Desenvolvimento de transistor de efeito de campo com porta estendida (EGFET) para quantificação da massa de fósforo removida de pacientes renais crônicos nas sessões de hemodiálise

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Sergio Henrique, 1966
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640808
Resumo: Orientadores: Leandro Tiago Manera, Helder José Ceragioli
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spelling Desenvolvimento de transistor de efeito de campo com porta estendida (EGFET) para quantificação da massa de fósforo removida de pacientes renais crônicos nas sessões de hemodiáliseDevelopment of extended gate field effect transistor (EGFET) for quantification of phosphorus mass removed from chronic kidney patients in hemodialysis sessionsTransistores de efeito de campoÓxido de alumínioHemodiáliseFosfatosFilmes finosField effect transistorAluminum oxideHemodialysisPhosphatesThin filmsOrientadores: Leandro Tiago Manera, Helder José CeragioliTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O trabalho a ser apresentado é o resultado da pesquisa sobre o transistor de efeito de campo com porta estendida (EGFET) que contribuiu para a avaliação do processo de hemodiálise no tratamento para pacientes renais crônicos. Trata-se de uma inovação, que permitirá ao médico nefrologista o controle do nível de fósforo no organismo do paciente renal crônico, e portanto um passo a mais na ciência médica com a contribuição do dispositivo EGFET fabricado. Substâncias em excesso como o fósforo são prejudiciais ao organismo, e o controle do nível sérico no paciente renal crônico, durante a hemodiálise, representa um desafio aos nefrologistas. O nível de fósforo no sangue acima do normal (hiperfosfatemia) está associado a casos de óbitos de pacientes renais crônicos. A partir desse problema então, foi desenvolvido um transistor de efeito de campo com porta estendida (EGFET) para ser utilizado na quantificação da massa de fósforo no dialisato total final extraída durante o processo de hemodiálise. Inicialmente para a fabricação do EGFET foi projetado e caracterizado capacitores metal-óxido-semicondutor (capacitor MOS) e dispositivo eletrólito-isolante-semicondutor (EIS) para as medidas de pH e para as medidas da concentração de fosfato em solução. Na fabricação dos capacitores MOS e dos dispositivos EIS, utilizou-se filmes finos de óxido de alumínio (Al2O3) depositado sobre uma estrutura composta de uma camada fina de óxido de silício (SiO2) sobre o substrato de silício. Foram realizadas a caracterização estrutural do filme de Al2O3, e a caracterização elétrica do capacitor MOS, que apresentou erros aproximados das curvas simuladas entre 4 e 7%, e do dispositivo EIS, que apresentou uma sensibilidade máxima de 182 mV/pH para as medidas de pH, e uma sensibilidade máxima de 347 mV/(mg/dL) para as medidas da concentração de fosfato em solução. O dispositivo EIS foi conectado a porta (gate) de um MOSFET comercial para formar o EGFET. Além disso, foi fabricado um eletrodo de referência contendo uma membrana íon-seletiva a base de poli álcool vinílico com inserção de ionóforo para o íon fosfato, para ser utilizado no EGFET. Os resultados obtidos das curvas da corrente de saturação IDS e das curvas de VGS em função da concentração de fosfato medida no intervalo de zero a 7 mg/dL no dialisato total final (DTF), e sensibilidade de 97 mV/(mg/dL), mostraram que o EGFET fabricado é uma solução inovadora nas medidas da concentração de fosfato no DTF em tempo real, e com a contribuição da quantificação da massa de fósforo que é removida do paciente renal crônico durante a sessão de hemodiálise. Isso permitirá ao médico nefrologista o controle do nível de fósforo no organismo do paciente renal crônico, e assim, evitando a hiperfosfatemia. Um circuito condicionador do sinal de resposta do EGFET foi fabricado a fim de possibilitar a leitura das medidas da concentração de fosfato no DTF que são realizadas em tempo real. Com o circuito condicionador do sinal do EGFET foi obtida uma sensibilidade de 694 mV/(mg/dL), com uma margem de erro de 6%, e com leitura mínima na medida da concentração de fosfato de 0,4 mg/dL. Para comprovação do experimento, foi realizado teste do EGFET em amostra do DTF fornecida pelo Departamento de Clínica Médica (Nefrologia) da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas, e o resultado obtido foi comparado com o realizado em laboratório, e que o resultado obtido com o EGFET apresentou inicialmente uma margem de erro de aproximadamente 15%. Essa diferença foi reduzida para aproximadamente 4,4% ajustando a tensão no eletrodo de referência do EGFET. Portanto, a metodologia proposta, o dispositivo sensor fabricado e o circuito obtido, possibilitaram uma solução inovadora na