För de 26 miljoner amerikaner med diabetes, att ta blod är det vanligaste sättet att kontrollera glukosnivåerna. Det är invasivt och åtminstone minimalt smärtsamt. Forskare vid Brown University arbetar med en ny sensor som kan kontrollera blodsockernivån genom att istället mäta glukoskoncentrationer i saliv.

Tekniken drar fördel av en konvergens av nanoteknik och ytplasmonik, som utforskar interaktionen mellan elektroner och fotoner (ljus). Ingenjörerna på Brown etsade tusentals plasmoniska interferometrar på ett biochip i fingernagelstorlek och mätte koncentrationen av glukosmolekyler i vatten på chipet. Deras resultat visade att det specialdesignade biochipet kunde upptäcka glukosnivåer som liknar nivåerna i mänsklig saliv. Glukos i mänsklig saliv är vanligtvis cirka 100 gånger mindre koncentrerad än i blodet.

"Detta är proof of concept att plasmoniska interferometrar kan användas för att detektera molekyler i låga koncentrationer, använda ett fotavtryck som är tio gånger mindre än ett människohår, sa Domenico Pacifici, biträdande professor i teknik och huvudförfattare till artikeln publicerad i Nanobokstäver , en tidskrift från American Chemical Society.

Tekniken kan användas för att detektera andra kemikalier eller ämnen, från mjältbrand till biologiska föreningar, Pacifici sa, "och för att upptäcka dem alla på en gång, parallellt, använder samma chip."

För att skapa sensorn, forskarna ristade en slits som var cirka 100 nanometer bred och etsade två 200 nanometer breda spår på vardera sidan av slitsen. Spalten fångar in inkommande fotoner och begränsar dem. Spåren, under tiden, sprid de inkommande fotonerna, som interagerar med de fria elektronerna som gränsar runt på sensorns metallyta. Dessa fria elektron-foton-interaktioner skapar en ytplasmonpolariton, en speciell våg med en våglängd som är smalare än en foton i fritt utrymme. Dessa ytplasmonvågor rör sig längs sensorns yta tills de möter fotonerna i slitsen, ungefär som två havsvågor som kommer från olika håll och kolliderar med varandra. Denna "interferens" mellan de två vågorna bestämmer maxima och minima i ljusintensiteten som sänds genom slitsen. Närvaron av en analyt (kemikalien som mäts) på sensorytan genererar en förändring i den relativa fasskillnaden mellan de två ytplasmonvågorna, vilket i sin tur orsakar en förändring i ljusintensitet, uppmätt av forskarna i realtid.

"Slitsen fungerar som en mixer för de tre strålarna - det infallande ljuset och ytplasmonvågorna, sa Pacifici.

Ingenjörerna lärde sig att de kunde variera fasförskjutningen för en interferometer genom att ändra avståndet mellan spåren och slitsen, vilket betyder att de kan ställa in störningarna som genereras av vågorna. Forskarna kunde ställa in de tusentals interferometrarna för att fastställa baslinjer, som sedan skulle kunna användas för att noggrant mäta koncentrationer av glukos i vatten så låga som 0,36 milligram per deciliter.

"Det kan vara möjligt att använda dessa biochips för att utföra screening av flera biomarkörer för enskilda patienter, allt på en gång och parallellt, med oöverträffad känslighet, sa Pacifici.

Ingenjörerna planerar nästa att bygga sensorer skräddarsydda för glukos och för andra substanser för att ytterligare testa enheterna. "Det föreslagna tillvägagångssättet kommer att möjliggöra detektering av mycket hög genomströmning av miljömässigt och biologiskt relevanta analyter i en extremt kompakt design. Vi kan göra det med en känslighet som konkurrerar med modern teknik, sa Pacifici.

Tayhas Palmore, professor i teknik, är en bidragande författare på tidningen. Forskarstuderande Jing Feng (ingenjör) och Vince Siu (biologi), vem designade mikrofluidkanalerna och utförde experimenten, anges som de två första författarna på tidningen. Andra författare inkluderar Browns ingenjörsstudent Steve Rhieu och studenterna Vihang Mehta, Alec Roelke.