Micrófluidos basados en papel plasmónicos portátiles para análisis de sudor

Características de flujo de dispositivos microfluídicos de papel. (A) Fotografías de dispositivos fluidos de papel serpenteante con diferentes anchos de papel de (i) 1 mm, (ii) 2 mm, (iii) 3 mm y (iv) 2 mm con sensores plasmónicos integrados, que muestran distancias de viaje variables de 10 l de agua. (B) Distancia de viaje en función del volumen de líquido de entrada. (C) Fotografías de un dispositivo de fluidos de papel de 2 mm de ancho que muestran la distancia creciente de recorrido del líquido con el tiempo de 0,7 a 11,1 min. (D) Relación entre el tiempo de viaje del líquido y la distancia de viaje en el papel microfluídico con diferentes anchos de canal. Las líneas continuas son curvas ajustadas de los datos experimentales (puntos). Barras de escala, 5 mm. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

Los sensores de sudor portátiles desempeñan un papel importante en la información clínicamente significativa relativa a la salud y la enfermedad de las personas. Si bien los sensores se basan principalmente en enzimas y anticuerpos para lograr la cuantificación específica de biomarcadores de estrés, las enzimas y los anticuerpos pueden degradarse, lo que contribuye a un rendimiento deficiente. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances, Umesha Mogera y un equipo de científicos en ingeniería biomédica de la Universidad de Texas A&M, Texas, EE. UU., presentaron un sistema de microfluidos portátil basado en papel plasmónico para analizar la pérdida de sudor, la tasa de sudor y sus constituyentes. metabolitos, continua y simultáneamente. El equipo desarrolló sensores plasmónicos basados en espectroscopía Raman mejorada de superficie sin etiquetas para proporcionar una huella química para la identificación de analitos. Mostraron sensibilidad de detección y cuantificación de ácido úrico en el sudor a concentraciones fisiológicas y patológicas, y facilitaron la cuantificación precisa de los parámetros de interés. Diseñaron el dispositivo plasmónico portátil para que sea suave, flexible y estirable para cubrir la piel sin inducir irritaciones químicas o físicas.

Medición de ácido úrico para el tratamiento de enfermedades

Los científicos de materiales han desarrollado una gama de sensores fisiológicos para medir continuamente biomarcadores físicos y químicos con aplicaciones en el diagnóstico de enfermedades, el control de la salud y la medicina personalizada. Los sensores de sudor portátiles pueden medir varios químicos en el sudor, incluidos electrolitos, metabolitos, metales pesados, drogas y hormonas para comprender el impacto fisiopatológico en el cuerpo humano. La concentración de cloruro en el sudor puede proporcionar parámetros de detección de diagnóstico estándar para la fibrosis quística, mientras que la cuantificación de la glucosa en el sudor tiene como objetivo el control de la diabetes. Del mismo modo, el ácido úrico también es un biomarcador de enfermedad cardiorrenal y diabetes tipo 2. Los sensores de sudor portátiles generalmente requieren alta sensibilidad y estabilidad ambiental para cuantificar con precisión los biomarcadores. En este trabajo, Mogera et al introdujeron un sistema de microfluidos o papel-fluídico portátil basado en papel plasmónico, para capturar directamente el sudor para cuantificar de manera continua y confiable la pérdida de sudor, la tasa de sudoración y los analitos en el sudor, en tiempo real. Los científicos utilizaron la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) para cuantificar la concentración de ácido úrico en concentraciones fisiológica y patológicamente relevantes basadas en el nanosensor plasmónico integrado. El equipo mostró los modos de incorporar dispositivos de fluidos de papel plasmónicos delgados, suaves y flexibles para cuantificar analitos de concentraciones variables.

Dispositivo portátil de microfluidos de papel plasmónico. (A) Ilustración conceptual de un dispositivo de fluidos de papel plasmónico portátil para la recolección, el almacenamiento y el análisis in situ del sudor mediante SERS. (B) Vista superior y (C) esquemas de vista apilada del dispositivo de fluidos de papel que resaltan las capas funcionales clave. (D) Fotografía de un dispositivo de fluidos de papel ensamblado con seis sensores plasmónicos. (E) Imagen TEM de nanorods de oro (AuNR) con una distribución de tamaño uniforme. (F) Espectros de extinción de la solución AuNR y el papel AuNR. au, unidades arbitrarias. Imágenes SEM de papel cromatográfico prístino (G) y papel AuNR (H e I). Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736 Diseño del dispositivo de fluidos de papel plasmónico portátil

Mogera et al desarrollaron el dispositivo de fluidos de papel laminado, ultradelgado y suave para la recolección de sudor en la muñeca, para transporte, almacenamiento y etiquetado en tiempo real. análisis bioquímicos gratuitos utilizando un espectrómetro Raman portátil. El dispositivo mostró varias ventajas con varias capas funcionales, incluido un adhesivo de doble cara, una capa de microfluidos de papel bloqueado con láser, sensores plasmónicos y una capa de encapsulación. El equipo usó un papel de cromatografía de celulosa con un diseño en forma de serpentina para que sirviera como un canal de microfluidos eficaz que transportaba el sudor excretado a través del medio poroso sin fuerza externa ni presión de entrada. El diseño serpentino facilitó la flexibilidad y la capacidad de estiramiento para acomodar el movimiento de la piel sin tensión interfacial ni degradación del dispositivo. Usando sensores plasmónicos instalados en diferentes ubicaciones del canal de microfluidos de papel, los investigadores cuantificaron la concentración de analitos en el sudor en diferentes puntos de tiempo usando espectroscopia Raman. En particular, el adhesivo de doble cara de carbono negro bloqueó el daño del láser para evitar la irritación de la piel durante las mediciones de espectroscopia Raman in situ. Mogera et al agregaron una gota de 10 L de agua y permitieron que el fluido pasara a través del primer sensor plasmónico en un minuto. Para los sensores plasmónicos, utilizaron papel de cromatografía adsorbido con nanorods de oro descritos como AUNR, que sintetizaron y facilitaron la retención en el papel a través de interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals.

