Rozwiązanie czujnikowe sprawdza równowagę elektrolitow�

Jedna z fotonicznych płytek czujnikowych opracowanych w ramach projektu optION z ośmioma kanałami czujnikowymi wykonanymi z azotku krzemu. © leto digital Leontopoulos GbR / Jeden z fotonicznych chipów czujnikowych opracowanych w ramach projektu optION z ośmioma kanałami czujnikowymi wykonanymi z azotku krzemu. © leto digital Leontopoulos GbR

Elektrolity są kluczowe dla gospodarki wodnej i rozkładu płynów w ludzkim organizmie. Ponieważ naładowane cząsteczki rozpuszczone we krwi wzajemnie na siebie wpływają w ich skomplikowanym równowadze, przy każdym podejrzeniu zakłócenia określa się stężenie różnych tych mikroelementów. W projekcie optION naukowcy z Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI we współpracy z partnerami z różnych dziedzin opracowali koncepcję urządzenia, które znacznie zmniejsza ilość krwi potrzebnej do analizy dzięki rozwiązaniu opartemu na sensorach fotonicznych i znacznie ułatwia proces testowania dla wszystkich zaangażowanych.

Bez względu na to, czy chodzi o choroby nerek, niewydolność serca, zatrucie alkoholem czy cukrzycę – dla diagnostyki tych i wielu innych poważnych schorzeń konieczne jest sprawdzenie gospodarki elektrolitowej. Ich skład w różnych obszarach ciała jest precyzyjnie wyważony. Zmiana tego stanu może mieć dramatyczne skutki: na przykład zbyt niskie stężenie jonów sodu może spowodować obrzęk komórek mózgowych i wywołać śpiączkę. Obecnie używane urządzenia pomiarowe potrzebują osobnego czujnika dla każdego elektrolitu. Aby móc obsłużyć wszystkie czujniki, konieczna jest próbka krwi o objętości około 70 do 80 mikrolitrów. Jednak objętość krwi, którą można pobrać od małych dzieci lub starszych pacjentów, często jest niewystarczająca.

Aby sprostać temu wyzwaniu, zespoły specjalistów z medycyny, mechaniki płynów, chemii powierzchni, fotoniki i elektroniki z firmy Eschweiler z Kiel, Scienion AG, Charité – Universitätsmedizin Berlin oraz Fraunhofer HHI połączyły siły w konsorcjum optION. Ich celem było: badanie i rozwijanie nowej zasady pomiarowej opartej na fotonice, umożliwiającej precyzyjną analizę bardzo małych ilości krwi. I była jeszcze jedna motywacja, która napędzała naukowców: chcieli opracować koncepcję urządzenia, które umożliwiłoby użytkownikom końcowym szybkie, proste i wygodne testowanie różnych parametrów zdrowotnych nawet w trudno dostępnych miejscach. »Można to porównać do prostego testu na poziom cukru we krwi«, wyjaśnia kierownik projektu Jakob Reck z Fraunhofer HHI: »Ukłucie – i mała kropla, która wypływa z palca, wystarczy, aby natychmiast określić wszystkie istotne parametry.«

Mikroringowe czujniki do pomiaru elektrolitów

Eksperci zastosowali rezonatory mikroringowe jako fotoniczne czujniki. Wysoce czułe zintegrowane światłowody oparte na azotku krzemu są produkowane bezpośrednio w czystych pomieszczeniach Fraunhofer HHI. Światłowody tworzą pierścień, w którym światło bliskiej podczerwieni może oddziaływać na siebie i otoczenie.

Gdy na tym pierścieniu osadza się analiza, zmienia się jego efektywny indeks załamania światła i rezonans optyczny. »Pierścień jest zakłócony, podobnie jak struna gitary«, wyjaśnia Reck. »Gdy analiza trafia na pierścień, czyli na strunę, zmienia się dźwięk. I te struny gitarowe możemy w fotonice uczynić niezwykle czułymi – dla wyraźniejszego sygnału i analizy.«

Specyficzne przypisanie sygnału czujnika do danego elektrolitu zapewnia funkcjonalizacja powierzchni czujnika: naukowcy z firmy Scienion pokryli rezonatory mikroringowe specjalnymi molekułami chwytającymi. Tylko analizat, który jest adresowany, może się przyczepić do pierścienia za pomocą zasady klucz-zamek i w ten sposób wpływać na pole świetlne na światłowodzie. Ta zmiana jest bezpośrednio proporcjonalna do ilości osadzonych cząsteczek. Ponieważ można mierzyć nawet najmniejsze odchylenia w właściwościach optycznych, specjaliści byli w stanie wykryć minimalną ilość substancji z wysoką precyzją.

