Strumentazione biomedica

BIOSENSORI CATALITICI

Sfruttano la caratteristica degli enzimi di catalizzare in modo specifico determinate reazioni

La superficie del trasduttore è in contatto con uno strato enzimatico trattenuto da

una membrana, ed il tutto viene immerso nella soluzione da analizzare.

Il substrato diffonde attraverso la membrana e reagisce con l’enzima.

La membrana, che è incapsulata nell’enzima, è impermeabile all’enzima stesso,

ma permeabile al substrato.

S si diffonde attraverso la membrana contenente E. la reazione S_E passa dalla

membrana e arriva al trasduttore.

BIOSENSORE CATALITICO POTENZIOMETRICO La componente essenziale di tali sensori consiste in un

elettrodo per il pH modificato. la misura potenziometrica è

basata sulla determinazione del potenziale fra l’elettrodo di

riferimento (esempio AgAgCl) e l'elettrodo di misura

andremo a considerare gli effetti del trasporto di S e P (legge

di Fick) e della velocità della reazione enzimatica (cinetica di

Michaelis e Menten→ + è concentrato il substrato, + è

veloce la reazione catalizzata).

BIOSENSORE CATALITICO AMPEROMETRICO

La componente essenziale di tali sensori consiste in un elettrodo per la misura

della pressione parziale di un gas modificato (elettrodo per ossigeno, elettrodo di

Clark).

la misura amperometrica è basata sulla misura della corrente che scorre in un

elettrodo di Pt polarizzato negativamente rispetto ad un elettrodo di riferimento.

Se la tensione di polarizzazione è opportunamente dimensionata, la corrente è

limitata dalla diffusione e la corrente è proporzionale alla pressione parziale

del gas

BIOSENSORI AD AFFINITA’

sfruttano la capacità di una molecola di legarsi in modo specifico all’elemento da riconoscere.

IMMUNOSENSORI

Gli immunosensori sono un tipo particolare di biosensori basati sulla capacità tipica degli anticorpi di riconoscere e

legare a sé antigeni.

Gli anticorpi (Ac) reagiscono in maniera reversibile con gli antigeni (Ag) e l’affinità fra i due è determinata dalla

costante di dissociazione Kd.

➔ Immunosensori DIRETTI: 2 passaggi

Il recettore (ovvero l’anticorpo) viene immobilizzato su un supporto

che viene posto in contatto con la soluzione contenente l’analita da

misurare

L’anticorpo reagisce con gli antigeni in soluzione (si creano i siti di legame).

Maggiore la concentrazione di Ag più alto sarà il numero di Ac legati.

➔ Immunosensori INDIRETTI: competitivo o sandwich

COMPETITIVO: L’antigene marcato compete con il campione da

analizzare nell’occupazione dei siti degli anticorpi.

SANDWICH: , viene introdotto un secondo anticorpo marcato che si

lega con l'antigene già attaccato all'anticorpo sulla

superficie

IMMUNOSENSORE TIRF (Total Internal Reflection Flueresence)

Sfrutta il principio della Riflessione interna totale

Si genera tra due mezzi trasparenti aventi indice di rifrazione diverso E ALL’INTERFACCIA TRA UN MEZZO Più DENSO E

UNO MENO DENSO.

Caso 1) Rifrazione e Riflessione:

Angolo incisione < Angolo Critico θc

Caso 2) Riflessione Interna Totale

Angolo incisione > Angolo Critico

La luce incidente non passa nel secondo mezzo

L’intensità del campo evanescente decade esponenzialmente con la distanza (z) dall’interfaccia stessa.

All’aumentare di [Ag] diminuisce l’intensità del segnale luminoso associato

IMMUNOSENSORE SPR (Surface Plasmon Resonance)

Esiste un angolo di incidenza (θ0) per cui si instaura la risonanza dei plasmoni superficiali che corrisponde ad una

drastica caduta di intensità della luce riflessa

Lo svantaggio principale di questa tecnica è che la sensibilità dipende dal peso molecolare dell’antigene, e quindi

basse concentrazioni di molecole molto piccole non sono facilmente rivelabili

IMMUNOSENSORE A QUARZO RISONANTE

Si basa sul fenomeno di piezoelettricità.

Il cristallo di quarzo viene inserito in un circuito oscillante e la frequenza di risonanza del sistema rispetto ad un

quarzo di riferimento viene rivelata con un frequenzimetro

La variazione della massa è proporzionale alla variazione della frequenza di oscillazione.

Dalla misurazione della f si deduce la presenza/assenza dell’Ag sull’Ac

IMMUNOSENSORI GRAVIMETRICI MEMS

Ac immobilizzati su superficie del MEMS

Quando Ag si lega ad Ac si ha un aumento della massa du MEMS

Cambiamento proporzionale alla f di oscillazione

BIOSENSORE PER CTNI

Biosensori con tempi di risposta inferiori al minuto

Utilizzo della tecnica FRET (Fluorescent Resonance Energy Transfer)

- due molecole fluorescenti: donatore (D) e accettore (A) con spettri di emissione parzialmente sovrapposti

- D viene eccitata da una luce incidente a lunghezza d’onda λ1 e riemette un segnale luminoso a lunghezza

d’onda λD. Se D e A sono vicine, distanza tipica di FRET 10-100A, si ha un passaggio di energia da D ad A che

emette a sua volta ad una lunghezza d’onda λA.

Al formarsi del legame Ag-Ac la distanza tra A e D diminuisce e avviene il FRET. All’aumentare della concentrazione

dell’antigene avremo maggior trasferimento energetico (FRET)

BIOSENSORE PER CRP

PULSOSSIMETRIA OTTICA E FOTOPLETISMOGRAFIA (PPG)

TEORIA ONDULATORIA

la luce visibile è una forma di energia radiante che si propaga nello spazio per mezzo

di onde elettromagnetiche

TEORIA CORPUSCOLARE

Particelle esse sono capaci di emettere o assorbire l’energia radiante in modo discontinuo e proporzionale alla loro

frequenza di oscillazione.

