Plasmonic sensing of stress biomarkers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-03-11
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
54
Series
Abstract
In stressful situations, concentrations of various molecules in the human body shift in response to the stressor. These molecules are measurable indicators of stress and are therefore called stress biomarkers. In many stress conditions, such as in overtraining syndrome or burnout, early detection of these biomarkers is highly important as the conditions are often not fully reversible and can cause long recovery periods. Early detection of the stress symptoms could be achieved with wearable sensors that would continuously monitor health status based on different body fluids, such as sweat, urine, saliva, tears and blood. Compared to more conventional electrochemical or optical methods, plasmonic sensing could offer higher sensitivity, better stability and faster data collection, while also enabling implementation in the form of compact devices. In this work, a grating-based surface plasmon resonance sensor is proposed for stress biomarker detection. The method is based on detecting a resonance wavelength shift due to a refractive index change caused by molecules of analytes in the vicinity of the plasmonic grating. The sensor chip represents a polymeric nanograting on a silicon substrate, covered with a gold coating. The performance of the chip was tested with four different stress-related biomarkers: glucose, creatinine, lactate and cortisol. With the tested range of 0 to 1.1 M, in the current version of the setup without a receptor layer, detection limits of 5.9, 10.7, 36.9 and 7.09 mM were achieved for glucose, creatinine, lactate and cortisol, respectively. The corresponding sensitivities for these detection limits were 0.08, 0.03, 0.01 and 0.11 nm/mM. When integrated into a wearable device, this approach has potential in future healthcare applications, such as in body fluid-based continuous stress monitoring.

Stressaavissa tilanteissa monien kehon molekyylien pitoisuudet muuttuvat vasteena stressitekijälle. Nämä molekyylit ovat mitattavissa olevia stressin indikaattoreita, joita kutsutaan stressin biomerkkiaineiksi. Monissa stressitiloissa, kuten ylikunnossa tai henkisessä uupumuksessa, biomerkkiaineiden havaitseminen ajoissa on ehdottoman tärkeää, sillä täydellinen palautuminen stressitiloista on usein vaikeaa, ja toipumisjaksot voivat olla pitkiä. Stressioireiden nopea havaitseminen voitaisiin saavuttaa puettavilla sensoreilla, jotka jatkuvasti mittaisivat terveydentilaa kehon eri nesteistä, kuten hiestä, virtsasta, syljestä, kyynelistä ja verestä. Tavallisempiin elektrokemiallisiin ja optisiin menetelmiin verrattuna, plasmoninen havaitseminen voisi tarjota korkeampaa herkkyyttä, parempaa kestävyyttä ja nopeampaa datan keräämistä, mahdollistaen myös sensorirakenteen integroinnin pienikokoiseen laitteeseen. Tässä työssä esitellään hilarakenteella viritettävä pintaplasmoniresonanssiin perustuva sensori stressin biomerkkiaineiden havaitsemiseen. Menetelmä perustuu resonanssiaallonpituuden muutoksen havaitsemiseen, mikä johtuu hilarakenteen läheisyydessä olevien analyyttien molekyylien aiheuttamasta taitekertoimen muutoksesta. Esitetty sensorisiru koostuu silikonisubstraatista, polymeerisestä hilarakenteesta sekä kultapäällysteestä. Sensorisirun toimintaa tutkittiin neljällä eri stressin biomerkkiaineella: glukoosilla, kreatiniinilla, laktaatilla ja kortisolilla. Mitatuilla konsentraatioilla 0-1,1 M sekä nykyisellä mittausjärjestelmällä, ilman reseptorikerrosta, saavutetut analyyttien detektointirajat olivat 5,9; 10,7; 36,9 ja 7,09 mM, ja niitä vastaavat herkkyydet 0,08; 0,03; 0,01 ja 0,11 nm/mM. Puettavaan laitteeseen integroituna, menetelmällä on potentiaalia tulevaisuuden terveydenhuollon sovelluksissa, kuten jatkuvassa kehon nesteisiin perustuvassa stressin seurannassa.
Description
Supervisor
Kuzyk, Anton
Thesis advisor
Popov, Alexey
Keywords
plasmonic sensing, stress biomarker, surface plasmon resonance, SPR sensor, grating-coupled, overtraining syndrome
Other note
Citation