Do funkcjonalizowanych fotonicznych czujników laboratorium biofluidyczne z Charité w Berlinie opracowało mikrofluidykę, która precyzyjnie dostarcza małe ilości płynów do chipów. Kilka różnych pokryć czujników mikroringowych jest zraszanych próbkami. W ten sposób można określić stężenie elektrolitów z objętości mniejszej niż 20 mikrolitrów. Następnie eksperci z firmy Eschweiler i Fraunhofer HHI połączyli czujniki i mikrofluidykę z dostosowaną elektroniką sterującą, odczytującą i analizującą w jeden funkcjonalny prototyp, którego wydajność została ponownie przetestowana w Fraunhofer HHI oraz w Instytucie Medycyny Laboratoryjnej, Chemii Klinicznej i Biochemii Patobiochemicznej Charité.

Precyzyjne pomiary i wysoka elastyczność

A te testy mówią same za siebie: »Nasz sposób jest niezwykle elastyczny i bardzo niezawodny«, cieszy się naukowiec z Fraunhofer HHI Reck. »Niezależnie od wybranego parametru, zwykle przewyższamy granicę wykrywalności testów konwencjonalnych o dwie rzędy wielkości. A nasze możliwości są szerokie, ponieważ powierzchnie naszych rezonatorów można bezpośrednio dostosować do wielu analizowanych substancji.«

Dodatkowo fotoniczne czujniki konsorcjum są bardzo małe i umożliwiają czułe pomiary minimalnych objętości, a także równoczesne wykrywanie różnych elektrolitów i innych biomarkerów dzięki multipleksacji kilku czujników. »Mamy chip, na którym zamontowano osiem rezonatorów mikroringowych, a ten czujnik jest tak duży jak paznokieć. Można więc znacznie miniaturyzować i integrować to rozwiązanie«, wyjaśnia Reck. Ponadto czujnik jest zaprojektowany do szybkiego pomiaru danych w czasie rzeczywistym, co pozwala na na przykład obserwację kinetyki powierzchniowej podczas wiązania biomolekuł.

Aktualny demonstrator głowicy czujnika mieści się w pudełku na buty i umożliwia opracowanie małego urządzenia ręcznego, które może zastąpić laboratorium i być łatwo stosowane na zewnątrz. Co więcej, nie wymaga zasilania z sieci, ponieważ działa na akumulator, co dodatkowo ułatwia obsługę.

Interdyscyplinarne rozwiązanie – szeroka zastosowalność

Jakob Reck uważa interdyscyplinarność za ogromną wartość projektu i czynnik, który na początku stanowił wyzwanie dla członków konsorcjum: »Chodziło o realizację innowacyjnej koncepcji, która jest potrzebna na rynku – z wszystkimi szczegółami: od fotonicznych chipów, przez funkcjonalizację powierzchni i mikrofluidykę, po integrację urządzeń. Takie przedsięwzięcie udaje się tylko dzięki dużej komunikacji i chęci zrozumienia potrzeb innych dyscyplin.«

Rezultatem zakończonych w październiku 2022 roku badań jest efekt, z którego można być dumnym. Partnerzy planują już kolejne projekty – mają wiele pomysłów, a popyt na rynku jest duży. W 2022 roku rozpoczęto również projekt sieciowy PolyChrome Berlin: ma on na celu odkrycie nowych zastosowań w sensorystyce i analizie, które mogą być realizowane jednocześnie w przystępnej cenie. Również w tym przypadku kluczową rolę odgrywa analiza z użyciem fotonicznych chipów sensorowych, a w projekcie biorą udział eksperci z Fraunhofer HHI. »Widać tutaj szerokie możliwości naszej koncepcji, ponieważ wykracza ona poza medycynę i próbujemy wprowadzić czujniki w dziedzinie nauk o życiu, na przykład do wykrywania witamin. Kolejnym interesującym obszarem zastosowań jest analiza wody i środowiska do szybkich testów w wodach lub rurociągach, na przykład na obecność cyjanobakterii«, zdradza ekspert Fraunhofer Jakob Reck. Małe chipy sensorowe, które mogą wiele zdziałać, w najbliższej przyszłości z pewnością wielokrotnie potwierdzą swoją skuteczność.