análise em tempo real da concentração do íon fosfato em pacientes nas sessões de hemodiáliseAbstract: The work to be presented is the result of research on the extended gate field effect transistor (EGFET) that contributed to the evaluation of the hemodialysis process in the treatment for chronic renal patients. It is an innovation that will allow the nephrologist to control the level of phosphorus in the body of the chronic kidney patient and therefore a further step in medical science with the contribution of the manufactured EGFET device. Excessive substances such as phosphorus are harmful to the body, and the control of serum levels in chronic renal patients during hemodialysis represents a challenge for nephrologists. The level of phosphorus in the blood above normal (hyperphosphatemia) is associated with cases of death in chronic renal patients. From this problem, an extended field effect transistor (EGFET) was developed to be used in the quantification of the phosphorus mass in the final total dialysate extracted during the hemodialysis process. Initially for the manufacture of EGFET, metal-oxide-semiconductor capacitors (MOS capacitors) and electrolyte-insulating-semiconductor (EIS) devices were designed and characterized for pH measurements and for measurements of phosphate concentration in solution. In the manufacture of MOS capacitors and EIS devices, thin films of aluminum oxide (Al2O3) deposited on a structure composed of a thin layer of silicon oxide (SiO2) on the silicon substrate were used. The structural characterization of the Al2O3 film was carried out, and the electrical characterization of the MOS capacitor, which showed approximate errors of the simulated curves between 4 and 7%, and the EIS device, which showed a maximum sensitivity of 182 mV/pH for the measurements of pH, and a maximum sensitivity of 347 mV/(mg/dL) for measurements of phosphate concentration in solution. EIS device was connected to the gate of a commercial MOSFET to form the EGFET. In addition, a reference electrode was manufactured containing an ion-selective membrane based on polyvinyl alcohol with ionophore insertion for the phosphate ion, to be used in EGFET. The results obtained from the curves of the IDS saturation current and the VGS curves as a function of the phosphate concentration measured in the range of zero to 7 mg/dL in the final total dialysate (FTD), and sensitivity of 97 mV/(mg/dL), showed that EGFET manufactured is an innovative solution in the measurement of phosphate concentration in FTD in real time, and with the contribution of quantification of the phosphorus mass that is removed from the chronic renal patient during the hemodialysis session. This will allow the nephrologist to control the level of phosphorus in the body of the chronic kidney patient, and thus avoid hyperphosphatemia. A conditioner circuit of the EGFET response signal was manufactured and connected to an Arduino, in order to allow the reading of the phosphate concentration measurements in the FTD that are performed in real time, in which in this conditioner circuit of the EGFET signal was obtained a sensitivity of 694 mV/(mg/dL), with a margin of error of 6%, and with a minimum reading in the measurement of the phosphate concentration of 0,4 mg/dL. To prove the experiment, an EGFET test was performed on a FTD sample provided by the Department of Clinical Medicine (Nephrology) at the Faculty of Medical Sciences of the State University of Campinas, and the result obtained was compared with that performed in the laboratory, and that the result obtained with EGFET presented an error margin of approximately 15%. This difference was reduced to approximately 4.4% by adjusting the voltage at the EGFET reference electrode. Therefore, the proposed methodology, the sensor device manufactured and the circuit obtained, allowed an innovative solution in the real-time analysis of the concentration of phosphate ion in patients in hemodialysis sessionsDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutora em Engenharia Elétrica[s.n.]Manêra, Leandro Tiago, 1977-Ceragioli, Helder Jose, 1957-Diniz, José AlexandreZanin, Hudson GiovaniTeixeira, Ricardo CotrinNeli, Roberto RibeiroUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFernandes, Sergio Henrique, 196620212021-01-29T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (173 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640808FERNANDES, Sergio Henrique. Desenvolvimento de transistor de efeito de campo com porta estendida (EGFET) para quantificação da massa de fósforo removida de pacientes renais crônicos nas sessões de hemodiálise. 2021. 1 recurso online (173 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640808. 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