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BIOMEMS
Aplicación de la tecnología de microsistemas a los campos de
la biología y la medicina
Juan García Ortega
Dpto. Ingeniería Electrónica
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BIOMEMS
Usados en áreas industriales como: • Ciencias forense (análisis de ADN)• Diagnósticos clínicos (medida de glucosa en sangre)• Administración de medicamentos (insulina o drogas)• Control de calidad (análisis de aguas)
Química analíticaQuímica analítica
¿BIOMEMS?¿BIOMEMS?
• Química
• Biología
• Bioquímica
• Medicina
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BIOMEMS
Receptor
Transductor
Amp, Filt, A/D
Procesado
Actuador
sens
or
Sens
or in
tegr
ado
Smar
tsen
sor
Sist
ema
sens
or-a
ctua
dor
Receptor
biológico
Agentes
biológicos
Sistema de detección de agentes biológicos o
analitos
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BIOMEMSParámetros de un biosensor
• Sensitividad• Sensitividad cruzada• Relación señal-ruido• Resolución• Rango dinámico• Selectividad• Histéresis• Precisión
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BIOMEMSSensitividad
dXdY = S
Un biosensor produce una respuesta Yen función de una cierta información de entrada X.
Y=f(X)“La sensitividad representa la variación cuantitativa de la respuesta Y frente a un cambio en la señal de entrada X, en todo el rango sobre el que está definida ésta.”
Concentración glucosa (mg/dl)In
tens
idad
(mA
)
Medidor de glucosa amperométrico
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BIOMEMSSensitividad cruzada“Tiene en cuenta la influencia cruzada de una medida en la sensibilidad del sensor sobre otra medida diferente.”
p. ej.: influencia de la concentración de lactosa en la medida de la glucosa
Nivel de lactosa
Nivel de glucosa
Medida de glucosadZ
dY = crossS
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BIOMEMSCross-talk“Es el traspaso no deseado de una señal eléctrica de una parte del biosensor a otra.”
Está causado por las interferencias electromagnéticas entre dos zonas adyacentes del circuito
Bloque funcional
1
Bloque funcional
2
Medida de glucosa
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BIOMEMSRelación señal-ruido y derivaS/N: “La relación entre la señal de salida producida por una entrada determinada y aquella producida en ausencia de señal.”
El ruido es usualmente medido como “pico a pico”
Deriva (Drift): “Es un cambio indeseable de la señal de salida calibrada."
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BIOMEMSResolución y ancho de bandaResolución: “Es la menor variación en la entrada capaz de ser mostrada por la escala del instrumento de lectura.”
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BIOMEMSResolución y rango dinámicoResolución: “Es la menor variación en la entrada capaz de ser mostrada por la escala del instrumento de lectura.”
Rango dinámico: “El rango de escala de valores de entrada sobre el cual opera el sistema de medida.”
p. Ej. La medida de glucosa se suele realizar entre 100 y 500 mg/dl que es donde resulta de interés médico.
Concentración glucosa (mg/dl)In
tens
idad
(mA
)
Medidor de glucosa amperométrico
100 500
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BIOMEMSSelectividad“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:p. ej. Redes neuronales
Receptor
selectivo
Agentes
biológicos Receptor
no selectivo
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BIOMEMSHistéresis“La diferencia entre la salida producida por el sensor cuando la señal de entrada es creciente y cuando es decreciente.”
p. ej. Los sensores de presión basados en membranas. Cuanto más plásticas sean estas mayor será la histéresis. El material ideal debería tener un comportamiento perfectamente elástico.
Pres
ión
(Pa)
Deformación (μm)
Sensor de presión
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BIOMEMSExactitud y precisión“Exactitud (accuracy) sería la habilidad de un sensor para mostrar el valor correcto en la medida .”
“Precisión (precision) se refiere a la variación en los resultados entre una serie de medidas iguales.”
p. ej.: • 1, mucha exactitud, mucha precisión• 2, poca exactitud, mucha precisión• 3, poca exactitud, poca precisión
Pres
ión
(Pa)
Deformación (μm)
Sensor de presión
2
1
3
Valor correcto
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EJEMPLOSElectroquímicos
• AmperométricosCorriente generada a voltaje constanteej sensores de glucosa, lactosa, etc…
robustos, sencillos
poco selectivos
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EJEMPLOSElectroquímicos
• PotenciométricosVariación de potencial a corriente ceroej sensor de CO2
pequeños, sencillos
poco sensibles Ir/IrOx electrode
Ag/AgCl electrode
Gas permeable membrane
Dual lumen PVC tube
epoxysilver epoxy
silver spring contact
Hydrogel
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EJEMPLOSElectroquímicos
• De efecto de campoVariación de corriente de drenadorej sensor de penicilina
alta integración
complejos
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EJEMPLOSÓpticos
• De absorbanciaDiferencia de absorción de luz en función de las concentracionesej sensores de glucosa
sencillos, robustos
poco precisos
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EJEMPLOSÓpticos
• De fluorescenciaLuz emitida por una sustancia sensible al analítoej sensores de glucosa
alta precisiónpequeño tamaño
complejos
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EJEMPLOSÓpticos
• De onda evanescenteVariación en las propiedades de la luz canalizadaej sensores de glucosa
muy precisos y selectivos
complejos
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BIOMEMSPiezoeléctricos
Variación de la masa depositada en un cristal de cuarzoej detección de biomoléculas
baratos y fáciles de usar
poco selectivosdifíciles de fabricar
• Bulk acustic wave (BW)• Surface acustic wave (SAW)
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BIOMEMSMecánicos
Flexión de un cantilever bajo el peso del agente químicoej detección de biomoléculas
baratos y fáciles de usar
poco selectivosdifíciles de fabricar
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BIOTECNOLOGÍAElectrodos Intracelulares MEMSElectrodos Intracelulares MEMS
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BIOTECNOLOGÍAElectrodos Intracelulares MEMSElectrodos Intracelulares MEMS
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BIOTECNOLOGÍA
Electrodos Intracelulares MEMSElectrodos Intracelulares MEMS
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RFMEMS
Aplicación de la tecnología de microsistemas a circuitos de
telecomunicaciones
Juan García Ortega
Dpto. Ingeniería Electrónica
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RADIO FRECUENCIABobinas y capacidadesBobinas y capacidades
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RADIO FRECUENCIA
Resonadores mecánicosResonadores mecánicos
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RADIO FRECUENCIA
Filtros paso bandaFiltros paso banda
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RADIO FRECUENCIA
Mezcladores mecánicos de RFMezcladores mecánicos de RF
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RADIO FRECUENCIA
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RADIO FRECUENCIA
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RADIO FRECUENCIATransceiver MEMS reconfigurableTransceiver MEMS reconfigurable
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RADIO FRECUENCIAAntena Vee reconfigurableAntena Vee reconfigurable
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RADIO FRECUENCIAAntena Vee reconfigurableAntena Vee reconfigurable
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RADIO FRECUENCIAImpedancia sintonizadora reconfigurable Impedancia sintonizadora reconfigurable
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RADIO FRECUENCIAInterruptores RFInterruptores RF
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RADIO FRECUENCIA
Capacidades variablesCapacidades variables
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RADIO FRECUENCIAArray de antenas reconfigurableArray de antenas reconfigurable