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Title: Sistema para la compensación de temperatura en biosensores piezoeléctricos
Authors: Montoya Gómez, José Fernando
Salinas Builes, Juan David
Adviser: Montagut Ferizzola, Yeison Javier
Keywords : Compensación de temperatura
Biosensores
Piezoeléctricos
Issue Date: 2017
Publisher: Universidad EIA
Abstract: Las microbalanzas de cristal de cuarzo QCM son utilizadas frecuentemente como sensores en diversas aplicaciones ya que tienen una alta resolución lo que las hace adecuadas para la caracterización de las propiedades físicas de diversos fluidos, detección de analitos y otras sustancias químicas, es por esto que tienen un alto interés en áreas como la medicina, farmacéutica, la industria de alimentos, entre otras, un ejemplo de esto es en la detección de proteínas asociadas al cáncer o detección de pesticidas como el carbaryl en alimentos. Los biosensores piezoeléctricos que utilizan las QCM utilizan el concepto de inmunorreación en donde se inmoviliza en la superficie del sensor una molécula, eg un antígeno y luego se hace pasar una solución que contiene el conjugado correspondiente a ese antígeno que se inmovilizó en este caso el anticuerpo, con la idea que se genere una reacción (antígeno-anticuerpo), esta reacción aumenta la masa depositada sobre el sensor y esta variación de masa se relaciona con variaciones en la frecuencia de resonancia del cristal, relación descrita por Sauerbrey en los años 50, dicha relación entonces permite utilizar la QCM como sensor. Los avances en el tema han ido bastante lejos y se han realizado investigaciones con la finalidad de aumentar la sensibilidad y el límite de detección, así como la realización de múltiples ensayos simultáneos. Sin embargo, variables externas tales como temperatura, presión y vibraciones afectan en gran medida la frecuencia de resonancia de los cristales, lo que se traduce como ruido en la señal del sensor, afectando la resolución y sensibilidad de estos sistemas. En la actualidad para disminuir los efectos de las variables externas se utiliza un sistema de control de temperatura y presión y un sistema de fluídica, ambos sistemas son de gran tamaño y llegan a pesar en conjunto unos 60 Kg por lo que aumentan los costos asociados a las QCM, impide su portabilidad y disminuye sus aplicaciones ya que no es posible la realización de múltiples ensayos. En este trabajo se propone un sistema de compensación de temperatura en biosensores piezoeléctricos mediante la modificación del método de caracterización basado en la detección de fase (Montagut, 2011), el sistema fue modelado numéricamente utilizando el lenguaje de programación Python, luego el circuito fue diseñado e implementado utilizando el software de diseño electrónico Altium Designer y por último se realizaron pruebas a nivel de laboratorio del sistema propuesto. Los resultados de la simulación numérica fueron satisfactorios evidenciado que efectivamente se produce la compensación de variables externas, el sistema se destaca por ser de bajo costo, estable en el tiempo, de reducido tamaño y de fácil calibración, en el cual con pequeños cambios en el sistema se pueden adaptar fácilmente cristales de diferente frecuencia fundamental de resonancia, se espera en el futuro lograr utilizar el sistema en aplicaciones de biosensores piezoeléctricos, diseñar un biosensor que utilice este método de caracterización y comprobar el modelo propuesto.
Abstract (English): Quartz crystal microbalances QCM are frequently used as sensors in various applications since they have a high resolution which makes them suitable for the characterization of the physical properties of various fluids, detection of analytes and other chemical substances, that is the reason why they have a high interest in areas such as medicine, pharmaceutical, food industry, among others, an example of this is in the detection of proteins associated with cancer or detection of pesticides such as carbaryl in food. Piezoelectric biosensors using the QCM use the concept of immunoreaction where a molecule is immobilized on the sensor surface, for example an antigen and then a solution containing the conjugate corresponding to that antigen is passed in which the antibody is dissolved, with the idea that a reaction will be generated (antigen-antibody), this reaction increases the mass deposited on the sensor and this variation of mass is related to variations in the resonance frequency of the crystal, a relationship described by Sauerbrey in the 1950s. This relationship then allows the QCM to be used as a sensor. Advances in the subject have gone far enough and research has been carried out in order to increase the sensitivity and limit of detection, as well as the performance of multiple simultaneous tests. However, external variables such as temperature, pressure and vibrations greatly affect the resonance frequency of the crystals, which translates as noise in the sensor signal, affecting the resolution and sensitivity of these systems. Nowadays, to reduce the effects of external variables, a temperature and pressure control system and a fluidic system are used, both systems are large and weigh about 60 kg altogether, which increases the costs associated with the QCM, prevents its portability and decreases its applications since it is not possible to carry out multiple tests. In this work a system of compensation of temperature in piezoelectric biosensors is proposed by modifying the characterization method based on phase detection (Montagut, 2011), the system was modeled numerically using the Python programming language, then the circuit was designed and implemented using the electronic design software Altium Designer and finally tests were carried out at laboratory level of the proposed system. The results of the numerical simulation were satisfactory evidenced that compensation of external variables is effectively produced, the system stands out for being of low cost, stable in time, of small size and easy to calibrate, in which with small changes in the system can easily adapt crystals of different fundamental resonance frequency, it is expected in the future to achieve use the system in piezoelectric biosensor applications, design a biosensor that uses this characterization method and check the proposed model.
Description: 87 páginas
URI: http://repository.eia.edu.co/handle/11190/2002
Citation: Montoya Gómez, J.F. y Salinas Builes, J.D. (2017) Sistema para la compensación de temperatura en biosensores piezoeléctricos (Trabajo de grado). Recuperado de: http://repository.eia.edu.co/handle/11190/2002
Autorization: openAccess
Location: BIOM/0287
Appears in Collections:Ingeniería Biomédica

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