SENSORES QUIMICOS RED DOCENTE AIASYB2 Universidad Univer sidad Autónoma de Barcelon B arcelona, a, UAB Noviembre 2010
Contenido • Sensores Químicos – Sensores electroquímicos
• Sensores potenciométricos – – Potencial de membrana – Los diferentes sensores potenciométricos
Contenido • Sensores Químicos – Sensores electroquímicos
• Sensores potenciométricos – – Potencial de membrana – Los diferentes sensores potenciométricos
... – – – – – – –
Biosensores potenciométricos Sensores potenciométricos basados en FETs Aspectos prácticos en el trabajo con sensores potenciométricos Expresiones de trabajo Caracterización de la selectividad Actividad y concentración concentración Procedimientos y aplicaciones
• Sensores amperométricos – Electrodos modificados químicamente – Electrocatálisis
... – – – –
Preconcentración Permeación selectiva Electrodo de oxígeno Modificación química de los electrodos
• Biosensores electroquímicos – – – – – –
Biosensores asa os en enzimas Biosensores potenciométricos Biosensores amperométricos Biosensores electroquímicos basados en células Inmunosensores Genosensores
– Inmovilización de material biológico
Introducción •
Avance tecnológico – aumentar la capacidad en el manejo de la información, – control de procesos, – automatización de sistemas
•
….. la sociedad
•
Las viejas formas de medición empleadas por el hombre para entender y controlar su entorno se han beneficiado de este avance tecnológico dando paso a métodos en donde manejar y aplicar la información en tiempo real es vital.
... •
Los sensores químicos, han evolucionado convirtiéndose en parte importante de muchos sistemas de medición que recopilan información para ser procesada por nuevos sistemas.
•
En la presente década siguen sometidos a mejoras en diferentes niveles de su comportamiento y tecnología ...
•
…uso rutinario en: – aplicaciones médicas, – medio ambiente, – químicas, – agroalimentarias convirtiéndose además en dispositivos de referencia para microsensores más avanzados.
... •
Los sensores químicos están formados por: Un receptor que se encarga de reconocer selectivamente a la especie química a detectar y un transductor que se encarga de convertir la señal química en señal eléctrica.
•
ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor): transductor es un .
• • •
Los biosensores: detectar y cuantificar un analito específico. ENFET=ISFET+membrana enzimática Por lo tanto los ENFETs son considerados sensores químicos o específicamente biosensores.
Definiciones previas • •
Justificación: Clasificación: – señales que generan, – componentes electrónicos, – mo os e trans ucc n emp ea os, – aplicaciones también suele ser otra forma de clasificación – criterios biológicos en los procesos o etapas del estudio del sensor. Todo esto probablemente haya generado cierta confusión en cierta terminología relativa a lo que significa un sensor, un transductor entre otros términos.
1. Transductor – Etimológicamente transductor es una palabra que proviene del verbo latín “transducere-traducere” que significa “transferirtraducir”, de aquí podemos afirmar que un dispositivo que transfiere o traduce energía desde un sistema a otro, pudiendo ser la energía del mismo tipo u otro es denominado un TRANSDUCTOR. –
En el área de instrumentación, generalmente se suele utilizar el término transductor para señalar a aquel dispositivo que transfiere o convierte una señal de cierto tipo de energía en otra señal de otro tipo de energía. Los tipos de energía pueden ser eléctrica, mecánica, térmica, magnética, óptica.
2. Sensor – Utilizando la definición anterior podemos decir que un sensor es un transductor que convierte una señal de alguna forma específica en una señal eléctrica. Ejemplos de sensores son los sensores de presión, sensores de pH y los fototransistores.
entrada en sensores físicos y químicos. Los primeros incluyen a los sensores mecánicos, magnéticos, térmicos y ópticos
3. Actuador – Por lo tanto un actuador puede ser definido como un transductor que convierte una señal de tipo eléctrico en una señal de otra forma de energía que generalmente es energía mécanica. Ejemplo de actuadores son los solenoides dis ositivos piezoeléctricos y diodos laser.
Transductores en función de la aplicación
FISICO
QUIM
SENSORES TRANSDUCTORES DISPLA Y
ACTUA DORES
4. Display • Los displays son tipos especiales de transductores debido a que convierten una señal eléctrica en una forma “legible”. Otros , cristal líquido o arreglos de “leds”.
5. SENSOR DE ESTADO SOLIDO • El término sensor de estado sólido es utilizado para señalar que la operación del dispositivo depende de los efectos y fenómenos que se presentan en un sólido. Los sensores de presión piezoresistivos y los sensores de as con interfase sólido-electrolito son e em los tí icos de sensores de estado sólido. Existe un error generalizado al usar esta denominación para los sensores basados en silicio.
6. SENSOR INTEGRADO • Se afirma que un sensor es sensor integrado cuando la operación de sensado tiene una influencia directa sobre el silicio u otro material semiconductor de un componente electrónico. El componente electrónico uede ser un resistor un MOSFET un transistor bi olar o un capacitor. Ejemplos de este tipo de sensores son los sensores de presión piezoresistivos y los ISFETs.
7. SENSOR PLANAR • Son aquellos sensores que han sido producidos utilizando técnicas microelectrónicas pero no requieren las características intrínsicas del material semiconductor, en otras palabras el silicio es solamente un soporte para el sensor y puede en principio ser sustituido por otros materiales-so ortes. Prácticamente todos los sensores químicos realizados con técnicas microelectrónicas son sensores planares excepto los ISFETs. Por lo tanto, de manera figurativa podemos decir que los sensores integrados son realizados con silicio mientras que los sensores planares son realizados sobre el silicio.
