Rearchers from Brown University har udviklet en ny biochip sensor, der selektivt kan måle koncentrationer af glucose i en kompleks løsning svarende til menneskelig spyt. Forskuddet er et vigtigt skridt mod en enhed det ville gøre det muligt for folk med diabetes at teste deres glukoseniveauer uden at trække blod.

Den nye chip bruger en række specifikke kemiske reaktioner kombineret med plasmonisk interferometri, et middel til at detektere kemisk signatur af forbindelser ved anvendelse af lys. Enheden er følsom nok til at detektere forskelle i glukosekoncentrationer, der kun svarer til nogle få tusinde molekyler i det samplede volumen.

READMORE ON SCIENCE DAILY 

"Vi har demonstreret den følsomhed, der er nødvendig for at måle glukosekoncentrationer, der er typiske i spyt, som typisk er 100 gange lavere end i blodet," siger Domenico Pacifici, adjunkt i engineering ved Brown, som ledede forskningen. "Nu kan vi gøre dette med ekstremt høj specificitet, hvilket betyder, at vi kan differentiere glukose fra baggrundskomponenterne af spyt." Den nye forskning er beskrevet i forsiden af ​​juni-udgaven af ​​tidsskriftet Nanophotonics. Biochipet er lavet af et 1-tommers kvartsstykke overtrukket med et tyndt lag sølv. Ætset i sølv er tusindvis af nanoskalainterferometre - små spalter med en rille på hver side. Sporene måler 200 nanometer bredt, og spalten er 100 nanometer bredt - omkring 1,000 gange tyndere end et menneskehår. Når lyset skinner på chippen, forårsager sporene en bølge af frie elektroner i sølv - en overfladesponmon polariton - for at sprede sig mod spalten. Disse bølger forstyrrer lys, der passerer gennem spalten. Sensitive detektorer måler så de interferensmønstre der genereres af rillerne og slidserne.
Når en væske deponeres på chippen, breder lyset og overfladens plasmonbølger gennem væsken, før de blander hinanden. Det ændrer de interferensmønstre opfanget af detektorerne, afhængigt af væskens kemiske sminke. Ved at justere afstanden mellem rillerne og centerspalten kan interferometrene kalibreres for at detektere signaturen af ​​specifikke forbindelser eller molekyler med høj følsomhed i ekstremt små prøvevolumener. I et papir udgivet i 2012 viste det brune team, at interferometre på en biochip kunne bruges til at detektere glukose i vand. Selektivt at detektere glucose i en kompleks opløsning som human spyt var imidlertid en anden sag.

"Spyt er omkring 99 procent vand, men det er 1 procent, der ikke er vand, der giver problemer," sagde Pacifici. "Der er enzymer, salte og andre komponenter, der kan påvirke sensorens respons. Med dette papir løste vi problemet med specificitet af vores sensingsplan. "
De gjorde det ved at bruge farvestofkemi til at skabe en sporbar markør for glucose. Forskerne tilføjede mikrofluidiske kanaler til chipet for at introducere to enzymer, der reagerer med glukose på en meget specifik måde. Det første enzym, glucoseoxidase, reagerer med glucose for at danne et molekyle hydrogenperoxid. Dette molekyle reagerer derefter med det andet enzym, peberrodsperoxidase, for at danne et molekyle kaldet resorufin, som kan absorbere og udsende rødt lys og dermed farve opløsningen. Forskerne kunne derefter indstille interferometrene for at lede efter de røde resorufinmolekyler.
"Reaktionen sker på en en-til-en måde: Et glukosemolekyle skaber et molekyle resorufin," sagde Pacifici. "Så vi kan tælle antallet af resorufinmolekyler i opløsningen og afgøre antallet af glucosemolekyler, der oprindeligt var til stede i opløsning."
Holdet testede sin kombination af farvestofkemi og plasmonisk interferometri ved at kigge efter glukose i kunstig spyt, en blanding af vand, salte og enzymer, der ligner den virkelige menneskelige spyt. De fandt ud af, at de kunne opdage resorufin i realtid med stor nøjagtighed og specificitet. De var i stand til at registrere ændringer i glukosekoncentrationen af ​​0.1 mikromoler pr. Liter - 10 gange den følsomhed, der kan opnås alene ved hjælp af interferometre.
Det næste skridt i arbejdet, siger Pacifici, er at begynde at teste metoden i ægte menneskelig spyt. I sidste ende håber forskerne, at de kan udvikle en lille, selvstændig enhed, der kan give diabetikere en noninvasiv måde at overvåge deres glukoseniveauer på.
Der er også andre potentielle applikationer.
"Vi kalibrerer nu denne enhed til insulin," sagde Pacifici, "men vi kunne i princippet korrekt ændre denne" plasmoniske kyvettensensor "til detektering af ethvert molekyle af interesse."
Det kunne bruges til at detektere toksiner i luft eller vand eller bruges i laboratoriet til at overvåge kemiske reaktioner, da de forekommer på sensoroverfladen i realtid, sagde Pacifici.

Et plasmonisk interferometer kan detektere glucosemolekyler i vand. Påvisning af glukose i en kompleks væske er mere udfordrende. Kontrol af afstanden mellem riller og anvendelse af farvestofkemi på glukosemolekyler gør det muligt for forskere at måle glukoseniveauet på trods af XIVUMX-procenten af ​​spyt, der ikke er vand.

http://www.brown.edu/

Kredit: Billede med tilladelse fra Brown University