Senzorové řešení kontroluje elektrolytovou rovnováhu

Jedná se o fotonický senzorový čip vyvinutý v rámci projektu optION s osmi senzorovými kanály na materiálové platformě z nitridu křemičíku. © leto digital Leontopoulos GbR / Jeden z fotonických senzorových čipů vyvinutých v rámci projektu optION s osmi senzorovými kanály vyrobenými ze silikon-nitridu. © leto digital Leontopoulos GbR

Elektrolyty jsou klíčové pro vodní režim a rozdělení tekutin v lidském organismu. Protože nabité částice rozpuštěné v krvi se vzájemně ovlivňují v jejich složité rovnováze, je při jakémkoli podezření na poruchu stanovena koncentrace různých těchto mikrominerálů. Ve projektu optION se spojili výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro telekomunikace, Heinrich-Hertz-Institut, HHI s partnery z různých oborů, aby vyvinuli koncepci zařízení, která výrazně sníží množství krve potřebné k analýze pomocí fotonového senzoru a výrazně usnadní testovací proces pro všechny zúčastněné.

Ať už při onemocněních ledvin, srdeční slabosti, otravě alkoholem nebo diabetu mellitus – pro lékařskou diagnostiku těchto a mnoha dalších závažných onemocnění je nezbytné zkontrolovat rovnováhu elektrolytů. Jejich složení je v různých částech těla přesně vyvážené. Pokud se změní, může to mít dramatické důsledky: například pokud je koncentrace sodíkových iontů příliš nízká, může dojít ke zvětšení mozkových buněk a vyvolat kóma. Současná měřicí zařízení potřebují pro každý elektrolyt samostatný měřicí senzor. Aby bylo možné všechny senzory přenést, je zapotřebí vzorek krve o objemu asi 70 až 80 mikrolitrů. Objem krve odebraný od malých dětí nebo starších pacientů často nestačí.

Pro řešení této výzvy se spojily týmy specialistů z medicíny, tekutinové mechaniky, povrchové chemie, fotoniky a elektroniky firmy Eschweiler z Kielu, společnosti Scienion AG, Charité – Universitätsmedizin Berlin a Fraunhofer HHI do konsorcia optION. Jejich cílem bylo: prozkoumat a rozvíjet nové měřicí principy z oblasti fotoniky, které umožní přesnou analýzu velmi malých množství krve. A existoval ještě jeden motiv, který výzkumníky poháněl: chtěli vyvinout koncepci zařízení, které by uživatelé mohli snadno a rychle používat i v těžko dostupných oblastech, aby mohli pacienti pohodlně testovat různé zdravotní parametry. „Dá se to přirovnat k jednoduchému testu na cukr v krvi,“ vysvětluje vedoucí projektu Jakob Reck z Fraunhofer-HHI: „Jedno píchnutí – a malá kapka, která vytéká z prstu, stačí k okamžitému stanovení všech relevantních parametrů.“

Maloringsenzory pro stanovení elektrolytů

Odborníci použili mikroringové resonátory jako fotonové senzory. Vysoce citlivé integrované vlnovody založené na křemičitanitu se vyrábějí přímo v čistých prostorách Fraunhofer-HHI. Vlnovody tvoří kruh, ve kterém může infračervené světlo interagovat samo se sebou i s okolím.

Když je na tento kruh nanesen analyt, posune se jeho efektivní index lomu a optická rezonance. „Kruh se rozladí, podobně jako struna na kytaře,“ vysvětluje Reck. „Když analyt zasáhne kruh, tj. strunu, změní se tón. A tyto kytarové struny můžeme v oblasti fotoniky extrémně citlivě upravit – pro jasné signály a přesnou analytiku.“

Specifické přiřazení signálu senzoru k elektrolytu je zajištěno funkcionalizací povrchu senzoru: vědci ze Scienion potvrdili resonátory speciálními zachytávacími molekulami. Pouze analyt, který je adresován, se může pomocí principu klíč-zámek na kruh zachytit a tím ovlivnit světelné pole na vlnovodu. Tato změna je přímo úměrná množství nanesených molekul. Protože lze měřit i nejmenší odchylky v optických vlastnostech, bylo možné detekovat i minimální množství látky s vysokou přesností.

