Fråga Doktorn

Lab-on-a-chip för att mäta glukos i en enda droppe svett

Mycket känslig och snabb detektion av blodglukos är en diagnostisk nödvändighet i medicin. Till exempel är brist på insulin och för mycket blodsocker två huvudorsaker till diabetes, vilka båda kan detekteras genom att mäta blodsocker. Nu, med hjälp av fiberoptik och mikrofluidik, utvecklar forskare en billig, extremt känslig lab-on-chip-enhet som snabbt kan mäta glukos i bara en droppe svett.

Lab-on-a-chip-enheten integrerar en fiberoptisk biosensor med ett mikrofluidiskt chip och detekterar glukosnivåer från svettdroppar. Det visas här bredvid en Hongkong-dollar, som är lika stor som en amerikanska dollarmynt.

Bildkredit: A. P. Zhang et al., Hongkong Polytechnic University

Teamet, från Hongkong Polytechnic University och Zhejiang University i Kina, utvecklar enheten för att hjälpa tidigare diagnos och förebyggande av diabetes.

Tekniken bakom den tillhör ett nytt fält som kallas "optofluidics" som samlar fotonisk avkänning (med hjälp av ljusets egenskaper för att upptäcka kemikalier) och mikrofluidika (exakt kontroll av små mängder vätska längs mikrokanaler)

Vad är unikt om den nya enheten, enligt ett papper i Biomedical Optics Express , Är att det använder fiberoptiska sensorer för att detektera glukosen. Att integrera denna typ av sensor i ett mikrofluidiskt chip gör enheten inte bara mycket känslig men också billig och bärbar.

A. Ping Zhang, docent i Institutionen för elektroteknik vid Hongkong Polytechnic University, säger fotoniska metoder ses som en av de mest lovande teknikerna för ultraljudsavkänning.

Och när du integrerar fotonik med den lilla plattformen som mikrofluidiska chips erbjuder, kan du göra ett litet analyssystem för lab-on-chip för snabb och tillförlitlig resultat.

Andra har försökt att integrera elektrokemiska glukosensorer i mikrofluidiska kanaler för att producera bärbara och billiga mikrofluidiska marker, men dessa har plågats med problem, såsom elektroaktiv störning i de elektrokemiska sensorerna.

Så vände laget sig till fiberoptik, som är immun mot elektromagnetisk störning, för att komma runt problemet.

Fiberoptisk biosensor känner av mycket låga nivåer av glukos i lösning

I sitt papper beskriver Zhang och kollegor hur de kombinerade en ny fiberoptisk biosensor med ett mikrofluidiskt chip för att skapa en störningsfri optofluidisk enhet för extremkänslig detektering av glukosnivåer.

Den fiberoptiska sensorn som de skapat är mycket känslig för förändringar i brytningsindex för materialet som omger det. För att omvandla den till en glukosmonitor använde forskarna en film av glukosoxidas som ett avkännande material eftersom det reagerar med glukos i lösning.

För att båda stödja sensionsfilmen och ytterligare förbättra signalen infördes lagret av två andra material - polyetylenimin (PEI) och polyakrylsyra (PAA) i sensorn i lagret. Resultatet är flera lager av PEI / PAA, med ett övre lager av glukosoxidas, som sedan är inbäddad i mikrochanneln på chipet.

Zhang säger att PEI / PAA-flerskiktsfilmen "övervakar oxidationen av glukos med glukosoxidaskatalysatorn och reagerar på reaktionen via svullnad eller kontraherande."

Efter att ha kört flera tester, säger Zhang att de fann fiberoptiska sensorn "är mycket känslig i sig och kan detektera glukosoxidaskoncentrationer så låga som 1 nM (10-9 molaritet)", men efter att de integrerat den i mikrofluidisk chip, Sensorns prestanda "märkbart förbättras ytterligare."

Sensorn förbättrades inte bara i detekteringsområdet, men också i svarstid, som "förkortas från 6 minuter till 70 sekunder", noterar forskarna.

Det fanns inte någon signifikant förlust av biomolekylär aktivitet, vilket tyder på att metoden som de använde för att skapa sensorn resulterar i en "robust elektrostatisk absorption av glukosoxidas i avkänningsfilmen", tillägger Zhang.

Enheten detekterar glukos i lösning - så det kan användas för att mäta glukosnivåer från bara en liten droppdroppe.

Detta gör det till en extremt tilltalande teknik för att utveckla för tidig diagnos av diabetes via övervakning av glukosinnehåll inom svett."
Prof. A. Ping Zhang

I slutändan syftar laget till att utveckla en rad multifunktionella enheter för lab-on-a-chip för användning inom forskning och utveckling inom områdena biomedicinsk diagnostik för miljöövervakning och till och med läkemedelsupptäckt.

Upptäck hur forskare skapade en optisk biosensor för upptäckt av cancer.