Forskere skaber biosensor ved at forvandle edderkoppesilke til optisk fiber

Forskere har udnyttet edderkoppesilkens lysledende egenskaber til at udvikle en sensor, der kan detektere og måle små ændringer i brydningsindekset for en biologisk opløsning, herunder glukose og andre typer sukkeropløsninger. Den nye lysbaserede sensor kan en dag være nyttig til at måle blodsukker og andre biokemiske analytter.

"Glucosesensorer er afgørende for mennesker med diabetes, men disse enheder har en tendens til at være invasive, ubehagelige og ikke omkostningseffektive," sagde leder af forskningsteamet Cheng-Yang Liu fra National Yang Ming Chiao Tung University i Taiwan. "Med edderkoppesilke, der tiltrækker opmærksomhed for dets overlegne optomekaniske egenskaber, ønskede vi at udforske brugen af ​​dette biokompatible materiale til optisk at detektere forskellige sukkerkoncentrationer i realtid."

Liu og kolleger fra Taiwan Instrument Research Institute og Taipei Medical University beskriver deres nye sensor i Biomedical Optics Express . De viser, at det kan bruges til at bestemme koncentrationer af fructose, saccharose og glukose sukker baseret på ændringer i en opløsnings brydningsindeks. Edderkoppesilke er ideel til denne applikation, fordi den ikke kun kan transmittere lys som en optisk fiber, men også er meget stærk og elastisk.

"Vores nye edderkoppesilke-baserede fiberoptiske sukkersensor er praktisk, kompakt, biokompatibel, omkostningseffektiv og meget følsom," sagde Liu. "Med yderligere udvikling kan det føre til bedre hjemmemedicinsk overvågningsudstyr og point-of-care diagnose- og testudstyr."

Fra silke til sensor

For at lave sensoren høstede forskerne dragline-edderkoppesilke fra den gigantiske træedderkop Nephila pilipes, som er hjemmehørende i Taiwan. De indhyllede silken, som kun er 10 mikrometer i diameter, med en biokompatibel fotohærdende harpiks og hærdede den for at danne en glat beskyttende overflade. Dette skabte en optisk fiberstruktur, der var 100 mikrometer i diameter, hvor edderkoppesilken fungerede som kernen og harpiksen som beklædningen. De tilføjede derefter et biokompatibelt nano-lag af guld for at forbedre fiberens føleevner.

Denne proces dannede en trådlignende struktur med to ender. For at bruge fiberen til at tage målinger nedsænkede forskerne den ene ende i en væskeprøve og forbandt den anden ende til en lyskilde og et spektrometer. Dette gjorde det muligt for forskerne at detektere opløsningens brydningsindeks og bruge det til at bestemme typen af ​​sukker og dets koncentration.

"Den edderkoppesilkebaserede sukkersensor er genanvendelig, omkostningseffektiv, nem at bruge og tilbyder realtidsdetektion," sagde Liu. "Derudover, fordi den er kompakt, kan den give adgang til svært tilgængelige områder såsom hjernen og hjertet. Med videre udvikling er det også håbet, at denne silkebaserede fiberoptiske sukkersensor kan bruges i implanterbart medicinsk udstyr og behandlingsstrategier i biomedicinske applikationer."

Konsekvente, nøjagtige aflæsninger

For at teste sensorens repeterbarhed og stabilitet over tid brugte forskerne den til at måle opløsninger med ukendte koncentrationer af fruktose, saccharose eller glucosesukker ved stuetemperatur. Målingerne blev hver gentaget 10 gange med 5 minutters intervaller.

For kvantitativt at bestemme ydeevnen af ​​den silkebaserede fiberoptiske sensor sammenlignede forskerne lysintensitetsspektrene produceret af sensoren med brydningsindeksmålinger erhvervet med et kommercielt refraktometer. Sensoren var i stand til både at identificere typen af ​​sukker i opløsningen og give en aflæsning af koncentrationen.

"Målepræcisionen og sansefølsomheden, vi opnåede, tyder på, at sensoren nøjagtigt kan estimere koncentrationen af ​​en ukendt sukkeropløsning," sagde Liu. "Desuden omfatter sensingfølsomheden for vores foreslåede sensor fuldstændig rækken af ​​sukkerkoncentrationer, der findes i menneskeligt blod."

Før sensoren kan bruges til realtidsmålinger i en klinik eller hjemmebrugsanordning, vil det være nødvendigt at forbedre dens nøjagtighed og forbedre dens stabilitet under miljøændringer, så den kan bruges i længere perioder.

Forskerne arbejder også på software, der gør det muligt at bruge sensoren med mobile enheder til point-of-care-aflæsninger. De ønsker også at udvide sensorens funktionalitet, så den kan bruges til at måle forskellige biokemiske komponenter i menneskeligt blod såsom laktose og fedt. + Udforsk yderligere

Edderkoppesilke kan skabe linser, der er nyttige til biologisk billeddannelse