INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA División de Estudios de Posgrado e Investigación “...
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA División de Estudios de Posgrado e Investigación División de Estudios de Posgrado e Investigación “ “ Biosensores: Introduccion y Principios Biosensores: Introduccion y Principios Electroquimicos basicos” Electroquimicos basicos” Alumno: Juan Ignacio Nevárez Santana Docente: MC. José Rivera Mejia CHIHUAHUA, CHIH. Lunes 7 Jueves 10 de Noviembre, 2005 UNIDAD IV 4.2 Sensores Emergentes
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUAINSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUADivisión de Estudios de Posgrado e InvestigaciónDivisión de Estudios de Posgrado e Investigación
“ “ Biosensores: Introduccion y Principios Biosensores: Introduccion y Principios Electroquimicos basicos”Electroquimicos basicos”
Alumno:
Juan Ignacio Nevárez Santana
Docente:
MC. José Rivera MejiaCHIHUAHUA, CHIH.
Lunes 7
Jueves 10 de Noviembre, 2005
UNIDAD IV
4.2 Sensores Emergentes
CONTENIDOCONTENIDO
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Biosensor ¿qué es?
1 INTRODUCCION.
1.1 Antecedentes Historicos
1.2 Aplicaciones recientes de electrodos de metales nobles.
1.3 Métodos ópticos
1.4 Características ideales de los biosensor
1.5 Sistemas de Medición Ideales2 Principios Electroquímicos Básicos.
2.1 Células electroquímicas
2.2 Reacciones REDOX
2.3 Voltaje y Corriente de condiciones estándar
2.4 Voltamogramo de estado estable.
2.5 Respuesta transitoria
2.6 Respuesta Potenciostatica 2.7 Respuesta Galvanostatica 2.8 Respuesta Coulostatica
Biosensor ¿qué es?Biosensor ¿qué es?
Dispositivo de medición que contiene Dispositivo de medición que contiene un elemento biológico.un elemento biológico.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Figura 1.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
La tarjeta
analítica se
introduce en
el m
edio exterior.
La m
embrana
externa debe de ser perm
eable a la parte
analítica y
si es
posible excluir
otras especies
químicas
a las
que el
sensor pueda
ser sensible.
El
elemento
biológico interactúa
con la
tarjeta analítica
y responde
de alguna m
anera que pueda ser
detectado por
el transductor.
Puede
convertir el
substrato en
otras especies químicas a
través de
reacciones bioquím
icas; produce
o realiza
otros
productos quím
icos en
respuesta al
estimulo
del analizador;
cambia
sus propiedades
ópticas, eléctricas
o m
ecánicas.
La señal
de salida
depende de
el tipo
de transductor usado.
...Biosensor ¿qué es?
Princip
io G
eneral
de un biosensor: La tarjeta analitica (concentrado del susbtrato) es reconocida por
el elem
ento biológico creando
un estim
ulo
al transductor el
cual produce
una señal m
edible.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Uno de los m
ejores logros de nuestra era m
oderna fue el descubrimiento de la acidez y base
en el área de la química y el desarrollo de la
electroquímica m
oderna.
Acid
ez-Base (p
H):
Sore
nson (1909)- Determ
ina la concentración del ion del
Hidrogen
o (H
+),
define el
concepto
de pH
y
estandariza la escala. Investiga sobre el efecto de
l pH
en índices de hidrólisis enzim
atica .
C
oncepto de
diferencias de
potencial electroquím
ico
debido
a las
reaccion
es de
red
ucción
y oxidación
(RE
DO
X).
Sistem
a de electrodo de
hidrogeno
de ga
s (H2)- F
ue el
estándar de medicione
s electroquimicas.
Mich
aelis y Davidoff (19
12)- Usan un ele
ctrodo d
e Pt/H
2
para m
edir el pH de celulas de sangre
Mich
aelis y Kra
msztyk (1914)- M
iden pH (con
el método
anterior) e
n huesos m
amíferos después de disección.
B
uytendijk (192
7)- F
ue
el prim
ero
en
usar un
m
etal só
lido
(antimonio) com
o electrodo para m
edir el pH pa
ra prop
ósitos médicos.
1.1
Antecedentes
Históricos
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Hoy
la m
edición del
pH
en la
sangre es vital y es
una de
las m
ediciones rutinarias.
