Instytut Łączności

Jednym z takich pomysłów jest optyczny czujnik glukozy wykorzystujący próbkę moczu, rozwijany przez indyjsko-polski zespół badawczy z udziałem Instytutu Łączności – PIB. Kluczową rolę po polskiej stronie odgrywa prof. Zbigniew Jaroszewicz, który od lat zajmuje się optyką i czujnikami SPR.

Dobrą stroną proponowanego czujnika jest brak konieczności poboru próbki krwi – podkreśla naukowiec.

Jak zaznacza, pomysł opiera się na prostym założeniu: skoro glukoza może pojawiać się w moczu, zwłaszcza przy podwyższonych poziomach cukru we krwi, to właśnie ta próbka może stać się podstawą mniej inwazyjnego testu przesiewowego.

Proponowane rozwiązanie nie reaguje chemicznie na glukozę. Zamiast tego wykorzystuje zjawisko rezonansu plazmonów powierzchniowych (SPR), znane z bardzo dużej czułości na zmiany zachodzące przy powierzchni materiału.

Jak wyjaśnia prof. Jaroszewicz, czujniki SPR mierzą różnicę współczynnika załamania spowodowaną obecnością badanej substancji, ale kluczowe znaczenie ma tu tzw. kąt rezonansowy. Jest to bardzo konkretny kąt padania światła, przy którym dochodzi do szczególnego zjawiska fizycznego: energia światła zostaje przekazana drganiom elektronów w cienkiej warstwie metalu, czyli plazmonom powierzchniowym. Efektem jest gwałtowne osłabienie światła odbitego – wyraźny sygnał, który można precyzyjnie zarejestrować.

Zjawisko to występuje w warunkach całkowitego wewnętrznego odbicia, gdy światło przechodzi z ośrodka o wysokim współczynniku załamania, na przykład z pryzmatu, do ośrodka o niższym współczynniku i pada na metal pod kątem większym niż kąt krytyczny. Jeśli w bezpośrednim sąsiedztwie metalicznej warstwy pojawi się próbka cieczy, zmienia ona lokalne własności optyczne układu. W praktyce oznacza to, że wraz ze wzrostem stężenia glukozy w moczu przesuwa się położenie kąta rezonansowego, a to przesunięcie stanowi podstawę pomiaru.

Istotną zaletą tej metody jest to, że – jak podkreśla badacz – wszystkie czujniki SPR umożliwiają tzw. pomiar bezznacznikowy, czyli bez użycia barwników fluorescencyjnych czy izotopów radioaktywnych. Dzięki temu pomiar może być prostszy, szybszy i potencjalnie tańszy.

Na obecnym etapie prace mają charakter teoretyczny i symulacyjny. Zespół zaprojektował kilka wariantów czujnika i sprawdził ich zachowanie w modelach komputerowych dla różnych stężeń glukozy w moczu.

Można uznać, że zostały zaproponowane wersje czujników pozwalające na dokładny pomiar zawartości glukozy w moczu – mówi prof. Jaroszewicz. Dodaje jednak od razu: Została również udowodniona symulacjami komputerowymi ich spodziewana wysoka czułość pomiaru, ale to dopiero początek drogi.

Najważniejsze pytanie brzmi bowiem: „na ile da się to zrealizować w praktyce”. Przed badaczami stoją wyzwania związane z trwałością materiałów, wpływem innych składników moczu na pomiar oraz kalibracją czujnika w realnych warunkach.

Choć wizja pomiaru glukozy „bez igły” brzmi obiecująco, prof. Jaroszewicz podchodzi do niej z ostrożnym realizmem.

Może nie tyle je zastąpić, co uzupełnić – mówi o klasycznych pomiarach glukozy z krwi. Zwraca uwagę, że sama zmiana współczynnika załamania światła nie wystarcza do identyfikacji substancji, dlatego kluczowa jest odpowiednio zaprojektowana powierzchnia czujnika. Jak zaznacza, powinna ona reagować tylko na obecność badanej substancji oraz minimalizować oddziaływania niespecyficzne.

Właśnie te kwestie będą decydujące w kolejnych etapach badań.

Projekt realizowany jest we współpracy z zespołem prof. Karupiya Balasundarama Rajesha z Indii, z którym prof. Jaroszewicz współpracuje już od 16 lat. – Efektem tej współpracy jest kilkadziesiąt publikacji w renomowanych czasopismach, w tym szereg prac poświęconych zwiększaniu czułości czujników SPR – podkreśla.

Sam prof. Zbigniew Jaroszewicz, związany z Instytutem Łączności – PIB, należy do grona najbardziej cenionych polskich specjalistów w dziedzinie optyki. Jest laureatem Nagrody Ministra za wybitne osiągnięcia naukowe i autorem licznych prac z zakresu fotoniki i zaawansowanych metod pomiarowych.

Choć na praktyczne zastosowanie czujnika trzeba jeszcze poczekać, obecne badania pokazują, że światło może w przyszłości stać się ważnym narzędziem w diagnostyce cukrzycy – przynajmniej jako pierwszy, nieinwazyjny krok w ocenie stanu pacjenta.