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Sensores y Biosensores
- Clases Expositivas (15.5 Hours)
- Prácticas de Laboratorio (2 Hours)
- Tutorías Grupales (5 Hours)
Los sensores químicos y entre ellos los biosensores, en los que el sistema de reconocimiento es de origen biológico, constituyen una de las herramientas de análisis más versátiles de las que actualmente se dispone. Así el desarrollo de biosensores para su aplicación a la resolución de problemas en campos tan diversos como el análisis clínico, seguridad alimentaria, control de procesos industriales o control analítico de la contaminación ambiental, es un área de intensa investigación. El número de publicaciones en este área ha crecido exponencialmente desde sus inicios a mitad del siglo pasado: desde 1984 hasta 1990 se publicaron del orden de 3000 trabajos y se registraron unas 200 patentes; aproximadamente igual número de publicaciones y casi el doble de patentes se registraron entre 1991 y 1997, mientras que la irrupción de la nanobiotecnología ha conducido a más de 6000 artículos y 1100 patentes entre 1998 y 2004. Además, y a pesar de las dificultades asociadas a la transición desde los laboratorios de investigación a productos disponibles comercialmente, el número de biosensores comercializados ha aumentado notablemente en los últimos años. De acuerdo a un estudio reciente (Sensors Reports by BCC Research 2023) el mercado global de biosensores y nano sensores se estimó en 30,6 mil millones de dólares en 2023 y se espera que haya aumentado hasta los 43,5 mil millones en 2028, a un ritmo de crecimiento anual del 7.3%.
En este contexto, esta asignatura, incluida dentro del módulo obligatorio teórico (Módulo 1) del master, pretende proporcionar una visión general de los principios de diseño y operación de los sensores, con especial énfasis en los biosensores, analizando las aplicaciones más actuales y significativas de los mismos. Se considera que esta materia, claramente interdisciplinar, es del máximo interés no solo para quienes quieran dedicarse a la investigación y desarrollo en este campo, sino como parte de una formación general avanzada en análisis químico y bioquímico.
En un sensor se integran un elemento de reconocimiento específico y un transductor adecuado. Por tanto, los contenidos de esta asignatura parten del conocimiento de la terminología y características de las reacciones de reconocimiento molecular empleadas en el desarrollo de estos dispositivos. Además el estudiantado debe poseer conocimientos básicos sobre las principales formas de transducción, que se podrán haber adquirido en cursos básicos de análisis instrumental y se habrán completado en otras asignaturas del módulo obligatorio como “Métodos avanzados de detección espectroscópica" y "Métodos avanzados de detección electroquímica”.
Este curso se completa con la asignatura “Introducción experimental a las técnicas analíticas avanzadas en laboratorios de rutina e investigación”, del módulo obligatorio práctico, en la que se planteará al alumnado problemas que deben resolver mediante la construcción y utilización de diferentes sensores. Opcionalmente, puede completarse con algunas de las materias ofertadas en el módulo optativo teórico del master. Por ejemplo, se profundizará en los métodos de preparación de la fase sensora en el curso "Bioconjugación"; se extenderá la visión de las aplicaciones de los biosensores en los cursos de “Análisis clínicos y farmacológicos” y “Análisis de alimentos y toxicológico”. Los desarrollos más recientes con objeto de miniaturizar los dispositivos sensores se contemplarán en el curso “Miniaturización y automatización en análisis”.
La asignatura no tiene ningún prerrequisito administrativo adicional a los necesarios para acceder al master. Se recomienda poseer conocimientos básicos en Química, manejo básico de tecnologías de la información y comunicación y un nivel de inglés medio que permita la comprensión de textos científicos escritos en este idioma.
Aunque es imposible resumir en un curso de esta extensión el amplio y cambiante mundo de los sensores, el objetivo general de esta materia es proporcionar una visión general de los principios de diseño de los sensores y biosensores para que el estudiantado entienda el enorme potencial que este tipo de dispositivos posee, tanto en el momento actual como cara a desarrollos futuros.
Las habilidades (competencias específicas) que debe poseer la persona que curse esta asignatura a su finalización están recogidas en los siguientes objetivos específicos:
1. Valorar el papel que juegan los sensores y biosensores dentro del conjunto de herramientas de análisis.
2. Desarrollar las habilidades necesarias para el diseño y evaluación de las características analíticas de los diferentes tipos de (bio)sensores.
3. Conocer los principios de funcionamiento de los diferentes sensores químicos, interpretar el mecanismo de los mismos así como la información obtenida durante su empleo para la resolución de un problema concreto (CE-1).
4. Evaluar de forma comparativa las características de diferentes sensores y seleccionar el que mejor responda a las necesidades del problema que se desea resolver (CE-2).
