Jeudi 5 juin 2014.- Des chercheurs de la Brown University de Rhode Island, aux États-Unis, ont développé un nouveau capteur de biopuce qui peut mesurer sélectivement les concentrations de glucose dans une solution complexe similaire à la salive humaine. La percée, publiée dans «Nanophotonics», est importante car elle pourrait permettre la conception d'un appareil qui permet aux personnes atteintes de diabète de mesurer les niveaux de glucose sans prélever leur sang.
La nouvelle puce utilise une série de réactions chimiques spécifiques ainsi que l'interférométrie plasmonique, un moyen de détecter la signature chimique des composés à l'aide de la lumière. L'appareil est suffisamment sensible pour détecter des différences de concentrations de glucose équivalentes à quelques milliers de molécules dans le volume échantillonné.
"Nous avons démontré la sensibilité nécessaire pour mesurer les concentrations typiques de glucose dans la salive, qui sont généralement cent fois plus faibles que dans le sang", explique le directeur de recherche, Domenico Pacifici, professeur adjoint d'ingénierie à l'Université Brown. "Maintenant, nous pouvons le faire avec une spécificité très élevée, ce qui signifie que nous pouvons différencier le glucose des composants de fond de la salive", ajoute-t-il.
La biopuce se compose d'un morceau d'un pouce carré de quartz recouvert d'une fine couche d'argent. Des milliers d'interféromètres sont gravés dans de l'argent à l'échelle nanométrique, de minuscules fentes avec une fente de chaque côté de 200 nanomètres de large. La fente mesure 100 nanomètres de large, environ 1 000 fois plus mince qu'un cheveu humain.
Lorsque la lumière brille sur la puce, les fentes provoquent une vague d'électrons libres en argent, un polariton de plasmon de surface, qui se propage dans la fente. Ces ondes interfèrent avec la lumière traversant la rainure et les détecteurs sensibles mesurent les modèles d'interférence générés par les rainures et les rainures.
De cette façon, lorsqu'un liquide est déposé sur la puce, les ondes de plasmon lumineux et de surface se propagent à travers le liquide qui interfèrent les unes avec les autres, modifiant les modèles d'interférence collectés par les détecteurs, en fonction de la composition chimique du liquide
En ajustant la distance entre les rainures et le centre de la fente, les interféromètres peuvent être calibrés pour détecter les signatures de composés ou de molécules spécifiques, avec une sensibilité élevée dans des volumes d'échantillons extrêmement petits.
Déjà dans un article publié en 2012, l'équipe de Brown a montré que les interféromètres d'une biopuce pouvaient détecter le glucose dans l'eau. Cependant, la détection sélective du glucose dans une solution complexe telle que la salive humaine était un autre problème.
"La salive est composée à 99% d'eau, de sorte que 1% est celle qui pose problème", explique Pacifici. "Il existe des enzymes, des sels et d'autres composants qui peuvent affecter la réponse du capteur. Avec ce travail, nous avons résolu le problème de la spécificité de notre schéma de détection ". Ces experts l'ont fait en utilisant la chimie des colorants pour créer un marqueur traçable du glucose.
Les chercheurs ont ajouté des canaux microfluidiques à la puce pour introduire deux enzymes qui réagissent avec le glucose d'une manière très spécifique. La première enzyme, la glucose oxydase, réagit avec le glucose pour former une molécule de peroxyde d'hydrogène qui réagit avec la deuxième enzyme, la peroxydase de raifort, pour générer une molécule appelée résorufine, qui peut absorber et émettre de la lumière rouge, colorant la solution.
Ensuite, les scientifiques ont pu régler les interféromètres pour rechercher les molécules de résorufine rouge. "La réaction se produit de manière biunivoque: une molécule de glucose génère une molécule de résorufine - dit Pacifici -. Nous pouvons donc compter le nombre de molécules de résorufine dans la solution et déduire le nombre de molécules de glucose qui étaient à l'origine présents dans la solution. "
L'équipe a testé leur combinaison de chimie des colorants et d'interférométrie plasmonique en recherchant du glucose dans la salive artificielle, un mélange d'eau, de sels et d'enzymes qui ressemble à de vrais humains. Ainsi, ils ont découvert qu'ils pouvaient détecter la résorufine en temps réel avec une grande précision et spécificité et ont réussi à détecter des changements dans la concentration de glucose de 0, 1 micromole par litre, dix fois la sensibilité qui peut être atteinte par les interféromètres.
Selon Pacifici, la prochaine étape du travail consiste à commencer à tester la méthode dans de la vraie salive humaine. En fin de compte, les chercheurs espèrent développer un petit appareil autonome qui pourrait donner aux diabétiques un moyen non invasif de surveiller leur taux de glucose. "Nous calibrons maintenant cet appareil pour l'insuline", rapporte Pacifici Said, qui ajoute qu'il pourrait également être utilisé pour détecter des toxines dans l'air ou l'eau ou en laboratoire pour contrôler les réactions chimiques qui se produisent dans la zone du capteur à temps. réel.
