Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Sensores basados en nanocavidades de sistemas supramoleculares. Sensors based on nanocavities of supramolecular systems.

Uno de los grandes desafíos analíticos es resolver la complejidad del análisis de cantidades trazas de compuestos orgánicos debido a la baja sensibilidad analítica de las técnicas usuales que permiten una determinación específica como IR o RMN. El uso de espectrofotometría UV-Visible y espectroluminiscencia, técnicas que presentan mayor sensibilidad, se ve dificultada en muchos casos por el efecto matriz producido en el tratamiento de muestras reales y complejas o pérdida de la selectividad debido a la superposición de bandas.La interacción por formación de complejos entre determinados sustratos y receptores macrocíclicos que presentan poros o cavidades nanométricas, puede afectar las propiedades espectroscópicas de los sustratos. La respuesta de técnicas sensibles puede traducirse así en un análisis selectivo debido al reconocimiento molecular que se establece entre un dado receptor y el sustrato de interés. Por otra parte puede mejorar la sensibilidad debido a efectos de micropolaridad del medio, a efectos de restricciones de grados de libertad, por compartamentalización o protección de los estados excitados de los sustratos incluidos. El uso analítico de receptores selectivos es un área actualmente en desarrollo, que permite una rápida determinación de especies químicas, disminuyendo el efecto de interferentes, mejorando la sensibilidad y disminuyendo el tratamiento de la muestra.Se estudiarán los mecanismos involucrados en las interacciones y los factores que los modifican por técnicas espectroscópicas como UV-visible, RMN y luminiscencia. Se determinarán los parámetros analíticos por luminiscencia en los medios y condiciones en que la sensibilidad analítica muestre el mayor incremento. Se realizarán las pruebas de validación en las mejores condiciones para cada uno y mezclas de analitos relacionados en muestras reales.

Caracterització d'oscil·ladors basats en CMOS-M/NEMS i la seva aplicació com a sensors de massa

El present projecte tracta sobre la caracterització d'oscil·ladors basats en ressonadors micro/nanoelectromecànics (M/NEMS) i la seva aplicació com a sensors de massa. Els oscil·ladors utilitzats es basen en un pont i una palanca ressoants M/NEMS, integrats en tecnologia CMOS. En primer lloc s'ha fet una introducció teòrica als conceptes utilitzats per a entendre el funcionament i la caracterització dels dispositius. A continuació s'han realitzat proves per tal de caracteritzar els paràmetres importants per a l'ús dels oscil·ladors com a sensors de massa, com la seva estabilitat en freqüència. Per acabar s'han aplicat aquests sensors en la caracterització i modelització del flux de massa a través d'obertures de dimensions micromètriques.

A gene knockout approach in mice to identify glucose sensors controlling glucose homeostasis.

A key aspect of glucose homeostasis is the constant monitoring of blood glucose concentrations by specific glucose sensing units. These sensors, via stimulation of hormone secretion and activation of the autonomic nervous system (ANS), regulate tissue glucose uptake, utilization or production. The best described glucose detection system is that of the pancreatic beta-cells which controls insulin secretion. Secretion of other hormones, in particular glucagon, and activation of the ANS, are regulated by glucose through sensing mechanisms which are much less well characterized. Here I review some of the studies we have performed over the recent years on a mouse model of impaired glucose sensing generated by inactivation of the gene for the glucose transporter GLUT2. This transporter catalyzes glucose uptake by pancreatic beta-cells, the first step in the signaling cascade leading to glucose-stimulated insulin secretion. Inactivation of its gene leads to a loss of glucose sensing and impaired insulin secretion. Transgenic reexpression of the transporter in GLUT2/beta-cells restores their normal secretory function and rescues the mice from early death. As GLUT2 is also expressed in other tissues, these mice were then studied for the presence of other physiological defects due to absence of this transporter. These studies led to the identification of extra-pancreatic, GLUT2-dependent, glucose sensors controlling glucagon secretion and glucose utilization by peripheral tissues, in part through a control of the autonomic nervous system.

Desenvolupament d'una xarxa de sensors i actuadors sense fils de propòsit industrial

Aquesta memòria de projecte final de carrera és un estudi i implementació bàsica de l’estat actual en quant a les tecnologies/protocols sense fils existents, en particular centrat en ZigBee sobre la plataforma CC2430 de Texas Instruments, per a una aplicació industrial amb una taxa de transferència de dades baixa, que no presenta un alt grau de complexitat, però que requereix gran versatilitat i fiabilitat.

Plataforma per a la simulació de xarxes de sensors

Aquest projecte descriu una plataforma de simulació per a xarxes de sensors des de la perspectiva dels sistemes multi-agents. La plataforma s'ha dissenyat per facilitar la simulació de diferents aplicacions concretes de xarxes de sensors. A més, s'ha entregat com a artefacte del projecte IEA (Institucions Electròniques Autònomes, TIN2006-15662-C02-0) de l'IIIACSIC. Dins l'entorn de l'IEA, aquesta és l'eina que aporta les capacitats de simulació per donar suport al disseny d'algorismes adaptatius per a xarxes de sensors.

