Οι ερευνητές από Πανεπιστήμιο Brown έχουν αναπτύξει έναν νέο αισθητήρα βιοψύξης που μπορεί να μετρήσει επιλεκτικά τις συγκεντρώσεις του γλυκόζη σε μια πολύπλοκη λύση παρόμοια με αυτή ανθρώπινο σάλιο. Η πρόοδος είναι ένα σημαντικό βήμα προς ένα συσκευή που θα επιτρέψει στους ανθρώπους με διαβήτης να δοκιμάσουν τα επίπεδα γλυκόζης χωρίς να τραβήξουν αίμα.

Το νέο τσιπ κάνει χρήση μιας σειράς συγκεκριμένων χημικές αντιδράσεις σε συνδυασμό με πλασμονική συμβολομετρία, ένα μέσο ανίχνευσης της χημικής υπογραφής των ενώσεων που χρησιμοποιούν φως. Η συσκευή είναι αρκετά ευαίσθητη ώστε να ανιχνεύει διαφορές στις συγκεντρώσεις γλυκόζης που ανέρχονται σε λίγες μόνο χιλιάδες μόρια στον όγκο του δείγματος.

READMORE ON SCIENCE ΗΜΕΡΑ 

"Έχουμε αποδείξει την ευαισθησία που απαιτείται για τη μέτρηση των συγκεντρώσεων γλυκόζης που είναι χαρακτηριστικές στο σάλιο, οι οποίες είναι συνήθως 100 φορές χαμηλότερες από ό, τι στο αίμα", δήλωσε ο Domenico Pacifici, επίκουρος καθηγητής μηχανικής στο Brown, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας. «Τώρα είμαστε σε θέση να το κάνουμε αυτό με εξαιρετικά υψηλή ειδικότητα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να διαφοροποιήσουμε τη γλυκόζη από τα συστατικά του υποστρώματος του σάλιου». Η νέα έρευνα περιγράφεται στο εξώφυλλο του τεύχους Ιουνίου του περιοδικού Nanophotonics. Ο βιοτσίπς είναι κατασκευασμένος από κομμάτι χαλαζία τεσσάρων ιντσών, επικαλυμμένο με λεπτό στρώμα αργύρου. Χαραγμένες στο ασημί είναι χιλιάδες συμβολόμετρα νανοκλίμακας - μικροσκοπικές σχισμές με αυλάκωση σε κάθε πλευρά. Τα αυλάκια μετρούν το πλάτος των 200 νανομέτρων και η σχισμή είναι 100 νανόμετρα ευρεία - περίπου 1,000 φορές λεπτότερη από την ανθρώπινη τρίχα. Όταν το φως φωτίζεται πάνω στο τσιπ, οι αυλακώσεις προκαλούν ένα κύμα ελεύθερων ηλεκτρονίων στο ασήμι - ένα polariton επιφανειακού πλασμονίου - να διαδοθεί προς την σχισμή. Τα κύματα αυτά παρεμποδίζουν το φως που διέρχεται από τη σχισμή. Οι ευαίσθητοι ανιχνευτές μετρούν τα πρότυπα παρεμβολής που παράγονται από τις αυλακώσεις και τις σχισμές.
Όταν ένα υγρό εναποτίθεται στο τσιπ, το φως και τα επιφανειακά κύματα πλασμονίου διαδίδονται μέσω αυτού του υγρού προτού αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό μεταβάλλει τα πρότυπα παρεμβολής που ανιχνεύονται από τους ανιχνευτές, ανάλογα με το χημικό μακιγιάζ του υγρού. Ρυθμίζοντας την απόσταση μεταξύ των αυλακώσεων και της κεντρικής σχισμής, τα συμβολόμετρα μπορούν να βαθμονομηθούν για να ανιχνεύσουν την υπογραφή συγκεκριμένων ενώσεων ή μορίων, με υψηλή ευαισθησία σε εξαιρετικά μικρούς όγκους δειγμάτων. Σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε στο 2012, η ομάδα Brown έδειξε ότι τα συμβολόμετρα σε ένα βιοτσίπ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της γλυκόζης στο νερό. Εντούτοις, η επιλεκτική ανίχνευση της γλυκόζης σε ένα πολύπλοκο διάλυμα όπως το ανθρώπινο σάλιο ήταν άλλο θέμα.

