29571 - BIOSENSORS

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce: - i principi teorici e le applicazioni in campo biotecnologico-farmaceutico dei (nano)biosensori; - la composizione e il funzionamento dei diversi tipi di biosensori ottici, in base al tipo di componenti, i meccanismi di riconoscimento e di rivelazione del segnale; - i principi e le tecniche per la realizzazione di sistemi analitici integrati, biosensori cellulari, nanobiosensori, e per imaging in vitro e in vivo; - i principi di chimica-fisica ed elettrochimica per la realizzazione e l'utilizzo di biosensori elettrochimici; - la composizione e il funzionamento dei diversi tipi di biosensori elettrochimici, in base al tipo di trasduttore e del processo di riconoscimento molecolare.

Contenuti

Modulo 1

Introduzione ai biosensori: storia, specifiche dei biosensori e prestazioni analitiche, classificazione dei biosensori mediante elementi di riconoscimento molecolare e sistema di trasduzione, biosensori catalitici e basati sull'affinità.

Elementi di riconoscimento molecolare: enzimi, anticorpi, anticorpi chimerici, nanobodies, proteine leganti non anticorpali, polimeri con impronta molecolare, aptameri, DNA, RNA, PNA.

Panoramica sui principali sistemi di trasduzione con particolare attenzione ai sistemi di trasduzione ottica (assorbanza, luminescente, label-free ...).

Componenti di biosensori ottici: sorgenti luminose, rivelatori, formati analitici, implementazione di fibre ottiche in biosensori, miniaturizzazione.

Biosensori basati sulla fluorescenza: processi di quenching e trasferimento di energia, biosensori per metalli e specie organiche, biosensori basati su reazioni enzimatiche, immunologiche e di ibridazione di acidi nucleici, biosensori basati su quantum dots, applicazioni di biosensori basati sulla fluorescenza.

Biosensori basati su chemiluminescenza e bioluminescenza: sistemi chemiluminescenti e bioluminescenti, biosensori basati su reazioni enzimatiche, immunologiche e di ibridazione dell'acido nucleico, applicazioni di biosensori basati su chemiluminescenza.

Sensori ottici label-free: biosensori basati su Surface Plasmon Resonance (SPR) e Surface Acoustic Wave (SAW), principi di biosensori SPR e SAW, strumentazione, processi di riconoscimento, applicazioni di biosensori SPR e SAW.

Biosensori cellulari luminescenti: principi di biosensori cellulari luminescenti, geni reporter, elementi di riconoscimento molecolare, biosensori cellulari basati su processi FRET e BRET. Applicazioni di biosensori cellulari bioluminescenti: rivelazione di specifici analiti, test di tossicità, screening ad alta produttività e high content assays.

Biosensori commercializzati, stato dell'arte dei biosensori per applicazioni point of care e point of need con valutazione critica dei principali vantaggi e limitazioni delle diverse strategie di biosensing.

 

Modulo 2

Caratteristiche e classificazione dei biosensori elettrochimici. Biosensori commerciali per applicazioni cliniche e farmaceutiche.

Nozioni di base di elettrochimica - Elettrodi - Eq. di
Nernst - Principi di funzionamento dei sensori potenziometrici

Tipi di membrane in ISE - Esempi di realizzazione di biosensori a membrana potenziometrica e utilizzo dell'elettrodo a vetro. Esempi di biosensori potenziometrici a membrana che utilizzano l'elettrodo di vetro.

Architettura dei biosensori elettrochimici: materiali e metodi di immobilizzazione. Polimeri conduttori.

Esempi di biosensori enzimatici

Esempi di biosensori di affinità

Principi operativi dei sensori amperometrici - Cronoamperometria - Esempi di biosensori amperometrici

Tecniche voltammetriche. Esempi di biosensori amperometrici.

Principi operativi dei biosensori impedenzimetrici

Esempi di biosensori impedenzimetrici

Principi operativi di bio-FET - Esempi di bio-FET

Bioreattori. Celle a combustibile microbico

Testi/Bibliografia

Modulo 1

Biosensors and Nanotechnology: Applications in Health Care Diagnostics. Zeynep Altintas (Editor) ISBN: 978-1-119-06501-2 December 2017

Bioanalytical Chemistry (English Edition) 2nd Edition, Wiley di Susan R. Mikkelsen, Eduardo Cortón, ISBN: 1118302540, 2016

Pubblicazioni scientifiche verranno fornite durante il corso.

Modulo 2

Il testo di riferimento e di approfondimento è Chemical Sensors and Biosensors - Fundamentals and Applications di Florinel-Gabriel Banica.

Verranno forniti come materiale di supporto tutti i riferimenti bibliografici indicati nelle presentazioni utilizzate a lezione.

Molti di questi articoli vengono sostituiti periodicamente con articoli più recenti.

Metodi didattici

Lezioni frontali

Si consiglia di frequentare le lezioni per la migliore comprensione degli argomenti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Modulo 1

La valutazione dell'apprendimento avviene attraverso l'esame orale finale, che garantisce il raggiungimento dei seguenti obiettivi di apprendimento:

- nozioni di base sui principi teorici dei biosensori e le loro applicazioni in campo biotecnologico e farmaceutico

- componenti principali dei biosensori; i principali meccanismi di trasduzione ottica impiegati nei biosensori e le loro prestazioni analitiche

- metodi di immobilizzazione e di bioconjugazione utilizzati per lo sviluppo di biosensori

- i principi di base della microfluidica e progettazione di dispositivi analitici integrati lab-on-chip;

- principi dei biosensori a cellule intere

- selezione dell'approccio biosensivo più adatto per applicazioni quali screening farmacologico, scoperta di biomarcatori, monitoraggio chimico-clinico con dispositivi POCT (Point-of-Care Testing).

Modulo 2

La prova finale è orale e mira a verificare, sulla base di un argomento a scelta dello studente e di due o più domande sui principali argomenti trattati, sia l'acquisizione delle conoscenze previste dal programma del corso che la capacità dello studente di sapersi muovere all'interno degli argomenti trattati, anche utilizzando il materiale bibliografico fornito dal docente. Lo studente riceve un voto in base alla capacità di esporre in modo sintetico e compiuto le specifiche tematiche. Una visione organica e critica degli argomenti trattati e la padronanza di linguaggio specifico verranno valutati molto positivamente; la conoscenza mnemonica della materia, la mancanza di sintesi e un linguaggio non sempre appropriato verranno invece valutati meno positivamente. Il voto in trentesimi sarà mediato con quello dell'altro modulo del corso.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e lavagna luminosa. Le diapositive di tutte le lezioni sono disponibili come file PowerPoint.

Verranno fornite le presentazioni in power point utilizzate durante le lezioni e materiale di approfondimento. Tale materiale viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet. Le presentazioni in power point utilizzate durante le lezioni saranno caricate nel sito [http://campus.unibo.it/]Insegnamenti on line [https://iol.unibo.it/] in anticipo rispetto alle lezioni corrispondenti. Si consiglia di consultare le presentazioni ppt prima della lezione in modo tale da poter seguire la lezione stessa in modo proattivo. Si suggerisce di scaricare (o stampare) le presentazioni e portarle a lezione in modo tale da poterle integrare con appunti.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Catia Arbizzani

Consulta il sito web di Elisa Michelini