Tecniche spettroscopiche d'impedenza per la possibile misurazione di sodio e glucosio nel sangue

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Introduzione  
 
Ho svolto la mia tesi presso l’ISIB del CNR di Padova, seguito dal Dott. Tura Andrea la cui attività di 
ricerca si svolge nel campo del monitoraggio della glicemia attraverso tecniche non invasive. Durante 
il mio tirocinio al CNR sono stato inserito all'interno del progetto chiamato “Noninvasive glucose 
monitor” per la misura non invasiva del glucosio nel sangue. 
Negli ultimi dieci anni si è venuto a creare un forte interesse per lo sviluppo di tecnologie che 
potessero misurare la glicemia attraverso metodi non invasivi, poiché, oggigiorno, i glucometri 
tradizionali, che sono uno dei principali attori nella prevenzione del diabete, rimangono costosi, poco 
affidali e invasivi. 
Sono stati studiati e analizzati vari strumenti d’indagine giacché, in quest’ambito, vi sono svariati 
metodi di approccio. Tant'è vero che, a tal proposito, sono stati molti i tentativi nell’ambito della 
ricerca per giungere alla costruzione di un glucometro che garantisca un’accurata misurazione 
glicemica. Abbiamo perciò analizzato diversi tipi di metodi per la misurazione di glicemia tra questi, 
ne abbiamo scelto uno basato su tecniche di spettroscopia d’impedenza. Infatti è noto che al variare 
della concentrazione di glucosio presente in una soluzione, e di conseguenza anche nel sangue, venga 
a variare anche l’impedenza della soluzione stessa. 
Il progetto da me seguito all’ISIB si interessava, precisamente, di studiare la tecnologia dell’impedenza.  
Ho proceduto effettuando varie prove in vitro su delle soluzioni che presentino delle similitudini con 
il sangue e ,più precisamente, sulla soluzione sodio-cloruro al 0,9% comunemente conosciuta come 
soluzione fisiologica. Utilizzando questa soluzione, ho verificato come all’aumentare della 
concentrazione di glucosio aumenti l’impedenza della soluzione.  
In seguito, si è preso in considerazione il ruolo principale e attivo dei possibili confondenti nel sangue, 
nell’ipotesi in cui dovessimo eseguire misurazioni in vitro. In particolare, un elemento di importante 
disturbo è lo ione sodio poiché contribuisce in modo non poco incisivo a determinare, insieme al 
glucosio, l’impedenza di una soluzione (specialmente del sangue). 
Durante queste analisi, al fine di risolvere questo importante problema dei confondenti, si è quindi 
scoperto che è possibile far passare una soluzione contente sodio attraverso una specifica resina a 
scambio ionico (DOWX G-26)  che ha la capacità di far diminuire tali ioni. La differenza 
d’impedenza della soluzione, misurata prima e dopo il passaggio attraverso la resina, dipende dalla 
concentrazione del sodio stesso. 
Grazie a questa deduzione empirica siamo stati capaci di costruire una curva di taratura, ponendo i 
valori del delta d’impedenza nella retta delle ascisse e collocando in quella delle ordinate i valori che si 
riferiscono alla concentrazione dello ione sodio. 
A questo punto, grazie alla curva costruita, è possibile risalire alla concentrazione di sodio 
semplicemente misurandone l’impedenza della soluzione (o in un caso più realistico del sangue). 
Questo mi da’ la possibilità di ricavare, sempre grazie ai dati d’impedenza tabulati nella curva, la
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concentrazione di glucosio in quanto l’impedenza totale misurata è data dalla concentrazione del 
glucosio più quella del sodio. 
Sfortunatamente questa tecnica si allontana dal concetto inteso per non invasivo dal momento che è 
evidentemente impossibile poter iniettare della resina su un soggetto. Tuttavia, potrebbe essere 
interessante considerare questa tecnica per poter migliorare la misura tradizionale fatta a domicilio con 
i glucometri, misurazioni che sappiamo essere tutt’altro che affidabili (a tale proposito ho potuto 
verificare personalmente gli scostamenti di tre glucometri diversi).  
Questa nuova tecnica, ancora in fase di studio poiché richiede tuttora la goccia di sangue, basata 
sull’uso congiunto delle resine e della misura d’impedenza, potrebbe essere alla base di una nuova 
generazione di glucometri domiciliari, sempre di tipo invasivo, ma se non altro molto più affidabili in 
termini di precisione della misura.
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Capitolo 1 
 
Le Tecniche non Invasive  
 
In questo capitolo introduttivo saranno enucleate le diverse tecniche non invasive introducendo 
infine quella da noi utilizzata: la spettroscopia d’impedenza. 
 
