Biosensory, czyli jak wykryć bakterie i oszustwa

Obecnie metodą najczęściej wykorzystywaną do wykrywania bakterii są metody laboratoryjne. Wymaz pobrany od pacjenta trafia w ręce specjalistów, którzy najpierw zapewniają potencjalnym bakteriom warunki do namnażania, a po pewnym czasie, za pomocą mikroskopów, obserwują, czy w danej próbce faktycznie znajdują się bakterie. Interpretacja obrazu spod mikroskopu wymaga wykształconej kadry pracowniczej i to czynnik, który w praktyce znacznie ogranicza wydajność tej metody.

W przypadku zastosowania biosensorów teoretycznie możliwe byłoby przeprowadzenie etapu badania próbki przez osoby niewykwalifikowane. Próbkę można byłoby aplikować wówczas na biosensor, z którego sygnał przez urządzenie odczytowe trafiałby do komputera. Odpowiednie oprogramowanie mogłoby automatycznie przetwarzać sygnał, tak by użytkownik mógł odczytać gotową informację o wyniku. Z perspektywy użytkownika w podobny sposób działają obecnie glukometry – kroplę krwi umieszcza się na specjalnym pasku testowym i wsuwa się go do urządzenia, a kilka sekund później na ekranie wyświetla się miara zawartości glukozy we krwi.

Pomimo pozornej prostoty biosensorów, ich zaprojektowanie nie jest łatwe – wymaga precyzyjnego dobrania materiałów, warstwy biologicznej, kształtu czujnika i zakresu analizowanych częstotliwości. Prace nad biosensorami dają jednak nadzieję, że zakażenia bakteryjne będą mogły być rozpoznawane znaczenie szybciej, a więc także – że szybciej będzie wdrażane skuteczne leczenie.

Im bliższy bakterii, tym lepiej

Dr hab. Inż. Ilona Piekarz, prof. AGH z Instytutu Elektroniki na Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji pracuje między innymi nad biosensorami, które wykrywają bakterie Escherichia coli, czyli pałeczki okrężnicy. Prace te zostały zapoczątkowane przez prof. dr. hab. inż. Sławomira Gruszczyńskiego z Instytutu Elektroniki AGH, który był promotorem doktoratu prof. Piekarz. Jedno z takich urządzeń opracowanych w AGH wykorzystuje mikrofale, czyli fale radiowe o długości mikro. Wykorzystywanie zakresu częstotliwości, gdzie właściwości elektryczne bakterii mają największą zmienność, zwiększa szansę na ich wykrycie.

Jedno z urządzeń wykonanych w celu wykrywania bakterii zostało wykonane z ceramiki współwypalanej niskotemperaturowo (LTCC). To technika, która pozwala na tworzenie niewielkich struktur z warstw ceramiki o różnych grubościach, które łączy się pod wpływem wysokiego ciśnienia oraz spiekania. Dzięki temu można zmieścić pomiędzy nimi elementy niezbędne do skonstruowania sensora, które powinny być odizolowane od działania czynników zewnętrznych, jak zasilanie obwodu elektrycznego. „Wejściem” do systemu jest element czuły sensora wykonany z metali biokompatybilnych z bakteriami. Należy do nich np. złoto, na którym kładzie się próbkę materiału do badania. Podpięte do niego sondy przewodzą sygnał, który następnie trafia do analizatora wektorowego, będącego przyrządem pomiarowym. Następnie naukowcy przystępują do obliczeń, aby móc wywnioskować, czy sygnał uległ zmianie (a więc czy wykrył to, do wykrywania czego został zaprojektowany), czy pozostał niezmienny (co może świadczyć o negatywnym wyniku).

Aby sygnał mógł zostać właściwie zinterpretowany, każdy biosensor musi być zoptymalizowany do wykrywania konkretnej bakterii. Pokrycie czujnika specjalną warstwą bioczułą daje pewność, że zmiana w sygnale jest wywołana obecnością bakterii E. coli, a nie innych gatunków czy zanieczyszczeń. W tym przypadku na tę warstwę składają się antygeny Escherichia coli, które sprawiają, że do warstwy może przyczepić się tylko ten konkretny typ bakterii. Za opracowanie warstwy bioczułej odpowiedzialni są naukowcy z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN, którzy wspomagają naukowców z AGH w realizacji takich interdyscyplinarnych projektów. Po pokryciu sensora warstwą selektywną badacze sprawdzają, czy aby na pewno sensor nie reaguje bez bakterii albo w obecności ich innych typów.

Co więcej, aby sygnał się zmieniał, to elektroda, a więc metal, na którym znajdują się bakterie, musi mieć określony wzór – np. jeśli nie będzie odpowiednio pozawijany, to bakterie nie będą mogły się do obszaru czułego dowiązać, przez co znajdą się na obszarze, który nie zapewni zmiany sygnału.

