Luis Eduardo Ceballos-Camargo,
Rosa Idalia Narro Céspedes,
José Sandoval Cortés
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CienciaCierta #39, Julio – Septiembre 2014
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La glucosa, de fórmula C6H12O6, es un hidrato de carbono de gran importancia, esencial para la vida de los organismos, ya que proporciona energía a las células y establece el nivel de azúcar en la sangre, esto debido a su alto contenido energético.
¿Por qué medir?
Los seres humanos obtienen glucosa mediante la ingesta de alimentos ricos en ella. Después de haber sido digerida, pasa al torrente sanguíneo y lleva la energía a todas las células del cuerpo. Es importante medir los niveles de glucosa en sangre debido a que pueden existir graves problemas relacionados con su metabolismo en el organismo, esto se manifiesta en enfermedades como la diabetes mellitus. Este padecimiento es un problema de salud pública y se caracteriza por altos niveles de azú-car en la sangre. Algunas de las complicaciones de la diabetes son el alto riesgo de ata-ques al corazón, fallas en los riñones y ceguera [1]. También existen complicaciones cuando el nivel de glucosa es bajo en la sangre, el nivel normal es de 80 hasta 100 mili-gramos por decilitro [2]. Cuando es superior se dice que hay hiperglucemia, y cuando es inferior hipoglucemia, ambas pueden provocar problemas graves de salud e incluso la muerte. Las complicaciones que se presentan debido a niveles anormales de gluco-sa se pueden reducir si se lleva un control sistemático de los niveles de ésta en el pa-ciente. Por ello es importante que se realicen un mayor número de investigaciones que conduzcan a mejorar los sensores de glucosa. Esto permitirá realizar mediciones rápidas, eficientes y de bajo costo, con el fin de tener un mejor control diario que permitan una correcta toma de decisiones [3].
Biosensores
En la actualidad, la utilización de biosensores para resolver los problemas analíticos y de salud es una de las tendencias más claras de la química analítica moderna. Depen-diendo de su funcionamiento existe una gran variedad de sensores, se clasifican en ópticos, acústicos y electroquímicos [4]. Se suelen preferir los biosensores electro-químicos para medir glucosa, debido a su bajo costo, simplicidad y selectividad.
Los sensores en general se componen de tres partes [5]: el sensor biológico, que es un elemento que puede ser tomado de la naturaleza o ser un producto de la biología sintética; el transductor que consiste en un electrodo que traduce la señal emitida por el sen-sor y el detector que da la respuesta a la señal y que puede ser óptico, acústico o electroquímico. Se dice que se tiene un biosensor cuando el elemento de reco-nocimiento es tomado de la naturaleza y consiste en un elemento biológico, como enzimas, células, anti-cuerpos o fragmentos de ADN, etc.
Esto se hace con el propósito de hacer que el sensor mida selectivamente el compuesto deseado. En la figura 1 se muestra un esquema típico de cómo funciona un biosensor.
La acción de un buen biosensor está deter-minada por un gran número de parámetros, entre los cuales están la capacidad que tenga el elemento biológico de unirse al sustrato, así como la tasa de con-versión de éste; en el trasductor, que la tasa de conversión del producto con respecto a la reacción biológica producida, sea eficiente, así como la efectiva regeneración del sistema; y, por último, los paráme-tros de difusión tales como la difusión del sustrato al centro activo del elemento biológico y la difusión del producto al sistema electroquímico [7].
El elemento biológico
En la determinación de glucosa se utiliza como elemento biológico la enzima glucosa oxidasa (GOx), la cual cataliza la reacción en la que se transforman la glucosa y el oxígeno, figura 2, que son gluconolactona y peróxido de hidrógeno respectivamente. La primera en presencia de agua reacciona para formar ácido glucónico. Posteriormente, el peróxido de hidrógeno se oxida y se mide la corriente eléctrica producida durante la reacción. En los biosensores electro-químicos es a través de la corriente eléctrica que se mide la concentración de la glucosa.
