Desenvolvimento da eletrónica de leitura de uma matriz de biossensores eletroquímicos para monitorização do pH no trato gastrointestinal

Abstract

O diagnóstico precoce de displasia (desenvolvimento anormal de um tecido ou órgão), é crucial para o sucesso no tratamento do cancro. A existência de células cancerígenas leva a uma alteração do gradiente de pH das células, resultando numa diminuição (acidificação) do meio extracelular e num aumento (alcalinização) do meio intracelular, na ordem das décimas. É neste sentido que se enquadra o desenvolvimento de um dispositivo portátil capaz de medir o pH extracelular de tecidos ex-vivo e que permita a sua monitorização em tempo real. Um dispositivo poderia auxiliar no diagnóstico de células cancerígenas no decorrer de cirurgias, por exemplo, sem ser necessário encaminhar o tecido removido para a patologia, poupando tempo e recursos. No âmbito do presente projeto, e como a medição do pH por si só não é suficiente para o diagnóstico de cancro, o sistema será integrado com um sistema de espectroscopia. O dispositivo que irá permitir a medição do pH extracelular de tecidos ex-vivo consiste numa matriz de microelétrodos de formato planar, com a respetiva eletrónica de leitura. Neste contexto, o objetivo deste trabalho passa pelo desenvolvimento de um sistema eletrónico capaz de detetar alterações de 0,05 unidades de pH. Para tal, desenvolveu-se um circuito analógico, integrado numa placa de circuito impresso (PCB), que processasse o sinal proveniente do elétrodo de pH. Procedeu-se à programação de um microcontrolador considerando a sensibilidade pretendida de 0,05 unidades de pH e desenvolveu-se, ainda, uma interface gráfica no computador, de modo a conseguir visualizar os valores das medições realizadas pelos elétrodos de pH. Os testes experimentais ao dispositivo permitiram concluir que este é capaz de distinguir soluções com diferença de pH de 0,05, apresentando um comportamento linear e fiável.

The early diagnosis of dysplasia (abnormality in the development of a tissue or organ) is essential to a successful cancer treatment. The existence of carcinogenic cells leads to a change in the cells pH gradient, in the order of decimals of pH unit, resulting in an acidification of the extracellular pH and an alkalization of the intracellular pH. In this context, the development of a portable device allows the real-time monitoring of ex-vivo extracellular pH. This device can assist the diagnosis of cancer cells during surgery without sending the removed tissue to pathology laboratories, saving time and resources. The device that will allow the measurement of ex-vivo extracellular pH consists of an array of planar microelectrodes with the respective readout electronics. As the pH measurement itself cannot diagnose cancer, the device will be integrated with a spectroscopy system. The objective of this work is the development of an electronic system able to detect changes of 0,05pH units. To fulfill this requirement, an analog circuit has been developed, integrated on a print circuit board (PCB) that processes the signal of the pH electrode. A microcontroller has been programmed considering the sensitivity of 0,05pH units, as well as a graphical user interface to visualize the values of the measurements taken by the array of pH electrodes. The system has been tested and the results showed an ability to distinguish between solutions with pH differences of 0,05 units with a linear and a reliable behavior.