الخميس ، 5 يونيو ، 2014. - طور الباحثون في جامعة براون في رود آيلاند ، الولايات المتحدة الأمريكية ، مستشعرًا حيويًا جديدًا يمكنه قياس تركيزات الجلوكوز بشكل انتقائي في محلول معقد مشابه لعاب الإنسان. يعد هذا الإنجاز ، الذي نُشر في مجلة "Nanophotonics" ، أمرًا مهمًا لأنه يمكن أن يتيح تصميم جهاز يتيح للأشخاص المصابين بداء السكري قياس مستويات الجلوكوز دون سحب دمائهم.
تستخدم الرقاقة الجديدة سلسلة من التفاعلات الكيميائية المحددة مع التداخل البلازمي ، وهي وسيلة لاكتشاف التوقيع الكيميائي للمركبات باستخدام الضوء. الجهاز حساس بدرجة كافية لاكتشاف الاختلافات في تركيزات الجلوكوز بما يعادل بضعة آلاف من الجزيئات في حجم العينة.
"لقد أظهرنا الحساسية اللازمة لقياس التركيزات المعتادة للجلوكوز في اللعاب ، والتي عادة ما تكون أقل من مائة مرة في الدم" ، يوضح مدير الأبحاث ، دومينيكو باسيفيك ، أستاذ مساعد في الهندسة في جامعة براون. ويضيف: "لقد أصبحنا قادرين الآن على القيام بذلك بخصوصية عالية للغاية ، مما يعني أنه يمكننا التمييز بين الجلوكوز ومكونات الخلفية من اللعاب".
يتكون الرقاقة البيولوجية من قطعة من بوصة مربعة من الكوارتز مطلية بطبقة رقيقة من الفضة. محفور بالفضة النانوية الآلاف من مقاييس التداخل ، الشقوق الصغيرة مع فتحة على كل جانب 200 نانومتر واسعة. يبلغ طول الشق 100 نانومتر ، أي حوالي 1000 ضعف من شعرة الإنسان.
عندما يضيء الضوء على الرقاقة ، تتسبب الفتحات في موجة من الإلكترونات الحرة بالفضة ، وهي بولاريتون plasmon السطح ، ينتشر في الفتحة. تتداخل هذه الموجات مع الضوء الذي يمر عبر الأخدود وتقيس أجهزة الكشف الحساسة أنماط التداخل الناتجة عن الأخاديد والأخاديد.
وبهذه الطريقة ، عندما يتم ترسب السائل على الرقاقة ، تنتشر موجات البلازما الخفيفة والسطحية عبر السائل الذي يتداخل مع بعضها البعض ، وتغيير أنماط التداخل التي تجمعها أجهزة الكشف ، وهذا يتوقف على التركيب الكيميائي لل السائل الاول.
عن طريق ضبط المسافة بين الأخاديد ووسط الأخدود ، يمكن معايرة مقاييس التداخل للكشف عن تواقيع المركبات أو الجزيئات المحددة ، مع حساسية عالية في أحجام عينة صغيرة للغاية.
في مقال نُشر في عام 2012 ، أظهر فريق براون أن مقاييس التداخل في الرقاقة الحيوية يمكن أن تكتشف الجلوكوز في الماء. ومع ذلك ، فإن الاكتشاف الانتقائي للجلوكوز في محلول معقد مثل اللعاب البشري كان مشكلة أخرى.
يقول باسفيكي: "يبلغ حجم اللعاب حوالي 99 في المائة ، وبالتالي فإن 1 في المائة هو الذي يعرض المشاكل. هناك إنزيمات وأملاح ومكونات أخرى يمكن أن تؤثر على استجابة المستشعر. بهذا العمل ، لقد حللنا مشكلة خصوصية نظام الكشف لدينا ". قام هؤلاء الخبراء باستخدام كيمياء الصبغ لإنشاء علامة يمكن تتبعها عن الجلوكوز.
