Die optische Fasersonde erkennt die Leitfähigkeit biologischer Flüssigkeiten im Nanoliterbereich

Einige der aufschlussreichsten Signale über die menschliche Gesundheit werden in Flüssigkeiten übertragen, die kaum zu messen sind. Tränenflüssigkeit, Liquor cerebrospinalis und Prostataflüssigkeit kommen nur in winzigen Mengen vor, doch ihre chemische Zusammensetzung kann auf Entzündung, Flüssigkeitszufuhr oder Krankheit hinweisen. Seit Jahrzehnten kämpfen Ingenieure damit, diese Flüssigkeiten in Echtzeit zu analysieren, da die meisten Sensoren weitaus mehr Flüssigkeit benötigen, als der Körper problemlos bereitstellen kann.

Forscher der Universität Jilin berichten nun über eine Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit solcher Flüssigkeiten mit Volumina von nur 50 Nanolitern zu messen. Das Gerät, berichtet in der Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturingist eine optische Fasersonde, die nicht dicker als ein menschliches Haar ist. Es ist für stabile Echtzeitmessungen konzipiert und wird von Temperatur oder pH-Wert weitgehend nicht beeinflusst, zwei Faktoren, die in biologischen Umgebungen häufig zu Messwerten führen.

Die elektrische Leitfähigkeit ist ein grundlegender, aber aussagekräftiger Indikator in der Physiologie. Es spiegelt die Konzentration gelöster Ionen wider, die im Körper streng reguliert werden. Änderungen der Leitfähigkeit können auf Dehydrierung, Elektrolytstörungen, Entzündungen oder Krankheiten hinweisen. Herkömmliche Leitfähigkeitssensoren basieren jedoch auf Metallelektroden, die schwer zu miniaturisieren sind und insbesondere bei der Arbeit mit extrem kleinen Proben anfällig für Signaldrift, Verschmutzung und Interferenzen sind.

Das Jilin-Team verfolgte einen anderen Ansatz. Anstatt elektrische Signale direkt zu messen, übersetzten sie die Leitfähigkeit in ein optisches.

Mithilfe einer laserbasierten 3D-Druckmethode namens Zwei-Photonen-Polymerisation stellten die Forscher einen mikroskopischen Fabry-Perot-Hohlraum an der Spitze einer optischen Faser her. Dieser Hohlraum reflektiert Licht auf eine Weise, die sehr empfindlich auf den Brechungsindex der umgebenden Flüssigkeit reagiert. Schon geringfügige Änderungen der Ionenkonzentration, die die Leitfähigkeit bestimmen, verursachen eine messbare Verschiebung der reflektierten Wellenlänge.

Um Flüssigkeit in den Erfassungsbereich zu bringen, verfügt die Sonde über eine Mikrokapillare und eine dünne Filtermembran. Durch Kapillarkräfte wird die Flüssigkeit automatisch in den Hohlraum gezogen. Die Membran blockiert große Moleküle wie Proteine ​​und Zellen und lässt nur kleine Ionen eindringen. Dadurch wird sichergestellt, dass das optische Signal von den für die Leitfähigkeit verantwortlichen Ionen dominiert wird und nicht von biologischen Ablagerungen, die die Messung destabilisieren könnten.

In Labortests behielt die Sonde eine stabile Leistung mit nur mehreren zehn Nanolitern Flüssigkeit bei, einem Volumen, das weit unter dem liegt, was die meisten vorhandenen Sensoren benötigen. Da der Erfassungsmechanismus optisch und nicht elektrisch ist, vermeidet das Gerät viele der Probleme, die mit elektrodenbasierten Sonden verbunden sind, einschließlich Polarisationseffekten und chemischer Zersetzung.

Viele klinisch wichtige Flüssigkeiten sind nur in Spuren verfügbar. Wenn wir sie in Echtzeit überwachen wollen, brauchen wir Sensoren, die in diesem Maßstab funktionieren und in komplexen Umgebungen stabil bleiben.“

Prof. Qi-Dai Chen, Professor an der Universität Jilin und korrespondierender Autor der Studie

Aufgrund der geringen Größe und des hohen Seitenverhältnisses der Sonde eignet sie sich für invasive Messungen, beispielsweise die Erfassung von Liquor cerebrospinalis durch enge biologische Leitungen oder die Überwachung der Bedingungen im Magen-Darm-Trakt. Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass die Plattform anpassungsfähig ist: Durch Änderung der Materialien oder Strukturen an der Faserspitze könnten ähnliche Sonden entwickelt werden, um Temperatur, pH-Wert oder bestimmte Biomoleküle zu erfassen.

Die Arbeit unterstreicht die wachsende Rolle der Präzisionsmikrofertigung in der medizinischen Sensorik. Techniken, die einst für die Photonik und fortschrittliche Materialien entwickelt wurden, werden heute zum Bau von Instrumenten verwendet, die im Inneren des Körpers funktionieren, wo der Platz begrenzt ist und die Bedingungen schwer zu kontrollieren sind.

Die Studie demonstriert noch nicht den Einsatz in lebenden Systemen, zeigt aber einen Weg zu Sensoren auf, die mithilfe von Sonden, die kleiner als eine Nadel sind, kontinuierlich physiologische Signale verfolgen können. Da sich Diagnosetools in Richtung früherer Erkennung und Echtzeitüberwachung bewegen, könnte sich die Möglichkeit, die Chemie eines einzelnen Flüssigkeitstropfens zu messen, als immer wertvoller erweisen.

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