Biochip måler glukose i spyt, ikke blod

For de 26 millioner amerikanere med diabetes, at tage blod er den mest udbredte måde at kontrollere glukoseniveauer på. Det er invasivt og i det mindste minimalt smertefuldt. Forskere ved Brown University arbejder på en ny sensor, der kan kontrollere blodsukkerniveauet ved i stedet at måle glukosekoncentrationer i spyt.

Teknikken drager fordel af en konvergens af nanoteknologi og overfladeplasmonik, som udforsker samspillet mellem elektroner og fotoner (lys). Ingeniørerne hos Brown ætset tusindvis af plasmoniske interferometre på en biochip på størrelse med en fingernegle og målte koncentrationen af ​​glukosemolekyler i vand på chippen. Deres resultater viste, at den specialdesignede biochip kunne detektere glukoseniveauer svarende til niveauerne i menneskets spyt. Glukose i menneskespyt er typisk omkring 100 gange mindre koncentreret end i blodet.

"Dette er et bevis på, at plasmoniske interferometre kan bruges til at detektere molekyler i lave koncentrationer, ved at bruge et fodaftryk, der er ti gange mindre end et menneskehår, "sagde Domenico Pacifici, adjunkt i ingeniørvidenskab og hovedforfatter af papiret udgivet i Nano bogstaver , et tidsskrift fra American Chemical Society.

Teknikken kan bruges til at påvise andre kemikalier eller stoffer, fra miltbrand til biologiske forbindelser, Pacifici sagde, "og for at opdage dem alle på én gang, parallelt, bruger den samme chip."

For at oprette sensoren, forskerne udskåret en spalte på omkring 100 nanometer bred og ætset to 200 nanometer brede riller på hver side af spalten. Spalten fanger indkommende fotoner og begrænser dem. Rillerne, i mellemtiden, sprede de indkommende fotoner, som interagerer med de frie elektroner, der grænser rundt på sensorens metaloverflade. Disse frie elektron-foton interaktioner skaber en overflade plasmon polariton, en særlig bølge med en bølgelængde, der er smallere end en foton i det frie rum. Disse overfladeplasmonbølger bevæger sig langs sensorens overflade, indtil de møder fotonerne i spalten, meget som to havbølger, der kommer fra forskellige retninger og kolliderer med hinanden. Denne "interferens" mellem de to bølger bestemmer maksima og minima i lysintensiteten transmitteret gennem spalten. Tilstedeværelsen af ​​en analyt (kemikaliet, der måles) på sensoroverfladen genererer en ændring i den relative faseforskel mellem de to overfladeplasmonbølger, hvilket igen forårsager en ændring i lysintensiteten, målt af forskerne i realtid.

"Spalten fungerer som en mixer for de tre stråler - det indfaldende lys og overfladeplasmonbølgerne, " sagde Pacifici.

Ingeniørerne lærte, at de kunne variere faseforskydningen for et interferometer ved at ændre afstanden mellem rillerne og spalten, hvilket betyder, at de kunne tune den interferens, der genereres af bølgerne. Forskerne kunne tune de tusindvis af interferometre for at etablere basislinjer, som derefter kunne bruges til nøjagtigt at måle koncentrationer af glukose i vand helt ned til 0,36 milligram pr. deciliter.

"Det kunne være muligt at bruge disse biochips til at udføre screening af flere biomarkører for individuelle patienter, på én gang og parallelt, med hidtil uset følsomhed, " sagde Pacifici.

Ingeniørerne planlægger derefter at bygge sensorer skræddersyet til glukose og til andre stoffer for yderligere at teste enhederne. "Den foreslåede tilgang vil muliggøre meget høj gennemløbsdetektion af miljømæssigt og biologisk relevante analytter i et ekstremt kompakt design. Vi kan gøre det med en følsomhed, der konkurrerer med moderne teknologier, " sagde Pacifici.

Tayhas Palmore, professor i ingeniørvidenskab, er medvirkende forfatter på papiret. Kandidatstuderende Jing Feng (teknik) og Vince Siu (biologi), hvem designet mikrofluidkanalerne og udførte eksperimenterne, er opført som de to første forfattere på papiret. Andre forfattere inkluderer Brown ingeniørstuderende Steve Rhieu og studerende Vihang Mehta, Alec Roelke.