SENSOR ELECTROQUÍMICO PARA LA DETECCIÓN DE ANALITOS EN MEDIOS LÍQUIDOS.

Sensor electroquímico para la detección de analitos en medios líquidos.

La invención define un sensor electroquímico para detectar analitos en medios líquidos con estructura multicapa (Figura 1) que comprende, entre otras, una cuarta capa (4) que comprende politiofeno depositada únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo seleccionada entre (d1), (d2) y (d3), donde:

(d1) comprende una capa que comprende un politiofeno depositada sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y una capa que comprende un gel polimérico no conductor depositada sobre dicha capa de politiofeno;

(d2) es una capa de gel polimérico conductor que comprende un gel polimérico no conductor y un politiofeno; y

(d3) comprende una capa que comprende un politiofeno depositada sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y una capa que comprende nanopartículas magnéticas funcionalizadas depositada sobre dicha capa de politiofeno.

Sensor electroquímico para la detección de analitos en medios líquidos.

Esta patente es una adición a la patente española 200930539, de título “Sensor electroquímico para la detección de analitos en medios líquidos”, presentada el 30 de julio de 2009.

Campo de la invención La invención se refiere al campo de los sensores electroquímicos para la detección de analitos en medios líquidos. En particular, la invención se refiere a sensores electroquímicos que incluyen electrodos sensores basados en materiales conductores de bajo coste (materiales carbonosos y politiofenos) los cuales, depositados sobre un soporte adecuado con una geometría óptima permiten, mediante técnicas electroquímicas, la detección de concentraciones mínimas de compuestos en medios líquidos. Así, el sensor electroquímico de la invención combina límites de detección mínimos a la vez que bajos costes de producción.

Antecedentes de la invención El ámbito medioambiental, agroalimentario y médico-sanitario requieren herramientas de control y detección eficaces que, aplicadas a problemáticas concretas, permitan una mejora en la calidad de vida. Así, se hace cada vez más necesario en el campo del medio ambiente el control de pesticidas y tóxicos en aguas; y en el campo alimentario, el control de pesticidas o patógenos en los alimentos previamente a su introducción en el mercado, así como la detección rápida del deterioro de los alimentos. Igualmente, en el campo médico-sanitario es imprescindible identificar la presencia de organismos externos en el cuerpo humano y su concentración, así como el diagnóstico precoz de enfermedades.

Los métodos analíticos tradicionales se basan en cromatografía líquida, gaseosa o espectrometría de masas. En líneas generales, estos son métodos muy fiables, con altos grados de detección. Sin embargo, son métodos caros y excesivamente lentos. Además, se basan en la recolecta de muestras para un posterior análisis, por lo que no permiten un control en línea. Existe por ello la necesidad de disponer de herramientas analíticas que requieran una preparación de muestra mínima, que posibiliten una medida rápida, que sean portátiles y aplicables in situ, y que permitan actuar a tiempo frente a situaciones adversas.

Estas tecnologías deben cumplir dos requerimientos. En primer lugar, un alto grado de sensibilidad, siendo éste un factor limitante y, en segundo lugar, que estos grados de sensibilidad se obtengan en base a tecnologías de bajo coste, portátiles y a las que puedan acceder los múltiples usuarios.

La Unión Europea ha fijado un límite máximo de residuos pesticidas en alimentos que ronda los 0, 1 microgramos por kilogramo de alimento. Así, las exigencias de control y detección derivadas de esta normativa son enormes. Se exige el desarrollo de nuevas herramientas de control y monitorización que permitan no sólo la detección de esas trazas de compuesto, sino una tecnología de detección que pueda ser empleada en cualquier momento y lugar. Esto es, que esté al alcance de agricultores, empresas agroalimentarias, expendedores de pesticidas, laboratorios o cualquier agente interesado en controlar la presencia de pesticidas en los vegetales y frutas frescas.

En cuanto al sector médico-sanitario, se requieren tecnologías de detección de organismos externos en el cuerpo humano y su concentración para el diagnóstico precoz de enfermedades. Cuanto mayor sea el grado de sensibilidad, antes se dispondrá del diagnóstico, permitiendo así un control y tratamiento adecuado. Las tecnologías de bajo coste favorecerán, a su vez, el uso regular en la consulta del médico, o incluso un diagnóstico personal o doméstico, evitando la necesidad de análisis caros y lentos en los laboratorios hospitalarios.

