한천

Jul 25, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13517(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

생분해성 광 도파관은 생의학 및 환경 응용 분야에서 빛을 전달하고 감지하는 획기적인 기술입니다. 한천은 놀라운 광학적, 기계적 특성을 나타내는 전통적인 바이오폴리머에 대한 식용 가능하고 부드럽고 저렴하며 재생 가능한 대안으로 부상하고 있습니다. 이전 연구에서는 습도와 주변 농도에 대한 고유한 반응을 기반으로 한 화학 측정을 위해 한천으로 만든 광섬유를 소개했습니다. 따라서 우리는 처음으로 전광학 생분해성 전류 센서를 제안합니다. 흐르는 전하가 한천 매트릭스를 가열하고 굴절률을 변조함에 따라 핀 헤더를 사용하여 광학 장치를 DC 전압 소스에 연결하고 일관된 빛으로 한천 샘플을 자극하여 시공간적으로 벗어나는 반점 필드를 투영합니다. 실험은 2wt% 한천/물을 포함하는 구형 및 코어가 없는 섬유로 진행되었습니다. 증가하는 전류가 반점의 움직임을 자극하면 카메라로 그러한 이미지를 획득하고 상관 계수를 평가하여 시간 상수가 입력 전류량을 제공하는 지수 붕괴 유사 함수를 생성합니다. 또한, 빛 알갱이는 인가된 전압 강하의 분극을 따라가며 전류 방향에 대한 시각적 정보를 제공합니다. 결과는 전기 자극 \(\le \) 100 \(\upmu \)A에 대해 \(\sim \)0.4 \(\upmu \)A의 최대 분해능을 나타내며, 이는 생체 전기 신호 평가 요구 사항을 충족합니다.

분해성 재료로 제조된 광학 장치는 생체 적합성 및 친환경 기술에 대한 수요 증가를 충족할 수 있는 유망한 후보로 부상하고 있습니다. 이식형 도파관은 의료, 영상, 약물 전달 및 광유전학1,2,3,4,5에서 빛에 기반한 평가 및 작동을 가능하게 하여 사용 후 유기체에 의한 점진적인 흡수를 보장합니다. 요즘에는 실크 피브로인6과 셀룰로오스7, 알지네이트8, 구연산염9, 폴리카프로락톤10, 폴리(d,l-락트산)11과 같은 생체고분자로 만들어진 도파관을 사용하여 허용 가능한 전송 손실을 달성함으로써 일반적인 유리 및 플라스틱 광섬유를 대체할 수 있습니다. 그러나 이러한 접근법의 대부분은 상대적으로 값비싼 전구체와 정교한 제조 경로에 의존합니다.

이러한 맥락에서 홍조류에서 얻은 한천은 광학 부품 및 도파관을 구상하기 위한 식용 및 재생 가능한 대안으로 등장합니다. 한천은 그 구성에 다당류인 아가로스와 아그로펙틴을 함유하고 있으며, 전자는 겔화 능력을 확립합니다. 이 재료는 성형성, 유연성, 화학적 안정성, 저온에서의 겔화 및 열가역성과 같은 독특한 기능을 나타냅니다. 게다가, 벌크 샘플의 기계적 및 광학적 특성(강성, 굴절률, 투명도 등)은 한천 용액의 화학적 조성을 선택하여 조정할 수 있습니다. 이 젤 같은 물질의 상징적인 응용 분야에는 인공 조직, 바이오 플라스틱 및 미생물 성장 배지가 포함됩니다13,14.

식품 산업 및 생화학 분석에서의 전통적인 사용에도 불구하고 한천으로 만든 광학 장치를 다루는 문헌은 거의 없습니다. 예를 들어, Oku et al. 식품의 가상 현실 설정을 만들기 위해 식용 렌즈와 역반사경을 개발했습니다15,16. Manocchiet al. 한천과 젤라틴 층으로 구성된 평면 도파관을 만들어 이식 가능한 생화학 모니터로 추가 사용을 기대했습니다. Jainet al. 는 세포 고정 및 이미징 목적을 위해 미세유체 시스템에 통합된 직사각형 도파관을 도입하여 \(\le 13\) dB/cm18의 광학 손실을 달성했습니다. 마지막으로 우리 그룹은 공기 구멍으로 둘러싸인 고체 코어로 구성된 한천으로 구성된 구조화된 광섬유를 시연했습니다. 실험에서는 광학 손실(3.3dB/cm2)을 평가하고 화학 감지에 가능한 응용 분야를 조사했습니다.

Agar는 주변 배지의 농도, 온도, 습도 및 pH에 본질적으로 반응하므로 다양한 물리적 및 생화학적 매개변수를 감지할 수 있습니다. 하이드로겔 필름 코팅된 유리 광섬유를 포함하는 일반적인 설정 외에도 한천 도파관은 각각 팽창 및 이수 메커니즘으로 인해 물방울을 흡수하거나 배출하여 투과된 빛을 방해하는 기하학적 변화를 생성할 수 있습니다. 또한 한천 용액에 설탕이나 글리세롤을 첨가하여 벌크 샘플의 굴절률을 조정하여 섬유 외부 또는 구멍 구조를 통해 내부로 흐르는 액체에 대한 감도를 향상시킬 수 있습니다.