, l’energia viene ceduta o assorbita sottoforma di granuli indivisibili che egli chiamo quanta ciascuno dei quali ha

un’energia E in elettronvolt (eV) pari a: E = h

Effetto fotoelettrico: fotoni, nei loro urti con gli atomi, trasmettessero agli elettroni periferici un'energia tale da

provocarne l'emissione ed il conseguente effetto fotoelettrico.

TECNOLOGIA NIRS (spettroscopia nel vicino infrarosso)

Un fotone penetra nel tessuto biologico con un percorso zig-zag a causa dello scattering. Il fotone poi viene

assorbito o trasmesso.

EMOGLOBINA

sangue ossigenato e non ossigenata risponde in modo diverso all'onda a causa dell'emoglobina, la quale

sensibile a una particolare range di lunghezze d'onda.

Il legame tra emoglobina e ossigeno dipende direttamente dalla pressione parziale dell’O2 e l’Hb legata all’ O2

prende il nome di Ossiemoglobina.

L’Hb si lega con l’ossigeno molecolare in modo reversibile: a livello polmonare ha un’ alta affinità per l’O2 e bassa

affinità per la CO2, mentre a livello dei tessuti si presenta la situazione inversa, questo permette il rilascio di anidride

carbonica nei polmoni e di ossigeno alle cellule.

LED1: risposta della deossiemoglobina prevale sulla risposta dell’ossiemoglobina, LED 2: ox prevale su deox

i due segnali e ne facciamo la differenza→ calibro e ottengo la quantità di ossigeno presente nel sangue espressa in

percentuale (persona sana 98%).

TECNOLOGIA fNIRS (spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso)

generare i sistemi fNIRS (=functional near infrared spectroscopy) quindi è una fotopletismografia applicata in modo

spaziale, con un certo numero di sorgenti di segnale e con un certo numero di ricevitori.

Quindi sapere come si muove l’ossigeno durante le varie attività cerebrali ci dà informazioni di qual è l’attività

cerebrale che sta funzionando in quel determinato momento.

CATENA DI ACQUISIZIONE

Quindi i sistemi per fare una pletismografia che sia ners o fners, tra i due cambia solo li tipo di analisi che facciamo o

funzionale (attività nel tempo) o strutturale.

EMETTITORE: diodo cje fa passare corrente se viene acceso

RICEVITORE: fa passare corrente solo se riceve luce

Componenti degli emettitori:

- LED

- LASER : potenza emessa doppia rispetto ai led

LASER

I laser (acronimo di Light Application by Simulated Emission of Radiation) è un'emissione di radiazioni stimolata della

luce.

Il laser sfrutta l’EMISSIONE STIMOLATA: atomi in stato eccitato invertiti da radiazione di energia pari a quella di

eccitazione

Affinché l’emissione stimolata emetta luce laser devono esserci queste 3 condizioni:

1. INVERSIONE DI POPOLAZIONE;

Gli atomi sono, di solito, nello stato fondamentale

E’ necessario, quindi, portare gran parte degli atomi in uno stato energetico superiore, lasciando quasi vuoto lo stato

inferiore. La condizione di inversione di popolazione si ha quando: N2> N2

Cioè quando il n° di atomi eccitati nel mezzo attivo è maggiore del n° di atomi nello stato fondamentale.

1. STATO ECCITATO METASTABILE;

lo stato eccitato è metastabile (cioè ha una vita media lunga) allora l’emissione stimolata ha più probabilità di

avvenire che l’emissione spontanea

1. CAVITA’ RISONANTE: Il fotone emesso deve a sua volta stimolare altri fotoni del sistema e deve quindi

essere confinato.

Il processo si può promuovere ponendo il mezzo attivo tra due

specchi, affinché l’onda luminosa, riflettendosi avanti e indietro,

attraversi il mezzo più volte. Lo schema di un sistema laser è abbastanza

semplice: ho un tubo con all'interno il gas, un

anodo e un catodo, e gli specchi a forma ellittica o

parabolica.

ELETTROMIOGRAFIA

Manifestazione delle attivazioni muscolari associate ad una contrazione.

ElettroMioGrafia (EMG): tecnica diagnostica in grado di monitorare le strategie di produzione del movimento, la

generazione di forze, i meccanismi di affaticamento, tramite la registrazione dell’attività elettrica muscolare.

Prelievo può essere effettuato:

- per via invasiva – elettrodi ad ago od a filo che incidono su un limitato numero di fibre;

- per via non-invasiva – elettrodi superficiali che registrano l’attività relativa ad un vasto numero di fibre.

ATTIVAZIONE DELLA FIBRA MUSCOLARE

L’impulso elettrico propagato dal motoneurone α, attivato dal sistema nervoso centrale o da un riflesso, arriva alla

giunzione neuromuscolare e causa l’emissione di acetilcolina.

L’ acetilcolina eccita la fibra muscolare la fibra si depolarizza dalla giunzione e la depolarizzazione si propaga fino ai

tendini.

Il sarcolemma è la membrana semipermeabile che ricopre la fibra muscolare.

Quando la fibra muscolare è a riposo esiste una differenza di potenziale Vm tra interno e esterno pari a -70/-90 mv .

Il potenziale di riposo è mantenuto costante dall’attività della pompa sodio potassio.

Se in un punto della membrana si supera un certo potenziale di soglia (circa -60mv) la depolarizzazione. La

situazione iniziale vie