Rearchers from Brown University har utviklet en ny biochip sensor som selektivt kan måle konsentrasjoner av glukose i en kompleks løsning som ligner på menneskelig spytt. Forskottet er et viktig skritt mot en enhet det ville gjøre det mulig for folk med diabetes for å teste glukosenivåene sine uten å tegne blod.

Den nye brikken bruker en serie av spesifikke kjemiske reaksjoner kombinert med plasmonisk interferometri, et middel til å detektere kjemisk signatur av forbindelser ved bruk av lys. Enheten er sensitiv nok til å oppdage forskjeller i glukosekonsentrasjoner som bare utgjør noen få tusen molekyler i det samplede volumet.

READMORE ON SCIENCE DAILY 

"Vi har vist følsomheten som trengs for å måle glukosekonsentrasjoner som er typiske i spytt, som vanligvis er 100 ganger lavere enn i blod," sa Domenico Pacifici, professor i ingeniørfag i Brown, som ledet forskningen. "Nå kan vi gjøre dette med ekstremt høy spesifisitet, noe som betyr at vi kan skille glukose fra bakgrunnsdelene av spytt." Den nye forskningen er beskrevet i forsiden av juni-utgaven av tidsskriftet Nanophotonics. Biochipen er laget av et kvadratkvartett med en tommers kvadrat belagt med et tynt lag sølv. Etset i sølv er tusenvis av nanoskalainterferometre - små spalter med en spor på hver side. Sporene måler 200 nanometer bredt, og spalten er 100 nanometer bredt - om 1,000 ganger tynnere enn et menneskehår. Når lyset skinner på brikken, forårsaker sporene en bølge av frie elektroner i sølvet - en overflateplasmon polariton - for å spre seg mot spalten. Disse bølgene forstyrrer lys som går gjennom spalten. Sensitive detektorer måler deretter interferensmønstre generert av sporene og slissene.
Når en væske blir avsatt på brikken, forplanter lyset og overflateplasmonbølgene seg gjennom væsken før de forstyrrer hverandre. Det endrer forstyrrelsesmønstrene som oppfanges av detektorene, avhengig av væskens kjemiske sminke. Ved å justere avstanden mellom sporene og senterspalten, kan interferometerene kalibreres for å detektere signaturen til bestemte forbindelser eller molekyler, med høy følsomhet i ekstremt små prøvevolumer. I et papir publisert i 2012 viste det brune laget at interferometre på en biochip kunne brukes til å oppdage glukose i vann. Selektivt å detektere glukose i en kompleks løsning som menneskelig spyt var imidlertid en annen sak.

"Spytt er omtrent 99 prosent vann, men det er 1-prosenten som ikke er vann som gir problemer," sa Pacifici. "Det finnes enzymer, salter og andre komponenter som kan påvirke responsen til sensoren. Med dette papiret løste vi problemet med spesifisitet av sensingskjemaet. "
De gjorde det ved å bruke fargekjemi for å skape en sporbar markør for glukose. Forskerne la mikrofluidiske kanaler til brikken for å introdusere to enzymer som reagerer med glukose på en svært spesifikk måte. Det første enzymet, glukoseoksidase, reagerer med glukose for å danne et molekyl hydrogenperoksid. Dette molekylet reagerer deretter med det andre enzymet, pepperrotperoksidase, for å generere et molekyl som kalles resorufin, som kan absorbere og avgir rødt lys, og farger dermed løsningen. Forskerne kan da stille interferometerene for å lete etter de røde resorufinmolekylene.
"Reaksjonen skjer i en-mot-en måte: Et molekyl av glukose genererer et molekyl av resorufin," sa Pacifici. "Så vi kan telle antall resorufinmolekyler i løsningen, og utlede antall glukosemolekyler som opprinnelig var tilstede i løsning."
Teamet testet sin kombinasjon av fargekjemi og plasmonisk interferometri ved å lete etter glukose i kunstig spyt, en blanding av vann, salter og enzymer som ligner den virkelige menneskelige spyt. De fant at de kunne oppdage resorufin i sanntid med stor nøyaktighet og spesifisitet. De var i stand til å oppdage endringer i glukosekonsentrasjonen av 0.1 mikromoler per liter - 10 ganger følsomheten som kan oppnås ved hjelp av interferometre alene.
Det neste trinnet i arbeidet, sier Pacifici, er å begynne å teste metoden i ekte menneskelig spytt. Til slutt håper forskerne at de kan utvikle en liten, selvstendig enhet som kan gi diabetikere en noninvasiv måte å overvåke glukosenivåene på.
Det er også andre potensielle applikasjoner.
"Vi kalibrerer nå denne enheten for insulin," sa Pacifici, "men i prinsippet kunne vi korrekt modifisere denne" plasmoniske kyvettensensoren "for å påvise noen molekyler av interesse."
Det kan brukes til å oppdage toksiner i luft eller vann eller brukes i laboratoriet for å overvåke kjemiske reaksjoner da de forekommer på sensoroverflaten i sanntid, sa Pacifici.

Et plasmonisk interferometer kan detektere glukosemolekyler i vann. Deteksjon av glukose i et komplekst væske er mer utfordrende. Ved å kontrollere avstanden mellom sporene og bruk av fargekjemi på glukosemolekyler, kan forskere måle glukosenivåer til tross for 1-prosenten av spytt som ikke er vann.

http://www.brown.edu/

Kreditt: Bilde på grunn av Brown University