Rearchers van Brown University hebben een nieuwe biochipsensor ontwikkeld die selectief concentraties van kan meten glucose in een complexe oplossing vergelijkbaar met menselijk speeksel. Het voorschot is een belangrijke stap in de richting van een apparaat dat zou mensen in staat stellen suikerziekte om hun glucosewaarden te testen zonder bloed af te nemen.

De nieuwe chip maakt gebruik van een reeks specifieke chemische reacties gecombineerd met plasmonische interferometrie, een middel voor het detecteren van chemische kenmerken van verbindingen met behulp van licht. Het apparaat is gevoelig genoeg om verschillen in glucoseconcentraties te detecteren die slechts enkele duizenden moleculen in het gesamplede volume bedragen.

LEES MEER OVER DE WETENSCHAP DAGELIJKS 

"We hebben de gevoeligheid aangetoond die nodig is om glucoseconcentraties te meten die kenmerkend zijn voor speeksel, die meestal 100 keer lager zijn dan in bloed," zei Domenico Pacifici, assistent-professor in engineering bij Brown, die het onderzoek leidde. "Nu zijn we in staat om dit te doen met een extreem hoge specificiteit, wat betekent dat we glucose kunnen differentiëren van de achtergrondcomponenten van speeksel." Het nieuwe onderzoek wordt beschreven in het omslagartikel van het juni-nummer van het tijdschrift Nanophotonics. De biochip is gemaakt van een vierkante stuk kwarts bedekt met een dun laagje zilver. Geëtst in het zilver zijn duizenden interferometers op nanoschaal - kleine spleten met een groef aan elke kant. De groeven meten 200 nanometers breed en de spleet is 100 nanometers breed - ongeveer 1,000 keer dunner dan een mensenhaar. Wanneer licht op de chip wordt geschenen, veroorzaken de groeven een golf van vrije elektronen in het zilver - een oppervlakteplasmonpolariton - om zich in de richting van de spleet voort te planten. Die golven interfereren met licht dat door de spleet passeert. Gevoelige detectors meten vervolgens de interferentiepatronen gegenereerd door de groeven en spleten.
Wanneer een vloeistof op de chip wordt afgezet, planten het licht en de plasmonengolven van het oppervlak zich door die vloeistof voort voordat ze met elkaar interfereren. Dat verandert de interferentiepatronen die worden opgepikt door de detectoren, afhankelijk van de chemische samenstelling van de vloeistof. Door de afstand tussen de groeven en de middenspleet aan te passen, kunnen de interferometers worden gekalibreerd om de handtekening van specifieke verbindingen of moleculen te detecteren, met hoge gevoeligheid in extreem kleine monstervolumes. In een paper gepubliceerd in 2012, toonde het Brown-team aan dat interferometers op een biochip kunnen worden gebruikt om glucose in water te detecteren. Het selectief detecteren van glucose in een complexe oplossing zoals menselijk speeksel was echter een andere zaak.

"Speeksel is ongeveer 99 procent water, maar het is het 1-percentage dat geen water is dat problemen oplevert," zei Pacifici. "Er zijn enzymen, zouten en andere componenten die de respons van de sensor kunnen beïnvloeden. Met dit artikel hebben we het probleem van de specificiteit van ons detectieschema opgelost. "
Ze deden dat door kleurstofchemie te gebruiken om een ​​traceerbare marker voor glucose te maken. De onderzoekers voegden microfluïdische kanalen toe aan de chip om twee enzymen te introduceren die op een zeer specifieke manier met glucose reageren. Het eerste enzym, glucose-oxidase, reageert met glucose om een ​​molecuul waterstofperoxide te vormen. Dit molecuul reageert vervolgens met het tweede enzym, mierikswortelperoxidase, om een ​​molecuul te genereren dat resorufine wordt genoemd, dat rood licht kan absorberen en emitteren, waardoor de oplossing wordt gekleurd. De onderzoekers konden dan de interferometers afstellen om te zoeken naar de rode resorufin-moleculen.
"De reactie gebeurt op een één-op-één manier: een molecuul glucose genereert één molecuul resorufin," zei Pacifici. "We kunnen dus het aantal resorufin-moleculen in de oplossing tellen en het aantal glucosemoleculen afleiden dat oorspronkelijk in de oplossing aanwezig was."
Het team testte de combinatie van kleurstofchemie en plasmonische interferometrie door glucose te zoeken in kunstmatig speeksel, een mengsel van water, zouten en enzymen dat lijkt op het echte menselijke speeksel. Ze ontdekten dat ze real-time resorufin konden detecteren met grote nauwkeurigheid en specificiteit. Ze waren in staat om veranderingen in de glucoseconcentratie van 0.1 micromol per liter te detecteren - 10 maal de gevoeligheid die alleen door interferometers kan worden bereikt.
De volgende stap in het werk, zegt Pacifici, is om de methode te gaan testen in echt menselijk speeksel. Uiteindelijk hopen de onderzoekers dat ze een klein, op zichzelf staand apparaat kunnen ontwikkelen dat diabetici een niet-invasieve manier kan geven om hun glucosespiegels te controleren.
Er zijn ook andere potentiële toepassingen.
"We zijn dit apparaat aan het kalibreren voor insuline," zei Pacifici, "maar in principe konden we deze 'plasmonische cuvette' sensor op de juiste manier modificeren voor detectie van elk molecuul van belang. '
Het kan worden gebruikt om toxines in lucht of water te detecteren of in het laboratorium te gebruiken om chemische reacties te monitoren, zoals ze zich in real time aan het oppervlak van de sensor voordoen, zei Pacifici.

Een plasmonische interferometer kan glucosemoleculen in water detecteren. De detectie van glucose in een complexe vloeistof is uitdagender. Door de afstand tussen groeven en de kleurstofchemie op glucosemoleculen te regelen, kunnen onderzoekers glucosespiegels meten, ondanks het 1 percentage speeksel dat geen water is.

http://www.brown.edu/

Krediet: met dank aan Brown University