Optimización del sensor plasmónico. (A) Espectros Raman de 100 M UA en 1 PBS recogidos en papel prístino y papel AuNR. cps, cuentas por segundo. (B) espectros Raman de papel AuNR antes y después de eliminar los tensioactivos de AuNR con NaBH4, y (C) espectros SERS correspondientes de UA recolectados de papel AuNR. (D) Espectros SERS de 100 M UA con una capa de encapsulación PDMS de diferentes espesores. Espectros SERS de 100 M UA recolectados de (E) diferentes regiones de papel AuNR en el mismo lote y (F) diferentes lotes de papel AuNR. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

Características de flujo, optimización plasmónica y sensibilidad en dispositivos de fluidos de papel

A continuación, el equipo de investigación cuantificó el volumen y la tasa de sudor a través de las características de flujo del papel serpentino microfluídico intercalado entre un encapsulado superior hecho de polidimetilsiloxano (PDMS) y capas adhesivas inferiores. El volumen de absorción de fluido fue linealmente proporcional al ancho del papel y la distancia de recorrido del líquido, para un grosor de papel dado. Los científicos caracterizaron la cinética líquida del papel microfluídico para cuantificar la tasa de sudoración en tiempo real y cuantificaron el volumen y la tasa, que dependían de la ubicación del dispositivo montado en el cuerpo. Mogera et al diseñaron y caracterizaron el papel AUNR (nanorod de oro) intercalado entre un papel microfluídico y PDMS para la detección de alta sensibilidad de ácido úrico a través de SERS (espectroscopia Raman mejorada en superficie). La concentración osciló entre concentraciones fisiológicas y patológicas en el sudor para personas sanas y para aquellas con gota e hiperuricemia. Destacaron un cambio en la intensidad después de los cambios en la concentración de ácido úrico para confirmar la capacidad de cuantificar las concentraciones de ácido úrico que varían con el tiempo en el dispositivo.

• Flexibilidad, capacidad de estiramiento y estabilidad. Fotografías de (A) un dispositivo de fluidos de papel plasmónico ensamblado en un adhesivo médico con un revestimiento de papel, (B) un dispositivo de fluidos de papel independiente montado en una camilla mecánica en estado de reposo, (C) bajo un 30 % de estiramiento, (D) bajo un 60 % de estiramiento , (E) un dispositivo de fluidos de papel torcido, y (F) un dispositivo de fluidos de papel desmenuzado. (G) espectros SERS de UA recogidos bajo 0 y 30% de cepas. (H) Imagen térmica infrarroja de un dispositivo colocado en la placa caliente a 45C con un láser encendido. (I) Espectros SERS de 100 M UA recolectados a 21 y 45C. Barras de escala, 1 cm. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736
• Demostración de aplicación . Fotografías de (A) un dispositivo laminado conforme en el antebrazo de un sujeto humano, (B) bajo deformación y (C y D) un espectrómetro Raman portátil con una sonda de fibra flexible para la recolección de espectros. Espectros SERS de 100 M UA con la distancia cambiante entre la fuente láser y el sensor plasmónico (E) antes y (F) después de la normalización de espectros. (G) Comparación de espectros SERS recopilados con espectrómetros portátiles y de sobremesa. (H) Fotografía del dispositivo después de que un sujeto humano sano lo usó y se ejercitó durante 20 min. (I) espectro SERS del sudor recogido del sensor S1 en (H). Barras de escala, 1 cm. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

Prueba de concepto y perspectiva

El adhesivo suave y ultrafino estirable de doble cara y el dispositivo de fluidos de papel encapsulado en PDMS proporcionaron una plataforma flexible con funcionalidad inherentemente ensamblada, que soportó deformaciones mecánicas y variaciones de temperatura. Como prueba de concepto, los investigadores probaron el rendimiento de los dispositivos de fluidos de papel para la recolección y el análisis del sudor en humanos sanos. Los sujetos usaron el dispositivo fácilmente aplicándolo en cualquier lugar, debido a su construcción mecánica suave. El equipo cuantificó una concentración de 28 m de sudor en individuos sanos. De esta manera, Umesha Mogera y sus colegas establecieron una plataforma de fluidos de papel plasmónico portátil para recolectar sudor, transportar, almacenar y realizar análisis bioquímicos en tiempo real y sin etiquetas. El SERS proporcionó una huella digital química de los metabolitos del sudor sin incorporar ningún elemento de biorreconocimiento. El equipo usó la configuración para medir la sensibilidad y cuantificar las concentraciones de ácido úrico tan bajas como 1 m. Visualizan futuros avances de sistemas de lectura óptica miniaturizados y portátiles para impulsar los dispositivos plasmónicos en aplicaciones del mundo real para el diagnóstico de enfermedades y el control de la salud.

Explore más

Un dispositivo sobre la piel para medir la tasa de sudor, la pérdida y la temperatura en tiempo real Más información: Umesha Mogera et al, Microfluidos basados en papel plasmónico portátil para el análisis continuo del sudor, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1736

Yiran Yang et al, Un sensor portátil grabado con láser para la detección sensible de ácido úrico y tirosina en el sudor, Nature Biotechnology (2019). DOI: 10.1038/s41587-019-0321-x Información de la revista: Nature Biotechnology , Science Advances