Нет ничего удивительно в том, что 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.

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.