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La nouvelle puce utilise une série de réactions chimiques spécifiques ainsi que l'interférométrie plasmonique, un moyen de détecter la signature chimique des composés à l'aide de la lumière. L'appareil est suffisamment sensible pour détecter des différences de concentrations de glucose équivalentes à quelques milliers de molécules dans le volume échantillonné.
"Nous avons démontré la sensibilité nécessaire pour mesurer les concentrations typiques de glucose dans la salive, qui sont généralement cent fois plus faibles que dans le sang", explique le directeur de recherche, Domenico Pacifici, professeur adjoint d'ingénierie à l'Université Brown. "Maintenant, nous pouvons le faire avec une spécificité très élevée, ce qui signifie que nous pouvons différencier le glucose des composants de fond de la salive", ajoute-t-il.
La biopuce se compose d'un morceau d'un pouce carré de quartz recouvert d'une fine couche d'argent. Des milliers d'interféromètres sont gravés dans de l'argent à l'échelle nanométrique, de minuscules fentes avec une fente de chaque côté de 200 nanomètres de large. La fente mesure 100 nanomètres de large, environ 1 000 fois plus mince qu'un cheveu humain.
Lorsque la lumière brille sur la puce, les fentes provoquent une vague d'électrons libres en argent, un polariton de plasmon de surface, qui se propage dans la fente. Ces ondes interfèrent avec la lumière traversant la rainure et les détecteurs sensibles mesurent les modèles d'interférence générés par les rainures et les rainures.
De cette façon, lorsqu'un liquide est déposé sur la puce, les ondes de plasmon lumineux et de surface se propagent à travers le liquide qui interfèrent les unes avec les autres, modifiant les modèles d'interférence collectés par les détecteurs, en fonction de la composition chimique du liquide
En ajustant la distance entre les rainures et le centre de la fente, les interféromètres peuvent être calibrés pour détecter les signatures de composés ou de molécules spécifiques, avec une sensibilité élevée dans des volumes d'échantillons extrêmement petits.
Déjà dans un article publié en 2012, l'équipe de Brown a montré que les interféromètres d'une biopuce pouvaient détecter le glucose dans l'eau. Cependant, la détection sélective du glucose dans une solution complexe telle que la salive humaine était un autre problème.
"La salive est composée à 99% d'eau, de sorte que 1% est celle qui pose problème", explique Pacifici. "Il existe des enzymes, des sels et d'autres composants qui peuvent affecter la réponse du capteur. Avec ce travail, nous avons résolu le problème de la spécificité de notre schéma de détection ". Ces experts l'ont fait en utilisant la chimie des colorants pour créer un marqueur traçable du glucose.
Les chercheurs ont ajouté des canaux microfluidiques à la puce pour introduire deux enzymes qui réagissent avec le glucose d'une manière très spécifique. La première enzyme, la glucose oxydase, réagit avec le glucose pour former une molécule de peroxyde d'hydrogène qui réagit avec la deuxième enzyme, la peroxydase de raifort, pour générer une molécule appelée résorufine, qui peut absorber et émettre de la lumière rouge, colorant la solution.
Ensuite, les scientifiques ont pu régler les interféromètres pour rechercher les molécules de résorufine rouge. "La réaction se produit de manière biunivoque: une molécule de glucose génère une molécule de résorufine - dit Pacifici -. Nous pouvons donc compter le nombre de molécules de résorufine dans la solution et déduire le nombre de molécules de glucose qui étaient à l'origine présents dans la solution. "
L'équipe a testé leur combinaison de chimie des colorants et d'interférométrie plasmonique en recherchant du glucose dans la salive artificielle, un mélange d'eau, de sels et d'enzymes qui ressemble à de vrais humains. Ainsi, ils ont découvert qu'ils pouvaient détecter la résorufine en temps réel avec une grande précision et spécificité et ont réussi à détecter des changements dans la concentration de glucose de 0, 1 micromole par litre, dix fois la sensibilité qui peut être atteinte par les interféromètres.
Selon Pacifici, la prochaine étape du travail consiste à commencer à tester la méthode dans de la vraie salive humaine. En fin de compte, les chercheurs espèrent développer un petit appareil autonome qui pourrait donner aux diabétiques un moyen non invasif de surveiller leur taux de glucose. "Nous calibrons maintenant cet appareil pour l'insuline", rapporte Pacifici Said, qui ajoute qu'il pourrait également être utilisé pour détecter des toxines dans l'air ou l'eau ou en laboratoire pour contrôler les réactions chimiques qui se produisent dans la zone du capteur à temps. réel.
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