Người tìm kiếm từ Đại học Brown đã phát triển một cảm biến sinh học mới có thể chọn lọc nồng độ của glucose trong một giải pháp phức tạp tương tự như nước bọt của con người. Tạm ứng là một bước quan trọng hướng tới thiết bị điều đó sẽ cho phép những người có bệnh tiểu đường để kiểm tra mức đường huyết của chúng mà không cần phải lấy máu.

Chip mới sử dụng một loạt các phản ứng hoá học kết hợp với trao đổi chất plasmonic, một phương tiện phát hiện chữ ký hóa học của các hợp chất sử dụng ánh sáng. Thiết bị này đủ nhạy để phát hiện sự khác biệt về nồng độ glucose chỉ với vài nghìn phân tử trong thể tích lấy mẫu.

READMORE ON KHOA HỌC HÀNG NGÀY 

Domenico Pacifici, trợ lý giáo sư kỹ thuật tại Brown, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh độ nhạy cần thiết để đo nồng độ glucose điển hình trong nước bọt, điển hình là 100 thấp hơn so với máu”. "Bây giờ chúng tôi có thể làm điều này với độ đặc hiệu rất cao, có nghĩa là chúng ta có thể phân biệt glucose từ các thành phần nền của nước bọt." Nghiên cứu mới này được mô tả trong bài báo trên tạp chí Nanophotonics tháng 6. Các biochip được làm từ một mảnh vuông một inch của thạch anh được phủ một lớp mỏng bạc. Khắc trong bạc là hàng nghìn giao thoa kế nanoscale - những khe hở nhỏ với một rãnh ở mỗi bên. Các rãnh đo rộng nanomet 200, và khe là nanomet 100 rộng - khoảng 1,000 mỏng hơn một sợi tóc người. Khi ánh sáng chiếu lên con chip, các rãnh tạo ra một làn sóng các electron tự do trong bạc - một mặt phân cực plasmon - để truyền tới khe. Những sóng đó gây nhiễu với ánh sáng xuyên qua khe. Máy dò nhạy cảm sau đó đo các mẫu nhiễu tạo ra bởi các rãnh và khe hở.
Khi chất lỏng lắng đọng trên chip, ánh sáng và sóng plasmon bề mặt truyền qua chất lỏng đó trước khi chúng can thiệp vào nhau. Điều đó làm thay đổi các mẫu giao thoa được các máy dò tìm thấy, tùy thuộc vào chất hóa học của chất lỏng. Bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các rãnh và khe trung tâm, các giao thoa kế có thể được hiệu chuẩn để phát hiện chữ ký của các hợp chất hoặc phân tử cụ thể, với độ nhạy cao trong khối lượng mẫu cực nhỏ. Trong một bài báo được công bố trên 2012, nhóm nghiên cứu của Brown đã chỉ ra rằng giao thoa kế trên một chip sinh học có thể được sử dụng để phát hiện glucose trong nước. Tuy nhiên, chọn lọc phát hiện glucose trong một dung dịch phức tạp như nước bọt của con người là một vấn đề khác.

"Nước bọt là khoảng 99 phần trăm nước, nhưng đó là phần trăm 1 đó không phải là nước mà trình bày vấn đề," Pacifici nói. “Có các enzym, muối và các thành phần khác có thể ảnh hưởng đến phản ứng của cảm biến. Với bài viết này, chúng tôi đã giải quyết được vấn đề cụ thể của chương trình cảm biến của chúng tôi. ”
Họ đã làm điều đó bằng cách sử dụng hóa học thuốc nhuộm để tạo ra một dấu hiệu có thể theo dõi cho glucose. Các nhà nghiên cứu đã thêm các kênh vi lỏng vào chip để giới thiệu hai loại enzyme phản ứng với glucose theo một cách rất cụ thể. Enzyme đầu tiên, glucose oxidase, phản ứng với glucose để tạo thành một phân tử hydrogen peroxide. Phân tử này sau đó phản ứng với enzyme thứ hai, peroxidase cải ngựa, để tạo ra một phân tử gọi là resorufin, có thể hấp thụ và phát ra ánh sáng đỏ, do đó tô màu dung dịch. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các giao thoa kế để tìm kiếm các phân tử resorufin đỏ.
“Phản ứng xảy ra theo kiểu một-một: Một phân tử glucose tạo ra một phân tử resorufin,” Pacifici nói. "Vì vậy, chúng tôi có thể đếm số lượng phân tử resorufin trong dung dịch, và suy ra số lượng phân tử glucose ban đầu có mặt trong dung dịch."
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm sự kết hợp giữa hóa học thuốc nhuộm và trao đổi chất plasmonic bằng cách tìm glucose trong nước bọt nhân tạo, hỗn hợp nước, muối và enzyme tương tự như nước bọt của con người. Họ thấy rằng họ có thể phát hiện resorufin trong thời gian thực với độ chính xác và độ đặc hiệu cao. Họ đã có thể phát hiện những thay đổi trong nồng độ glucose của 0.1 micromoles trên mỗi lít - 10 lần độ nhạy có thể đạt được bằng giao thoa kế một mình.
Bước tiếp theo trong công việc, Pacifici nói, là bắt đầu thử nghiệm phương pháp này trong nước bọt của con người. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu hy vọng họ có thể phát triển một thiết bị nhỏ, khép kín có thể cung cấp cho bệnh nhân tiểu đường một cách không xâm lấn để theo dõi nồng độ glucose của họ.
Cũng có những ứng dụng tiềm năng khác.
"Chúng tôi hiện đang hiệu chuẩn thiết bị này cho insulin," nhưng theo nguyên tắc chúng tôi có thể sửa đổi chính xác cảm biến 'plasmonic cuvette' này để phát hiện bất kỳ phân tử quan tâm nào. "
Nó có thể được sử dụng để phát hiện độc tố trong không khí hoặc nước hoặc được sử dụng trong phòng thí nghiệm để theo dõi phản ứng hóa học khi chúng xảy ra ở bề mặt cảm biến trong thời gian thực, Pacifici nói.

Một giao thoa kế plasmonic có thể phát hiện các phân tử glucose trong nước. Phát hiện glucose trong một chất lỏng phức tạp là khó khăn hơn. Kiểm soát khoảng cách giữa các rãnh và sử dụng hóa học thuốc nhuộm trên các phân tử glucose cho phép các nhà nghiên cứu đo nồng độ glucose mặc dù phần trăm 1 của nước bọt không phải là nước.

http://www.brown.edu/

Tín dụng: Hình ảnh lịch sự của Đại học Brown