"Το σάλιο είναι περίπου το 99 τοις εκατό νερό, αλλά είναι το ποσοστό 1 που δεν είναι νερό που παρουσιάζει προβλήματα", δήλωσε ο Pacifici. "Υπάρχουν ένζυμα, άλατα και άλλα συστατικά που μπορεί να επηρεάσουν την απόκριση του αισθητήρα. Με αυτό το έγγραφο λύσαμε το πρόβλημα της ιδιαιτερότητας του αισθητήριου μας σχεδίου. "
Το έκαναν με τη χρήση χημείας χρώματος για να δημιουργήσουν ένα δείκτη παρακολούθησης για τη γλυκόζη. Οι ερευνητές προσέθεσαν μικροκυκλοφοριακά κανάλια στο τσιπ για να εισάγουν δύο ένζυμα που αντιδρούν με γλυκόζη με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Το πρώτο ένζυμο, οξειδάση γλυκόζης, αντιδρά με τη γλυκόζη για να σχηματίσει ένα μόριο υπεροξειδίου του υδρογόνου. Αυτό το μόριο αντιδρά τότε με το δεύτερο ένζυμο, την υπεροξειδάση της αγριοραπανίδας, για να παράγει ένα μόριο που ονομάζεται resorufin, το οποίο μπορεί να απορροφήσει και να εκπέμψει ερυθρό φως και έτσι να χρωματιστεί το διάλυμα. Οι ερευνητές θα μπορούσαν τότε να συντονίσουν τα συμβολόμετρα για να αναζητήσουν τα κόκκινα μόρια resorufin.
"Η αντίδραση συμβαίνει με τρόπο one-to-one: Ένα μόριο γλυκόζης παράγει ένα μόριο resorufin", δήλωσε ο Pacifici. "Έτσι μπορούμε να μετρήσουμε τον αριθμό των μορίων resorufin στο διάλυμα και να συμπεράνουμε τον αριθμό των μορίων γλυκόζης που υπήρχαν αρχικά στο διάλυμα".
Η ομάδα εξέτασε το συνδυασμό χημείας χρωστικής και πλασμονικής συμβολομετρίας αναζητώντας γλυκόζη σε τεχνητό σάλιο, ένα μίγμα νερού, αλάτων και ενζύμων που μοιάζει με το πραγματικό ανθρώπινο σάλιο. Διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να ανιχνεύσουν resorufin σε πραγματικό χρόνο με μεγάλη ακρίβεια και ειδικότητα. Μπορούν να ανιχνεύσουν μεταβολές στη συγκέντρωση γλυκόζης σε μικρογραμμάρια 0.1 ανά λίτρο - 10 φορές την ευαισθησία που μπορεί να επιτευχθεί μόνο με συμβολόμετρα.
Το επόμενο βήμα στο έργο, λέει η Pacifici, είναι να αρχίσει η δοκιμή της μεθόδου σε πραγματικό ανθρώπινο σάλιο. Τελικά, οι ερευνητές ελπίζουν ότι μπορούν να αναπτύξουν μια μικρή, αυτόνομη συσκευή που θα μπορούσε να δώσει στους διαβητικούς έναν μη επεμβατικό τρόπο παρακολούθησης των επιπέδων γλυκόζης τους.
Υπάρχουν και άλλες πιθανές εφαρμογές.
"Τώρα βαθμολογούμε αυτή τη συσκευή για ινσουλίνη", δήλωσε ο Pacifici, "αλλά κατ 'αρχήν θα μπορούσαμε να τροποποιήσουμε σωστά αυτόν τον αισθητήρα" πλασμονικής κυψελίδας "για ανίχνευση οποιουδήποτε μορίου που μας ενδιαφέρει."
Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση τοξινών στον αέρα ή το νερό ή να χρησιμοποιηθεί στο εργαστήριο για την παρακολούθηση των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στην επιφάνεια του αισθητήρα σε πραγματικό χρόνο, δήλωσε ο Pacifici.

Ένα πλασμονικό συμβολόμετρο μπορεί να ανιχνεύσει μόρια γλυκόζης στο νερό. Η ανίχνευση της γλυκόζης σε ένα σύνθετο υγρό είναι πιο δύσκολη. Ο έλεγχος της απόστασης μεταξύ των αυλακώσεων και η χρήση χημείας χρωστικής στα μόρια γλυκόζης επιτρέπει στους ερευνητές να μετρήσουν τα επίπεδα γλυκόζης παρά το ποσοστό 1 του σάλιου που δεν είναι νερό.

http://www.brown.edu/

Πιστωτική κάρτα: Η εικόνα είναι προσφορά του Brown University