Wspomniany rezultat udało się osiągnąć dzięki biosensorowi, którego projekt został opisany w prestiżowym czasopiśmie „ Biosensors and Bioelectronics”. Był on znacznie mniejszy niż biosensor wykonany w technologii LTCC, a wymiary elementów czułych nieznacznie przewyższały rozmiar bakterii E. coli. Układ wykonany został w technologii monolitycznych mikrofalowych układów scalonych, która umożliwia uzyskanie detali o rozmiarach w zakresie mikro i nano, a także realizację macierzy sensorów zamiast pojedynczego elementu czułego. Chociaż naukowcom nie udało się zejść poniżej wymienionego progu detekcji, w przypadku tego typu sensora widzą potencjał uzyskania jeszcze lepszych wyników. Prowadzone są już badania nad konstrukcją biosensora o bardzo wysokim stosunku obszaru czułego do całkowitej powierzchni, co znacząco zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia bakterii a tym samym potencjalnie obniża próg detekcji.

Na tropie słodkich oszustw

Do czego jeszcze można wykorzystać czujniki elektryczne? Choćby do wykrywania oszustw pojawiających się w przemyśle spożywczym. Jednym z najczęściej podrabianych produktów jest miód – konsumenci często nie mają świadomości, że produkt opatrzony etykietą z takim napisem może nie być w pełni naturalnym produktem, lecz zawierać dodatki np. sztucznych syropów. Ponieważ różnica nie jest wykrywalna w smaku, fałszerstwo rzadko wychodzi na jaw. Może jednak sprawiać kłopoty choćby osobom z cukrzycą. Tymczasem obecnie poznanie składu produktu wymaga wysłania próbki do laboratorium i oczekiwania na wynik. Dr hab. inż. Ilona Piekarz, prof. AGH pracuje nad czujnikiem, który pozwoliłby w szybki sposób stwierdzić, czy dany produkt to sam naturalny miód czy produkt miodopodobny zawierający jakieś sztuczne dodatki. Aby konsumenci mogli samodzielnie wykorzystywać urządzenie dla swoich potrzeb, tego typu czujniki projektuje się z wykorzystaniem tanich materiałów, jak laminat. Realizacja takich projektów jest możliwa w AGH przy użyciu technologii szybkiego prototypowania, jak druk 3D czy laserowa mikroobróbka obwodów drukowanych. Od niedawna w Instytucie Elektroniki AGH dostępny jest system laserowy LPKF ProtoLaser U4, który pozwala na wykonanie ścieżek przewodzących o minimalnych detalach w zakresie dziesiątek mikrometrów nie tylko na laminatach, ale również innych materiałach nieorganicznych, co jest szczególnie przydatne do dalszych badań nad (bio)sensorami. Przyrostowe i hybrydowe metody wytwarzania obwodów mikrofalowych są domeną dr. hab. inż. Jakuba Sorockiego, prof. AGH z Instytutu Elektroniki, z którym prof. Piekarz od lat współpracuje.

Na szybkość przyjdzie czas

Aby dalej udoskonalać biosensory mające wykrywać bakterie, konieczne jest tworzenie kolejnych ich wersji. Tymczasem proces ich fizycznej realizacji jest bardziej wymagający technologicznie niż w przypadku układów, które mogą zostać wykonane na płytce drukowanej (laminacie). Aby biosensor był czuły na bakterie, jego powierzchnia musi być idealnie gładka. Zwykły laminat, choć tani, nie nadaje się do badań z niewielkimi elementami, jakimi są bakterie – te po prostu wpadłyby w wypustki na jego chropowatej powierzchni i wykrycie ich byłoby niemożliwe. Aby zrealizować projekt za pomocą technologii LTCC lub technologii scalonej, naukowcy z AGH współpracują z zagranicznymi ośrodkami – a to wysokie koszty i długi czas oczekiwania, więc przetestowanie zaprojektowanego układu czy wprowadzonych do niego poprawek nie jest natychmiastowo możliwe. Na cenę w dużej mierze wpływa konieczność wykonania maski produkcyjnej, czyli wzoru sensora niezbędnego do jego wykonania. To sprawia, że o ile ich masowa produkcja mogłaby być tania, to koszty wytworzenia pojedynczych sztuk do celów badawczych są bardzo wysokie. Dlatego też w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH podejmowane są prace nad wytwarzaniem sensorów na szkle, aby usprawnić procedurę prototypowania i testowania biosensorów oraz zmniejszyć koszty produkcji.

Skuteczne biosensory, które umożliwiałyby wykrywanie bakterii w czasie rzeczywistym, na pewno stanowiłyby konkurencję dla metod optycznych. Te, choć również działają w zakresie częstotliwości wyższych, przez co również są bardzo czułe, wymagają stosowania znaczników, które najczęściej są substancjami promieniotwórczymi. Nie likwidują więc problemu wymagających przygotowań do badań, konieczności wykorzystania laboratoriów i zaangażowania wykwalifikowanego personelu.

Aktualne prace skupiają się na maksymalizowaniu czułości biosensorów – zarówno od strony konstrukcji mikrofalowej, jak również warstwy bioczułej. Kolejnym krokiem jest zaprojektowanie systemu automatycznego przetwarzania danych, który pozwoliłby na wdrożenie sensorów do powszechnego użytku. W niedługiej przyszłości rozpoczną się prace również i w tym kierunku.