Rexchers von Brown University haben einen neuen Biochip - Sensor entwickelt, mit dem Konzentrationen von Glucose in einer komplexen Lösung ähnlich wie menschlicher Speichel. Der Fortschritt ist ein wichtiger Schritt in Richtung Gerät das würde Menschen mit ermöglichen Diabetes um ihre Glukosewerte zu testen, ohne Blut zu ziehen.

Der neue Chip nutzt eine Reihe von spezifischen chemische Reaktionen kombiniert mit plasmonischer Interferometrie, einem Mittel zum Nachweis der chemischen Signatur von Verbindungen unter Verwendung von Licht. Das Gerät ist empfindlich genug, um Unterschiede in den Glukosekonzentrationen zu detektieren, die im abgetasteten Volumen nur einige tausend Moleküle ausmachen.

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"Wir haben die Empfindlichkeit nachgewiesen, die erforderlich ist, um die für Speichel typischen Glukosekonzentrationen zu messen, die in der Regel 100-mal niedriger sind als im Blut", sagte Domenico Pacifici, Assistant Professor of Engineering bei Brown, der die Forschung leitete. "Jetzt können wir dies mit extrem hoher Spezifität tun, was bedeutet, dass wir Glukose von den Hintergrundkomponenten des Speichels unterscheiden können." Die neue Forschung ist im Titelartikel der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Nanophotonics beschrieben. Der Biochip besteht aus einem Quadratzoll großen Stück Quarz, das mit einer dünnen Silberschicht überzogen ist. In das Silber sind Tausende von Interferometern im Nanobereich eingeätzt - winzige Schlitze mit einer Rille auf jeder Seite. Die Rillen sind 200 Nanometer breit und der Schlitz ist 100 Nanometer breit - ungefähr 1,000 mal dünner als ein menschliches Haar. Wenn Licht auf den Chip gerichtet wird, bewirken die Rillen, dass sich eine Welle von freien Elektronen im Silber - ein Oberflächenplasmon-Polariton - in Richtung des Schlitzes ausbreitet. Diese Wellen stören das Licht, das durch den Spalt fällt. Empfindliche Detektoren messen dann die Interferenzmuster, die durch die Rillen und Schlitze erzeugt werden.
Wenn eine Flüssigkeit auf dem Chip abgeschieden wird, breiten sich das Licht und die Oberflächenplasmonenwellen durch diese Flüssigkeit aus, bevor sie sich gegenseitig stören. Dies ändert die Interferenzmuster, die von den Detektoren abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit aufgenommen werden. Durch Einstellen des Abstands zwischen den Rillen und dem zentralen Schlitz können die Interferometer kalibriert werden, um die Signatur spezifischer Verbindungen oder Moleküle mit hoher Empfindlichkeit in extrem kleinen Probenvolumina zu detektieren. In einer in 2012 veröffentlichten Arbeit zeigte das Brown-Team, dass Interferometer auf einem Biochip zum Nachweis von Glukose in Wasser verwendet werden können. Das selektive Detektieren von Glucose in einer komplexen Lösung wie menschlichem Speichel war jedoch eine andere Sache.

"Bei Speichel geht es um 99-Prozent Wasser, aber es sind die 1-Prozent, bei denen es sich nicht um Wasser handelt, das Probleme aufwirft", sagte Pacifici. „Es gibt Enzyme, Salze und andere Komponenten, die die Reaktion des Sensors beeinflussen können. Mit diesem Artikel haben wir das Problem der Spezifität unseres Erfassungsschemas gelöst. “
Sie taten das, indem sie Farbstoffchemie verwendeten, um einen verfolgbaren Marker für Glukose zu erzeugen. Die Forscher fügten dem Chip mikrofluidische Kanäle hinzu, um zwei Enzyme einzuführen, die auf spezifische Weise mit Glucose reagieren. Das erste Enzym, Glucoseoxidase, reagiert mit Glucose zu einem Wasserstoffperoxidmolekül. Dieses Molekül reagiert dann mit dem zweiten Enzym, Meerrettichperoxidase, um ein Molekül namens Resorufin zu erzeugen, das rotes Licht absorbieren und emittieren kann und so die Lösung einfärbt. Die Forscher könnten dann die Interferometer abstimmen, um nach den roten Resorufinmolekülen zu suchen.
"Die Reaktion erfolgt eins zu eins: Ein Molekül Glucose erzeugt ein Molekül Resorufin", sagte Pacifici. "So können wir die Anzahl der Resorufinmoleküle in der Lösung zählen und auf die Anzahl der Glucosemoleküle schließen, die ursprünglich in der Lösung vorhanden waren."
Das Team testete seine Kombination aus Farbstoffchemie und plasmonischer Interferometrie, indem es in künstlichem Speichel nach Glucose suchte, einer Mischung aus Wasser, Salzen und Enzymen, die dem echten menschlichen Speichel ähnelt. Sie stellten fest, dass sie Resorufin mit großer Genauigkeit und Spezifität in Echtzeit nachweisen konnten. Sie konnten Veränderungen der Glucosekonzentration von 0.1 Mikromol pro Liter nachweisen - das 10-fache der Empfindlichkeit, die nur mit Interferometern erreicht werden kann.
Der nächste Schritt in der Arbeit, Pacifici sagt, ist es, die Methode in echten menschlichen Speichel zu testen. Letztendlich hoffen die Forscher, dass sie ein kleines, in sich geschlossenes Gerät entwickeln können, das Diabetikern eine nichtinvasive Möglichkeit zur Überwachung ihres Blutzuckerspiegels bietet.
Es gibt auch andere mögliche Anwendungen.
"Wir kalibrieren dieses Gerät jetzt für Insulin", sagte Pacifici. "Im Prinzip könnten wir diesen" plasmonischen Küvetten "-Sensor jedoch so modifizieren, dass alle interessierenden Moleküle erkannt werden."
Es könnte verwendet werden, um Toxine in Luft oder Wasser zu entdecken oder im Labor verwendet, um chemische Reaktionen zu überwachen, wie sie an der Sensoroberfläche in Echtzeit auftreten, sagte Pacifici.

Ein plasmonisches Interferometer kann Glukosemoleküle in Wasser nachweisen. Der Nachweis von Glukose in einer komplexen Flüssigkeit ist schwieriger. Durch die Kontrolle des Abstandes zwischen den Rillen und die Verwendung von Farbstoffchemie an Glukose-Molekülen können die Forscher den Glukosespiegel trotz des 1-Anteils des Speichels, der kein Wasser ist, messen.

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Credit: Bild mit freundlicher Genehmigung der Brown University