Nanotecnología y modificación de electrodos
La nanotecnología puede definirse como la creación de materiales que se encuentran dentro de una escala entre 1 y 100 nm. Estos materiales están adquiriendo gran importancia en la fabricación de biosensores debido a que sus propiedades se pueden ajustar a las necesidades del sistema. Entre las ventajas más importantes para utilizar las nanopartículas en los biosensores, encontramos que disminuyen la dista-ncia entre el elemento biológico y el electrodo debido a su tamaño tan pequeño y, además, porque la corriente eléctrica producida durante una reacción electroquímica depende de la superficie de contacto entre las sustancias y el electrodo, y al ser éstas tan pequeñas aumenta la relación superficie/volumen y por lo tanto hay mejor contacto entre el electrodo y las sustancias [9]. Los nanomateriales se utilizan princi-palmente para modificar electrodos y así incrementar la respuesta obtenida, también para ayudar a fijar el elemento biológico sobre la superficie de un biosensor. Los nanomateriales más utilizados son las nanopartículas metálicas (como Pt y Zn) y los nanotubos de carbono (NTC).
Los NTC consisten en láminas de átomos de carbono, unidos mediante enlaces dobles conju-gados, enrolladas sobre sí mismas en forma de cilindro. Cuando se tiene un solo cilindro de átomos de carbono se dice que se tienen nanotubos de carbono de pared sencilla (NTCPS), y cuando se tienen cilindros concéntricos de átomos de carbono se dice que se tienen nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM) [10]. Gracias a este arreglo es que los nanotubos tienen una gran proporción largo/diámetro, la cual les da una gran relación superficie/volumen y los hace ideales para transferir electrones en una dirección como buenos conduc-tores de la electricidad. Además, los NTC son utili-zados por sus excelentes propiedades mecánicas, eléc-tricas, químicas y estructurales, y por su espacio hueco que permite alojar moléculas [11, 12]. Sin embargo, para modificar un electrodo con NTC es necesario que éstos se encuentren dispersos uniformemente sobre la superficie del electrodo, lo cual es una tarea difícil ya que los NTC no se disuelven en agua, sin embargo se pueden dispersar en ella empleando dife-rentes tipos de polímeros catiónicos, aniónicos y neutros.
Los polímeros catiónicos no siempre son buenos agentes dispersantes puesto que forman aglomerados, lo cual no es deseable para crear un biosensor. Los polímeros neutros ayudan a la dispersión pero requieren una mayor cantidad de energía que los aniónicos. Estos últimos son los que pueden lograr una óptima dispersión de los NTC en agua y la separación de estos entre sí.
Desarrollos recientes de biosensores de glucosa
Como ejemplo de un biosensor basado en NTC y glucosa oxidasa tenemos el trabajo de Jalit y colabo-radores [13], que lograron dispersar NTC en agua utilizando polilisina (Plys) como agente dispersante para modificar un electrodo de carbón vítreo (ECV). Se pulió el electrodo en soluciones de alúmina. Lo siguiente fue agregar una gota de la dispersión de NTC-Plys en agua sobre la superficie del electrodo para después permitir la evaporación del solvente, y de esta manera lograr modificarlo. Luego, para incluir a la GOx en el arreglo, se sumergió el electrodo modi-ficado en una solución de GOx y luego se dejó que ésta se adsorbiera gracias a los NTC. Para lograr una mejor respuesta se alternaron los pasos para agregar NTC y GOx, obteniendo así un sistema multicapas, lo cual ayudó a incrementar la sensibilidad del biosensor.
En el trabajo de Wang y colaboradores [14] se utilizaron NTC en conjunto con nanopartículas de platino (Pt debido a que éstas no contaminan al electrodo y le permiten la aplicación como biosensor. Primeramente se pulió un electrodo de carbón vítreo con soluciones de alúmina. Luego se agregó una gota con la dispersión NTC-Pt sobre la superficie del elec-trodo y se permitió la evaporación del solvente. Des-pués se agregó una gota de solución de glucosa oxi-dasa. Finalmente se adicionó Nafion para prevenir la pérdida de enzima al contacto con el medio en el que se desea medir la glucosa, así como para ayudar a eliminar interferencias.
