Choć badanie parametrów płynów ustrojowych takich jak łzy, płyn mózgowo-rdzeniowy i płyn wytwarzany przez prostatę mogłoby dostarczyć cennych danych dotyczących stanu zdrowia (na przykład nawodnienia czy stanu zapalnego), zwykle nie jest to możliwe w czasie rzeczywistym. Typowe czujniki wymagają bowiem większej ilości płynu niż praktycznie dostępna.

Naukowcy z Jilin University opracowali sposób pomiaru przewodnictwa elektrycznego takich płynów o objętości zaledwie 50 nanolitrów, czyli miliardowych części litra. Typowa kropla wody to kilka stutysięcznych części litra.

Wykorzystywana jest do tego sonda światłowodowa nie grubsza niż ludzki włos. Czujnik został zaprojektowany do stabilnych pomiarów w czasie rzeczywistym i jest w dużej mierze niezależny od temperatury i pH – dwóch czynników, które często zniekształcają odczyty w środowiskach biologicznych.

Przewodność elektryczna jest podstawowym, ale istotnym wskaźnikiem w fizjologii. Odzwierciedla ona stężenie rozpuszczonych jonów, których poziomy są ściśle regulowane w organizmie. Zmiany przewodności mogą sygnalizować odwodnienie, zaburzenia równowagi elektrolitowej, stany zapalne lub choroby. Jednak konwencjonalne czujniki przewodności opierają się na elektrodach metalowych, które są trudne do miniaturyzacji i podatne na zakłócenia sygnału i zanieczyszczenie, szczególnie w przypadku pracy z bardzo małymi próbkami.

Dlatego zamiast bezpośrednio mierzyć sygnały elektryczne, zespół z Jilin przyjął inne podejście, przekładając przewodność na sygnał optyczny.

Wykorzystując laserową metodę druku 3D, znaną jako polimeryzacja dwufotonowa, naukowcy stworzyli mikroskopijną wnękę Fabry'ego-Perota na końcu światłowodu. Wnęka ta odbija światło w sposób wysoce czuły na współczynnik załamania światła otaczającej cieczy. Nawet niewielkie zmiany stężenia jonów, które określają przewodność, powodują mierzalną zmianę długości fali odbitej.

Aby wprowadzić płyn do obszaru pomiarowego, sonda wykorzystuje zintegrowane mikrokapilary i cienką membranę filtracyjną. Siły kapilarne automatycznie wciągają płyn do komory. Membrana blokuje duże cząsteczki, takie jak białka, pozwalając na wnikanie jedynie małym jonom. Gwarantuje to, że sygnał optyczny jest zdominowany przez jony odpowiedzialne za przewodnictwo, a nie przez zanieczyszczenia biologiczne, które mogłyby destabilizować pomiar.

W testach laboratoryjnych sonda utrzymywała stabilną wydajność przy użyciu zaledwie kilkudziesięciu nanolitrów cieczy, czyli objętości znacznie poniżej zapotrzebowania większości istniejących czujników. Ponieważ mechanizm pomiarowy jest optyczny, a nie elektryczny, urządzenie unika wielu problemów związanych z sondami elektrodowymi, w tym efektów polaryzacji i degradacji chemicznej.

„Wiele klinicznie istotnych płynów jest dostępnych jedynie w śladowych ilościach” – wskazał współautor badania (DOI: 10.1088/2631-7990/ae34fa), prof. Qi-Dai Chen z Jilin University. - „Jeśli chcemy je monitorować w czasie rzeczywistym, potrzebujemy czujników, które mogą pracować w takiej skali i zachować stabilność w złożonych środowiskach”.

Niewielkie rozmiary sondy sprawiają, że nadaje się ona do pomiarów inwazyjnych, takich jak pomiar płynu mózgowo-rdzeniowego lub monitorowanie warunków w przewodzie pokarmowym. Autorzy zauważają również, że poprzez zmianę materiałów lub struktur na końcówce włókna podobne sondy można zaprojektować do wykrywania temperatury, pH lub określonych biocząsteczek.

Autorzy nie wykorzystywali jeszcze swojego urządzenia w systemach żywych, ale ich zdaniem otwiera ono drogę do czujników, które mogą stale śledzić sygnały fizjologiczne za pomocą sond mniejszych niż igła.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/