Se han descrito en el estado de la técnica diferentes sensores electroquímicos basados en la deposición de varias pistas de material sobre un sustrato aislante que puede ser plástico o cerámico. Las pistas pueden ser depositadas mediante serigrafía, litografía, deposición en estado vapor, esprayado, o técnicas de deposición similares. La primera capa consiste en un material conductor metálico que define la geometría de los electrodos (electrodo o electrodos de trabajo o sensores, electrodo de referencia y contraelectrodo) . Esta primera capa de material conductor metálico suele ser típicamente de plata, si bien se han descrito otros posibles materiales metálicos tales como oro, platino, paladio, cobre o tungsteno (US 5, 120, 420, US 5, 798, 031, US 2005/0183953 A1, WO 2007/026152, US 2007/0080073) . La segunda capa consiste habitualmente en un material conductor depositado sobre el electrodo de trabajo y sobre el contraelectrodo que puede ser metálico tal como una pasta a base de oro, plata, platino, paladio, cobre o tungsteno, por ejemplo; o no-metálico tal como una pasta fabricada en base a un material de carbono (grafito o negro de humo, por ejemplo) (US 5, 120, 420, US 5, 798, 031, US 2005/0183953 A1, WO 2007/026152, US 2007/0080073) , o en base a un polímero conductor (WO 2007/026152) . En algunos casos, existe una tercera capa que suele consistir en una pasta de Ag/AgCl, depositada únicamente sobre el electrodo de referencia (US 2005/0183953 A1) . Asimismo, sobre el electrodo de trabajo se puede depositar una cuarta capa de material aislante, típicamente de material polimérico que puede ser un gel polimérico (celulosa, poli (alcohol vinílico) , gelatina, Tween-20, Tritón X-100, Surfinol, etc.) para el atrapamiento físico de un compuesto biológico participante en la detección electroquímica (US 2005/0183953 A1) . Este compuesto biológico es responsable de la especificidad y detección mediante transducción electroquímica y puede ser una enzima, proteínas, oligonucleótidos, polinucleótidos o vitaminas, por ejemplo (US 2005/0183953 A1, US 5, 120, 420, US 5, 798, 031, FR 2 798 145) .

Esta última capa de material en el electrodo de trabajo puede incorporar un mediador. El mediador actúa aceptando electrones desde la enzima o donando electrones a la misma una vez que la reacción electroquímica ha ocurrido. Así, en algunos casos, el mediador puede actuar regenerando la enzima oxido-reductasa. Los mediadores descritos son complejos de metales de transición como los derivados de ferroceno o ferrocianuros (US 5, 653, 863) , pero también pueden tratarse de benzoquinonas y naftoquinonas (US 4, 746, 607) , compuestos nitrosos o hidroxilaminas (EP 0 354 441) , flavinas, fenazinas, fenotiazinas, o indofenoles (EP 0 330 517) .

Hasta la solicitud de patente ES200930539 no se había descrito en el estado de la técnica la utilización de politiofenos como agentes mediadores en la fabricación de sensores electroquímicos, una familia de polímeros conductores intrínsecos de elevada estabilidad y procesables a partir de dispersiones acuosas.

En dicha solicitud de patente española ES 200930539, los autores proponían un sensor electroquímico que usa politiofenos como mediadores y una primera capa a base de material carbonoso que permite la detección de analitos en un medio líquido con un alto grado de sensibilidad y con menor coste, posibilitando el análisis de concentraciones mínimas de estos analitos en cualquier momento, en cualquier lugar y por parte de múltiples usuarios.

Concretamente, el sensor electroquímico descrito en ES 200930539 comprende (figuras 1-3) :

(a) una primera capa (1) que comprende un material carbonoso depositada sobre un sustrato, constituyendo dicha capa el sistema de electrodos del sensor electroquímico que está compuesto al menos por un electrodo de pseudo-referencia, un electrodo de trabajo y un contraelectrodo;

(b) una segunda capa (2) que comprende un material metálico depositada únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de pseudo-referencia;

(c) una tercera capa (3) que comprende un material aislante depositada sobre una parte del sistema de electrodos, siendo dicha parte la que queda entre la superficie de análisis (3a) y los contactos eléctricos (3b) del equipo de medida, de modo que quede expuesta únicamente la parte inferior de los electrodos del sistema de electrodos; y

(d) una cuarta capa (4) que comprende politiofeno y un gel polimérico, depositada únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo seleccionada entre (d1) y (d2) , donde:

(d1) comprende una capa que comprende un politiofeno depositada sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y una capa que comprende un gel polimérico no conductor depositada sobre dicha capa de politiofeno; y (d2) es una capa de gel...