أضاف الباحثون قنوات ميكروفلويديك إلى الرقاقة لإدخال اثنين من الإنزيمات التي تتفاعل مع الجلوكوز بطريقة محددة للغاية. يتفاعل الإنزيم الأول ، وهو أوكسيديز الجلوكوز ، مع الجلوكوز ليشكل جزيء من بيروكسيد الهيدروجين يتفاعل مع الإنزيم الثاني ، بيروكسيداز الفجل ، لتوليد جزيء يسمى ريسوروفين ، والذي يمكن أن يمتص وينبعث الضوء الأحمر ، ويقوم بتلوين المحلول.
بعد ذلك ، تمكن العلماء من ضبط مقاييس التداخل للبحث عن جزيئات ريسوروفين الحمراء. "يحدث التفاعل بطريقة منفردة: يقوم جزيء الجلوكوز بتكوين جزيء ريسوروفين - يقول باسفيكي -. لذلك يمكننا حساب عدد جزيئات الريسوروفين في المحلول واستنتاج عدد جزيئات الجلوكوز التي كانوا حاضرين في الأصل في الحل ".
اختبر الفريق مزيجًا من كيمياء الأصباغ وقياس التداخل البلازميمي عن طريق البحث عن الجلوكوز في اللعاب الاصطناعي ، وهو مزيج من الماء والأملاح والإنزيمات التي تشبه الإنسان الحقيقي. وهكذا ، وجدوا أنهم يستطيعون اكتشاف الريسوروفين في الوقت الحقيقي بدقة عالية وخصوصية وتمكّنوا من اكتشاف التغيرات في تركيز الجلوكوز بنسبة 0.1 ميكرولول لكل لتر ، أي عشرة أضعاف الحساسية التي يمكن تحقيقها بواسطة مقاييس التداخل.
الخطوة التالية في العمل ، وفقًا لـ Pacifici ، هي البدء في اختبار الطريقة في لعاب بشري حقيقي. في نهاية المطاف ، يأمل الباحثون في تطوير جهاز صغير مستقل بذاته يمكن أن يمنح مرضى السكر وسيلة غير غازية لمراقبة مستويات الجلوكوز لديهم. "نحن الآن نقوم بمعايرة هذا الجهاز من أجل الأنسولين" ، حسب باسفيكي سعيد ، الذي يضيف أنه يمكن استخدامه أيضًا للكشف عن السموم في الهواء أو الماء أو في المختبر للتحكم في التفاعلات الكيميائية التي تحدث في منطقة المستشعر في الوقت المناسب. ريال مدريد.
المصدر:
علامات:
قائمة المصطلحات مختلف قطع والطفل
تستخدم الرقاقة الجديدة سلسلة من التفاعلات الكيميائية المحددة مع التداخل البلازمي ، وهي وسيلة لاكتشاف التوقيع الكيميائي للمركبات باستخدام الضوء. الجهاز حساس بدرجة كافية لاكتشاف الاختلافات في تركيزات الجلوكوز بما يعادل بضعة آلاف من الجزيئات في حجم العينة.
"لقد أظهرنا الحساسية اللازمة لقياس التركيزات المعتادة للجلوكوز في اللعاب ، والتي عادة ما تكون أقل من مائة مرة في الدم" ، يوضح مدير الأبحاث ، دومينيكو باسيفيك ، أستاذ مساعد في الهندسة في جامعة براون. ويضيف: "لقد أصبحنا قادرين الآن على القيام بذلك بخصوصية عالية للغاية ، مما يعني أنه يمكننا التمييز بين الجلوكوز ومكونات الخلفية من اللعاب".
يتكون الرقاقة البيولوجية من قطعة من بوصة مربعة من الكوارتز مطلية بطبقة رقيقة من الفضة. محفور بالفضة النانوية الآلاف من مقاييس التداخل ، الشقوق الصغيرة مع فتحة على كل جانب 200 نانومتر واسعة. يبلغ طول الشق 100 نانومتر ، أي حوالي 1000 ضعف من شعرة الإنسان.
عندما يضيء الضوء على الرقاقة ، تتسبب الفتحات في موجة من الإلكترونات الحرة بالفضة ، وهي بولاريتون plasmon السطح ، ينتشر في الفتحة. تتداخل هذه الموجات مع الضوء الذي يمر عبر الأخدود وتقيس أجهزة الكشف الحساسة أنماط التداخل الناتجة عن الأخاديد والأخاديد.
