Uchwyty z Brown University opracowali nowy czujnik biochip, który może selektywnie mierzyć stężenia glukoza w złożonym rozwiązaniu podobnym do ludzka ślina. Postęp jest ważnym krokiem w kierunku urządzenie to umożliwiłoby ludziom cukrzyca przetestować poziom glukozy bez pobierania krwi.

Nowy chip wykorzystuje serię konkretnych reakcje chemiczne w połączeniu z plazmoniczną interferometrią, sposobem wykrywania sygnatury chemicznej związków za pomocą światła. Urządzenie jest wystarczająco czułe, aby wykryć różnice w stężeniach glukozy, które wynoszą zaledwie kilka tysięcy cząsteczek w objętej próbą objętości.

CZYTAJ O CODZIENIU NAUKI 

„Wykazaliśmy czułość potrzebną do pomiaru stężeń glukozy typowych dla śliny, które są zwykle 100 razy niższe niż we krwi”, powiedział Domenico Pacifici, adiunkt w Brown, który prowadził badania. „Teraz jesteśmy w stanie zrobić to z niezwykle wysoką specyficznością, co oznacza, że ​​możemy odróżnić glukozę od podstawowych składników śliny”. Nowe badania opisano w artykule na okładce czerwcowego wydania czasopisma Nanophotonics. Biochip wykonany jest z kwarcowego kwadratu o grubości jednego cala pokrytego cienką warstwą srebra. Wytrawione w srebrze są tysiące interferometrów w nanoskali - małe szczeliny z rowkiem z każdej strony. Rowki mierzą szerokość nanometrów 200, a szczelina ma szerokość nanometrową 100 - około 1,000 razy cieńszą niż ludzki włos. Kiedy na chipie świeci się światło, rowki powodują falę wolnych elektronów w srebrze - powierzchniowy plazmon polarytonowy - propagujący się w kierunku szczeliny. Te fale zakłócają światło, które przechodzi przez szczelinę. Wrażliwe detektory następnie mierzą wzory zakłóceń generowanych przez rowki i szczeliny.
Kiedy ciecz zostaje osadzona na chipie, światło i fale plazmy powierzchniowej rozprzestrzeniają się przez tę ciecz zanim zakłócą się wzajemnie. To zmienia schematy interferencyjne wykryte przez detektory, w zależności od składu chemicznego cieczy. Dostosowując odległość między rowkami i środkową szczeliną, interferometry można skalibrować w celu wykrycia sygnatury określonych związków lub cząsteczek, z wysoką czułością w wyjątkowo małych objętościach próbek. W artykule opublikowanym w 2012, zespół Brown wykazał, że interferometry na biochipie mogą być wykorzystywane do wykrywania glukozy w wodzie. Jednak selektywna detekcja glukozy w złożonym roztworze, takim jak ludzka ślina, była inną sprawą.

„Ślina dotyczy wody 99 w procentach, ale to procent 1 to nie woda, która stwarza problemy”, powiedział Pacifici. „Istnieją enzymy, sole i inne składniki, które mogą wpływać na reakcję czujnika. W tym artykule rozwiązaliśmy problem specyficzności naszego systemu wykrywania. ”
Zrobili to za pomocą chemii barwników, aby utworzyć znakowalny marker dla glukozy. Naukowcy dodali do mikroprzepływu kanały mikroprzepływowe, aby wprowadzić dwa enzymy, które reagują z glukozą w bardzo specyficzny sposób. Pierwszy enzym, oksydaza glukozy, reaguje z glukozą, tworząc cząsteczkę nadtlenku wodoru. Cząsteczka ta reaguje następnie z drugim enzymem, peroksydazą chrzanową, aby wytworzyć cząsteczkę o nazwie resorufin, która może absorbować i emitować czerwone światło, tym samym barwiąc roztwór. Naukowcy mogli następnie dostroić interferometry, aby wyszukać czerwone cząsteczki resorufin.
„Reakcja przebiega w sposób jeden do jednego: cząsteczka glukozy wytwarza jedną cząsteczkę rezorufiny”, powiedział Pacifici. „Możemy więc policzyć liczbę cząsteczek resorufin w roztworze i określić liczbę cząsteczek glukozy, które były pierwotnie obecne w roztworze”.
Zespół przetestował połączenie chemii barwników i interferometrii plazmonowej, szukając glukozy w sztucznej ślinie, mieszaniny wody, soli i enzymów, która przypomina prawdziwą ludzką ślinę. Odkryli, że potrafią wykryć resorufinę w czasie rzeczywistym z dużą dokładnością i specyficznością. Byli w stanie wykryć zmiany stężenia glukozy w mikromolach 0.1 na litr - 10 razy czułość, którą można osiągnąć za pomocą samych interferometrów.
Kolejnym krokiem w pracy, mówi Pacifici, jest rozpoczęcie testowania metody w prawdziwej ludzkiej ślinie. Ostatecznie naukowcy mają nadzieję, że opracują małe, samodzielne urządzenie, które może dać diabetykom nieinwazyjny sposób monitorowania poziomu glukozy.
Istnieją również inne potencjalne aplikacje.
„Obecnie kalibrujemy to urządzenie na insulinę”, powiedział Pacifici, „ale w zasadzie możemy odpowiednio zmodyfikować ten czujnik„ kuwety plazmonicznej ”do wykrywania dowolnej cząsteczki będącej przedmiotem zainteresowania.”
Może być używany do wykrywania toksyn w powietrzu lub wodzie lub wykorzystywanych w laboratorium do monitorowania reakcji chemicznych, które pojawiają się na powierzchni czujnika w czasie rzeczywistym, powiedział Pacifici.

Plazmoniczny interferometr może wykrywać cząsteczki glukozy w wodzie. Wykrywanie glukozy w złożonym płynie jest trudniejsze. Kontrolowanie odległości między rowkami i stosowanie chemii barwników na cząsteczkach glukozy pozwala badaczom mierzyć poziom glukozy pomimo 1 procent śliny, która nie jest wodą.

http://www.brown.edu/

Credit: Zdjęcie dzięki uprzejmości Brown University