Voor de 26 miljoen Amerikanen met diabetes, bloed afnemen is de meest voorkomende manier om de glucosespiegels te controleren. Het is invasief en op zijn minst minimaal pijnlijk. Onderzoekers van Brown University werken aan een nieuwe sensor die de bloedsuikerspiegel kan controleren door in plaats daarvan glucoseconcentraties in speeksel te meten.

De techniek maakt gebruik van een convergentie van nanotechnologie en oppervlakteplasmonica, die de interactie van elektronen en fotonen (licht) onderzoekt. De ingenieurs van Brown etsten duizenden plasmonische interferometers op een biochip ter grootte van een vingernagel en maten de concentratie van glucosemoleculen in water op de chip. Hun resultaten toonden aan dat de speciaal ontworpen biochip glucosespiegels kon detecteren die vergelijkbaar waren met de niveaus die in menselijk speeksel worden gevonden. Glucose in menselijk speeksel is typisch ongeveer 100 keer minder geconcentreerd dan in het bloed.

"Dit is een proof of concept dat plasmonische interferometers kunnen worden gebruikt om moleculen in lage concentraties te detecteren, een voetafdruk gebruiken die tien keer kleiner is dan een mensenhaar, " zei Domenico Pacifici, assistent-professor in de techniek en hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Nano-letters , een tijdschrift van de American Chemical Society.

De techniek kan worden gebruikt om andere chemicaliën of stoffen te detecteren, van miltvuur tot biologische verbindingen, Pacifici zei, "en om ze allemaal tegelijk op te sporen, parallel, dezelfde chip gebruiken."

Om de sensor te maken, de onderzoekers sneden een spleet van ongeveer 100 nanometer breed en etsten twee groeven van 200 nanometer breed aan weerszijden van de spleet. De spleet vangt binnenkomende fotonen op en beperkt ze. de groeven, In de tussentijd, verstrooi de inkomende fotonen, die interageren met de vrije elektronen die zich op het metalen oppervlak van de sensor begrenzen. Die vrije elektron-foton-interacties creëren een oppervlakteplasmonpolariton, een speciale golf met een golflengte die smaller is dan een foton in de vrije ruimte. Deze oppervlakteplasmongolven bewegen langs het oppervlak van de sensor totdat ze de fotonen in de spleet tegenkomen, net als twee oceaangolven die uit verschillende richtingen komen en met elkaar in botsing komen. Deze "interferentie" tussen de twee golven bepaalt maxima en minima in de lichtintensiteit die door de spleet wordt doorgelaten. De aanwezigheid van een analyt (de chemische stof die wordt gemeten) op het sensoroppervlak genereert een verandering in het relatieve faseverschil tussen de twee oppervlakteplasmongolven, die op zijn beurt een verandering in lichtintensiteit veroorzaakt, door de onderzoekers in realtime gemeten.

"De spleet werkt als een mixer voor de drie bundels - het invallende licht en de oppervlakteplasmongolven, ' zei Pacifici.

De ingenieurs leerden dat ze de faseverschuiving voor een interferometer konden variëren door de afstand tussen de groeven en de spleet te veranderen, wat betekent dat ze de interferentie die door de golven wordt gegenereerd, kunnen afstemmen. De onderzoekers konden de duizenden interferometers afstemmen om basislijnen vast te stellen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om nauwkeurig glucoseconcentraties in water te meten van slechts 0,36 milligram per deciliter.

"Het zou mogelijk kunnen zijn om deze biochips te gebruiken om de screening van meerdere biomarkers voor individuele patiënten uit te voeren, allemaal tegelijk en parallel, met ongekende gevoeligheid, ' zei Pacifici.

De ingenieurs zijn vervolgens van plan om sensoren te bouwen die op maat zijn gemaakt voor glucose en voor andere stoffen om de apparaten verder te testen. "De voorgestelde aanpak maakt detectie met een zeer hoge doorvoer mogelijk van ecologisch en biologisch relevante analyten in een extreem compact ontwerp. We kunnen dit doen met een gevoeligheid die wedijvert met moderne technologieën, ' zei Pacifici.

Tayhas Palmore, hoogleraar techniek, is een bijdragende auteur op het papier. Afgestudeerde studenten Jing Feng (techniek) en Vince Siu (biologie), die de microfluïdische kanalen ontwierp en de experimenten uitvoerde, worden vermeld als de eerste twee auteurs op het papier. Andere auteurs zijn onder meer Brown engineering afgestudeerde student Steve Rhieu en studenten Vihang Mehta, Alec Roelke.