Juega un
papel im
portante el
H+
en
la respiración
y el metabolism
o y
aun quedan
muchas
cuestiones acerca
de la
regulación del
balance ácido-
base en
nuestro organism
o, organism
os individuales
y en
niveles celulares.
Existen
muchos
nuevos tipos
de sensores
de pH
en
desarrollo usando diferentes tipos
de tecnologías.
1.1 Antecedentes Históricos
...Acid
ez-Base
(pH
)
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
Heyrovsky
(1922)- D
esarrollo un
sensor para la medición de potenciales
de oxidación
y reducción
para un
numero de diferentes especies quím
icas llam
ado Electrodo de gota de m
ercurio polarografico. E
n 1959 gana el premio
Nobel.
M
uller y
Baum
berger (1935)-
Midieron O
2 en fluidos biológicos siendo
estas mas exactas. E
ncontraron que la presión parcial P
O2 en fluidos puede ser
de +-1%
de exactitud en el rango de 10-3
para una atmósfera.
B
aumberger
(1938)- D
etermino
curva de equilibrio de la oxihemoglobina
de O2. F
ue el primero en m
edir el PO
2 en la piel.
P
etering y
Daniels
(1938)- M
idieron el índice de consumo de O
2 en algas, levadura y células de sangre.
Beecher (1942)- U
so este sensor clínicam
ente.
1.1 Antecedentes Históricos
Ele
ctroq
ui
mic
a mo
der
na:
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI A
quí se desarrollo los sensores de O2.
Daneel (1897)- Investigo la corriente generada
entre los dos electrodos de Pt con una diferencia
de potencial sostenida de 20 mV
. Encontró que la
corriente es lineal en concentraciones de O2, pero
inestable lo
que ocasiona
dificultades para
las m
ediciones biológicas.
Glasstone (1931)- Investigo el uso de electrodos
de P
t para
las m
ediciones de
polarografia encontrando favorables resultados.
Blinks y S
kow (1938)- R
eemplazo el electrodo de
gota de mercurio con electrodos de P
t. Encontraron
una corriente-voltaje para O2 en la polarización de
un rango de voltaje entre -0.3 a –0.7 V (cátodo
de P
t negativo
relativo al
ánodo). F
ueron los
primeros en dem
ostrar que la corriente limite a un
voltaje constante es lineal con concentraciones de O
2 de 0 a 99.5% de O
2 y que el cátodo tiene un
tiempo de respuesta m
enor a 1 segundo.
Davies
y B
rink (1942)-
Desarrollaron
el prim
er m
icroelectrodo de O2. P
ero este sufría de perdida
de sensitividad
cuando se
exponía a
sangre y
huesos.
Clark
(1956)- M
odifico lo
anterior asilando
físicamente el cátodo de el de el m
edio de medición
y permitió el crecim
iento rápido de aplicaciones de biosensores.
1.2
A
pli
cac
io
ne
s
rec
ie
nt
es
de
e
lec
trod
os
d
e
met
ale
s
no
bles
.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
En los años de 1800's se desarrollo
el principio d
e usar un diferencia
l de
varillas duale
s en
espectrofotome
tría .
Este
principio fue
aplicado pa
ra
medicione
s bioló
gicas.
Britton
Ch
ance (1991)-
Gran
desarrollador de la óptica m
oderna,
especialmente
en la
espectrofotome
tría para
la m
edición de
huesos.
Grande
s avances
electrónicos duran
te la
segunda
guerra
mun
dial aplicados
a instrum
entación óptica
(Universida
d de P
ennsylvania ).
Tam
bién
se
desa
rrollaron
dispositivos d
e m
últiples canales
para el ra
streo simultaneo de m
as de
una lon
gitud de onda .
Un
am
plio rango
de m
étodos
ópticos han llegado a
ser aceptados para
m
ediciones
biofísicas
y bioq
uímicas. E
stas técnicas han sido ado
ptadas
para
el uso
de
transductores óptico
s en
biosensores.
