Światło zamiast igły: pomysł na czujnik glukozy z kropli moczu

Zamiast reagować chemicznie na cukier - urządzenie śledziłoby, jak rosnące stężenie glukozy w moczu zmienia sposób odbicia światła od cienkiej warstwy metalu. To na razie praca symulacyjna, ale pokazuje, że przy odpowiednim doborze materiałów sygnał mógłby być na tyle wyraźny, by myśleć o tanich testach przy łóżku pacjenta lub w domu.

Kontrola cukrzycy w dużej mierze sprowadza się do jednego nawyku - regularnego sprawdzania glukozy. To bywa uciążliwe, bo tradycyjnie wymaga krwi, a więc nakłuć albo sensorów noszonych na skórze. Fizycy i farmaceuci z Indii we współpracy z polskim optykiem Zbigniewem Jaroszewiczem z Instytutu Łączności PIB wychodzą od prostego założenia: skoro glukoza może pojawiać się w moczu (zwłaszcza przy wysokich poziomach we krwi) - to właśnie mocz może być wygodną, nieinwazyjną próbką do szybkiego testu poziomu cukru na przykład w gabinecie lub w domu.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym „Optik” naukowcy ci traktują stężenie glukozy w moczu jako biomarker i opisują rozwiązanie oparte o optyczny czujnik SPR (ang. Surface Plasmon Resonance), projektowany pod natychmiastowe pomiary przy małej objętości próbki i bez potrzeby specjalistycznego laboratorium.

Samo urządzenie pomiarowe można sobie wyobrazić jak bardzo czuły próbnik tego, jak ciecz wpływa na odbicie światła. W SPR wiązka światła pada przez pryzmat na cienką warstwę metalu. Dla pewnego kąta odbicie nagle słabnie, bo energia światła przechodzi w drgania elektronów na powierzchni metalu. Ten charakterystyczny zanik w odbiciu jest jak znacznik na skali. Jeśli na powierzchni metalu pojawi się ciecz - ten znacznik przesuwa się, bo zmieniają się własności optyczne warstwy przy powierzchni. Badacze korzystają z tego, że wzrost stężenia glukozy w moczu wiąże się ze wzrostem współczynnika załamania światła próbki i modelują, jak mocno przesuwa się kąt rezonansu dla różnych stężeń.

Na razie celem pracy jest jedynie zaprojektowanie i porównanie teoretyczne i numeryczne wariantów konstrukcji tak, by uzyskany sygnał był możliwie wyraźny. Dlatego badacze proponują układ kilku cienkich warstw: pryzmat z fluorku wapnia, na nim miedź, czyli warstwa wytwarzająca mocny sygnał SPR; bardzo cienki nikiel jako ochrona - i element poprawiający parametry, dalej perowskit (MAPbBr3) wzmacniający oddziaływanie światła z próbką, a na wierzchu jedna z warstw 2D. Ta ostatnia, bardzo cienka warstwa ma pełnić rolę wierzchniej osłony kontaktu z próbką i jednocześnie stabilizować układ, bo część materiałów jest wrażliwa na wilgoć. Całość jest policzona metodą symulacyjną TMM (ang. Transfer Matrix Method), typową dla układów wielu cienkich warstw, gdzie symuluje się, jak światło odbija się i przechodzi przez kolejne granice materiałów. Naukowcy dobierają grubości warstw i sprawdzają odpowiedź czujnika dla moczu o współczynniku załamania od 1,335 do 1,347, co w ich modelu odpowiada zakresowi stężeń glukozy od normalnych 0–15 mg/dl do wartości typowych dla osoby z cukrzycą w rozważanym scenariuszu (do 10 g/dl).

Model komputerowy wskazuje, że czujnik powinien wyraźnie odróżniać próbki z małą ilością glukozy od próbek z większym jej stężeniem w moczu. Autorzy badań pokazują, że wraz ze wzrostem ilości glukozy przesuwa się położenie znacznika, czyli punktu, w którym układ najsilniej pochłania światło. To przesunięcie jest na tyle duże, że powinno dać się je stabilnie zmierzyć.

Jeśli więc czujnik przejdzie drogę od symulacji do działającego prototypu, mógłby stać się podstawą prostego testu: kropla moczu, szybki odczyt optyczny i informacja, czy poziom glukozy jest na tyle wysoki, że wymaga dalszej diagnostyki lub leczenia.

To nie jest jeszcze alternatywa dla klasycznych pomiarów glukozy we krwi, bo pojawienie się glukozy w moczu ma swoje ograniczenia. Jest to raczej pomysł na wygodny, nieinwazyjny kanał monitorowania i przesiewu. Największe wyzwania zaczną się bowiem dopiero w realnych testach, gdy będzie trzeba sprawdzić odporność na składniki zakłócające pomiar obecne w moczu, zweryfikować stabilność materiałów w kontakcie z wilgocią oraz przeprowadzić kalibrację, która da wiarygodny wynik w warunkach codziennych. (PAP)

kmp/ zan/