Szenzor nélküli megoldás ellenőrzi az elektrolit-egyensúlyt

Egy az optION projekt keretében kifejlesztett fotonikus érzékelőchip, nyolc érzékelőcsatornával a szilícium-nitrid anyagplatformon. © leto digital Leontopoulos GbR / Az optION projekt részeként kifejlesztett egyik fotonikus érzékelőchip nyolc érzékelőcsatornával, szilícium-nitridből. © leto digital Leontopoulos GbR

Elektrolitok döntő szerepet játszanak a vízháztartásban és a folyadékeloszlásban az emberi szervezetben. Mivel a vérben oldott töltött részecskék komplex egyensúlyban kölcsönhatásban állnak egymással, minden gyanú esetén, hogy ez felborult, meghatározzák a különböző mikrominerálok koncentrációját. Az optION projektben a Fraunhofer Hírközlési Intézet, a Heinrich-Hertz-Institut, az HHI kutatói különböző diszciplínák képviselőivel összefogva dolgoztak ki egy eszközötletet, amely jelentősen csökkenti a vérmennyiséget, amely szükséges az elemzéshez, egy fotonikus érzékelő megoldás segítségével, és ezzel jelentősen megkönnyíti a tesztelési folyamatot minden résztvevő számára.

Legyen szó vesebetegségről, szívelégtelenségről, alkoholmérgezésről vagy cukorbetegségről – ezek és sok más súlyos betegség diagnózisához elengedhetetlen a elektrolitháztartás ellenőrzése. A szervezet különböző területein összetétele pontosan kiegyensúlyozott. Ha ez megváltozik, az drámai hatással lehet: például ha a nátriumion-koncentráció túl alacsony, az agysejtek duzzadhatnak, és kómát okozhatnak. A jelenleg használt mérőeszközök minden egyes elektrolithoz külön mérőérzékelőt igényelnek. Ahhoz, hogy minden érzékelőt ki tudjanak szolgálni, körülbelül 70-80 mikroliter vér szükséges. Ez a vérmennyiség, amit kisgyermekek vagy idősebb betegek esetében lehet venni, gyakran nem elegendő.

Ennek a kihívásnak a megoldására a Kielben található Eschweiler cég, a Scienion AG, a Charité – Berlin Egyetemi Klinika és a Fraunhofer HHI szakértői csapata összefogott az optION konzorciumban. Céljuk: egy új mérési elvet kutatni és fejleszteni a fotonikában, amely lehetővé teszi nagyon kis vérmennyiségek precíz elemzését. És volt egy másik szándék is, ami a kutatókat motiválta: egy olyan eszközötlet kidolgozása, amellyel a végfelhasználók gyorsan, egyszerűen és a betegek számára kényelmesen tesztelhetik különböző egészségügyi paramétereket nehezen elérhető területeken. »Ez olyan, mint egy egyszerű vércukor mérés«, magyarázza Jakob Reck, a Fraunhofer HHI projektvezetője: »Egy szúrás – és az ujjbegyből kijövő kis csepp elég ahhoz, hogy azonnal minden releváns paramétert meghatározzunk.«

Microgyűrűs érzékelők az elektrolitok meghatározására

A szakértők mikrogyűrű rezonátorokat alkalmaztak fotonikus érzékelőként. A rendkívül érzékeny integrált hullámvezetők szilícium-nitrid alapúak, és közvetlenül a Fraunhofer HHI tisztatérében készülnek. A hullámvezetők egy gyűrűt alkotnak, amelyben a közeli infravörös fény kölcsönhatásba léphet saját magával és a környezettel.

Amikor egy analit kerül a gyűrűre, annak effektív törésmutatója és optikai rezonanciája eltolódik. »A gyűrű elállítódik, gyakorlatilag úgy, mint egy gitárhúr«, magyarázza Reck. »Amikor egy analit találkozik a gyűrűvel, azaz a húrral, megváltozik a hang. És ezeket a gitárhúrokat a fotonikában rendkívül érzékennyé tehetjük – a tiszta jeladás és analitika érdekében.«

A szenzor jelének specifikus hozzárendelése egy elektrolithoz a szenzor felületének funkcionalizálásával biztosított: a Scienion cég tudósai speciális fogómolekulákkal látták el a gyűrű-rezonátorokat. Csak az az analit, amelyhez hozzáférést biztosítanak, a kulcs-zár elv szerint tud a gyűrűhöz kapcsolódni, így befolyásolva a hullámvezető fénymezőjét. Ez a változás közvetlen összefüggésben áll a lerakódott molekulák mennyiségével. Mivel már a legkisebb eltéréseket is mérni lehet optikai tulajdonságaikban, a szakemberek képesek voltak minimális anyagmennyiséget is magas pontossággal detektálni.