1.3
Métodos
ópticos
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4
Características ideales
de los
biosensor
1.4.1 Sen
sitividad
1.4.2 Calib
ración
1.4.3 Lin
ealidad
1.4.4 Lim
ite de D
etección
1.4.5 Señ
al de fo
nd
o
1.4.6 Histéresis
1.4.7 T
end
encia
y estab
ilidad
a
largo
p
lazo
1.4.8 Selectivid
ad (In
terferencia)
1.4.9 Resp
uesta D
inám
ica
1.4.10 Mem
bran
a Plan
ar
1.4.11 Mem
bran
a Esférica
1.4.12 Flu
jo S
ensitivo
1.4.13 Dep
end
encia d
e Tem
peratu
ra
1.4.14 Relació
n S
eñal-R
uid
o
1.4.15 Tiem
po
de vid
a
1.4.16 Bio
com
patib
ilidad
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r1.4.1 S
ensitivid
ad
Se define
como:
Cam
bio en la m
agnitud de
estado estable
de la
salida del biosensor con respecto
a el
cambio
en la
concentración de una especie de quím
ico especifico (Δ
S/Δ
C).
Figura 2
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPIA
lgunos tipos de biosensores sus mediciones
están basadas en su respuesta dinámica. S
u sensitividad
puede ser
definida com
o el
cambio
en la
señal con
el tiem
po para
un cam
bio en la concentración (ΔS
/Δt/Δ
C).
Factores
que determ
inan la
sensitividad efectiva de un biosensor dado para una tarjeta analítica incluyen:
Tam
año físico de el sensor
Grosor de las m
embranas
Resultado de el transporte de m
asa de la especie quím
ica de la muestra para la región
sensada.
Idealmente
, la
sensitividad debería
permanecer constante durante su tiem
po de vida y debería ser suficientem
ente alta para perm
itir mediciones convenientes de la señal
de salida del transductor con instrumentación
electrónica.
...Sen
sitivida
d
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4.2 Calib
ración
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Idealmente
debe ser
fácilmente
calibrado sim
plemente
por la
exposición a
soluciones estándares
preparadas o
gases conteniendo diferentes concentraciones de la tarjeta analítica.
La curva
de calibración
no requiere
de m
uchos puntos
de datos para poder obtener la sensitividad especialm
ente si se conoce la operación del biosensor.
Los puntos
de calibración
deben soportar
el rango
de valores
que serán
medidos.
Idealmente
se calibra
una sola
vez para
determinar
la sensitividad
pero en
la practica
es necesario
hacer calibraciones periódicas para caracterizar
la sensitividad
con el tiempo.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
1.4.3 Lin
ealidad
Un
biosensor perfectam
ente lineal
tendrá una
sensitividad constante sobre el rango de concentración de cero a
el m
áximo
de concentración
del substrato que pueda ser físicam
ente disuelto en el m
edio (donde se lleva la m
edición). P
ero en
la practica,
la región
de linealidad
se restringe
a un rango estrecho de el substrato
de la
concentración . La curva de calibración puede ser obtenida
con suficiente
exactitud para interpretar la señal del biosensor.
Algunos
biosensores tienen
sensitividad sem
i-logarítm
ica (ΔS
/ Δ lnC
) y pueden
ser predictivos
para los
principios quím
icos en
los que
estén operando.
Se
pueden linealizar
fácilmente graficando una
nueva escala
semi-
logarítmica.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
...Lin
ealida
d
Figura 2
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
1.4.4 Lim
ite de D
etección
Es el lim
ite m
as bajo
de concentración
de substrato que puede ser detectado por
el biosensor .
Correspon
de a
la reso
lució
n.
(implicand
o tam
bién la resolución del instrum
ento electrónico).
1.4.5 Señ
al de
fon
do
La señal del biosensor usualm
ente tiene
un nivel de fondo el cual puede
ser restado.
Esta
señal puede
determinar el lim
ite de detección
de un
biosensor el
cual es
difícil de
determinar
exactamente.
Se
puede producir
debido a:
C
orrientes de
fuga. D
iferencias de
potencial pequeño
en el
instrumento
de m
edición.
Factores
electroquímicos
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
No
es ruid
o eléctrico
Sistem
as lineales
S =
Sm
edición – Sfondo
Sistem
as semi-logarítm
icos
Se
asume
que la
señal de
fondo perm
anece constante
con los
cambios
de la
señal del
biosensor.
...Señ
al de
fon
do
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Un sensor ideal no se ve afectado por su paso de
mediciones
anteriores lo
que equivale
a cero
histéresis.
¿P
or que se puede dar? A
bsorción de energía en el proceso.C
ambios en el am
biente químico local durante la
medición.
Ejem
plo
:
Una m
edición hecha de una concentración analítica alta puede ser acom
pañada por un cambio de pH
en la solución electrolito del sensor . S
i el pH no fue
calibrado correctam
ente en
esta solución,
la siguiente m
edición de una concentración analítica baja será afectada. E
ste puede ser un problema
con biosensores basados en enzimas debido a que
la actividad enzimático es fuertem
ente dependiente del pH
.
1.4.6
Histéresis
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Idealmente
un biosensor
tiene sensitividad
constante pero
hay m
uchos factores
que pueden reducirla com
o:
Form
ación de oxido en el electrodo
Envenenam
iento por
absorción directa
de proteínas
o de
otros substratos
químicos
en la
mem
brana o
en la
superficie del sensor.
Para
esto se
requiere calib
rar p
eriód
icamen
te.
1.4.7
Ten
den
cia y
estab
ilidad
a larg
o
plazo
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Idealmente
un biosensor
solo respondería
a cam
bios en
la concentración de
la tarjeta
analítica y
no seria influenciado por
la presencia
de otras
especies quím
icas. D
e otra
forma,
lecturas falsas
para la
concentración analítica serian obtenidas
si realm
ente la
concentración de
la interferencia de
las especies estén cam
biando. S
i no
es posible
controlar la
concentración de
la interferencia de
estas especies
es necesario m
edir con otro tipo
de transductor quím
ico para
poder corregir
la señal
del biosensor.
1.4. 8
Sele
ctivid
ad
(Inte
rferen
cia).
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
El
tamañ
o
y las
pro
pied
ades
físicas del
sensor determ
inan que
tan rápido
responderá a
un cam
bio en
la concentración
de la tarjeta analítica que m
ide.
El
principal m
ecanismo
es usualm
ente la
difusión sim
ple de
las especies
químicas
de la
muestra
para la
activación de
la superficie
del transductor.
Este
tipo de
respuesta es
frecuentemente
referida com
o dependiente
en un
proceso de
difusión limitado.
1.4. 9
Res
pu
esta
din
ám
ica
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Existen
muchas
soluciones analíticas para los biosensores que pueden ser derivadas de m
odelos teóricos con diferentes geom
etrías y
condiciones de
simples
limites.
Por ejem
plo, para unos electrodos largos
se pueden
modelar
frecuentemente
como
elementos
planares cubiertos con una simple
mem
brana uniform
e de
fino grosor .
El tiem
po de respuesta para una señal
f(t) cam
biando de
un valor
inicial fo a un valor final f1 seguido de
un cam
bio escalón
en
la concentración de el substrato en la superficie
exterior esta
dada por
una solución de serie infinita:
Donde el tiem
po efectivo de factor de escala puede ser definido com
o
1.4. 10 M
em
br
ana
Planar
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
La respuesta dinám
ica
de una m
embr
ana planar es m
ostrada
en la figura 3
en función
del tiem
po (t/T
eff ) siguiendo
un repentino incremento
o decrem
ento (un cam
bio escalón)
en el substrato
de la superficie
de la m
embr
ana exterior.
...Me
mb
ran
a P
lanar
Figura 3
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Sim
ilarmente
se puede m
odelar una solución analítica a
través de
una difusión de
una m
embran
a uniforme
en coordenadas esféricas.
Este
modelo
es usado
con frecuencia
para m
icroelectrodos donde
el tipo de el sensor es m
uy pequeño com
parado con el m
edio externo de m
edición.
1.4.11 M
em
br
ana
Esfé
rica
Donde :
dm=
diámetro
de la
mem
brana
do=
diámetro
del electrodo
y L=dm
-do
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1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
...Membrana Esférica
Figura 4
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
En algunas situaciones
el transporte
convectivo de
el substrato
para la
mem
brana exterior
de el
sensor puede
ser im
portante. T
ales procesos
son frecuentem
ente referenciados
como
flujo limitado.
Generalm
ente el
tiempo
de respuesta
decrementara
conforme
el flujo
y el
transporte convectivo
se increm
entan. U
n flujo
turbulento bajo
algunas condiciones
podría lograr un mayor
tiempo de respuesta.
