Нет ничего удивительно в том, то научный мир постоянно вдохновляется вполне естественными процессами и явлениями, встречающимися в природе. Многие представители флоры и фауны в той или иной степени становятся соавторами тех или иных открытий, изобретений и разработок, меняющих жизнь человека к лучшему. Мы часто слышим о том, как паучий шелк применяется в самых разных отраслях исследований, ввиду его удивительных химических и физических свойств. И череда открытий не останавливается. Ученые из Национального университета Цзяотун (Синьчжу, Тайвань) преобразовали паучий шелк в оптическое волокно, которое можно использовать для создания датчиков глюкозы. Каковы оптические свойства паутины, как ученые преобразовали ее в оптоволокно, и как данная разработка может помочь диабетикам? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Многие из нас не задумываются об уровне сахара в крови, пока не становится поздно. И даже при нормальном самочувствии этот показатель, если превышает норму, может быть признаком развития того или иного заболевания. Сахар чаще всего ассоциируют с диабетом, который становится все более и более распространенным недугом по всей планете.

Определение уровня сахара в крови человека может быть выполнено как в лаборатории, так и в домашних условиях благодаря компактным глюкометрам. Эти устройства позволяют за короткое время получить весьма точные показания, однако они инвазивны, т. е. для их работы требуется образец крови, следовательно, и укол. Конечно, укол в пальчик нельзя сравнить с пункцией костного мозга по уровню боли и дискомфорта, но многие диабетики, вынужденные ежедневно мониторить сахар в крови, были бы рады обойтись без уколов вообще. К тому же, любой укол, даже такой незначительный, может нести риск инфекции. Еще одним минусом домашних глюкоментров является его стоимость в аспекте сопутствующих расходников (тест-полоски, ланцеты).

Исходя из вышесказанного, становится понятно, что необходима простая, но практичная альтернатива.

Недавние разработки волоконно-оптических датчиков позволили добиться значительного прогресса в обнаружении и измерении различных физических переменных: растяжение, давление, напряжение, вибрация и даже концентрация глюкозы. Методы оценки концентрации глюкозы стали точнее благодаря использованию различных типов волоконной оптики: S-образное волокно, U-образное волокно, фотонно-кристаллическое волокно, волоконные брэгговские решетки и т. д. Немаловажно и то, что такие датчики не являются одноразовыми.

Для обнаружения глюкозы в реальном времени обычно используется физическое явление поверхностного плазмонного резонанса (ППР или SPR от surface plasmon resonance). SPR вызывает коллективные колебания электронов зоны проводимости, генерируемые взаимодействием световой волны и металлического слоя. Интенсивность и длина волны SPR сильно зависят от размера и формы металлического слоя. По сравнению с формованными оптическими волокнами волоконно-оптические датчики на основе SPR имеют короткую длину затухания электромагнитного поля и меньшее влияние на колебания температуры. Также они обладают высокой точностью и простой конструкцией.

В рамках изучения методов повышения биосовместимости волоконно-оптических сенсоров все больше внимания уделяется паучьему шелку, ввиду его уникальных механических и оптических свойств. К преимуществам волокон на основе паучьего шелка относятся высокая эластичность, большая прочность на растяжение и высокое оптическое пропускание.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают оптоволокно на основе паучьего шелка с металлическим диэлектрическим покрытием для обнаружения растворов сахара с различной концентрацией. Основной принцип работы этого датчика заключается в считывании показателя преломления раствора сахара.

Изготовление оптоволокна из паучьего шелка

Ученые отмечают, что крайне полезной характеристикой паутины является ее белковый состав. Каркасные нити (dragline silk), выделяемый железами паука, состоит из аминокислот глицина и аланина. Они используются для строительства внешних и опорных линий паутины, ввиду высокой прочности на растяжение.


Изображение №1

На 1a показана схема производства оптического волокна на основе паучьего шелка. Для данного исследования паучий шелк был получен из крупных ампулальных желез гигантского лесного паука Nephila Pilipes. Диаметр нитей шелка составлял порядка 10 мкм.


Затем автоматический дозатор покрывал поверхность шелка фотоотверждаемой смолой, которая является биосовместимым и биоразлагаемым материалом. Поскольку внутренний диаметр (0.65 мм) иглы намного больше диаметра шелка, фотоотверждаемая смола, выделяемая из иглы, полностью покрывала шелковое волокно. Затем обработанное смолой волокно наматывали на держатель со скоростью 5 мм/с под воздействием ультрафиолета (1b).

В результате этого автоматического процесса намотки было получено оптическое волокно на основе паучьего шелка с гладкой поверхностью, ровным круглым поперечным сечением по всей длине и однородными свойствами материала (1c). Поскольку показатели преломления сердцевины шелка и слоев смоляной оболочки составляют 1.55 и 1.48, оптическое наведение может быть реализовано за счет принципа полного внутреннего отражения. По завершению процедуры диаметр волокна увеличился до 100 мкм.

