Diseño de un sistema de medición de bioimpedancia para la detección de microorganismos

Diseño de un Sistema de Medición de Bioimpedancia para la Detección de Microorganismos
Jesús Sánchez Fernández1, Luis Zurita Landaeta2, Mervis Villanueva Isaba3
Maestría Informática Industrial y Automatización Instituto Universitario de Tecnología Cumaná, Cumaná, Estado Sucre, Venezuela Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, La Habana, Cuba
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jnsf21@hotmail.comlmzurita2008@gmail.com 3 mervisyetsa@yahoo.com

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Resumen.-La Microbiología de Impedancia se ha convertido en una técnica de detección y cuantificación de microorganismos patógenos notablemente ventajosa con respecto a métodos clásicos como el contaje en placas. Este estudio plantea el diseño de un sistema electrónico de medida capaz de determinar la impedancia en un medio de cultivo inoculado, con lafinalidad de detectar el crecimiento de microorganismos. El diseño abarca las etapas de captura, acondicionamiento de la señal, conversión análogodigital (fron-end) y la unidad de procesamiento basada en microcontroladores PIC de la familia 16, que incluye el programa en diagramas de flujo. Para demostrar el funcionamiento del sistema de medición se hace uso de un software de simulación de circuitoselectrónicos. Palabras clave: impedancia, microcontroladores, microbiología I. INTRODUCCIÓN Cuando las bacterias patógenas crecen en alimentos y en el medio, como parte de un proceso metabólico normal rompen proteínas, grasas y otras moléculas relativamente largas para convertirlas en aminoácidos, ácidos grasos y otros químicos más pequeños. El aumento en estas cargas químicas incrementa lacapacidad del medio de conducir cargas eléctricas. Como resultado, conforme los microorganismos crecen, ocurren cambios importantes en la impedancia eléctrica [2]. Con la finalidad de determinar la presencia y crecimiento de microorganismos se han diseñado instrumentos para medir exactamente los cambios por minuto en la impedancia y conductancia en intervalos regulares de tiempo, registrandoautomáticamente el tiempo requerido para cambios significativos en la impedancia. El diseño de estos instrumentos está basado en diferentes métodos de medición que se han venido utilizando desde los inicios de las investigaciones de Microbiología de Impedancia. Los métodos más comunes son el análisis de redes, la medida en puente, la medida de I-V, el puente autobalanceado, la resonancia [3] y reflectometría[4].

Estas técnicas de medición de impedancia han ido evolucionando gracias al desarrollo de potentes sistemas electrónicos de procesamiento digital, como es el caso de los microcontroladores que permiten realizar miles de millones de operaciones por segundo. II. ESPECTROSCOPÍA DE IMPEDANCIA El procedimiento experimental utilizado en espectroscopía de impedancia es el de aplicar una pequeñaseñal eléctrica senoidal a un electrodo y medir su respuesta a diferentes frecuencias obteniendo como resultado un valor de impedancia para cada Frecuencia (espectro de impedancia) [1][7].(Ver Figura 1) Se utilizan bajas densidades de corriente para evitar daños a los tejidos, principalmente debido a los efectos de calentamiento (entre 10 µA a 1 mA).

Fig.1 Medida de impedancia

Los productosmetabólicos creados durante el crecimiento de microorganismos modifican la composición del medio, cambiando el contenido iónico, lo cual a la vez origina un cambio de la conductividad del medio de cultivo. Estos cambios son registrados en el tiempo al producirse variaciones en la interfaz electrodo-electrolito-muestra. Tales modificaciones son proporcionales a la concentración de microorganismosvivos, que puede ser registrada mediante técnicas impedimétricas [10]. Debido a las componentes capacitivas de los materiales se produce un desfase ϕ entre las señales, siendo por tanto la impedancia un valor complejo (Ecuación 1).

A. Muestra – Electrodo

utilizados, el modelo de Fricke. Consiste en una resistencia para simular el comportamiento del medio extracelular (Re), otra para el...