Un
biosensor que
no esta
operando en
modo
de difusión
limitada
puede ser
propenso a errores en la m
edición cuando el fluido se increm
enta.
1.4.12 F
luj
o
sensitivo
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Todas
las propiedades
físicas usadas
en la
construcción de
los biosensores son variantes a la tem
peratura. P
or ejem
plo los
rangos de
reacciones enzim
acatalizadores son muy
dependientes a la temperatura.
El
calor puede
producir algunas reacciones las cuales cam
biarían la temperatura del
biosensor.
Es
usual restringir
las m
ediciones a
condiciones isotérm
icas utilizando
circulación de baños de agua regulados term
ostaticamente y
también
bloques m
etálicos calentados eléctricam
ente.
1.4.13 D
epen
den
cia d
e T
emp
eratu
ra
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Se
presenta ruido electrom
agnético especialm
ente de 60 H
z de la línea
de alim
entación y
puede ser
reducido por
medio
de blindaje (sh
ield)
en el
biosensor y tam
bién en el ánodo y cátodo.
Cuando se m
ide la
corriente la
mayor
contribución de
ruido es
el denom
inado ruido
Johnson debido
a el
movim
iento aleatorio
de los
electrones en el circuito
de retroalim
entación
(del m
ultimetro).
Entonces
la relación
S/
N
puede ser:
1.4.14 R
elació
n
Señ
al-R
ui
do
Donde:
Rf=
resistencia del
ampl.
de retroalim
entación
k =
cte
de B
oltzmannT
=
Tem
p. Kelvin
fo=
Frecuencia
de corte
del am
pl.
Est
a relación se puede reducir dism
inuyendo la frecuencia de corte del am
plificador
o pasando
la salida a través de filtros digitales.
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1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Importante
propiedad es
la cantidad
de tiem
po que
puede perm
anecer sensible
bajo condiciones normales.
Esta depende de:
Num
ero total de mediciones hechas.
Magnitud
de las
concentraciones analíticas m
edidas.
Especies
químicas
que desactiven
el proceso.
Concentraciones m
uy altas pueden causar una perdida m
as rápida.
Otra propiedad es la cantidad de tiem
po que
puede ser
almacenado
el biosensor
cuando no se usa (refrigeración, químicos
específicos, etc. )
1.4.15 T
iem
po
d
e vid
a
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.4 Ca
racterística
s ideales d
e lo
s
bio
senso
r
Este
tema
es exclusivo
para biosensores de uso m
edico.
Se
refiere a
biosensores que
son im
plantados en el cuerpo humano:
En células de sangre
Huesos
Varios órganos
Necesidad de:
Desarrollo de biom
ateriales.
Agentes farm
acéuticos.
Esterilización de dispositivos.
1.4.16 Biocompatibilidad
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1.5
Sistemas
de
Medición Ideales
1.5.1 Co
ntacto
D
irecto
1.5.2 C
om
partim
iento
C
errado
1.5.3 Inyecció
n
del flu
jo
analítico
1.5.4 Med
ición
D
iferencial
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.5 Sistem
as d
e med
ición
id
eales
Es
el m
étodo m
as sim
ple y
consiste en tener el biosensor probando
directamente
en contacto
con el
medio
biológico.
Algunas condiciones :
No
debe de
alterar el
ambiente
químico
de ningún
modo.
Para
fluidos puede
ser inm
erso en
la
muestra.
No
debería de ser influenciado por la velocidad del fluido.
En inserción de células vivas
y huesos no debería de dañar la m
uestra biológica.
Se debe de tom
ar en cuenta la biocom
patibilidad.
1.5.1 Contacto
Directo
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.5 Sistem
as d
e med
ición
id
eales
Cuando
no es
posible colocar
el probador
directamente
en la
muestra,
es necesario
remover e inyectarla en un
compartim
iento cerrado.
Características:
Es
un m
étodo discretizado.
La tem
peratura del
compartim
iento y
la m
uestra es
controlada fácilm
ente.
Para estas m
ediciones el tiem
po de
respuesta no
necesariamente
debe de
ser rápido.1.5.2 Compartimiento
Cerrado
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.5 Sistem
as d
e med
ición
id
eales
A veces es conveniente tener
un flujo a través del sistema en
el cual
muestras
pequeñas puedan ser inyectadas.