Fulati y colaboradores [15] elaboraron un bio-sensor de glucosa basado en nano-hojuelas de óxido de zinc (ZnO). Éste se desarrolló con el propósito de que sea intracelular, ya que se está buscando el moni-toreo continuo de la glucosa a lo largo del día. Se utilizó ZnO porque no es tóxico y es compatible con elementos biológicos, y por la alta tasa de transfe-rencia de electrones. El electrodo se fabricó haciendo crecer ZnO sobre aluminio. Luego se sumergió en so-luciones de GOx y finalmente se cubrió con Nafion. Las mediciones que se realizaron fueron consistentes por lo cual se demostró que el biosensor es confiable y estable.
También es posible utilizar otra enzima, la glu-cosa deshidrogenasa (GDH), la cual transforma la glucosa en gluconolactona sin la necesidad de oxí-geno. Utilizando esta enzima Hoshino y colabora-dores [16]. desarrollaron un biosensor de la siguiente manera: se pone un electrodo de oro (Au) sobre una superficie de vidrio, luego se recubre con una capa de acetonitrio polimerizado por plasma, después se agre-ga una dispersión de NTC en etanol y se permite la evaporación del solvente; se da un tratamiento con plasma de nitrógeno, se coloca la enzima GDH junto con un mediador (fenotiazina FT) que permite la transferencia de electrones desde la glucosa hacia el electrodo para, finalmente, agregar una segunda capa de acetonitrilo polimerizado por plasma. El producto obtenido permite una buena cuantificación de gluco-sa y además la utilización de plasma como tecnología que genera comunicación entre la enzima y los NTC.
Conclusiones
Se puede concluir que la utilización de nuevas herramientas y tecnologías están induciendo la obtención de biosensores electroquímicos más pequeños, selectivos, económicos y confiables. Las principales variantes innovadoras son la utilización de distintos tipos de nanopartículas metálicas para modificar a los electrodos, la forma de agregar la enzima al sistema y los recubrimientos para la protección de éste. El desarrollo de este tipo de biosensores que ayudan al control de azúcar en la sangre es una interesante área de oportunidad en innovación y desarrollo tecnológico.
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Referencias bibliográficas
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2. Jia, W.-Z., K. Wang, and X.-H. Xia, Elimination of electrochemical interferences in glucose biosensors. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2010. 29(4): p. 306-318.
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7. Puida, M., F. Ivanauskas, and V. Laurinavičius, Mathematical modeling of the action of biosensor possessing variable parameters. Journal of Mathematical Chemistry, 2009. 47(1): p. 191-200.
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11. Rivas, G.A., et al., Carbon nanotubes for electrochemical biosensing. Talanta, 2007. 74(3): p. 291-307.
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13. Jalit, Y., et al., Glassy Carbon Electrodes Modified with Multiwall Carbon Nanotubes Dispersed in Polylysine. Electroanalysis, 2008. 20(15): p. 1623-1631.
14. Wang, C.Y., et al., The construction of glucose biosensor based on platinum nanoclusters-multiwalled carbon nanotubes nanocomposites. Appl Biochem Biotechnol, 2012. 166(4): p. 889-902.
15. Fulati, A., et al., An intracellular glucose biosensor based on nanoflake ZnO. Sensors and Actuators B: Chemical, 2010. 150(2): p. 673-680.
16. Hoshino, T., S. Sekiguchi, and H. Muguruma, Amperometric biosensor based on multilayer containing carbon nanotube, plasma-polymerized film, electron transfer mediator phenothiazine, and glucose dehydrogenase. Bioelectrochemistry, 2012. 84: p. 1-5.