Foot worn inertial sensors for gait assessment and rehabilitation based on motorized shoes.

Fall prevention in elderly subjects is often based on training and rehabilitation programs that include mostly traditional balance and strength exercises. By applying such conventional interventions to improve gait performance and decrease fall risk, some important factors are neglected such as the dynamics of the gait and the motor learning processes. The EU project "Self Mobility Improvement in the eLderly by counteractING falls" (SMILING project) aimed to improve age-related gait and balance performance by using unpredicted external perturbations during walking through motorized shoes that change insole inclination at each stance. This paper describes the shoe-worn inertial module and the gait analysis method needed to control in real-time the shoe insole inclination during training, as well as gait spatio-temporal parameters obtained during long distance walking before and after the 8-week training program that assessed the efficacy of training with these motorized shoes.

Rapid detection of bacterial resistance to antibiotics using AFM cantilevers as nanomechanical sensors.

The widespread misuse of drugs has increased the number of multiresistant bacteria, and this means that tools that can rapidly detect and characterize bacterial response to antibiotics are much needed in the management of infections. Various techniques, such as the resazurin-reduction assays, the mycobacterial growth indicator tube or polymerase chain reaction-based methods, have been used to investigate bacterial metabolism and its response to drugs. However, many are relatively expensive or unable to distinguish between living and dead bacteria. Here we show that the fluctuations of highly sensitive atomic force microscope cantilevers can be used to detect low concentrations of bacteria, characterize their metabolism and quantitatively screen (within minutes) their response to antibiotics. We applied this methodology to Escherichia coli and Staphylococcus aureus, showing that live bacteria produced larger cantilever fluctuations than bacteria exposed to antibiotics. Our preliminary experiments suggest that the fluctuation is associated with bacterial metabolism.

Spatio-temporal gait analysis in children with cerebral palsy using, foot-worn inertial sensors.

A child's natural gait pattern may be affected by the gait laboratory environment. Wearable devices using body-worn sensors have been developed for gait analysis. The purpose of this study was to validate and explore the use of foot-worn inertial sensors for the measurement of selected spatio-temporal parameters, based on the 3D foot trajectory, in independently walking children with cerebral palsy (CP). We performed a case control study with 14 children with CP aged 6-15 years old and 15 age-matched controls. Accuracy and precision of the foot-worn device were measured using an optical motion capture system as the reference system. Mean accuracy±precision for both groups was 3.4±4.6cm for stride length, 4.3±4.2cm/s for speed and 0.5±2.9° for strike angle. Longer stance and shorter swing phases with an increase in double support were observed in children with CP (p=0.001). Stride length, speed and peak angular velocity during swing were decreased in paretic limbs, with significant differences in strike and lift-off angles. Children with cerebral palsy showed significantly higher inter-stride variability (measured by their coefficient of variation) for speed, stride length, swing and stance. During turning trajectories speed and stride length decreased significantly (p<0.01) for both groups, whereas stance increased significantly (p<0.01) in CP children only. Foot-worn inertial sensors allowed us to analyze gait spatiotemporal data outside a laboratory environment with good accuracy and precision and congruent results with what is known of gait variations during linear walking in children with CP.

3D gait assessment in young and elderly subjects using foot-worn inertial sensors.

This study describes the validation of a new wearable system for assessment of 3D spatial parameters of gait. The new method is based on the detection of temporal parameters, coupled to optimized fusion and de-drifted integration of inertial signals. Composed of two wirelesses inertial modules attached on feet, the system provides stride length, stride velocity, foot clearance, and turning angle parameters at each gait cycle, based on the computation of 3D foot kinematics. Accuracy and precision of the proposed system were compared to an optical motion capture system as reference. Its repeatability across measurements (test-retest reliability) was also evaluated. Measurements were performed in 10 young (mean age 26.1±2.8 years) and 10 elderly volunteers (mean age 71.6±4.6 years) who were asked to perform U-shaped and 8-shaped walking trials, and then a 6-min walking test (6MWT). A total of 974 gait cycles were used to compare gait parameters with the reference system. Mean accuracy±precision was 1.5±6.8cm for stride length, 1.4±5.6cm/s for stride velocity, 1.9±2.0cm for foot clearance, and 1.6±6.1° for turning angle. Difference in gait performance was observed between young and elderly volunteers during the 6MWT particularly in foot clearance. The proposed method allows to analyze various aspects of gait, including turns, gait initiation and termination, or inter-cycle variability. The system is lightweight, easy to wear and use, and suitable for clinical application requiring objective evaluation of gait outside of the lab environment.

Sistema domòtic basat en sensors inal·làmbrics

L'objectiu d'aquest treball de final de carrera és implementar una aplicació sobre un node de xarxa sense fils equipat amb un microcontrolador, una ràdio i un conjunt de sensors, emprant el llenguatge nesC sobre el sistema operatiu TinyOS. Aquesta proposta consisteix en un sistema domòtic que detecti si un habitacle està ocupat i permeti controlar-ne la temperatura i el nivell de il·luminació per tal de que es mantenguin dins uns valors establerts que poden ser modificats per l'usuari.