Design of a portable potentiostat for the analysis of glycated albumin using aptasensors

Diabetes mellitus (DM) is a chronic metabolic disease that occurs due to elevated levels of blood sugar, caused by lack of insulin production in the islets of Langerhans or because body cannot effectively use the secreted insulin. More than half a billion people are living with diabetes worldwide and it affects women, men, and children of all ages in every country. The most used markers in the diagnosis of diabetes are blood glucose and the glycated hemoglobin, but nowadays glycated albumin is gaining interest. Glycated albumin in fact results to be more reliable in presence of some hematologic disfunctions or disease and it is not dependent of erythrocytes lifespan unlike glycated hemoglobin. Early diagnosis of diabetes mellitus is important to improve quality of life and to reduce healthcare costs. One of the most used methods to detect glycated albumin in human body is the biosensor. A biosensor is composed of three parts: the biological recognition element, a transducer, and a signal processing system. In this work we are going to use a particular family of biosensor: the aptasensor. Aptamers are a special class of nucleic acid capable of specifically binding proteins or another cellular target. We used the G8-FAM modified aptamer to bind the glycated albumin. We analyzed the behavior of this fluorescent aptamer in presence of graphene oxide and glycated albumin using a fluorometer. The second part of this project consisted in the design of a PCB for a portable potentiostat that allows to do cyclic voltammetry and chronoamperometry, two electrochemical techniques useful to analyze the reaction happening on the aptasensor. The circuit was designed starting from a pre-existing PSoC-based potentiostat. The goal of this work was to lower the total noise of the measuring system by selecting ad-hoc off-the-shelf components to increase the performance of the device. A sensor case to enclose the final version of the aptasensor and ensure a stable connection between the sensing element and the measuring circuit was designed, too. Nevertheless, the biosensor itself was not developed within the context of this work.

Il diabete mellito è una malattia metabolica cronica causata da alti livelli di zucchero nel sangue, causati da mancanza di produzione di insulina nelle isole di Langherlans o perché il corpo non può utilizzare effettivamente l’insulina secreta. Più di mezzo miliardo di persone nel mondo vivono con il diabete e colpisce donne, uomini e bambini di ogni età in ogni paese. I marcatori più usati nella diagnosi del diabete sono il glucosio nel sangue e l’emoglobina glicata. Recentemente, l’albumina glicata sta guadagnando interesse. L’albumina glicata, infatti, risulta essere più affidabile in presenza di alcune disfunzioni ematiche o malattie e non è dipendente dalla vita media degli eritrociti, a differenza dell’emoglobina glicata. Una diagnosi precoce del diabete mellito è importante per migliorare la qualità della vita e diminuire i costi. Uno dei metodi più usati per misurare l’albumina glicata nel corpo umano sono i biosensori. Un biosensore è formato da tre parti: l’elemento di riconoscimento biologico, un trasduttore e un sistema di processo dei segnali. In questo lavoro noi useremo una particolare famiglia di sensori: gli aptasensori. Gli aptameri sono una classe speciale di acidi nucleici capaci di legarsi specificatamente a proteine o altri target cellulari. Noi abbiamo usato l’aptamero G8-FAM per legare l’albumina glicata. Abbiamo analizzato il comportamento di questo aptamero fluorescente in presenza di ossido di grafene e albumina glicata usando un fluorimetro. La seconda parte di questo progetto ha riguardato il design di una PCB per un potenziostato portatile che permette di fare ciclovoltammetria e cronoamperometria, due tecniche elettrochimiche utile per analizzare le reazioni che avvengono sull’aptasensore. Il circuito è stato progettato partendo da un potenziostato già sviluppato basato su PSoC. L’obiettivo del lavoro è stato quello di diminuire il rumore totale del sistema di misura selezionando componenti ad-hoc per aumentare le performance del dispositivo. Un porta sensore per contenere la versione finale dell’aptasensoree assicurare una connessione stabile tra l’elemento sensitivo e il circuito di misura è stato progettato. Tuttavia, l’aptasensore in sé non è stato sviluppato all’interno di questo lavoro.