1.1 Definizione di non invasività e tecniche non invasive  
 
Patologie come il diabete di tipo (II) e specialmente di tipo (I) richiedono frequenti auto monitoraggi 
della glicemia. Negli ultimi vent’anni diversi progetti sono stati portati avanti per stabilire una 
tecnica non invasiva in grado di valutare la glicemia, come per esempio un’applicazione che non 
richieda il prelievo del sangue. Tuttavia, si può affermare che il monitoraggio del glucosio non 
invasivo è ancora nella prima fase di sviluppo. L’obiettivo di quest’analisi è quello di descrivere le 
principali tecnologie per il monitoraggio non invasivo del livello del glucosio e i procedimenti più 
rilevanti. 
C’è da dire che alcune tecnologie non sono state descritte: questo è dovuto alla definizione di “non  
invasivo” considerata. Infatti, per quanto riguarda la spiegazione di non invasivo, bisogna notare che 
alcuni autori considerano come “non invasivo” solo le tecnologie e i procedimenti derivanti, ottiche 
o opto acustiche, mentre le tecnologie che interessano la generazione di corrente elettrica in una 
parte del corpo umano o che causano la creazione di buchi nella pelle, sono considerati 
“minimamente invasivi”. Al contrario, altri autori considerano come non invasivo tutto ciò che non 
richieda il prelievo del sangue. La definizione di non invasivo, considerata in quest’analisi, sta nel 
mezzo: consideriamo non invasivo ciò che non porta al prelievo del sangue e che non causa 
penetrazione di un oggetto solido nella pelle. Perciò, non abbiamo considerato “invasivo” l'uso di 
un ago impiantato anche superficialmente nei tessuti sottocutanei. Tuttavia, abbiamo accettato come 
non-invasivo quelle tecnologie che creano microscopici buchi sulla pelle con deboli luci laser o 
ultrasuoni.  
Di seguito presenterò alcune tecniche, che ritengo più rilevanti, per la misurazione non invasiva del 
glucosio per paragonarle alla tecnica da me utilizzata nelle varie sperimentazioni, che presenterò 
come ultima.
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1.1.2 Near infrared spectroscopy (NIR) 
 
1.1.2.1 Principio 
 
Il NIR è basato sul fatto di far convergere un 
raggio di luce di 750-2500 nm sul corpo. Lo 
spettroscopio NIR permette la misurazione 
del glucosio nei tessuti in una gamma di 1-100 
mm d’intensità, con una diminuzione nella 
profondità di penetrazione per aumento dei 
valori di lunghezza d'onda. La luce che 
converge sul corpo è parzialmente assorbita e 
dispersa, fatto dovuto alla sua interazione con i 
componenti chimici presenti all'interno dei 
tessuti. L'attenuazione della luce in questi è 
descritta secondo la teoria di trasporto della luce, dall'equazione  dove I è l’intensità 
della luce riflessa,  è intensità della luce incidente,   è il coefficiente effettivo di attenuazione e 
d è la lunghezza della traiettoria ottica nel tessuto. 
Dall’altra parte,  può essere espresso come una funzione   dove  è il 
coefficiente di assorbimento e  è il coefficiente di diffusione. I cambiamenti nella concentrazione 
di glucosio possono influenzare  di un tessuto attraverso cambi di assorbimento. Tali cambiamenti 
nella concentrazione di glucosio concernono anche l’intensità di luce riflessa dai tessuti, cioè . 
Questo coefficiente è una funzione composta dalla densità dei centri di diffusione nel volume del 
tessuto osservato, dei loro indici di rifrazione e dall’indice di rifrazione del fluido che lo circonda. 
Nel  caso dei tessuti cutanei, le fibre del tessuto connettivo sono i centri diffusori. Gli eritrociti sono i 
centri di diffusione per il sangue. Riassumendo, le concentrazioni di glucosio possono essere 
calcolate da variazioni d’intensità di luce sia trasmesse attraverso un tessuto contente glucosio e 
riflessa dallo stesso(tessuto). La trasmissione o la riflettenza (localizzata o diffusa) della luce possono 
essere misurate da rilevatori adatti. 
La trasmissione della luce è stata studiata attraverso il lobo dell’orecchio, la membrana interdigitale, la 
pelle dell’avambraccio, la mucosa labiale, mucosa orale, la lingua, il setto nasale, le guance e il 
braccio. 
 
