Método para medir la concentración de sustrato y dispositivo para el mismo.

Aparato para medir la concentración de un sustrato, comprendiendo dicho aparato:

una pila de combustible que tiene un ánodo en el que está dispuesto un biocatalizador y un cátodo en el que está dispuesto un aceptor de electrones externo;

un condensador conectado a dicha pila de combustible en serie;

un circuito de generación de señales que es un transmisor inalámbrico y que genera una señal por medio de la descarga de dicho condensador; y

un dispositivo de medición para medir dicha concentración de sustrato;

en el que dicho dispositivo de medición comprende un receptor para recibir dicha señal generada por dicha descarga de dicho condensador; y

en el que dicho condensador se carga basándose en una fuerza electromotriz generada transfiriendo electrones generados mediante una reacción biocatalítica entre dicho sustrato y dicho biocatalizador en dicho aceptor de electrones externo en dicho cátodo, y dicha concentración de sustrato se mide usando como índice la frecuencia de dicha señal.

Método para medir la concentración de sustrato y dispositivo para el mismo Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo (biosensor) para medir la concentración de un sustrato. Antecedentes

Un biosensor es un sensor para medir un sustrato, mediante una reacción biocatalítica, concretamente permitiendo que un biocatalizador reaccione con un compuesto, un sustrato del mismo, teniendo el sensor como transductor, un dispositivo que puede detectar un producto que resulta de la reacción biocatalítica, un sustrato disminuido o un compuesto químico generado por una reacción con el producto. O, significa un sensor para medir el sustrato que también tiene, como transductor, un dispositivo que puede detectar señales físicas tales como un cambio en la luz y/o el color, o la fluorescencia, que resulta de la reacción biocatalítica. Ejemplos del biocatalizador incluyen enzimas, orgánulos, células y microorganismos.

Por tanto, puede decirse que un biosensor es un sensor que convierte una reacción biocatalítica en una señal que puede detectar un dispositivo electrónico, usando un biocatalizador como elemento de reconocimiento molecular y combinando una señal del mismo con un transductor tal como un dispositivo electroquímico, dispositivo óptico o dispositivo de detección térmica, y así puede analizar un sustrato reconocido por el biocatalizador. Uno de los biosensores representativos es un sensor enzimático que usa una enzima como biocatalizador. Por ejemplo, con el fin de medir glucosa (dextrosa), se ha desarrollado un sensor de glucosa, basándose en un concepto, en el que una enzima que oxida glucosa se inmoviliza sobre la superficie de un electrodo tal como un electrodo de oxígeno y un electrodo de peróxido de hidrógeno, y se miden electroquímicamente la cantidad de oxígeno consumido por una reacción oxidativa de glucosa y la cantidad de peróxido de hidrógeno generado al mismo tiempo.

Entre los sensores enzimáticos ampliamente usados en la actualidad, se usa principalmente un sensor que usa una oxidorreductasa. Un principio importante del mismo se basa en un método para medir, con un amperímetro, electrones generados cuando una sustancia reducida generada por una reacción enzimática en un ánodo se oxida de nuevo mediante un potencial eléctrico aplicado externamente; o un método para medir mediante una diferencia en los potenciales eléctricos generados entre un ánodo y un cátodo cuando los electrones generados se reducen al cátodo.

Asimismo, como método usado en un aparato sencillo de diagnóstico de glucemia o similar, se ha empleado un método que comprende colorear una sustancia reducida generada por una reacción enzimática tal como peróxido de hidrógeno o un aceptar de electrones artificial reducido según un método convencional, y determinar el color mediante un sensor óptico.

Además, como ejemplo de una enzima especial, también se ha notificado un sensor enzimático que emplea una luciferasa como enzima, que es una enzima derivada de un organismo emisor de luz tal como una luciérnaga, sensor enzimático que se caracteriza por detectar luz generada por una reacción enzimática en la que reacciona un sustrato para la luciferasa. Sin embargo, en cuanto a este método, las aplicaciones se limitan a los casos en los que puede usarse una luciferasa, tal como los casos en los que el objetivo se limita a la detección de una sustancia que es un sustrato para la luciferasa, tal como ATP, o los casos en los que puede emplearse un principio que cuando se detecta una reacción de anticuerpos, puede detectarse indirectamente a través de una señal óptica marcando el anticuerpo con la luciferasa.

Bibliografía no de patente 1: Katz et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10752-10753 Descripción de la invención

Problemas que van a resolverse mediante la invención

En el biosensor convencional descrito anteriormente, un aparato de medición que usa un biosensor tal como un sensor enzimático (a continuación en el presente documento denominado sistema de sensor enzimático) está compuesto por una parte de medición mediante el biosensor y una parte de monitor en la que se recibe y se procesa una señal medida. En los tipos principales, estas partes están integradas o, tal como se observa en un aparato de diagnóstico de glucemia mediante automedición, una parte que corresponde a la parte de medición puede separarse para desecharse. Además, la parte de medición para detectar una concentración de sustrato y la parte de monitor para detectar una señal procedente del biosensor necesitan estar en contacto directo con o conectados por cable a un campo en el que tiene lugar la reacción biocatalítica, o requieren un circuito para accionar un transmisor especial y por tanto ha de proporcionarse una fuente de alimentación, siendo todo ello problemático.