5. Conocer los diferentes (bio)sensores comerciales y valorar las aplicaciones de los mismos en el campo del análisis clínico, control de procesos industriales y control analítico de la contaminación ambiental (CE-6).
Las competencias generales que se pretende desarrollar son:
1. Capacidad de análisis y síntesis (CG-1).
2. Capacidad para llevar a cabo búsquedas de información en las distintas bases de datos científicas y gestionar adecuadamente la información obtenida (CG-4).
3. Desarrollo de habilidades interpersonales y de trabajo en grupo, siendo capaces de discutir de manera crítica con personal investigador de entornos científicos relacionados, así como de comunicar sus resultados y conclusiones a un público no especializado (CB-9).
4. Resolución de problemas, con capacidad para tomar decisiones en función de los resultados obtenidos (CB-8).
5. Desarrollo de habilidades de aprendizaje continuo (CB-10).
Estas competencias, tanto generales como específicas, se concretan en los siguientes resultados de aprendizaje:
RA-1. El estudiantado deberá conocer el contenido de la materia.
RA-2. El estudiantado deberá ser capaz de leer y entender trabajos científicos publicados en revistas internacionales (en inglés) sobre sensores y biosensores.
RA-3. El estudiantado deberá ser capaz de redactar correctamente un trabajo sobre un tema relacionado con la materia y presentarlo ante una audiencia especializada.
RA-4. El estudiantado será capaz de aplicar los conocimientos adquiridos para la resolución de problemas complejos que se les planteen.
La asignatura se organizará en 5 temas:
Tema 1: Introducción.- Perspectiva histórica y clasificación de los sensores. Terminología general. Visión general de las aplicaciones de los sensores. Tendencias de desarrollo.
Tema 2: Principios generales de diseño y operación de sensores.- Desarrollo de capas selectivas. Diferentes estrategias de transducción. Consideraciones generales de diseño.
Tema 3: Sensores catalíticos.- Sensores basados en enzimas redox e hidrolíticas. Características analíticas. Aplicaciones
Tema 4: Inmunosensores.- Reactivos inmunológicos: fracciones y reactivos de diseño. Inmunosensores directos y basados en el empleo de marcadores: formatos y estrategias. Aplicaciones
Tema 5: Sensores que utilizan ácidos nucleicos como elemento de reconocimiento.- Genosensores sin marcadores. Genosensores basados en el empleo de marcadores. Aptasensores.
En el primer tema, utilizando una perspectiva histórica, se presentará el concepto de sensor y la terminología utilizada en este campo. Además se dará una visión general de los diferentes tipos de sensores desarrollados, tanto a nivel comercial como de investigación, y cuáles son las tendencias de desarrollo en esta línea de investigación.
En el tema 2 se revisarán los diferentes tipos de capas (bio)selectivas que asociadas a un transductor adecuado permiten el desarrollo de (bio)sensores. Por otro lado, se comentarán los diferentes esquemas de transducción posibles y se resumirán algunas consideraciones generales de diseño como aspectos relacionados con el transporte de masa, reparto y permeabilidad a través de la capa selectiva y modelos de respuesta.
En este curso se ha optado por utilizar el tipo de reacción de reconocimiento molecular para clasificar los biosensores, independientemente de cuál sea el sistema de transducción utilizado. De acuerdo a esta clasificación en el tema 3 se estudiarán los sensores biocatalíticos, basados en el empleo de reacciones enzimáticas como proceso de reconocimiento selectivo y en los temas 4 y 5 los sensores de afinidad que implican las interacciones antígeno-anticuerpo o las interacciones entre polinucleótidos (ADN/ARN) en la capa bioselectiva. En el tema 3 se discutirán las características analíticas y aplicaciones de los sensores enzimáticos clasificados en función del tipo de enzima que forma la capa selectiva. Se comentarán diferentes diseños de sensores electroquímicos y ópticos. En los temas 4 y 5 se distinguirá entre biosensores de detección directa (sin el empleo de marcadores) y biosensores basados en el empleo de marcadores. Entre los biosensores directos se hará especial énfasis en los sensores ópticos basados en medidas de espectroscopía de resonancia de plasmón de superficie (SPR), sensores basados en medidas con microbalanza de cristal de cuarzo y sensores electroquímicos basados en medidas de espectroscopía de impedancia. En el segundo grupo se evaluarán estrategias de diseño basadas en el empleo de marcadores enzimáticos, fluoróforos, moléculas electroactivas o nanopartículas metálicas.
El programa de la asignatura se desarrollará a través de:
- Clases Expositivas: Exposición oral con participación de las personas matriculadas. Se utilizarán como recursos didácticos presentaciones informáticas y la pizarra. Se proporcionará material de apoyo incorporado en el Campus Virtual.
