiento de electrones. El electrodo es capaz de registrar dicho cambio y traducirlo en la información que aparecerá en la pantalla del medidor de forma casi inmediata. Sin embargo, la cantidad y tipos de biosensores que actualmente están en uso o en periodo de investigación es mucho más amplia, ya que dentro de los mismos podemos incluir desde sensores de hidrógeno hasta sensores de ADN, pasando por dispositivos detectores de colesterol en sangre o de virus tales como el SIDA. Todos ellos poseen una característica común: para poder detectar una determinada sustancia, a la que denominaremos «analito» (por ejemplo, un antígeno), es necesario anclar a nuestro sensor otra que actúe como receptora (su correspondiente anticuerpo). Otras aplicaciones de este tipo de tecnología son las usadas en alimentación para el análisis de alimentos susceptibles de contener sustancias nocivas tales como la bacteria de la salmonella, por ejemplo. También hay muchos grupos de investigación trabajando en la creación de biosensores para la detección rápida de agentes contaminantes en caso de guerra química y bacteriológica. En realidad, el uso de biosensores puede extenderse a una infinidad de campos, ya que, como veremos, si se tiene el receptor biológico adecuado, esta tecnología es susceptible de detectar prácticamente cualquier sustancia. Isagogé, 1 (2004) 21 Biosensores ópticos Algunas de las propiedades que posee la luz, ya sea la de ser guiada a través de ciertas estructuras o la de sufrir fenómenos de resonancia, pueden ser aprovechadas para implementar un biosensor, que en este caso recibe el nombre de biosensor óptico. Su funcionamiento es esencialmente el mismo que el sensor de glucosa, sólo que ahora es la luz la que se encarga de proporcionarnos la información. Los pasos a seguir para desarrollar uno de estos dispositivos de forma completa serían, primero, decidir que efecto óptico queremos que esté involucrado en el funcionamiento del sensor; segundo, conocer cómo inmovilizar el receptor biológico en la superficie del sensor y cómo hacer que éste sobreviva y, por último, proponer un sistema de adquisición y tratamiento de datos (hardware y software) apropiado. Veamos con más detalle los dos primeros. Los efectos ópticos que actualmente se proponen para el desarrollo de un biosensor son tres: la fluorescencia, las configuraciones de campo evanescente y la absorción. La fluorescencia consiste en la emisión de luz por parte de los átomos cuando, tras un proceso previo de excitación, éstos vuelven al estado fundamental. En nuestro caso, cada analito genera unos parámetros característicos de excitación-emisión, con lo que es posible determinarlo unívocamente. El segundo efecto tiene que ver con sensores que utilizan guías de onda. En una guía de ondas, la luz se transmite en condiciones de reflexión total interna. Sin embargo, el campo electromagnético no queda estrictamente confinado en el interior de la misma, sino que parte de él escapa al exterior presentando un decaimiento exponencial. Es el campo evanescente, que será el encargado de detectar la sustancia de interés, ya que cualquier cambio que se produzca en él influirá en las características de la luz que se propaga por el interior de la guía. También puede ocurrir que la interacción analito-receptor lleve asociado un fenómeno de absorción. De este modo, cuando ambas sustancias reaccionen, la cantidad de luz que llega al detector se verá afectada. Cuando pretendamos anclar el receptor sobre nuestro sensor, hay que tener en cuenta que la inmovilización se realiza a escala nanométrica y sobre soportes sólidos. La técnica más usada es recubrir la superficie de la guía con algún metal, de forma que ésta se consiga mediante enlaces covalentes (fig. 2). Sin embargo, también existen muchas otras técnicas como por ejemplo, el atrapamiento físico del receptor sobre una membrana o un polímero, o bien la adsorción directa sobre el sensor. Por otro lado, para que el receptor sobreviva, éste debe estar en disolución acuosa, con lo que es necesario disponer de celdas de flujo que contengan la parte adecuada del sensor y que permitan que dicha disolución se regenere. Enlace Covalente Capa de oro Guia Analito Sustancia receptora Fig. 2. Metodo de anclaje por en lace covalente 22 Isagogé, 1 (2004) El método de anclaje por enlace covalente puede