Mientras tanto, hasta ahora, se ha notificado un sensor enzimático que usa una fuerza electromotriz de una pila de combustible de enzima como indice. Sin embargo, puesto que la fuerza electromotriz de esta pila de combustible sola es de menos de 1 V, mediante la fuerza electromotriz de la pila de combustible, la pila de combustible no podía hacer funcionar, como tal, un dispositivo para detectar. En el caso de medir una concentración de sustrato usando la fuerza electromotriz del sensor enzimático de tipo pila de combustible como índice, se requería que la fuerza electromotriz se conectara directamente a un voltímetro para medir el potencial eléctrico, midiendo así la concentración de sustrato. O, se requería que la fuerza electromotriz se conectara directamente al voltímetro para medir la fuerza electromotriz, y que se transmitiera un valor de respuesta del voltímetro a un receptor externo mediante un dispositivo inalámbrico accionado por una fuente de alimentación externa. (Véase "A Novel Wireless Glucose Sensor Employing Direct Electron Transfer Principie Based Enzyme Fuel Cell", Noriko Kakehi, Tomohiko Yamazaki, Wakako Tsugawa y Koji Sode Biosensors & Bioelectronics Epub, 11 de diciembre de 2006).

Por tanto, aunque un sensor enzimático de tipo pila de combustible es compacto y tiene una capacidad de detección de alto rendimiento, en los casos en que se incorpora o se monta en un organismo vivo y se intenta que su señal se detecte de manera inalámbrica, los datos del sensor enzimático de tipo pila de combustible no pueden leerse sin proporcionar además una fuente de alimentación. Por tanto, con el fin de aumentar la fuerza electromotriz de una pila de combustible de enzima, se considera que, conectando las pilas de combustible de enzima en serie, la fuerza electromotriz puede aumentar dependiendo del número de las pilas de combustible. Sin embargo, en los casos en que se pretende la generación de energía en un organismo vivo o la monitorización en un organismo vivo, disponer las pilas de combustible de enzima conectadas en serie en el organismo vivo complica el aparato y requiere electrodos grandes, lo que resulta problemático y prácticamente imposible.

Medios para resolver los problemas

Por tanto, en la presente invención, se propone que la medición se lleve a cabo acumulando energía que resulta de una reacción biocatalítica tal como una enzima y usando, como índice, la tasa de acumulación o la frecuencia con la que se libera la energía una vez acumulada. Por tanto, en la presente invención, en los casos en que se produce una determinada cantidad de energía mediante una reacción biocatalítica dependiendo de la concentración de sustrato, teniendo en cuenta que la tasa de producción de la misma depende de la concentración de sustrato, se usa el hecho de que si la energía que va a acumularse se fija a un nivel determinado y la energía se libera cuando la energía se acumula al nivel determinado, la frecuencia de la liberación depende de la concentración de sustrato del biocatalizador. La presente invención propone que la concentración de sustrato del blocatalizador se mida midiendo la frecuencia de la liberación.

Shantaram et al, (Envlronmental Science and Technology, 2005, vol. 39, n° 13, páginas 5.037-5.042) describe el uso de una pila de combustible microbiana para alimentar un transmisor inalámbrico. La energía de la pila de combustible es almacenada en un condensador y se usa un convertidor CC-CC para aumentar el potencial. El convertidor CC-CC alimenta un transmisor, que recopila los datos desde el sensor y los transmite de manera inalámbrica a un receptor remoto.

En particular, puede proporcionarse un dispositivo para medir la concentración de un sustrato combinando un biocatalizador tal como una enzima y un dispositivo que tiene un circuito en el que, acumulando una energía eléctrica en un condensador hasta un nivel determinado como... [Seguir leyendo]

1. Aparato para medir la concentración de un sustrato, comprendiendo dicho aparato:

una pila de combustible que tiene un ánodo en el que está dispuesto un biocatalizador y un cátodo en el que está dispuesto un aceptar de electrones externo;

un condensador conectado a dicha pila de combustible en serie;

un circuito de generación de señales que es un transmisor inalámbrico y que genera una señal por medio de la descarga de dicho condensador; y

un dispositivo de medición para medir dicha concentración de sustrato;

en el que dicho dispositivo de medición comprende un receptor para recibir dicha señal generada por dicha descarga de dicho condensador; y

en el que dicho condensador se carga basándose en una fuerza electromotriz generada transfiriendo electrones generados mediante una reacción biocatalitica entre dicho sustrato y dicho biocatalizador en dicho aceptar de electrones externo en dicho cátodo, y dicha concentración de sustrato se mide usando como indice la frecuencia de dicha señal.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de medición mide la frecuencia de descarga, por dicho condensador que descarga un potencial eléctrico acumulado cuando dicho potencial eléctrico cargado en dicho condensador alcanza o supera un nivel determinado.

3. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además una bomba de carga para cargar dicho condensador, bomba de carga que amplifica dicha fuerza electromotriz basándose en dicha reacción biocatalitica cuando se carga dicho condensador

4. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho dispositivo de medición mide una señal física generada cuando se acciona dicho circuito de generación de señales.

5. Aparato según la reivindicación 4, en el que dicha señal física es una onda sónica, luz o una onda electromagnética.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que dicha señal física es una onda electromagnética y se usa un diodo varactor para un circuito de transmisión de dicha onda electromagnética.

7. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho biocatalizador dispuesto en dicho ánodo es una enzima.

8. Aparato según la reivindicación 7, en el que dicha enzima es una oxidorreductasa.

9. Aparato según la reivindicación 7, en el que dicha enzima cataliza la oxidación de glucosa.

10. Sistema inalámbrico que comprende:

un condensador en el que se acumula la energía que resulta de una reacción entre un biocatalizador y un sustrato reconocido por dicho biocatalizador;

un transmisor inalámbrico que genera una señal basada en la descarga de dicha energía desde dicho condensador; y

un receptor para recibir dicha señal generada.

11. Sistema inalámbrico según la reivindicación 10, en el que dicho sistema inalámbrico es un aparato para medir la concentración de un sustrato según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.