Biosensor basado en papel

Un dispositivo que se ha descrito como capaz de detectar la presencia de bacterias en muestras de agua utiliza la propiedad común de los oligosacáridos y monosacáridos presentes en la superficie de las células bacterianas. Es un dispositivo electroquímico que utiliza papel hidrofóbico con electrodos de carbono incorporados . En lugar de utilizar anticuerpos como detectores, que son costosos, este dispositivo utiliza concanavalina A (Con A), que es altamente específica para los oligosacáridos y monosacáridos. ^{[ 1 ]} La Con A está unida a los electrodos de carbono, que también están equipados con grupos carboxilo . ^{[ 6 ]} La presencia de bacterias desencadena una serie de reacciones electroquímicas, que se miden utilizando un dispositivo llamado potenciostato . ^{[ 7 ]} Este dispositivo es menos sensible que otros, con un límite de detección de 1,9 × 10 ³ UFC /mL. ^{[ 8 ]} En comparación, algunos ELISA tienen un rango de detección de 20 UFC/mL a 1 × 10 ⁴ UFC/mL. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Un biosensor basado en papel que puede utilizarse para detectar Salmonella , así como E. coli , emplea el nanomaterial grafeno . Estas tiras constituyen un ensayo de flujo lateral, donde la línea de prueba está compuesta por puntos cuánticos de CdSe / ZnS marcados con anticuerpos fluorescentes (Ab-QDs) que actúan como sondas. Tras la aplicación de la muestra, se añade óxido de grafeno, que funciona como agente revelador. Se produce una transferencia de energía entre una molécula donadora y una molécula aceptora. En ausencia de Salmonella , los Ab-QDs actúan como donantes, con el grafeno como aceptor, y la fluorescencia de la línea de prueba se extingue debido a esta transferencia de energía. En cambio, la presencia de Salmonella permite la fluorescencia debido a la forma en que las células bacterianas se unen a los Ab-QDs: la distancia entre el donador y el aceptor es demasiado grande para permitir la transferencia de energía, por lo que la fluorescencia no se extingue. Las tiras tienen un límite de detección de 100 UFC/mL. ^{[ 1 ]}

Anualmente, más de 1,6 millones de personas mueren como resultado de patógenos provenientes de agua contaminada. ^{[ 1 ]} En el mundo en desarrollo, 2200 niños mueren por día a causa de enfermedades transmitidas por el agua. ^{[ 13 ]} Según los estándares de la Organización Mundial de la Salud (OMS), para que el agua se considere suficientemente limpia para beber, las bacterias deben ser indetectables en cualquier muestra de 100 mL. Los principales contaminantes del agua son patógenos, como las bacterias Campylobacter , Clostridium , Salmonella, Staphylococcous , Anabaena , Microcystis , gusanos como Schistosoma mansoni y Taenia saginata , protozoos como Entamoeba histolytica y Giardia duodenalis , y virus y hongos como enterovirus y microsporidios . Los brotes de enfermedades transmitidas por el agua, como el cólera , afectaron a millones de personas en los siglos XIX y XX a lo largo de varias pandemias, generalmente como resultado de sistemas inadecuados de tratamiento de aguas residuales y saneamiento general. ^{[ 1 ]} Sin embargo, este no es un problema del pasado. En 2015, se descubrió que 1300 millones de personas corren el riesgo de contraer cólera anualmente, con 2,86 millones de casos anuales y un estimado de 95 000 muertes. ^{[ 14 ]} El cólera es solo un ejemplo de enfermedad transmitida por el agua; sin embargo, en términos más generales, 780 millones de personas en todo el mundo aún carecen de acceso a agua potable. ^{[ 13 ]}

Los métodos tradicionales para detectar la contaminación en el agua, aunque muy precisos y sensibles, presentan varios obstáculos. Suelen ser costosos, requieren la intervención de un técnico capacitado y son laboriosos. ^{[ 15 ]} También pueden ser lentos; por ejemplo, los ensayos microbiológicos requieren el cultivo y aislamiento del patógeno de la muestra, lo que puede llevar varios días o incluso semanas, además de la preparación de los medios de cultivo. ^{[ 1 ] [ 16 ]} Los biosensores basados ​​en papel solucionan muchos de estos problemas. En concreto, el papel como material tiene varias ventajas. No requiere alimentación externa, ya que la muestra se desplaza a través del dispositivo por capilaridad . Su estructura de red de fibras permite almacenar los reactivos necesarios en forma activa. Además, es rentable, tiene una alta relación superficie-volumen, absorbe la muestra de forma eficiente y se desecha fácilmente por incineración . ^{[ 1 ] [ 3 ]}

En general, los entornos con recursos limitados podrían beneficiarse de pruebas de muestras de agua de bajo costo, fáciles de usar, rápidas y realizadas in situ. Además, existe la necesidad de realizar pruebas en el hogar. La distribución generalizada de dispositivos de diagnóstico adecuados pero de bajo costo, como los biosensores basados ​​en papel, podría aliviar la carga de morbilidad. Además, podría generar datos epidemiológicos más precisos que mejorarían los modelos de enfermedades. ^{[ 17 ]}

La limitación más significativa de esta tecnología es su sensibilidad, es decir, su capacidad para detectar niveles muy bajos de un contaminante en la muestra. Algunos de los ELISA más sensibles pueden detectar contaminantes a niveles tan bajos como 20 UFC/mL. ^{[ 10 ]} Además de mejorar la precisión (la identificación correcta de un patógeno en particular), otro desafío es desarrollar biosensores que puedan distinguir fácilmente entre tipos de patógenos. ^{[ 1 ]} Finalmente, el material del papel, si bien ofrece muchos beneficios, también tiene algunos inconvenientes. Por ejemplo, existe un límite en la capacidad de los dispositivos de papel para controlar la velocidad y la dirección del flujo de la muestra. Esto introduce limitaciones con respecto al manejo de compuestos químicos complejos o la gestión de ensayos de múltiples pasos, según el biosensor en cuestión. ^{[ 3 ]}