Jusqu’à présent, la surveillance continue de la glycémie à domicile pour les diabétiques devait sacrifier la facilité d’utilisation, le faible coût et la portabilité pour une sensibilité légèrement inférieure, et donc une précision, par rapport à des systèmes similaires dans les cliniques ou les hôpitaux. Une équipe de chercheurs a maintenant développé un biocapteur pour de tels moniteurs qui implique des points quantiques « zérodimensionnels » (QD) et des nanosphères d’or (AuNS), et n’a plus à faire de compromis sur la précision.
Un article décrivant la conception du biocapteur et ses performances améliorées est paru dans la revue. nanorecherche le 9 novembre 2022.
Au cours des dernières années, le développement de la technologie de surveillance continue du glucose (CGM) a été d’une grande aide pour les personnes atteintes de diabète. Contrairement aux tests de glycémie avant les repas et au coucher, la détection rapide et précise en temps réel des niveaux de glucose à partir d’appareils CGM toujours allumés a considérablement amélioré le contrôle du diabète. Les tendances de la glycémie sont plus facilement suivies, ce qui facilite la mise en œuvre des changements de régime, d’exercice et de médicaments dans un plan de soins du diabète tout au long de la journée, et les alarmes se déclenchent lorsque les niveaux de glucose deviennent trop élevés ou trop bas, envoyant des informations à l’individu ou aux parents. , partenaires ou soignants.
Les CGM fonctionnent généralement grâce à un petit biocapteur intégré sous la peau qui mesure les niveaux de glucose dans le liquide entre les cellules. Ce capteur vérifie ces niveaux toutes les quelques minutes et envoie ces informations à un moniteur. Le moniteur peut également être connecté à une pompe à insuline.
Plusieurs techniques ont été développées pour la détection du glucose, notamment la colorimétrie, la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie de fluorescence et la spectrométrie de masse. Mais pour un fonctionnement à domicile plutôt que dans une clinique ou un hôpital, la détection électrochimique du glucose est la technique la plus acceptée en raison de sa réponse rapide, de sa facilité d’utilisation, de son faible coût et de sa portabilité.
Il a également une sensibilité décente, mais pas une grande sensibilité. Il ne se compare pas aux autres techniques utilisées dans un établissement de soins de santé. Nous voulions donc voir si nous pouvions augmenter un peu cette sensibilité et donc améliorer sa précision. »
Huan Liu, spécialiste de la microélectronique, École d’information optique et électronique, Université des sciences et technologies de Huazhong
Les capteurs de glucose électrochimiques peuvent être classés en capteurs enzymatiques et en capteurs non enzymatiques. Pour les capteurs de glucose électrochimiques à base d’enzymes, la glucose oxydase (GOx), une enzyme qui accélère (catalyse) les réactions chimiques d’oxydoréduction, est largement utilisée pour oxyder le glucose sur la surface de l’électrode du capteur CGM. L’électrode attire les électrons du glucose (les oxydant) et génère ainsi un courant électrique qui varie avec les niveaux de glucose. GOx est largement utilisé à cette fin en raison de sa sélectivité élevée en glucose (capacité à sélectionner le glucose et non d’autres substances), sa stabilité élevée et sa forte activité sur une large gamme de niveaux de pH.
Cependant, lorsque la GOx est directement combinée à la surface nue de l’électrode, non seulement la GOx elle-même est facilement exfoliée (dépouillée de certaines de ses couches), mais son activité biologique et sa stabilité peuvent également être affectées. De plus, l’efficacité du transfert d’électrons entre le GOx et la surface de l’électrode est un facteur clé qui détermine la sensibilité du capteur.
Jusqu’à présent, de nombreuses tentatives ont été faites pour faire adhérer l’enzyme GOx plus fermement à l’électrode, améliorant ainsi le transfert direct d’électrons entre les centres électroactifs (sites d’activité électronique) et la surface de l’électrode. Une tentative notable implique l’utilisation d’électrodes conçues à l’échelle nanométrique pour avoir des structures sur l’électrode qui fournissent des surfaces plus grandes et une activité électrocatalytique élevée. Malheureusement, ces nanostructures ajoutent à la complexité de fabrication de tels biocapteurs électrochimiques. Sa construction repose également sur le polymère synthétique Nafion comme échafaudage, qui crée une barrière au transfert de charge à travers l’interface entre le capteur et le fluide testé.
Par conséquent, les chercheurs se sont lancés dans une totalement adresse différente. L’équipe visait à améliorer les performances de détection du glucose en utilisant des points quantiques colloïdaux (CQD) comme matériau pour modifier l’électrode. Les CQD sont des nanoparticules semi-conductrices de dimension « zéro ». (En fait, ce ne sont pas des dimensions nulles, mais des diamètres extrêmement petits qui vont généralement de 2 à 20 nm.) Ils possèdent un grand nombre de sites actifs, lieux où peuvent se produire des réactions chimiques, et se lient de manière très stable aux molécules de protéines biologiques.
Mieux encore, en raison de leur très petite taille, les CQD subissent des effets quantiques tels que l’effet tunnel quantique, et le transfert de charge à l’interface CQD-protéine peut être régulé en appliquant un champ électrique externe. Les CQD sont également compatibles avec une gamme de différents matériaux de substrat rigides et flexibles, ce qui les rend plus faciles à fabriquer.
Pour renforcer cet effet, les chercheurs ont intégré des « nanosphères » d’or (AuNS) dans la structure d’électrode du capteur. Ce sont des nanoparticules sphériques ultra-minuscules avec des diamètres allant de 10 à 200 nm. Ils sont de plus en plus utilisés dans les applications de biodétection en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. En particulier, lorsqu’ils sont utilisés comme composant dans des biocapteurs électrochimiques enzymatiques, les AuNS permettent aux enzymes protéiques de conserver leur activité biologique en adhérant aux surfaces et de réduire l’effet isolant de l’enveloppe protéique pour le transfert direct d’électrons. Dans un CGM, cela améliore considérablement l’amplitude du signal des biocapteurs électrochimiques.
Les chercheurs ont construit un CGM de preuve de concept utilisant CQD, dans ce cas en sulfure de plomb, et l’électrode AuNSs modifiée. Ils ont constaté que l’ajout d’AuNS en particulier améliorait considérablement le signal de courant détecté par le capteur électrochimique, comme prévu.
Combinées, ces altérations ont montré un grand potentiel dans la détection du glucose dans différents échantillons, tels que le sang, la sueur et d’autres fluides corporels, et fournissent un biocapteur électrochimique rapide (en moins de 30 secondes), avec une large plage de détection et un type de détection. ultra-haute sensibilité que l’équipe recherchait.
Les chercheurs visent maintenant à prendre leur CGM de preuve de concept et à le rendre manufacturable à l’échelle commerciale.
Presse universitaire de Tsinghua
Zhao, Y. et coll. (2022) Biocapteur électrochimique utilisant des points quantiques colloïdaux PbS/électrode modifiée par nanosphère Au pour la détection ultrasensible du glucose. Nanorecherche. doi.org/10.1007/s12274-022-5138-0.