وبهذه الطريقة ، عندما يتم ترسب السائل على الرقاقة ، تنتشر موجات البلازما الخفيفة والسطحية عبر السائل الذي يتداخل مع بعضها البعض ، وتغيير أنماط التداخل التي تجمعها أجهزة الكشف ، وهذا يتوقف على التركيب الكيميائي لل السائل الاول.
عن طريق ضبط المسافة بين الأخاديد ووسط الأخدود ، يمكن معايرة مقاييس التداخل للكشف عن تواقيع المركبات أو الجزيئات المحددة ، مع حساسية عالية في أحجام عينة صغيرة للغاية.
في مقال نُشر في عام 2012 ، أظهر فريق براون أن مقاييس التداخل في الرقاقة الحيوية يمكن أن تكتشف الجلوكوز في الماء. ومع ذلك ، فإن الاكتشاف الانتقائي للجلوكوز في محلول معقد مثل اللعاب البشري كان مشكلة أخرى.
يقول باسفيكي: "يبلغ حجم اللعاب حوالي 99 في المائة ، وبالتالي فإن 1 في المائة هو الذي يعرض المشاكل. هناك إنزيمات وأملاح ومكونات أخرى يمكن أن تؤثر على استجابة المستشعر. بهذا العمل ، لقد حللنا مشكلة خصوصية نظام الكشف لدينا ". قام هؤلاء الخبراء باستخدام كيمياء الصبغ لإنشاء علامة يمكن تتبعها عن الجلوكوز.
أضاف الباحثون قنوات ميكروفلويديك إلى الرقاقة لإدخال اثنين من الإنزيمات التي تتفاعل مع الجلوكوز بطريقة محددة للغاية. يتفاعل الإنزيم الأول ، وهو أوكسيديز الجلوكوز ، مع الجلوكوز ليشكل جزيء من بيروكسيد الهيدروجين يتفاعل مع الإنزيم الثاني ، بيروكسيداز الفجل ، لتوليد جزيء يسمى ريسوروفين ، والذي يمكن أن يمتص وينبعث الضوء الأحمر ، ويقوم بتلوين المحلول.
بعد ذلك ، تمكن العلماء من ضبط مقاييس التداخل للبحث عن جزيئات ريسوروفين الحمراء. "يحدث التفاعل بطريقة منفردة: يقوم جزيء الجلوكوز بتكوين جزيء ريسوروفين - يقول باسفيكي -. لذلك يمكننا حساب عدد جزيئات الريسوروفين في المحلول واستنتاج عدد جزيئات الجلوكوز التي كانوا حاضرين في الأصل في الحل ".
اختبر الفريق مزيجًا من كيمياء الأصباغ وقياس التداخل البلازميمي عن طريق البحث عن الجلوكوز في اللعاب الاصطناعي ، وهو مزيج من الماء والأملاح والإنزيمات التي تشبه الإنسان الحقيقي. وهكذا ، وجدوا أنهم يستطيعون اكتشاف الريسوروفين في الوقت الحقيقي بدقة عالية وخصوصية وتمكّنوا من اكتشاف التغيرات في تركيز الجلوكوز بنسبة 0.1 ميكرولول لكل لتر ، أي عشرة أضعاف الحساسية التي يمكن تحقيقها بواسطة مقاييس التداخل.
الخطوة التالية في العمل ، وفقًا لـ Pacifici ، هي البدء في اختبار الطريقة في لعاب بشري حقيقي. في نهاية المطاف ، يأمل الباحثون في تطوير جهاز صغير مستقل بذاته يمكن أن يمنح مرضى السكر وسيلة غير غازية لمراقبة مستويات الجلوكوز لديهم. "نحن الآن نقوم بمعايرة هذا الجهاز من أجل الأنسولين" ، حسب باسفيكي سعيد ، الذي يضيف أنه يمكن استخدامه أيضًا للكشف عن السموم في الهواء أو الماء أو في المختبر للتحكم في التفاعلات الكيميائية التي تحدث في منطقة المستشعر في الوقت المناسب. ريال مدريد.
المصدر:
