Sensores Químicos

INTRODUCCION Se tiene como objetivo primordial del presente trabajo dar una visión de conjunto sobre el estado del arte de los sensores químicos y biosensores, los cuales permiten la determinación "in situ" y con elevada sensibilidad de una gran variedad de analitos. Se pretende dar a conocer en el presente trabajo que es un sensor químico y cuales son los  principios  principios básicos básicos del mismo mismo (funcion (funcionamie amiento nto del del sensor sensor químico) químico) así así como como sus características analíticas y que conozcan la clasificación de los sensores:electroquímicos (Potenciométricos, voltamperométricos y conductimétricos), ópticos (guías de luz, onda evanescente, sensores de fibra óptica, sensores basados en mediadores), térmicos y de masas.

En el mundo de hoy la industria alimentaria viene siendo cada vez más estricta en la calidad de los productos. Tenemos al sabor y al aroma como los aspectos que determinan el éxito de un alimento en el mercado. Las propiedades de un producto suceptibles a ser   percibidas por los sentidos, se denominan caracteristicas organolepticas, estas se establecen mediante un grupo de expertos catadores; sin embargo la capacidad sencitiva humana esta limitada por el tiempo, ya que se produce la saturacion de los organos receptores del sabor. Ademas las condiciones ambientales pueden afectar la objetividad del experto, y por lo tanto dar una respuesta no esperada de las medidas Por lo tanto, se ve la necesidad de desarrollar sistemas automatizados de análisis que  permitan medir y además controlar la calidad de los alimentos. Las lenguas electrónicas (electronic tongues) funcionan en este sentido, pueden clasificar  distintos sabores, detectar productos producots que alteren la calidad de los alimentos,  productos contaminantes, impurezas y sustancias toxicas. Nombrando un ejemplo, en el campo de la industria vinícola, una lengua electronica, puede distinguir entre varios vinos, de una misma variedad, año o denominacion de origen. Se puede definir lengua electronica como un instrumento analítico que reproduce de forma artificial la sensacion de sabor. Estos instrumentos constan de varios componentes: un muestreador automático, un conjunto de sensores quimicos, instrumentacion para adquirir la señal, software con los algoritmos apropiados para procesar la señal obtenida y tener resultados deseables según se requiera un analisis cualitativo o cuantitativo.

Sensores quimicos Las células que detectan el gusto ácido, reciben estímulos ante la presencia de protones disociados de ácidos; las del gusto salado, detectan la presencia de iones sodio y cloruro, las del gusto dulce detectan la presencia de moléculas de glucosa o sacarosa, etc. En el caso de los sensores, cada uno de estos compuestos interacciona con la membrana receptora dando lugar a una señal eléctrica. La suma de estas señales para todos los compuestos de una muestra y para cada sensor da lugar a una huella (fingerprint) que determina la respuesta del sensor. Por lo tanto para la medida del sabor, se requiere un conjunto de sensores, cada uno con una sensibilidad y especificidad distinta. En diferencia de clásicos sensores químicos en los cuales, se busca la máxima selectividad, en estos sensores no se requiere especificidad a una especie, sino la medida de la intensidad o la calidad que ofrece el conjunto de una serie de sustancias presentes en una cantidad determinada. Las lenguas electrónicas funcionan según este principio. Un sensor consta de varios elementos: la membrana sensora, el transductor que convierte la señal química en una señal física eléctrica u óptica, y el circuito que adquiere la señal y la acondiciona para su lectura.

Las menbranas pueden contener distintos receptores según el compuesto a detectar, tenemos por ejemplo; receptores iónicos, enzimas, y celulas. Generalmente el compuesto a detectar interacciona con el receptor de la menbrana originando una señal quimica, esta señal a su vez es convertida por el transuctor en una señal física, normalmente u óptica, ésta señal es amplificada y acondicionada para su lectura en un circuito o en un instrumento de medida, esta lectura se puede realizar a través de una pantalla (digital o analógica) o a través de la PC. Tenemos los transductores mas usados para las lenguas electronicas, estos son: electroquímicos, másicos y ópticos. En el primer tipo nombrado estan los potenciometros  basados en electrones selectivos a iones (ion selective electrode, ISE), transistores de efecto de campo sensibles a iones (ion sensitive field effect transistors , ISFET), los voltamperómetricos y los amperométricos. Entre los transductores másicos o gravimétricos se encuentran los de onda acústica superficial (surface acoustic wave, SAW) y las microbalanzas de cuarzo (quartz crystal microbalance, QCM). Los trnsductores tienen propiedades ópticas pueden ser muy variados, cada uno de estos transductores tienen ventajas e inconvenientes según la aplicación.generalmente se suelen usar conjuntos de sensores indiciduales que sigan el mismo principio de transduccion, esto permite una mayor simplificacion en el proceso de adquisicion y tratamiento de la señal. Tecnología actual basada en microelectronica tienden a desarrollar sonjuntos de sensores en un mismo sustrato (sensor array), de esta forma se reduce el tamaño del sensor y la circuitería se simplifica, esta tecnología tambien permite la integracion de equipos de acondicionamiento y tratamiento de la señal en el mismo sustrato del sensor, son lo que se obtiene una miniaturizacion del sistema de medida.

Tipos de sensores quimicos Los tipos de sensores más ampliamente utilizados son cuatro: • Basados en semiconductor de óxido metálico (Metal-Oxide Semiconductor). Estos sensores están formados por una fina lámina de semiconductor de cierto óxido metálico. Tras la exposición tiene lugar un cambio en la conductancia del material y esto es el lo que se utiliza para caracterizar la sustancia olorosa. Estos sensores son comercialmente accesibles y tienen buena sensibilidad pero para su correcto funcionamiento deben operar a temperaturas entre 100ºC y 600ºC lo cual hace que consuman más potencia que aquellos que pueden funcionar a temperatura ambiente siendo difícilmente adaptables a dispositivos portátiles por razones obvias •

Basados en onda acústica de superficie (Surface Acoustic Wave, SAW). Estos sensores hacen uso de las ondas acústicas conocidas como ondas Rayleigh en honor de su descubridor. El funcionamiento es el siguiente: estos sensores están formados por un material piezoeléctrico (normalmente un cuarzo) el cual se recubre con una delgada capa de un material (en la mayoría de los casos se usa un polímero) que reacciona en contacto con ciertos gases, dicha estructura es excitada mediante señales de radiofrecuencia las cuales varían su frecuencia inicial de excitación tras la aparición de las mencionadas ondas de superficie las cuales se inducen en la estructura cuando ésta entra en contacto con la sustancia olorosa objetivo. Las ventajas de este tipo de sensores son su alta sensibilidad y que pueden ser producidos en masa con alta reproducibilidad (es decir, se puede fabricar una cantidad elevada de los mismos y su comportamiento es parecido con cierta tolerancia). Sin embargo, dado que han de excitarse con radiofrecuencia el aumento de la miniaturización puede ser un problema a la hora de aplicar dicha excitación.

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Ópticos, basados en fotoionizacion. Los basados en resistencia (Chemiresistors).

Selectividad “La habilidad del sensor para medir solo un parámetro. En el caso de un sensor  químico, de medir solo una especie química.” 

La limitada selectividad de los sensores se suele solventar utilizando arrays con gran número de ellos en combinación con técnicas de reconocimiento de patrones: Por ejemplo las Redes neuronales

Electroquímicos • Amperométricos - Corriente generada a voltaje constante, ejemplo sensores de glucosa, lactosa, etc… - robustos, sencillos, poco selectivos

• Potenciométricos - Variación de potencial a corriente cero, ejemplo sensor de CO2 - Pequeños, sencillos, poco sensibles

Ópticos • De absorbancia - Diferencia de absorción de luz en función de las concentraciones ejemplo sensores de glucosa. - sencillos, robustos, poco precisos. • De fluorescencia - Luz emitida por una sustancia sensible al analíto ejemplo sensores de glucosa - alta precisión, pequeño tamaño, complejos

• De onda evanescente - Variación en las propiedades de la luz canalizada. Ejemplo sensores de glucosa - muy precisos y selectivos, complejos

Piezoeléctricos - Variación de la masa depositada en un cristal de cuarzo. Ejemplo detección de  biomoléculas -baratos y fáciles de usar, poco selectivos, difíciles de fabricar  • Bulk acustic wave (BW) • Surface acustic wave (SAW)

Los sensores quimicos que responden a una especie quimica, constan generalmente de tres partes básicas. Una zona de reconocimiento quimico capaz de interaccionar  selectivamente con la especie de interes, un elemento transductor que transforma la informacion quimica en informacion fisica (generalmente una señal electrica u optica) y un sistema electronico de amplificacion y procesamiento de la señal con el objeto de obtener los resultados en las unidades de interes (concentracion, PH, presion, etc).

La respuesta obtenida da lugar a diferentes tipos de sensores. Los electroquimicos se basan en la medida de la corriente eléctrica, generada entre dos electrodos sumergidos en el medio a analizar. Los sensores piezoeléctricos se basan en las variaciones en la frecuencia de oscilación de un cristal piezoeléctrico, en función de la masa de determinados materiales depositados sobre dicho cristal.

Ventajas e incovenientes de los sensores ópticos •

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Los sensores opticos no requieren una señal de referencia como los electroquimicos. la necesidad de utilizacion de electrodos de referencia hace más costosa la instrume tacion. La fabricación de fibras ópticas de bajas pérdidas permite realizar analizis a grandes distancias, entre 10 y 10 000 metros (o incluso más). Esta detección remota  posibilita el analizis en ambientes peligrosos, radiactivos, tóxicos o de difícil acceso sin necesidad de recurrir previamente a la toma de muestra. Una fibra optica puede trasnmitir paralelamente mucha mas informacion que un cable electrico; asi una unica fibra puede guiar radiacion verde, roja, azul y amarilla simultaneamente Facilidad de miniaturizacion, extremo este de gran utilidad cuando se disponde de po co volumen de la muestra o cuando se quiere diseñar catéteres invasivos para quimica clinica. El analisis con sensores de fibra optica en muchos casos no consume analito, por lo que da lugar a métodos de analizis no destructivos. La sustitucion de sensores eléctricos por sensores ópticos en el seguimiento in vivo

de parametros de interés clínico es mas ventajosa debido a su capacidad de esteriliza ción y de miniaturización y sobre todo por no poseer conexiones eléctricas directas unidas al cuerpo del paciente. •

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El uso de sensores opticos muestra una extraordinaria utilidad para emdir analitos en lugares donde hay fuertes campos electricos o atmosferas explosivas debido a que, al proporcionar una señal primaria optica, no estan sujetos a interferencias electricas La monitorizacion de aguas subterráneas se puede realizar utilizando fibras opticas  por su flexibilidad y capacidad de dirigirse al efluente, hecho que no se puede llevar  a cabo con cables electricos.

Los problemas que surgen al utilizar los sensores opticos son: •

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La intereferencia de luz ambiental obliga a aislar adecuadamente los terminales Sensibles o a modular la señal. La posibilidad de fotodescomposicion del material empleado en aquellos sensores que utilizan reactivos para el reconocimiento del analito, sobre todo en los casos en que deben estar expuestos a la radiacion electromagnetica durante un largo  periodo de tiempo con el fin de realizar en continuo la medida de un determinado analito. El número de reacciones reversibles es muy limitado, lo que obliga a regenerar el dispositivo despues de su utilización. El intervalo de aplicación de los sensores de PH es muy estrecho si se compara con clásico electrodo de vidrio

La monitorizacion de CU  2 , en baños de electrodisposicion mediante la medida de su absorbancia a 820nm, constituye un claro ejemplo de sensor pasivo. El dispositivo que es muy sencillo y económico emplea un diodo emisor de luz como fuente de radiación, dos fibras de sílice de 200  µ m de diametro y un fotomultilplicador sensible al rojo como detector. Este dispositivo es capaz de medir de forma continua la concentracion de CU  2 , dentro del intervalo comprendido entre 50 y 500 mmoles. 1 1 +

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Otro ejemplo de sensores de este tipo es la monitorizacion del ion de uranilo en aguas subterráneas mediante la medida de fluorescencia característica.

APLICACIONES Las áreas de los sensores de fibra optica, encuentran mayor apliacion son en el control de  productos industriales (gases nucleares, petroleo), biotecnologia, medicina medio ambiente (contaminacion, urbanismo, geologia).

Se detalla:

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Detectores de incendio

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Control medioambiental

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Seguridad alimentaria

SENSORES Y ACTUADORES Nombre: Tineo Goyés, Ángel Profesor: Ing. Robert Oré Gálvez Tema: Sensores químicos Facultad: Ingeniería Industrial Especialidad: Ingeniería Mecatrónica