Далее волокно длиной 25 мм было отрезано от мотка и помещено в специальный держатель. Чтобы будущий датчик был чувствителен к сахару, его поверхность была дополнительно обработана биосовместимым нанослоем золота (1d). На 1e показан СЭМ-снимок (СЭМ — сканирующий электронный микроскоп) волокна уже с металлическим диэлектрическим покрытием. С помощью сфокусированного ионного пучка микроскопа было определено, что толщина диэлектрического слоя составляла всего 50 нм (1f).


Изображение №2

Далее были проведены испытания на растяжение, которые дополнительно подтвердили однородность волокна. Для этих испытаний использовалось устройство Hung-Ta HT-2402 (2a). Неподвижное основание регулировалось в соответствии с длиной волокна, а тензодатчик приводился в действие для приложения натяжения к волокну. Волокно размещалось между специальными креплениями, после чего применялось натяжение до момента разрушения волокна (2b). В процессе теста экстензиметр автоматически регистрировал изменение длины.

На 2c показана кривая напряжения-деформации изготовленного оптического волокна на основе паучьего шелка при комнатной температуре. На кривой есть две области, которые относятся к различному поведению и механическим свойствам материалов. Первая область называется областью линейной упругости и подчиняется общему закону Гука (приложенное напряжение пропорционально образующейся деформации). Вторая область, называемая деформационным упрочнением или неупругой областью, характеризуется, как правило, возрастающим напряжением по мере удлинения волокна и, в конце концов, приводит к разрыву. На 2d показаны расчеты модуля Юнга, полученные на основе линейной упругой области кривой напряжения-деформации. Анализ данных показал, что модуль Юнга уменьшался с течением времени. Также было обнаружено, что удлинение при разрыве составляло более 48.8%.

По результатам этого испытания можно было сделать вывод, что исследуемое оптическое волокно на основе паучьего шелка демонстрирует превосходящие механические свойства по сравнению с обычным оптическим волокном из диоксида кремния.

Подготовка к эксперименту

Поскольку предыдущее исследование продемонстрировало, что паучий шелк является эффективным инструментом для оптического распространения даже при погружении в физиологическую жидкость, оптическое волокно на основе шелка можно использовать в качестве прочного биосовместимого устройства для работы с биологическими средами.


Изображение №3

На 3a показана схема экспериментальной установки для определения различных концентраций сахара. Оптоволоконный датчик на основе паучьего шелка помещался на специальный держатель и погружался в раствор сахара. Перистальтический насос с инфузионными трубками использовался для контроля скорости потока раствора сахара через оптоволоконный датчик.

Пучок галогенного света был соединен с одним концом оптоволоконного датчика с использованием обычного оптического волокна. Измеренная эффективность световой связи составила 92%. Второе оптоволокно было соединено с другим концом датчика, чтобы действовать как оптический приемник. Такая конфигурация также направляла световую волну в миниатюрный спектрометр, соединенный с компьютером. Характеристики спектрометра были таковы: диапазон детектирования длин волн 900–1700 нм, разрешение 4.5 нм, время интегрирования 50 мкс. Для отслеживания интенсивности оптического поля волоконного датчика использовался оптический микроскоп.

На 3b показано распространение световой волны по оптическому волокну из паучьего шелка. Оптическое волокно способно эффективно направлять световые волны только тогда, когда показатель преломления оптического волокна выше, чем у окружающей среды. В данном случае показатель преломления оптического волокна достаточно высок, чтобы направлять и доставлять световые волны в растворе сахара. Также эксперименты показали, что волокно было изготовлено без повреждений поверхности, что крайне важно для минимизации потерь во время передачи.

Для теоретической оценки системы было использовано моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD от Finite Difference Time Domain), позволяющий продемонстрировать характеристики распространения света (3c). Моделирование показало, что гладкая поверхность волокна из паучьего шелка является ключом к направлению световой волны с низкими потерями на рассеяние. Основываясь на этих результатах, высокий показатель преломления и низкие потери при передаче позволяют оптическому волокну на основе паучьего шелка излучать световую волну для определения концентрации сахара.

Для оценки работы датчика было подготовлено три раствора с различными сахарами: фруктоза, сахароза и глюкоза. Концентрации сахаров также варьировались в диапазоне от 10% до 50% с шагом в 10%. Нужное количество сахаров разводили в 40 мл воды. Показатели преломления этих трех наборов растворов с пятью различными концентрациями измерялись с помощью цифрового рефрактометра.

Сенсорные способности разработанного датчика оценивались путем отслеживания спектров интенсивности пропускания при наличии растворов сахара.


Изображение №4

Выше показаны спектры пропускания волоконного датчика при работе с разными растворами сахара и разной их концентрацией. Стоит отметить, что пик пропускания около 1300 нм смещался в красную сторону при увеличении концентрации сахара. На 4a также видно, что амплитуда пика пропускания уменьшалась с 50.7% до 38.2% при увеличении концентрации фруктозы с 10% до 50%. А вот для глюкозы изменения амплитуды пика пропускания были заметны слабо (4c).


