La rivelazione di composti organici volatili (VOC) all’interno delle esalazioni respiratorie umane è stata a lungo proposta come valida alternativa a metodologie di screening più invasive, come biopsie o test di campioni di sangue, ed il concetto si sta muovendo sempre più verso reali applicazioni medico-sanitarie. Il progetto prevede il trasferimento tecnologico di uno strumento portatile ed a costo contenuto, capace di rivelare in tempo reale la presenza di eventuali bio-marcatori di disagi cardiaci, per mezzo dell’analisi di un campione di esalazioni respiratorie del paziente. Lo strumento costituirebbe una forma di pre-analisi nell’ambito della diagnostica e contemporaneamente un sistema per il monitoraggio costante dello stato di salute del paziente, senza dover ricorrere, almeno inizialmente, ai metodi invasivi e ad alto rischio sopracitati, fonti di gravi problematiche in soggetti debilitati. Lo strumento nasce dalla combinazione di tecnologie diverse, quali la gas cromatografia (GC), per la separazione delle molecole della miscela campione, e la fisica dei sensori chemoresistivi a base di materiali semiconduttori nanostrutturati, questi ultimi capaci di registrare variazioni di concentrazione molto piccole (dell’ordine del ppb) nelle abbondanze di VOC nel respiro. Il primo step consisterà nella raccolta e nello studio di campioni di esalazioni respiratorie di pazienti affetti da disagi cardiaci, quali i differenti stadi del rigetto post-trapianto certificati da biopsia o insufficienze cardiache, comparati a campioni di respiro provenienti da soggetti sani. L’obiettivo di tale studio caso-controllo è l’individuazione della correlazione esistente tra le variazioni di concentrazione dei VOC e le patologie studiate, al fine di selezionare per ciascuna di esse i principali marcatori, mediante la combinazione di gas cromatografia e spettrometria di massa (GC/MS). Tali VOC saranno in seguito testati sia singolarmente che in combinazione con interferenti a contatto con sensori chemoresistivi a base di ossidi metallici diversi, al fine di selezionare i materiali maggiormente selettivi ai biomarcatori di interesse, che saranno impiegati per la realizzazione dello strumento finale. Le matrici di sensori hanno tutte le caratteristiche per diventare uno strumento di diagnosi clinica e di laboratorio che affiancherà i metodi tradizionali di indagine, in quanto presentano dimensioni molto ridotte e sono economici e maneggevoli. Ciascun sensore è composto da un substrato in allumina e da un film di materiale attivo, depositato mediante la tecnica serigrafica, ed è inserito all’interno di un circuito elettrico per poterne misurare la resistività. Il gas da monitorare, entrando in contatto con l’ossido metallico, reagisce con gli stati superficiali dello stesso, variando l’altezza della barriera di potenziale tra gli stati superficiali carichi negativamente e i difetti strutturali nel bulk di carica positiva, modificando dunque la conduttività del sensore. Ogni variazione di resistività indica dunque una variazione nella concentrazione della specie gassosa. La grande sensibilità dei sensori ad ossidi metallici (come si è detto il limite di rilevabilità può scendere alle parti per miliardo di concentrazione gassosa) è accompagnata da una scarsa selettività ai gas target specifici, a tal proposito si rende necessaria a monte del sensore una selezione di tipo gas-cromatografico. La combinazione ultima di un gas cromatografo di dimensioni portatili e sensori chemoresistivi fornirà un metodo efficiente e non invasivo per monitorare on-line i disagi cardiaci. Il progetto di ricerca intende introdurre un metodo strumentale di analisi chimica che sfrutti la tecnologia miniaturizzata, per monitorare composti chimici nel range dei ppb. Le principali caratteristiche del dispositivo saranno alte sensibilità e selettività, nonché portabilità. In aggiunta, si punta ad una strumentazione a costo contenuto e di semplice utilizzo anche da parte di persone non qualificate, ciò ai fini di consentire una diffusione a più ampio spettro di tecniche di analisi specialistiche alla portata di tutti.
