Forskare har utnyttjat de ljusledande egenskaperna hos spindelsilke för att utveckla en sensor som kan upptäcka och mäta små förändringar i brytningsindex för en biologisk lösning, inklusive glukos och andra typer av sockerlösningar. Den nya ljusbaserade sensorn kan en dag vara användbar för att mäta blodsocker och andra biokemiska analyter.

"Glukossensorer är avgörande för personer med diabetes, men dessa enheter tenderar att vara invasiva, obekväma och inte kostnadseffektiva", säger forskargruppsledaren Cheng-Yang Liu från National Yang Ming Chiao Tung University i Taiwan. "Med spindelsilke som väckte uppmärksamhet för sina överlägsna optomekaniska egenskaper, ville vi utforska att använda detta biokompatibla material för att optiskt detektera olika sockerkoncentrationer i realtid."

Liu och kollegor från Taiwan Instrument Research Institute och Taipei Medical University beskriver sin nya sensor i Biomedical Optics Express . De visar att det kan användas för att bestämma koncentrationer av fruktos, sackaros och glukossocker baserat på förändringar i en lösnings brytningsindex. Spindelsilke är idealiskt för denna applikation eftersom det inte bara kan överföra ljus som en optisk fiber utan också är mycket starkt och elastiskt.

"Vår nya spindelsilkebaserade fiberoptiska sockersensor är praktisk, kompakt, biokompatibel, kostnadseffektiv och mycket känslig", sa Liu. "Med ytterligare utveckling kan det leda till bättre medicinska övervakningsanordningar för hemmabruk och utrustning för diagnostik och testning på plats."

Från siden till sensor

För att göra sensorn skördade forskarna dragline-spindelsilke från den gigantiska träspindeln Nephila pilipes, som är hemma i Taiwan. De omslöt silket, som bara är 10 mikrometer i diameter, med ett biokompatibelt fotohärdbart harts och härdade det för att bilda en slät skyddande yta. Detta skapade en optisk fiberstruktur som var 100 mikron i diameter, där spindelsilket fungerade som kärnan och hartset som beklädnad. De lade sedan till ett biokompatibelt nanolager av guld för att förbättra fiberns avkänningsförmåga.

Denna process bildade en trådliknande struktur med två ändar. För att använda fibern för att göra mätningar sänkte forskarna ena änden i ett vätskeprov och kopplade den andra änden till en ljuskälla och en spektrometer. Detta gjorde det möjligt för forskarna att detektera lösningens brytningsindex och använda det för att bestämma typen av socker och dess koncentration.

"Den spindelsilkebaserade sockersensorn är återanvändbar, kostnadseffektiv, enkel att använda och erbjuder realtidsdetektering", sa Liu. "Dessutom, eftersom den är kompakt kan den ge tillgång till svåråtkomliga områden som hjärnan och hjärtat. Med vidareutveckling hoppas man också att denna silkesbaserade fiberoptiska sockersensor kan användas i implanterbara medicinska apparater och behandlingsstrategier i biomedicinska tillämpningar."

Konsekventa, exakta avläsningar

För att testa sensorns repeterbarhet och stabilitet över tid använde forskarna den för att mäta lösningar med okända koncentrationer av fruktos, sackaros eller glukossocker vid rumstemperatur. Mätningarna upprepades var och en 10 gånger med 5 minuters intervall.

För att kvantitativt bestämma prestandan hos den silkesbaserade fiberoptiska sensorn jämförde forskarna ljusintensitetsspektra som produceras av sensorn med mätningar av brytningsindex som förvärvats med en kommersiell refraktometer. Sensorn kunde både identifiera typen av socker i lösningen och ge en avläsning av koncentrationen.

"Mätningsprecisionen och avkänningskänsligheten vi uppnådde tyder på att sensorn exakt kan uppskatta koncentrationen av en okänd sockerlösning", sa Liu. "Dessutom omfattar avkänningskänsligheten för vår föreslagna sensor helt intervallet av sockerkoncentrationer som finns i mänskligt blod."

Innan sensorn kan användas för realtidsmätningar i en klinik eller en enhet för hemmabruk kommer det att vara nödvändigt att förbättra dess noggrannhet och förbättra dess stabilitet under miljöförändringar så att den kan användas under längre tidsperioder.

Forskarna arbetar också med mjukvara som gör att sensorn kan användas med mobila enheter för avläsningar på vårdplatsen. De vill också utöka sensorns funktionalitet så att den kan användas för att mäta olika biokemiska komponenter i mänskligt blod som laktos och fett. + Utforska vidare

Spindelsilke kan skapa linser som är användbara för biologisk avbildning