A funkcionalizált fotonikus érzékelők számára a Berlini Charité Biofluidmechanics laboratóriuma mikrofluidikát fejlesztett ki, amely kis mennyiségű folyadékot irányít a chip felé. Több különböző bevonatú mikrogyűrűs érzékelővel ellátott mintát öntöttek rá. Így kevesebb mint 20 mikroliter volumenből meghatározható az elektrolit koncentráció. Ezután az Eschweiler cég és a Fraunhofer HHI szakértői összekapcsolták az érzékelőket és a fluidikát egy alkalmazkodott vezérlő-, olvasó- és értékelő elektronikával, amelynek működőképességét a Fraunhofer HHI és a Charité Laboratóriumi Medicina, Klinikai Kémia és Patobiokémia intézete is tesztelte.

Mérési pontosság és nagy rugalmasság

És ezek a tesztek magukért beszélnek: »Rendszerünk rendkívül rugalmasan alkalmazható és nagyon megbízható«, örül Reck. »Bármelyik tesztelt paramétert is nézzük, általában két nagyságrenddel meghaladjuk a meglévő tesztek kimutatási határát. És lehetőségeink széleskörűek, mivel a rezonátor felületeit közvetlenül számos analitáshoz lehet igazítani.«

Ezenkívül a konzorcium fotonikus érzékelői nagyon kicsik, és érzékeny mérésre alkalmasak minimális térfogatú minták esetén, valamint lehetővé teszik különböző elektrolitok és más biomarkerek párhuzamos detektálását több érzékelőgyűrű multiplexelésével. »Van egy chipünk, amelyen nyolc mikrogyűrűs rezonátor található, és ez az érzékelőchip akkora, mint egy köröm. Így a módszer nagyban miniaturizálható és integrálható«, hangsúlyozza Reck. Emellett a szenzor gyors adatgyűjtésre és valós idejű mérésre van tervezve, így például a biomolekulák kötődése során fellépő felületi kinetikát is meg lehet figyelni.

A jelenlegi érzékelőfej demonstrátora egy cipősdoboz méretű, és lehetővé teszi egy kis kézi eszköz kialakítását, amely kiválthatja a laborasztalokat, és könnyen alkalmazható a külső környezetben. Emellett akkumulátorról működik, hálózati csatlakozás nélkül, ami még tovább egyszerűsíti a kezelést.

Interdiszciplináris megoldás – széles alkalmazhatóság

Jakob Reck szerint az interdiszciplinaritás a projekt egyik óriási értéke, és egy olyan tényező, amely kezdetben kihívást jelentett a konzorcium tagjai számára: »Arról volt szó, hogy egy innovatív koncepciót valósítunk meg, amelyre a piacnak szüksége van – minden részletre kiterjedően: a fotonikus chipektől a felületfunkcionalizáláson át a mikrofluidikáig és az eszközintegrációig. Egy ilyen projekt csak sok kommunikációval és a másik iránti nyitottsággal valósítható meg, hogy valóban megértsük, mire van szüksége az adott diszciplinának.«

A 2022 októberében befejezett kutatás eredményei magukért beszélnek. A sikeres partnerek már terveznek következő projekteket – sok kiindulópontjuk van, és a piaci kereslet nagy. Így indult 2022-ben a PolyChrome Berlin konzorciumi projekt is: célja új alkalmazások feltárása a szenzor- és analitika területén, amelyek egyben költséghatékonyan kivitelezhetők. Ebben az esetben is egyik fő szempont az analitika fotonikus érzékelőchipekkel, és a Fraunhofer HHI szakértői részt vesznek ebben a projektben is. »Itt mutatkozik meg megoldásunk széleskörű alkalmazhatósága, mert ebben a projektben túlmutatunk az orvostudományon, és megpróbáljuk a szenzorokat az élet tudományának területén is elterjeszteni, például vitamin-észlelésre. Egy másik izgalmas alkalmazási terület a víz- és környezeti analitika gyors tesztekhez folyókban vagy csővezetékekben, például cianobaktériumok kimutatására«, árulja el Jakob Reck, a Fraunhofer szakértője. Kis érzékelőchipek, amelyek nagy dolgokat mozgatnak, minden bizonnyal a közeljövőben sokféle módon fogják bizonyítani teljesítményüket.