Pro funkionalizované fotonové senzory vyvinulo Laboratoř biofluidní mechaniky z Berlínské Charité mikrofluidiku, která přesně dodává malé množství tekutiny na čipy. Několik různě potažených mikroringových senzorů je přelíváno vzorkem. Tak lze z méně než 20 mikrolitrů objemu určit koncentraci elektrolytů. Poté odborníci z firmy Eschweiler a Fraunhofer-HHI spojili senzory a tekutinové systémy s upravenou řídicí, čtecí a vyhodnocovací elektronikou do funkčního vzoru, jehož výkonnost byla opět testována ve Fraunhofer-HHI a také v Institutu pro laboratorní medicínu, klinickou chemii a patobiochemii Charité.

Měření přesné a velmi flexibilní

A tyto testy mluví samy za sebe: „Náš postup je mimořádně flexibilní a velmi spolehlivý,“ těší se vědec Fraunhofer-HHI Reck. „Ať už zkoumáme jakýkoli parametr, obvykle jsme o dvě řády větší než požadovaná detekční hranice u zavedených testů. A naše možnosti jsou široké, protože povrchy našich rezonátorů lze přímo přizpůsobit různým analytům.“

Kromě toho jsou fotonové senzory konsorcia velmi malé a umožňují citlivé měření minimálních objemů, stejně jako paralelní detekci různých elektrolytů a dalších biomarkerů pomocí multiplexního svazku několika senzorových prstenců. „Máme čip s osmi mikroringovými resonátory a tento senzorový čip je tak velký jako nehet na prstu. Můžeme tedy postup výrazně miniaturizovat a integrovat,“ vysvětluje Reck. Navíc je senzor navržen pro rychlé měření v reálném čase, například pro zobrazení kinetiky povrchu při vazbě biomolekul.

Aktuální demonstrátor senzoru se vejde do krabice od bot a umožňuje vývoj malého přenosného zařízení, které nahradí laboratorní stoly a může být snadno použito v terénu. Navíc nepotřebuje připojení k síti díky akumulátorovému napájení, což usnadňuje manipulaci.

Interdisciplinární řešení – široké využití

Jakob Reck považuje jeho interdisciplinaritu za obrovskou přidanou hodnotu projektu a faktor, který na začátku konsorcium značně vyzýval: „Šlo o realizaci inovativního konceptu, který je na trhu potřeba – se všemi jednotlivými aspekty: od fotonických čipů přes funkční povrchovou úpravu a mikrofluidiku až po integraci zařízení. Takový projekt lze úspěšně realizovat pouze s velkou komunikací a ochotou naslouchat druhé straně, aby bylo možné skutečně pochopit, co jednotlivé disciplíny potřebují.“

Výsledek výzkumného projektu, který skončil v říjnu 2022, stojí za to. Úspěšní partneři již plánují následné projekty – mají dostatek podnětů a trh je velký. V roce 2022 také začal společný projekt PolyChrome Berlin: má odhalit nové aplikace v oblasti senzoringu a analytiky, které lze zároveň realizovat nákladově efektivně. I zde je klíčovým aspektem analytika s fotonickými senzory, a na tomto projektu se podílejí odborníci z Fraunhofer-HHI. „Zde se ukazuje široká využitelnost našeho řešení, protože v tomto projektu jdeme nad rámec medicíny a snažíme se etablovat senzory v oblasti life sciences, například pro detekci vitamínů. Dalším zajímavým oborem je analýza vody a životního prostředí pro rychlé testy v vodních tocích nebo potrubích, například na přítomnost sinic,“ prozrazuje expert Fraunhofer Jakob Reck. Malé senzory na čipy, které dokážou velké věci, budou v nejbližší budoucnosti mnohonásobně dokazovat svou výkonnost.