"Realizzazione di un dispositivo portatile per il monitoraggio in tempo reale di disfunzioni cardiache, tramite l’analisi non invasiva di esalazioni respiratorie" POR-FESR 2007-2013, Attività I.1.1 –Realizzazione di studi di fattibilità funzionali alla presentazione di progetti nell’ambito del programma HORIZON 2020 (DGR 22/2014)
MALAGU', Cesare
2014
Abstract
La rivelazione di composti organici volatili (VOC) all’interno delle esalazioni respiratorie umane è stata a lungo proposta come valida alternativa a metodologie di screening più invasive, come biopsie o test di campioni di sangue, ed il concetto si sta muovendo sempre più verso reali applicazioni medico-sanitarie. Il progetto prevede il trasferimento tecnologico di uno strumento portatile ed a costo contenuto, capace di rivelare in tempo reale la presenza di eventuali bio-marcatori di disagi cardiaci, per mezzo dell’analisi di un campione di esalazioni respiratorie del paziente. Lo strumento costituirebbe una forma di pre-analisi nell’ambito della diagnostica e contemporaneamente un sistema per il monitoraggio costante dello stato di salute del paziente, senza dover ricorrere, almeno inizialmente, ai metodi invasivi e ad alto rischio sopracitati, fonti di gravi problematiche in soggetti debilitati. Lo strumento nasce dalla combinazione di tecnologie diverse, quali la gas cromatografia (GC), per la separazione delle molecole della miscela campione, e la fisica dei sensori chemoresistivi a base di materiali semiconduttori nanostrutturati, questi ultimi capaci di registrare variazioni di concentrazione molto piccole (dell’ordine del ppb) nelle abbondanze di VOC nel respiro. Il primo step consisterà nella raccolta e nello studio di campioni di esalazioni respiratorie di pazienti affetti da disagi cardiaci, quali i differenti stadi del rigetto post-trapianto certificati da biopsia o insufficienze cardiache, comparati a campioni di respiro provenienti da soggetti sani. L’obiettivo di tale studio caso-controllo è l’individuazione della correlazione esistente tra le variazioni di concentrazione dei VOC e le patologie studiate, al fine di selezionare per ciascuna di esse i principali marcatori, mediante la combinazione di gas cromatografia e spettrometria di massa (GC/MS). Tali VOC saranno in seguito testati sia singolarmente che in combinazione con interferenti a contatto con sensori chemoresistivi a base di ossidi metallici diversi, al fine di selezionare i materiali maggiormente selettivi ai biomarcatori di interesse, che saranno impiegati per la realizzazione dello strumento finale. Le matrici di sensori hanno tutte le caratteristiche per diventare uno strumento di diagnosi clinica e di laboratorio che affiancherà i metodi tradizionali di indagine, in quanto presentano dimensioni molto ridotte e sono economici e maneggevoli. Ciascun sensore è composto da un substrato in allumina e da un film di materiale attivo, depositato mediante la tecnica serigrafica, ed è inserito all’interno di un circuito elettrico per poterne misurare la resistività. Il gas da monitorare, entrando in contatto con l’ossido metallico, reagisce con gli stati superficiali dello stesso, variando l’altezza della barriera di potenziale tra gli stati superficiali carichi negativamente e i difetti strutturali nel bulk di carica positiva, modificando dunque la conduttività del sensore. Ogni variazione di resistività indica dunque una variazione nella concentrazione della specie gassosa. La grande sensibilità dei sensori ad ossidi metallici (come si è detto il limite di rilevabilità può scendere alle parti per miliardo di concentrazione gassosa) è accompagnata da una scarsa selettività ai gas target specifici, a tal proposito si rende necessaria a monte del sensore una selezione di tipo gas-cromatografico. La combinazione ultima di un gas cromatografo di dimensioni portatili e sensori chemoresistivi fornirà un metodo efficiente e non invasivo per monitorare on-line i disagi cardiaci. Il progetto di ricerca intende introdurre un metodo strumentale di analisi chimica che sfrutti la tecnologia miniaturizzata, per monitorare composti chimici nel range dei ppb. Le principali caratteristiche del dispositivo saranno alte sensibilità e selettività, nonché portabilità. In aggiunta, si punta ad una strumentazione a costo contenuto e di semplice utilizzo anche da parte di persone non qualificate, ciò ai fini di consentire una diffusione a più ampio spettro di tecniche di analisi specialistiche alla portata di tutti.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
