Беспроводные носимые биосенсоры изменили правила игры в области персонализированного мониторинга здоровья и оцифровки медицинской помощи. Резонансные антенны являются весьма перспективными компонентами носимых биосенсоров, поскольку они доступны по цене и удобны в эксплуатации. Однако их практическое применение ограничено низкой чувствительностью (неспособностью обнаруживать слабые биологические сигналы), вызванной низким коэффициентом.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи во главе с профессором Такео Мияке из Университета Васэда, профессором Ин Сидзе из Пекинского технологического института и Тайки Такамацу из Японского агентства аэрокосмических исследований разработали беспроводной биорезонатор, использующий «симметрию четности во времени (PT)», который может обнаруживать мельчайшие биологические сигналы. Их работа была опубликована в журнале Advanced Materials Technologies.
В этом исследовании исследователи представили биорезонатор, состоящий из считывающего устройства с магнитной связью и датчика с высокой добротностью и, следовательно, повышенной чувствительностью к биохимическим изменениям. Считывающее устройство и датчик содержат катушку индуктивности (L) и конденсатор ©, которые параллельно подключены к резистору ®.
В датчике резистор представляет собой химический датчик, называемый «химирезистором», который преобразует биохимические сигналы в изменения сопротивления. Химирезистор содержит ферментативный электрод с иммобилизованным ферментом. Таким образом, мельчайшие биохимические изменения на ферментативном электроде (в ответ на изменения уровня биомолекул, таких как сахар в крови или лактат) преобразуются датчиком в электрические сигналы, а затем усиливаются считывающим устройством.
Объясняя техническую концепцию своего нового биосенсора, Мияке говорит: «Мы смоделировали характеристики PT-симметричной беспроводной сенсорной системы, используя решение на собственные значения и входной импеданс, и экспериментально продемонстрировали повышение чувствительности в исключительной точке / вблизи нее за счет использования параллельных резонаторов индуктивность—емкость—сопротивление (LCR)».
«Разработанный PT-симметричный биорезонатор на основе амплитудной модуляции может обнаруживать небольшие биологические сигналы, которые до сих пор было трудно измерить беспроводным способом. Кроме того, наша PT-симметричная система обеспечивает два типа режимов считывания: переключение на основе порога и улучшенное линейное обнаружение. Для различных диапазонов измерения можно использовать различные режимы считывания.»
Исследователи протестировали систему (в данном случае содержащую глюкозоспецифичный фермент) на слезной жидкости человека и обнаружили, что она может обнаруживать концентрации глюкозы в диапазоне от 0,1 до 0,6 мм. Они также протестировали его с использованием специфичного к лактату фермента и коммерчески доступной человеческой кожи и обнаружили, что он может измерять уровень лактата в диапазоне от 0,0 до 4,0 мм через ткань кожи человека без какой-либо потери чувствительности.
Этот результат дополнительно указывает на то, что биосенсор может быть использован в качестве имплантируемого устройства. По сравнению с обычной системой на основе бесщелевой резонансной антенны, PT-симметричная система достигла в 2000 раз более высокой чувствительности при линейном обнаружении и относительного изменения порогового значения на 78% соответственно.
Делясь своим видением будущего, Миякэ заключает: «Нынешняя система телеметрии надежна и поддается настройке. Это может повысить чувствительность датчиков к небольшим биологическим сигналам. Мы предполагаем, что эта технология может быть использована для разработки интеллектуальных контактных линз для определения уровня глюкозы в слезах и / или имплантируемых медицинских устройств для определения уровня лактата для эффективного мониторинга диабета и заражения крови».