conseguirse depositando una película de oro sobre la superficie del sensor y consiste, a grandes rasgos, en provocar modificaciones químicas en la superficie de este metal que den lugar a un enlace covalente entre los átomos de su superficie y una parte específica de la sustancia receptora (deben quedar libres las partes que reaccionarán con el analito). Para conseguir el anclaje óptimo, se conectan a la placa de oro unas microcubetas con distintas disoluciones que se hacen pasar en un determinado orden (según sea su pH o concentración). Todos los pasos se monitorizan para comprobar que se están produciendo las reacciones químicas buscadas, y una vez que se comprueba que la proteína está bien anclada, se conecta a un sistema de flujo automatizado que la mantiene constantemente en contacto con una solución salina. Una de las partes más delicadas en cuanto a la construcción de un biosensor es la de mantener vivo el receptor, que no se degrade y que permanezca estable. Esto se subsana manteniéndola en disolución constante con un pH y una temperatura adecuados. Biosensores basados en dispositivos de óptica integrada Los biosensores basados en dispositivos de óptica integrada están adquiriendo una gran importancia hoy en día debido a su alta sensibilidad, estabilidad mecánica, posibilidad de miniaturización e integración en microsistemas y fabricación a gran escala. Este tipo de biosensores se basa en el principio de modulación del campo evanescente que ya se definió anteriormente. Antes de pasar a explicar su funcionamiento, merece la pena comentar que la óptica integrada es una tecnología capaz de construir a escala micrométrica cualquier dispositivo óptico (como puede ser una guía de ondas o un espejo), de forma que un microchip pueda contener un sistema óptico completo. Debido a su alta sensibilidad, una de las configuraciones que se está estudiando es la basada en un interferómetro Mach-Zender (fig.3). Un Mach-Zender es un dispositivo en el que un haz de luz se divide en dos subhaces que luego se vuelven a unir. Si por algún motivo, en alguno de los dos caminos aparece algún fenómeno que genere un retardo de fase, cuando los haces vuelvan a juntarse, obtendremos un patrón de interferencia que puede traducirse en un cambio en la intensidad del haz original. Haz original Camino 1 Camino 2 Haz final Fig. 3: Interferometro Mach-Zender. Los biosensores basados en interferómetros de esta clasese construyen haciendo crecer con Silicio una guía de ondas con la estructura del Mach-Zender sobre un cierto sustrato y anclando en uno de los brazos la sustancia receptora (fig. 4). Cuando, tras hacer pasar luz por el interior de la guía, tiene lugar una reacción de reconocimiento molecular en la rama sensora del interferómetro se produce un cambio de fase entre las Isagogé, 1 (2004) 23 dos ramas, que se detecta como un cambio en el patrón de interferencia. La intensidad de este patrón dependerá, entre otras cosas, del incremento de masa en la rama de medida y será función de la concentración del analito en el medio. Obtenemos, así, un sensor directo y rápido para determinar cualquier sustancia de la que se disponga su molécula complementaria. Sustrato Guia Zona sensora Sustrato Guia Zona sensora Fig. 4. Vista superior y lateral del biosensor interferometrico. Conclusiones Las técnicas de análisis de laboratorio más habituales, ya sean de contaminantes químicos o sustancias biológicas, son generalmente tediosas e indirectas. Contar con dispositivos de alta sensibilidad, portátiles y de medición directa supondría un ahorro de tiempo y costes. Combinando componentes ópticos y microelectrónicos con materiales biológicos, es posible desarrollar biosensores basados en la tecnologías como la del silicio. En ellos la vida y la microelectrónica se alían para servir de base a unos dispositivos con múltiples aplicaciones, ya que cambiando la parte biológica pueden medir desde contaminantes ambientales hasta variaciones genéticas o contaminaciones en alimentos. Análisis directos e inmediatos sobre pequeñas muestras son las principales ventajas que ofrecen los últimos biosensores desarrollados. De este modo, estamos ante un dispositivo muy potente que permite la detección de manera selectiva, directa (sin marcadores) y rápida (de segundos a minutos).
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