Изображение №5

Далее была проведена оценка влияния концентрации сахара на показатели поглощения (графики выше). Пики поглощения находились при 1191 нм, 1195 нм и 1197 нм для 10% растворов фруктозы, сахарозы и глюкозы соответственно. На 5c видно, что спектры поглощения практически одинаковы при разных концентрациях глюкозы.

Ученые отмечают, что при сравнении спектров пропускания и поглощения изменение пиков пропускания является важным показателем для различения различных растворов и концентраций сахара.

Для количественной оценки характеристик оптоволоконного датчика на основе паучьего шелка был использован коммерчески доступный рефрактометр, позволивший измерить показатель преломления каждой концентрации для трех растворов сахара.


Изображение №6

На 6a показан показатель преломления в зависимости от концентрации для типов растворов сахара. Как и ожидалось, показатель преломления был пропорционален значению концентрации сахара. При одинаковом уровне концентрации показатель преломления раствора сахарозы был выше, чем у растворов фруктозы и глюкозы: 1.408, 1.416 и 1.418 при 50% концентрации соответственно.

Концентрацию сахара можно было определить по наклону коэффициента пропускания (T) в зависимости от длины волны (λ) для пика около 1300 нм. На 6b показаны расчеты для различных концентраций сахара, основанные на наклоне -ΔT/Δλ, оцененном при λ = 1300 нм.


Таблица №1

В таблице выше показаны рассчитанные средние наклоны и соответствующие стандартные отклонения для трех растворов сахара. Каждый из рассчитанных наклонов представляет собой тип и концентрацию раствора сахара в конкретных условиях. Например, измерения концентрации раствора глюкозы 10% и 50% позволяют получить наклоны 0.11 и 0.088 на пике пропускания соответственно.

Учитывая данные на 6b, средний наклон с низким стандартным отклонением указывает на то, что датчик на основе паучьего шелка обеспечивает точные измерения для различения характеристик передачи, вызванных разными растворами сахара с разной концентрацией. Точность измерения определяется как P = SD/Avg, где SD и Avg — стандартное отклонение и среднее значение набора измерений пиковой интенсивности. Точность измерения для каждого уровня концентрации трех растворов сахара составляет менее 1% с течением времени. Из экспериментальных результатов следует, что раствор сахара с неизвестной концентрацией можно точно оценить по наклону пика пропускания при λ = 1300 нм. Например, измеренные наклоны 0.035, 0.068 и 0.11 представляют собой растворы сахарозы, фруктозы и глюкозы с концентрацией 10% соответственно.

Чувствительность датчика может быть математически определена как S = ΔI/Δn, где Δn — разность показателей преломления различных концентраций сахара, а ΔI — разность интенсивностей пика пропускания в случае Δn. Интенсивность пика пропускания выражается в считываниях (counts), а показатель преломления концентрации сахара выражается в единицах показателя преломления (RIU). Чувствительность тестируемого датчика составляет 136123, 98957 и 51013 считываний/RIU для растворов фруктозы, сахарозы и глюкозы соответственно. Эти значения являются достаточно высокими по сравнению с известными в настоящее время оптоволоконными датчиками.

Предел обнаружения (LOD от limit of detection) определяется как LOD= ΔI_min/S, где ΔI_min — минимальное обнаруживаемое изменение интенсивности пика, а S — чувствительность, соответствующая интенсивности пика. LOD датчика на основе паучьего шелка составляет 2.71×10^-5, 3.73×10^-5 и 7.25×10^-5 RIU для растворов фруктозы, сахарозы и глюкозы соответственно.

Из вышеописанных данных следует, что точность датчика достаточна, чтобы успешно детектировать те концентрации сахара, которые встречаются в крови человека.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые показали, что паучий шелк имеет куда больше интересных свойств и, как следствие, практических применений, чем казалось ранее. С помощью паутины они создали оптоволоконный датчик, способный идентифицировать сахар в растворе при концентрациях от 10% до 50%, что как раз входит в диапазон концентраций, встречающихся в крови человека.

Помимо точности, датчик обладает и рядом других преимуществ: биосовместимость, биоразлагаемость, гибкость, легкость изготовления, небольшая стоимость и неинвазивность применения. Важно и то, что такой датчик можно долгое время хранить в сухом и стерильном контейнере, и его свойства не ухудшатся даже спустя год.

Авторы разработки честно говорят, что их детище еще рано использовать в клиниках или дома для мониторинга уровня сахара в крови. Концепция, как показали опыты, работает отлично, но предстоит еще много работы, нацеленной на улучшение показателей точности и повышения стабильности при работе в различных условиях окружающей среды. Также ученые хотели бы расширить спектр возможностей своего датчика, «научив» его считывать показатели других химических компонентов крови, таких как лактоза и жиры.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?