1. Sensor electroquímico para la detección de analitos en medios líquidos que comprende:

- una primera capa (1) que comprende un material carbonoso depositada sobre un sustrato, constituyendo dicha capa el sistema de electrodos del sensor electroquímico que está compuesto al menos por un electrodo de pseudo-referencia, un electrodo de trabajo y un contraelectrodo;

- una segunda capa (2) que comprende un material metálico depositada únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de pseudo-referencia;

- una tercera capa (3) que comprende un material aislante depositada sobre una parte del sistema de electrodos, siendo dicha parte la que queda entre la superficie de análisis (3a) y los contactos eléctricos (3b) del equipo de medida, de modo que quede expuesta únicamente la parte inferior de los electrodos del sistema de electrodos;

caracterizado porque comprende una cuarta capa (4) que comprende politiofeno, depositada únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo seleccionada entre (d1) , (d2) y (d3) , donde:

d1. comprende una capa que comprende un politiofeno depositada sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y una capa que comprende un gel polimérico no conductor depositada sobre dicha capa de politiofeno;

d2. es una capa de gel polimérico conductor que comprende un politiofeno y un gel polimérico no conductor; y d3. comprende una capa que comprende un politiofeno depositada sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y una capa que comprende nanopartículas magnéticas, funcionalizadas con un compuesto biológico enlazado covalentemente sobre su superficie, depositada sobre dicha capa de politiofeno.

2. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque la cuarta capa (4) es la capa (d3) .

3. Sensor, según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende adicionalmente un imán acoplado bajo el sustrato.

4. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque la cuarta capa es la capa (d1) ó (d2) .

5. Sensor, según la reivindicación 4, caracterizado porque el gel polimérico de (d1) ó (d2) comprende un compuesto biológico.

6. Sensor según cualquiera de las reivindicación 1-5, caracterizado porque el compuesto biológico se selecciona entre enzimas, coenzimas, anticuerpos, oligopéptidos, polipéptidos, proteínas, glucoproteínas, lipoproteínas, nucleótidos, oligonucleótidos, polinucleótidos, monosacáridos, oligosacáridos y bacterias.

7. Procedimiento para la preparación de un sensor electroquímico según las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque comprende:

(A) obtener sobre el sustrato la primera capa que comprende un material carbonoso que constituye el sistema de electrodos compuesto al menos por un electrodo de pseudo-referencia, un electrodo de trabajo y un contraelectrodo;

(B) obtener la segunda capa que comprende un material metálico únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de pseudo-referencia;

(C) obtener la tercera capa que comprende material aislante sobre la parte del sistema de electrodos que queda entre la superficie de análisis y los contactos eléctricos del equipo de medida de modo que deje expuesta únicamente la parte inferior de los electrodos del sistema de electrodos; y

(D) obtener la cuarta capa que comprende politiofeno únicamente sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la cuarta capa que comprende politiofeno se obtiene mediante un método seleccionado entre (D1) , (D2) y (D3) , donde:

(D1) comprende obtener la capa que comprende un politiofeno sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y obtener después la capa que comprende un gel polimérico no conductor sobre la capa que comprende un politiofeno;

(D2) comprende obtener la capa de gel polimérico conductor que comprende un gel polimérico no conductor y un politiofeno sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo; y (D3) comprende obtener la capa que comprende un politiofeno sobre el extremo inferior del electrodo de trabajo y obtener después la capa que comprende las nanopartículas magnéticas, funcionalizadas con un compuesto biológico enlazado covalentemente sobre su superficie, sobre la capa que comprende un politiofeno.

9. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque la cuarta capa se obtiene mediante el método D1 ó D2.

10. Procedimiento según la reivindicación 9 caracterizado porque comprende una etapa adicional (E1 ó E2) que comprende incorporar un compuesto biológico en el gel polimérico de d1 ó d2, respectivamente.

11. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque la cuarta capa se obtiene mediante el método D3.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11, caracterizado porque previamente al paso D3 se acopla un imán bajo el sustrato.

13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque la obtención de la cuarta capa comprende:

(i) la aplicación de disoluciones verdaderas, dispersiones coloidales o dispersiones estables de partículas finamente divididas, bien acuosas bien base disolvente, de politiofeno previamente obtenidas mediante polimerización oxidativa o polimerización enzimática; o

(ii) la aplicación de disoluciones verdaderas, dispersiones coloidales o dispersiones estables de partículas finamente divididas, bien acuosas bien base disolvente, de monómeros tiofeno y posterior polimerización in situ de los mismos.