8. SENSOR INTELIGENTE O SMART SENSOR • Si a un sensor integrado o planar le agregamos la interfase electrónica resulta un sensor inteligente o smart sensor. Lo anterior supone que por lo menos debe existir una etapa de acondicionamiento básico de señal sobre el chi ue contiene al sensor pudiendo ser esta la interfase electrónica.
Sensores químicos
R
T
Sensor y proceso analítico
Reconocimiento
•
Capa sensible
Transductor
electrónica
... • Los sensores químicos se pueden dividir en dos grandes grupos: los que tienen respuesta física directa (transductores) e indirecta. Estos últimos emiten su respuesta mediante un componente adicional de selectividad sensores de ases biosensores .
TRANSDUCTORES QUIMICOS – Los transductores químicos son un tipo de sensor que dan una respuesta directa, generalmente eléctrica u óptica, en función de un parámetro físicoquímico. • Electrodo selectivo a iones ISE • sensores amperométricos, • Transistores de efecto de campo sensibles químicamente (Chemical Field Effect Transistor, ChemFET), • sensores piezoeléctricos sensibles químicamente y • tranductores ópticos (optrodes).
TRANSDUCTORES ELECTROQUIMICOS • Son aquellos que basados en reacciones de tipo electroquímico proporcionan una señal de tipo eléctrica en función de la en la solución de estudio.
Clasificación • Los principios de transducción utilizados en los sensores químicos en general, se pueden clasificar en: • • • •
.Gravimétricos,
rm cos, .Opticos y .Electroquímicos. .
... • Los sensores gravimétricos, se basan en la medición de un cambio de masa. En este caso, los elementos detectores proporcionan una muy alta resolución y estos pueden ser: dispositivos de onda acústica superficial (SAW) o cristales piezoeléctricos. •
Para el caso de sensores térmicos, los transductores más utilizados son los termistores o dispositivos piroeléctricos. Los termistores presentan un principio de operación basado en la medición de la diferencia de temperatura debido a una reacción de tipo exotérmica o endotérmica.
... • Los sensores ópticos, utilizan el efecto de las reacciones químicas sobre fenómenos ópticos. Los detectores más conocidos son: fotodiodos, fototransistores e interferómetros .
Sensores electroquímicos • •
Los sensores electroquímicos hacen uso de las reacciones electroquímicas. El parámetro medido puede ser el potencial o conductancia entre dos electrodos o la intensidad de corriente a través de un electrodo polarizado. – Las mediciones se realizan basados en importantes principios de la química electroanalítica tales como: Potenciometría, conductimetría y amperometría. – De acuerdo al principio utilizado, se tiene el tipo de sensor.
SEÑAL ==>
GRAVIMETRICO
TERMICO
OPTICO
ELECTROQUIMICO
PARAMETRO A
Masa
temperatura
intensidad de
potencial,
MEDIR
luz,
corriente,
reflectancia, conductancia fluorescencia DETECTOR
SAW ,
termistor,
fotodiodo,
(TRANSDUCTOR)
cristales
dispositivos
SPR,
piezoeléctricos
piroeléctricos
sensores de gas,
sensores de
sensores de
enzima
O2, sensores
APLICACIONES
inmunosensores
interferómetro
electrodos de metal no e, ISFETs ISEs, sensores de glucosa,
de enzima, electrodos de pH sensores de afinidad
TABLA I.1: Principios
de transducción en sensores químicos
Algunas aplicaciones • 1. Instrumentación analítica – Equipos analíticos sofisticados y grandes vs. Dispositivos sensores simples y pequeños
. proceso químico: OFF LINE; AT LINE; ON LINE; IN LINE.
Sensores e instrumentación analítica: OFFLINE; AT-LINE;ON-LINE;IN-LINE
OFF LINE
LAB
... • 3. Aplicaciones médicas – Consultas regulares: colesterol, aminoacidos… – Salas de emergencia – – Lab en casa: uso del paciente, glucosa
... • 4. Procesos biotecnológicos en las industrias alimentarias y de bebidas; industrias farmacéuticas(sulfitos, colesterol, glutamate, alcohol, acidos L-amino, lactatos, glucosa, ácido acético, tyrosina, oxalato, monoamine, pH y otros. • Principales áreas: monitorización de componentes activos y productos de una fermentación.
• Análisis de polulantes y contaminantes microbianos.
Aspectos comerciales • Desarrollo de un producto – I+D – Test del prototipo – pruebas intensas en el campo
– mercadeo – distribución – redes de servicio
• Propiedades del mercadeo • Comportamiento: performance de acuerdo a aplicaciones particulares
• Tvida: >= 18 meses • h
• fabricación: preod. en masa es deseable
• componentes • precios: <1usd/analisis
BIOSENSORES POTENCIOMETRICOS • Es un sensor que presenta un elemento biológico como elemento de reconocimiento y ofrece un potencial .
Cuál es el papel del elemento biológico? • Los elementos biológicos que pueden utilizarse son: enzimas, tejidos, celulas,..
• Se aprovecha la gran especificidad que tienen correspondiente.
Cómo se produce la detección? • Considerando un biosensor enzimático: • Se presentan dos aspectos: la reacción enzimática y la detección potenciométrica
• Se entiende que la sustancia a detectar es conocida y por tanto se ha escogido adecuadamente la enzima
... • Por tanto en una primera fase, se produce la reacción enzimática entre el ión primario ubicado en la sustancia o substrato y la “ ” el sensor potenciométricos.