Características:
Rápido tiem
po de respuesta.
En
algunas aplicaciones
es necesario
el m
onitoreo continuo
de m
uestras biológicas.
No contam
ina la biomuestra
si esta
necesita regresar
al m
edio.
Pueden ser inyectadas otras
especies quím
icas para
provocar respuestas
bioquímicas del biom
aterial. 1.5.3 Inyección
del flujo
analítico
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
1.5 Sistem
as d
e med
ición
id
eales
Figura 5
Cámara Cerrada De flujo
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1.5 Sistem
as d
e med
ición
id
eales
Este m
étodo agrega un
segundo transductor
que es
sensitivo a especies quím
icas comunes y
no sensible
a el
analítico. E
s usado
en m
uchos biosensores em
pleado las
diferentes tecnologías
de transductancia.
Este
segundo transductor
elimina
de la señal medida
una señal
llamada
línea de base la cual se genera debido a la
presencia de
especies quím
icas que
también
son usadas
o producidas
por el
elemento biológico.
1.5.4 Medición
diferencial
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2. Princip
ios E
lectroquí
micos Básicos
2.1 Célu
las electroq
uím
icas
2.2 Reaccio
nes R
ED
OX
2.3 Vo
ltaje y Co
rriente d
e con
dicio
nes
estánd
ar
2.4 Vo
ltamo
gram
o d
e estado
estable.
2.5 Resp
uesta tran
sitoria
2.6 Resp
uesta P
oten
ciom
estatica
2.7 Resp
uesta G
alvano
statica
2.8 Resp
uesta C
ou
lostatica
2.9 Ejem
plo
s de sen
sores d
e corro
sión
po
r m
étod
os electro
qu
ímico
s.
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Consiste de un par de electrodos por
los cuales
la reacción
química
total puede
ser dividida
en reacciones
individuales para cada electrodo.
Cuando
la corriente
fluye hacia
el electrodo, se define este com
o ánodo. E
sta corriente
se asocia
con la
oxidación electroquím
ica de
la especie.
Com
plementando
el circuito,
la corriente fluye hacia el otro electrodo llam
ado cátodo y esta se asocia con la
reducción de
la especie
electroquímica.
El voltaje del proceso de oxidaciónes-
reducciones llam
ado potencial
de redox. La densidad de corriente total para
la reducción
de un
mol
del substrato por la célula es la sum
a de las densidades de corrientes anódica y catódica.
i = ia +
ic
La corriente
total I
se encuentra
multiplicando el área de la superficie
del ánodo y cátodo.
2.1 Células Electroquímicas
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Lo usual
es m
onitorear la
corriente de
un electrodo
llamándolo
a este
electrod
o
de
trabajo
y al otro se le denom
ina d
e referen
cia.
En
algunos sistem
as es conveniente tener un tercer electrodo o au
xiliar el
cual es
usado cuando
la resistencia
de la
solución que lo rodea (R
s) es muy alta. Los
microelectrodos no se
ven afectados
por esta.
...Células Electroquímicas
Figura 6
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Este
método
consiste de
aplicar un
voltaje con
el potencial redox de la tarjeta analítica
y m
edir la
corriente resultante.
Existen
diversas form
as de
onda para
la excitación del sistem
a y
las m
as usadas son voltaje lineal ram
pa u
ondas cuadradas o
la com
binación
de am
bos.
...Células Electroquímicas
Figura 7
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Limitaciones:
Electrodos
largos pueden
generar cargas
excesivas.
Microelectrodos
permiten
un m
ayor rango de escaneo . Y
una técnica alternativa
es aplicar
una form
a de
onda cuadrada
de el
especifico potencial redox
...Células Electroquímicas
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
La cinética
de una
reacción electroquím
ica es
complicada
por la
presencia de
un cam
po eléctrico. Este
no solo
afecta la
especie electroactiva
envuelta en
la reacción
si no
también
influye el
movim
iento de
otros iones en el electrolito. E
sto trae
el m
ovimiento
de energía
requerida para
el paso
del estado
transitorio y
no esta bien definida ( com
o en reacciones de prim
er orden).
