Rökare från Brown University har utvecklat en ny biochip sensor som selektivt kan mäta koncentrationer av glukos i en komplex lösning liknande mänskligt saliv. Förskottet är ett viktigt steg mot en anordning det skulle göra det möjligt för människor med diabetes att testa sina glukosnivåer utan att dra blod.

Det nya chipet använder sig av en serie specifika kemiska reaktioner kombinerat med plasmonisk interferometri, ett sätt att detektera kemisk signatur av föreningar med användning av ljus. Anordningen är känslig för att detektera skillnader i glukoskoncentrationer som uppgår till bara några tusen molekyler i den samplade volymen.

READMORE ON SCIENCE DAILY 

"Vi har visat den känslighet som behövs för att mäta glukoskoncentrationer som är typiska för saliv, som vanligtvis är 100 gånger lägre än i blod", säger Domenico Pacifici, biträdande professor i teknik vid Brown, som ledde forskningen. "Nu kan vi göra detta med extremt hög specificitet, vilket innebär att vi kan skilja glukos från bakgrundsdelen av saliv." Den nya forskningen beskrivs i artikeln i juni-numret av tidningen Nanophotonics. Biochipen är tillverkad av en kvadratkvartett av ett kvadratmeter belagt med ett tunt lager av silver. Etsad i silver är tusentals nanoskalainterferometrar - små slitsar med ett spår på varje sida. Spåren mäter 200 nanometer breda och slitsen är 100 nanometer bred - ca 1,000 gånger tunnare än ett mänskligt hår. När ljuset lyser på chipet orsakar spåren en våg av fria elektroner i silveret - en ytplasmonpolariton - för att sprida sig mot slitsen. Dessa vågor störa ljus som passerar genom slitsen. Känsliga detektorer mäter sedan de interferensmönster som genereras av spåren och slitsarna.
När en vätska deponeras på chipet sprider ljuset och ytplasmonvågorna genom den vätskan innan de stör varandra. Det förändrar de interferensmönster som upptas av detektorerna, beroende på vätskans kemiska smink. Genom att justera avståndet mellan spåren och mittslitsen kan interferometrarna kalibreras för att detektera signaturen för specifika föreningar eller molekyler, med hög känslighet i extremt små provvolymer. I ett papper publicerat i 2012 visade det bruna laget att interferometrar på en biochip kunde användas för att detektera glukos i vatten. Det var emellertid en annan fråga att selektivt detektera glukos i en komplex lösning som humant saliv.

"Saliva handlar om 99-procent vatten, men det är 1-procenten som inte är vatten som ger problem," sade Pacifici. "Det finns enzymer, salter och andra komponenter som kan påverka sensorns respons. Med detta papper löst vi problemet med specifika känslighetsscheman. "
De gjorde det genom att använda färgämneschemi för att skapa en spårbar markör för glukos. Forskarna lade mikrofluidiska kanaler till chipet för att introducera två enzymer som reagerar med glukos på ett mycket specifikt sätt. Det första enzymet, glukosoxidas, reagerar med glukos för att bilda en molekyl väteperoxid. Denna molekyl reagerar sedan med det andra enzymet, pepparrotperoxidas, för att generera en molekyl som kallas resorufin, som kan absorbera och avge rött ljus och därigenom färga lösningen. Forskarna kunde sedan ställa in interferometrarna för att leta efter de röda resorufinmolekylerna.
"Reaktionen sker på ett till ett sätt: En molekyl av glukos genererar en molekyl resorufin," sade Pacifici. "Så vi kan räkna antalet resorufinmolekyler i lösningen och bestämma antalet glukosmolekyler som ursprungligen var närvarande i lösning."
Teamet testade sin kombination av färgämneschemi och plasmonisk interferometri genom att leta efter glukos i artificiellt saliv, en blandning av vatten, salter och enzymer som liknar det verkliga humana salivet. De fann att de kunde upptäcka resorufin i realtid med stor noggrannhet och specificitet. De kunde detektera förändringar i glukoskoncentrationen av 0.1 mikromoler per liter - 10 gånger den känslighet som kan uppnås med hjälp av interferometrar ensam.
Nästa steg i arbetet, säger Pacifici, är att börja testa metoden i verkligt mänskligt saliv. I slutändan hoppas forskarna att de kan utveckla en liten, fristående enhet som kan ge diabetiker ett noninvasivt sätt att övervaka glukosnivåerna.
Det finns också andra potentiella applikationer.
"Vi kalibrerar nu denna enhet för insulin," sade Pacifici, "men i princip kunde vi korrekt modifiera denna" plasmoniska kyvettensensorn "för detektering av vilken molekyl av intresse som helst."
Det kan användas för att detektera toxiner i luft eller vatten eller användas i laboratoriet för att övervaka kemiska reaktioner som de uppträder vid sensorytan i realtid, sa Pacifici.

En plasmonisk interferometer kan detektera glukosmolekyler i vatten. Detektion av glukos i en komplex vätska är mer utmanande. Kontroll av avståndet mellan spår och användning av färgämneschemi på glukosmolekyler gör det möjligt för forskare att mäta glukosnivåer trots 1-procenten av saliv som inte är vatten.

http://www.brown.edu/

Kredit: Bild med tillstånd från Brown University