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Desarrollo y caracterización de sensores nanofotónicos para biomedicina

Instituto Universitario de Tecnología NanoFotónica

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Hoy en día existe un gran interés en el desarrollo de dispositivos de sensado que permitan llevar a cabo la detección, identificación y cuantificación de sustancias biológicas de una forma sencilla, rápida, y fiable. Este tipo de dispositivos tiene aplicación en un gran número de campos, como por ejemplo el diagnóstico médico, control alimentario, control medioambiental, desarrollo de nuevos medicamentos, o guerra bacteriológica.

La tecnología fotónica es una de las que presenta un mayor interés para el desarrollo de este tipo de dispositivos de sensado, debido a las ventajas que presenta en términos de sensibilidad, tamaño, alta interacción con el analito que se quiere detectar, reducidos volúmenes de muestra y de reactivos para realizar el análisis, o la posibilidad de disponer de múltiples elementos de sensado en un único chip.

Además, cuando se hace uso de materiales y tecnologías de fabricación procedentes de la industria de la microelectrónica, se puede llevar a cabo una fabricación a gran escala de este tipo de dispositivos de sensado y con un coste final reducido.

El Centro de Tecnología Nanofotónica atesora una amplia experiencia previa en el desarrollo de este tipo de sensores nanofotónicos integrados. Haciendo uso de diversas estructuras nanofotónicas como cristales fotónicos, estructuras periódicas 1D, o anillos resonantes, se ha conseguido llevar a cabo la detección y cuantificación de diversas sustancias como proteínas, anticuerpos, o incluso cadenas simples de ADN de corta longitud. Los resultados demuestran la posibilidad de conseguir dispositivos finales con una alta sensibilidad y un bajo límite de detección.

Además, el Centro de Tecnología Nanofotónica trabaja también en el desarrollo de nuevos sistemas de sensado basados en estructuras nanofotónicas que permitan reducir el coste de los equipos ópticos necesarios para la lectura del dispositivo del sensado.
Responsable científico

García Rupérez Jaime

Participantes

García Castelló Javier, García Rupérez Jaime, Toccafondo Veronica

Aplicaciones

  • Las potenciales aplicaciones para este tipo de dispositivo nanofotónico de sensado son prácticamente infinitas, ya que será de utilidad en cualquier campo en el que se necesite detectar la presencia de una determinada sustancia con una alta sensibilidad, tamaño reducido, bajo coste y posibilidad de detectar múltiples sustancias al mismo tiempo. Algunos ejemplos concretos de aplicación podrían ser: diagnóstico precoz de enfermedades (e.g., sepsis, hepatitis, cáncer, meningitis), análisis de sangre, detección de contaminantes y organismos en aire o agua (e.g., presencia de legionella en canalizaciones), desarrollo de nuevos medicamentos, seguridad alimentaria (e.g., sensores en envases alimentarios), análisis de calidad del agua, guerra bacteriológica, control de plagas, controles anti-doping.

Ventajas técnicas

  • Entre las diversas ventajas técnicas que poseen los dispositivos de sensado nanofotónicos desarrollados por el Centro de Tecnología Nanofotónica cabe destacar las siguientes:
  • Alta sensibilidad: el uso de la tecnología fotónica permite detectar con alta sensibilidad analitos de cualquier tamaño, incluso aquellos que tienen un tamaño muy reducido, como el ADN.
  • Mayor nivel de integración: se pueden tener cientos de elementos sensores en un único chip desechable de unos pocos milímetros cuadrados. Esto permite determinar al mismo tiempo diversos parámetros de la medida. Por ejemplo, un chip de este tipo podría ser utilizado para realizar un análisis de sangre (y determinar y cuantificar todas las sustancias de interés) o para medir en un paciente diferentes parámetros, de forma que se pueda realizar un diagnóstico más preciso.
  • Mayor rapidez en realizar la detección: utilizando la tecnología nanofotónica se puede conseguir realizar el sensado en unos pocos minutos. Esto es una gran ventaja en circunstancias donde la velocidad de detección es crucial. Por ejemplo, para la detección de diversas enfermedades se hace uso de procedimientos de laboratorio, los cuales requieren de varias horas e incluso varios días para obtener los resultados (por ejemplo, para la detección de la sepsis); en muchos de estos casos, la gravedad de la enfermedad crece rápidamente cada hora, por lo que es necesario disponer de métodos rápidos y efectivos de detección.
  • Mayor rapidez en realizar la detección: utilizando la tecnología nanofotónica se puede conseguir realizar el sensado en unos pocos minutos. Esto es una gran ventaja en circunstancias donde la velocidad de detección es crucial. Ejemplo: para la detección de diversas enfermedades se hace uso de procedimientos de laboratorio, los cuales requieren de varias horas e incluso varios días para obtener los resultados (por ejemplo, para la detección de la sepsis); en muchos de estos casos, la gravedad de la enfermedad crece rápidamente cada hora, por lo que es necesario disponer de métodos rápidos y efectivos de detección.
  • Menor coste de los dispositivos: el trabajo desarrollado en el Centro de Tecnología Nanofotónica permite hacer uso de sensores nanofotónios en los que su lectura se lleva a cabo haciendo uso de elementos ópticos de bajo coste, lo que permite reducir aún más el coste final de estos dispositivos.

Beneficios que aporta

  • El beneficio derivado de disponer de un dispositivo de biosensado con todas las ventajas derivadas del uso de la tecnología fotónica sería muy importante. Por ejemplo, si hablamos del sector hospitalario y de salud, el uso de este tipo de dispositivos permitiría realizar el diagnóstico de un paciente de una forma prácticamente instantánea, midiendo todos los parámetros necesarios para conocer su estado de salud de una forma precisa en ese mismo instante. Por tanto, únicamente este mercado tendría un volumen de varios billones de euros (dispositivos de sensado con las características esperadas serían utilizados en cualquier centro sanitario). Pero además, aportaría unos importantísimos beneficios sociales derivados del diagnóstico precoz de enfermedades en los pacientes, mejorando el estado de salud de la sociedad en general, así como reduciendo notablemente los costes del sistema sanitario nacional.