Un m
étodo es asumir
que la
energía depende
de un
potencial eléctrico (E)
aplicado a
la célula
además
de la
diferencia de
potencial quím
ico entre la reacción y el producto.
Las ecuaciones
para sistem
as de
primer
orden corresponden
a:
2.2 Reacciones REDOX
Donde:
n=num
ero
de electrones transferidosF
=cte
de F
araday
R=
cte de B
oltzman
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Cuand
o la
reacción
del electrodo están en equilibrio
no existe agotam
iento o generación de especies electroactivas. P
or lo tanto no hay flujo de corriente (i=
0) entonces ic =
ia y el potencial
de equilibrio esta dado por:
2.3 Voltaje y corriente de condiciones estándar
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
...Voltaje
y
corriente
de
condiciones
estándar
Cuando
la concentración
de oxidación
y reducción son
iguales (C
ox = C
red )
el potencial estándar (E
o)
y potencial de equilibrio (E
eq) son
idénticos.
La densidad de
corriente estándar intercam
biada es
Generalm
ente las
células electroquím
icas no tienen potencial equilibrado.E
ntonces :
Eov =
E -
Eeq
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
La relación
de estado
estable entre
la corriente y el
voltaje dependen de:
G
eometría
del electrodo R
angos de
transferencia de
masa
de reactancia
y productos
de electrolito.
Reacciones
químicas
cinéticas de
la superficie
del electrodo.
2.4 Voltamogramo
de estado
estable
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Hay una variedad de técnicas de excitación
de dependencia
de tiem
pos que
pueden ser usadas para el estudio de reacciones electroquím
icas cinéticas
con los
electrodos.
Potensioesttica
Galvanoestaticos
Couloestaticos
La respuesta transitoria para un sistema de
electrodos consiste de 3 pasos:
Carga o descarga de capacitancia de la
doble capa
de las
superficies de
los electrodos.
Reacción
de oxidación-reducción
en la
superficie.
Difusión
de reacciones
químicas
y productos para y de la superficie.
2.5 Respuesta Transitoria
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Un circuito equivalente para un sistema electroquímico seria:
... Respuesta Transitoria
Figura 8
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Es
aquella en la cual se aplica un voltaje constante
en un tiem
po especifico.
O
bien, la excitación
de voltaje es cam
biada repentinam
ente (escalón
y este perm
anece) y
se m
ide la corriente total I(t). S
u grafica esta en función
del tiem
po.
2.6 Respuesta Potenciostatica [1,2]
Los experimentos potenciostaticos se pueden utilizar para m
edir voltajes y velocidades de pasivacion o repasivacion
y evaluar técnicas de protección anódica o catódica.
Figura 9
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
Es
aquella en la cual se aplica una corriente constante
I en
un tiem
po especifico (o se aplica un escalón
de corriente)
y se m
ide el voltaje E
(t). S
u grafica esta en función
del tiem
po.
2.7 Respuesta Galvanostatica [1,2]
2.8 Respuesta Coulostatica
Es
aquella en la cual una carga es inyectada para perturbar el sistem
a de electrodos.
Figura 10
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
2.9 Ejemplos de sensores de corrosión
por métodos electroquímicos [2,3]
Corrosión:D
eterioro de o desgaste de un m
aterial por
reacción con
su m
edio am
biente.
Es la causa general de la alteración y
destrucción de
la m
ayor parte
de los
materiales.
Los m
étodos electroquím
icos son
altamente
fiables y
pueden tener
un control continuo.
Las técnicas electroquímicas se pueden
dividir en
de corriente
alterna (ca)
y corriente directa
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2 Prin
cipio
s electroq
uím
icos
básico
s
...Ejemplos de sensores de corrosión
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BIB
LIOG
RA
FIA
[1] Biosensors. T
heory and Applications
Donald G
. Buerk
[2] Desarrollo de un P
rotocolo para el el M
onitoreo de la Corrosión.
Maribel G
ómez F
ranco. Tesis de
Posgrado en C
iencias en Ing. Electrónica.
1998
[3] Diseño de un sensor de corrosión de
ruido electroquímico para m
onitorear estructuras de concreto reforzado.
Dem
etrio Nieves M
endoza. Tesis de
Doctorado en C
iencias de Materiales.
2004
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA – DEPI
GRACIASSSSSSSS
!!!!!!!!!
