حسگر زیستی متاسطحی قابل حمل سیگنال های مولکولی را با دور زدن طیف سنج ها به تصویر تبدیل می کند.

توسط دانشگاه علم و صنعت پوهانگ

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اگر نشانه‌های بیماری را بتوان با استفاده از یک تراشه کوچک که در کف دست شما قرار می‌گیرد و یک دوربین بدون مراجعه به بیمارستان تشخیص داد، چه؟ صحنه ای که زمانی فقط در داستان های علمی تخیلی ممکن به نظر می رسید، اکنون یک قدم به واقعیت نزدیک شده است.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور Junsuk Rho از دپارتمان‌های مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی برق و دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم و فناوری همگرایی در POSTECH، به همراه دکتر Hongyoon Kim از گروه مهندسی مکانیک و Heechang Yun و Sebin Jeongical Meengesur از گروه مهندسی مهندسی مکانیک. قادر به تشخیص دقیق مولکول های زیستی از طریق تصویربرداری بدون نیاز به طیف سنج گران قیمت است.

این تحقیق با همکاری گروه پروفسور هیومین لی در دپارتمان مهندسی شیمی در POSTECH و گروه پروفسور یونگ سانگ ریو در گروه مهندسی زیست پزشکی دانشگاه کره انجام شد. این مطالعه در Nature Communications منتشر شد.

حسگرهای زیستی ابزارهای ضروری در مراقبت های بهداشتی هستند، با کاربردهای مختلف از تشخیص بیماری و آزمایش بیماری های عفونی گرفته تا شناسایی نشانگرهای زیستی سرطان و تجزیه و تحلیل ژنتیکی. در میان آنها، بیوسنسورهای نوری مزیت مهمی را ارائه می دهند. آن‌ها می‌توانند مستقیما مولکول‌های زیستی را بدون برچسب‌های فلورسنت با اندازه‌گیری تغییرات نوری ظریفی که هنگام اتصال مولکول‌های هدف به سطح حسگر رخ می‌دهند، شناسایی کنند.

چالش، با این حال، اندازه و پیچیدگی سیستم های معمولی بوده است. تشخیص چنین تغییرات نوری کوچکی معمولا به یک طیف سنج با وضوح بالا همراه با یک منبع نور باند پهن نیاز دارد. از آنجایی که این ابزارها حجیم و گران هستند، ارائه حسگر زیستی نوری با کارایی بالا فراتر از آزمایشگاه ها و بیمارستان ها دشوار بوده است.

تیم تحت رهبری POSTECH از دیدگاهی متفاوت به این مشکل برخورد کرد. آنها به جای اندازه گیری طیف با یک طیف سنج، حسگر را برای تبدیل اطلاعات طیفی به اطلاعات فضایی طراحی کردند که می تواند مستقیما از طریق تصویربرداری خوانده شود.

در قلب این فناوری، یک فراسطح شیب هندسی پیوسته مهندسی شده است. ساختارهای نانومقیاسی که فراسطح را تشکیل می‌دهند به تدریج در هندسه در امتداد یک جهت تراشه تغییر می‌کنند و باعث می‌شوند موقعیت‌های مختلف به طول‌موج‌های مختلف نور پاسخ دهند.

همانطور که کلیدهای یک پیانو بسته به موقعیت خود نت های متفاوتی تولید می کنند، مکان های مختلف روی فراسطح در طول موج های مختلف طنین انداز می شوند.

هنگامی که متاسطح با یک لیزر تک طول موج فشرده روشن می شود، یک خط تیره در تصویر گرفته شده در موقعیتی که رزونانس نوری محلی با طول موج لیزر مطابقت دارد ظاهر می شود. در این مکان، انتقال نور به شدت سرکوب شده است.

هنگامی که زیست مولکول ها به سطح حسگر متصل می شوند، اندکی ضریب شکست اطراف را تغییر می دهند. این امر رزونانس نوری را تغییر می دهد و باعث می شود خط تاریک حرکت کند. با ردیابی این جابجایی فضایی از طریق تصویربرداری، محققان توانستند سیگنال‌های اتصال مولکولی را به دقت اندازه‌گیری کنند.

به عبارت دیگر، این سیستم یک تغییر طیفی بسیار کوچک را به یک جابجایی فضایی تبدیل می‌کند که می‌تواند مستقیما از طریق تصویربرداری اندازه‌گیری شود و نیاز به اندازه‌گیری‌های طیفی مرسوم را از بین می‌برد.

با وجود طرح بازخوانی مبتنی بر تصویربرداری ساده، این سنسور عملکرد بالایی از خود نشان داد. این دستگاه در محدوده ای به وسعت فقط 300 میکرومتر (میکرو متر) که تقریبا با عرض چندین تار موی انسان قابل مقایسه است، به طور همزمان به محدوده حسی وسیع و وضوح بازخوانی طیفی خوب تقریبا 0.1 نانومتر (nm) دست یافت.

آزمایش‌های مربوط به پروتئین‌ها و DNA بیشتر نشان داد که این پلت فرم می‌تواند مولکول‌های زیستی را در غلظت‌هایی در صدها پیکومولار (pM) شناسایی کند. محققان همچنین نشان دادند که این حسگر می تواند به طور انتخابی توالی های DNA خاص را تشخیص دهد و پتانسیل آن را برای تشخیص مولکولی و آزمایش ژنتیکی نشان دهد.

یکی از بزرگترین مزایای این فناوری سادگی آن است. این سیستم به جای تکیه بر یک طیف سنج حجیم و پرهزینه و منبع نور باند پهن، تنها به یک لیزر تک طول موج فشرده و یک سنسور تصویربرداری نیاز دارد.

این رویکرد می‌تواند راه را برای کوچک‌سازی سیستم‌های حسگر زیستی نوری دقیق که به طور سنتی در آزمایشگاه‌ها در دستگاه‌های تشخیصی فشرده و قابل حمل محدود می‌شوند، هموار کند.

محققان انتظار دارند این پلتفرم پتانسیل گسترده‌ای برای تشخیص در نقطه مراقبت، از جمله آزمایش بیماری‌های عفونی، تشخیص بیومارکر سرطان، تجزیه و تحلیل ژنتیکی و بیوپسی مایع داشته باشد.

رو گفت: "این کار نشان می‌دهد که چگونه می‌توان حساسیت نوری بالای فراسطح‌ها را با سادگی بازخوانی مبتنی بر تصویربرداری برای غلبه بر محدودیت‌های کلیدی حسگرهای زیستی مبتنی بر طیف‌سنج معمولی ترکیب کرد. این پلت‌فرم پتانسیل قوی برای تبدیل شدن به یک فناوری حسگر زیستی فشرده و کم‌هزینه برای تشخیص نقاط مراقبت دارد."

Hongyoon Kim و همکاران، حسگر فراسطحی گرادیان مبتنی بر تصویربرداری مستقیم که تشخیص مولکول زیستی فوق حساس بدون طیف‌سنج را قادر می‌سازد، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-74749-8

ارائه شده توسط دانشگاه علم و صنعت پوهانگ

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →