Sensore elettrochimico miniaturizzato per il monitoraggio continuo del Peptide Natriuretico di Tipo B (BNP) basato su transistor a effetto di campo a gate esteso (EGFET)

One of the emerging challenges in biosensor research is the continuous monitoring of cardiac biomarkers, essential for early diagnosis and personalized management of heart failure. Among these, B-type Natriuretic Peptide (BNP) is a well-established diagnostic and prognostic marker. However, its application in point-of-care systems remains limited, due to its short plasma half-life and the constraints of conventional analytical methods. This thesis presents the design and preliminary evaluation of a miniaturized biosensor based on an Extended-Gate Field Effect Transistor (EGFET), specifically optimized for the selective and continuous detection of BNP. Two biological recognition elements (BREs) were assessed: an anti-BNP IgG antibody and its corresponding Fab fragment. Both were characterized using Bio-Layer Interferometry (BLI), which demonstrated high affinity for the target (KD < 1 nM). When integrated into the EGFET platform, the Fab-based sensor exhibited superior performance, with a more stable, reproducible, and selective electrical response. These results are attributed to the fragment’s smaller size, its oriented immobilization via Ni-NTA/His-tag chemistry, and improved compatibility with the electrical double layer (EDL). In parallel, the measurement protocol was refined and a detailed analysis of noise sources was performed, identifying optimal operating conditions to maximize the signal-to-noise ratio. Overall, this work sets the foundation for the future development of portable biosensors for real-time BNP monitoring in clinical settings.

Attualmente, una delle sfide emergenti nell’ambito dei biosensori è il monitoraggio continuo dei biomarcatori cardiaci per la diagnosi precoce e gestione personalizzata della malattia. In particolare, il peptide natriuretico di tipo B (BNP) è riconosciuto come marcatore diagnostico in caso di scompenso cardiaco. Tuttavia, è ancora poco utilizzato in formato point-of-care a causa del tempo di emivita breve e delle limitazioni delle metodiche convenzionali. Questo lavoro descrive la progettazione e la caratterizzazione preliminare di un biosensore miniaturizzato per la rilevazione selettiva e continua del BNP, utilizzando come trasduttore l’Extended-Gate Field Effect Transistor (EGFET). Sono stati valutati due elementi di riconoscimento biologico (BRE): l’IgG anti-BNP e il Fab anti-BNP. Entrambi sono stati caratterizzati mediante il Bio-layer Interferometry (BLI), e hanno dimostrato un'elevata affinità con l’analita target (KD < 1nM). L'integrazione nel sistema EGFET ha evidenziato una risposta elettrica più stabile, riproducibile e selettiva nel caso del frammento Fab. La risposta migliore è attribuibile alla minore dimensione, che favorisce l’inclusione nell’EDL, e all’orientamento controllato sull’elettrodo (Ni-NTA/His-tag). Inoltre, attraverso questo studio, si è ottimizzato il protocollo di misura e si è cercato di identificare i principali contributi di rumore del sistema mediante analisi mirate di condizioni operative, con l’obiettivo di migliorare il rapporto segnale/rumore. I risultati ottenuti pongono le basi per futuri sviluppi di sensori portatili per il monitoraggio continuo del BNP in ambito clinico.