1.1.2.2  Limiti 
 
Il coefficiente di assorbimento del glucosio nella banda del NIR è basso e molto più piccolo di 
quello dell’acqua grazie all’ampia disparità nelle loro rispettive concentrazioni. Perciò, nel NIR le
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deboli bande dello spettro del glucosio si sovrappongono con non solo le fasce più forti dell’acqua, 
ma anche dell’emoglobina, delle proteine e dei grassi. Per quanto concerne il coefficiente di 
diffusione (o coefficiente di trasmittanza termica), l’effetto di un soluto (come il glucosio) sull’indice 
di rifrazione di un mezzo non specifico, è comune ad altri analiti solubili. Inoltre, i parametri chimici 
e fisici, come la variazione nella pressione sanguigna, la temperatura corporea, l’idratazione della 
pelle, i trigliceridi e la concentrazione di albumina, possono interferire con la misurazione del 
glucosio. Errori possono verificarsi a causa di variazioni ambientali quali il cambiamento della 
temperatura, umidità, il biossido di carbonio e la pressione atmosferica. I cambiamenti di glucosio 
stessi possono introdurre altri fattori che possono creare disturbo: per esempio, è stato provato che 
l’iperglicemia, come l’iperinsulinemia (spesso connessa a pazienti precedentemente obesi), può 
indurre la vaso dilatazione, che risulta in un aumentato irroramento. Questo fenomeno aumenta 
l’assorbimento della luce, e quindi può portare a errori nella considerazione della concentrazione di 
glucosio nel sangue, se non tenuto in considerazione. È stato inoltre evidenziato che l’iperglicemia 
può avere effetti sulle proprietà strutturali della pelle. I soggetti diabetici, infatti, possono presentare 
“pelle gialla” o “pelle spessa”, probabilmente dovuto all’acceleramento dell’invecchiamento del 
collagene e alla consumazione delle fibre elastiche. Perciò, la luce riflessa dalla pelle di soggetti 
diabetici potrebbe avere una differente intensità rispetto a quella di un soggetto in salute a un uguale 
livello di glicemia. Anche le proprietà termali della pelle sono state trovate essere diverse in soggetti 
con iperglicemia, e per cui toccano la riflettenza localizzata della luce. L’iperglicemia può anche 
causare differenze nell’indice di riflettenza dei globuli rossi del sangue, che portano a diverse 
diffusioni della luce. Un altro fattore che crea confusione è dovuto al fatto che le misurazioni del 
NIR spesso riflettono la concentrazione di glucosio in diverse parti del corpo, non solo nel sangue 
ma anche il liquido interstiziale in diversi tessuti che possono contribuire al segnale di misurazione. 
 
 
 
1.1.3 Mid-infrared spectroscopy (Mid-IR)    
 
1.1.3.1 Principio 
 
Il Mid-IR è basato sulla luce di gamma 2500-10,000 nm. Il 
principio fisico è simile a quello del NIR. Comparato al NIR, 
comunque, a causa delle lunghezze d’onda più alte, il Mid-IR 
mostra un decrescente fenomeno di diffusione, e un crescente 
assorbimento. Per questa ragione, la penetrazione nei tessuti 
della luce può raggiungere pochi micrometri: nel caso della 
pelle umana, corrispondente allo strato della cornea. Come 
conseguenza, solo la luce riflessa e diffusa può essere 
considerata. D’altra parte, un possibile vantaggio del Mid-IR