- Prácticas de laboratorio: Se realizarán en un aula de informática. Se presentarán las herramientas bioinformáticas útiles para diseñar sondas de ácidos nucleicos que permitan la detección mediante genosensores de secuencias específicas de ADN o ARN características de patógenos, alérgenos o asociadas a diferentes tipos de cáncer. Se comentarán los principales parámetros de diseño y las ventajas e inconvenientes de varios formatos de ensayo. Finalmente, el estudiantado diseñará individualmente o en grupo un genosensor utilizando las herramientas presentadas.
- Tutorías grupales: Se realizará una tutoría grupal al finalizar las sesiones expositivas correspondientes a los temas 2, 3 y 4 en las que se sintetizarán las características principales de los tres grupos de biosensores presentados, discutiendo las dudas y preguntas que puedan surgir. Además las personas matriculadas evaluarán de manera crítica las tendencias de desarrollo de los diferentes tipos de sensores descritos, mediante la revisión de casos prácticos publicados en revistas científicas internacionales y de actualidad en este campo de investigación.
Una vez finalizadas las clases expositivas del último tema se realizarán dos tutorías grupales que tienen como objetivo la evaluación de los desarrollos más recientes de los biosensores en el campo del análisis clínico, control de procesos industriales y control analítico de la contaminación ambiental.
En la siguiente tabla se resume de manera general el plan de trabajo que se seguirá en el desarrollo de la asignatura:
TRABAJO PRESENCIAL | TRABAJO NO PRESENCIAL | ||||||||
Temas | Horas Totales | CE | PL | TG | SE | Total | Trabajo Grupo | Trabajo Autónomo | Total |
1 | 2,5 | 1 | 1 | 1,5 | 1,5 | ||||
2 | 11 | 3 | 1 | 4 | 7 | 7 | |||
3 | 11 | 3 | 1 | 4 | 7 | 7 | |||
4 | 13 | 4 | 1 | 5 | 8 | 8 | |||
5 | 19,5 | 3 | 2 | 5 | 10 | 4,5 | 14,5 | ||
18 | 2 | 1,5 | 3,5 | 10 | 4,5 | 14,5 | |||
Total | 75 | 14 | 2 | 5 | 1,5 | 22,5 | 20 | 32,5 | 52,5 |
CE: Clases Expositivas; PC: Prácticas de campo; TG: Tutorías Grupales; SE: Sesiones de Evaluación
A continuación se presenta una tabla resumen en la que se puede apreciar el peso de los diferentes recursos didácticos empleados:
MODALIDADES | Horas | % | Totales | |
Presencial | Clases Expositivas | 14 | 18,7 | 22,5 |
Prácticas de laboratorio | 2 | 2,7 | ||
Tutorías grupales | 5 | 6,7 | ||
Sesiones de evaluación | 1,5 | 2 | ||
No presencial | Trabajo en Grupo | 20 | 26,7 | 52,5 |
Trabajo Individual | 32,5 | 43,3 | ||
Total | 75 |
Convocatoria Ordinaria: Para la evaluación de la asignatura se tendrán en cuenta los siguientes aspectos con la ponderación que se indica:
Actividad | Criterios de evaluación | Instrumento | Peso (%) | |
Prueba objetiva |
| Prueba escrita | 70 | |
Trabajo en clase |
| El/la alumno/a presentará un diseño de sensor, seleccionado por el profesor, evaluando todas sus características. | 20 | |
Práctica de Laboratorio | Se valorará la participación activa en el aula de informática, su capacidad de razonamiento crítico y su destreza para utilizar las herramientas informáticas para el diseño de genosensores. | El/la alumno/a diseñará un genosensor con las características que se especifiquen que entregará por escrito | 10 |
Para superar la asignatura es necesario obtener un mínimo de 4 puntos (en una escala de 0 a 10) en cada uno de los tres aspectos señalados y que la nota final, ponderada según se indica en la tabla, sea igual o superior a 5 puntos.
Convocatoria Extraordinaria: Para poder superar la asignatura en alguna de las convocatorias extraordinarias se realizará una única prueba escrita cuya valoración constituirá el 100% de la calificación de la misma. En este caso se requerirá que la nota de la prueba escrita sea igual o superior a 5 punto (en una escala de 0 a 10).
Como libros de texto principales se recomiendan:
- F.-G. Banica. Chemical sensors and biosensors. Wiley. Chichester 2012.
- J. Janata. Principles of chemical sensors. Springer. New York 2009.
Además se pueden emplear como libros y referencias de consulta:
- P. Gründler. Chemical Sensors. An introduction for scientists and engineers. Springer. New York 2007.
- J.HT. Luong, K.B. Male, J.D. Glennon. Biosensor technology: Technology push versus market pull. Biotechnology Advances 260 (2008) 492-500.
- E.B. Bahadir, M.K. Sezginturk. Applications of commercial biosensors in clinical, food, environmental and biothreat/biowarfare analyses. Analytical Biochemistry 478 (2015) 107-120.