روش سنجش جدید، تشخیص ذرات بدون برچسب را فراتر از سطوح حسگر گسترش می‌دهد

توسط مینروا پاپو، دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

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

یافتن یک سلول سرطانی در یک لوله خون کمی شبیه یافتن یک سوزن در انبار کاه است. همانطور که محققان به دنبال شناسایی اهداف کوچکتر و نادرتر، از ویروس ها گرفته تا سلول های تومور در گردش خون هستند، تقاضا برای حسگرهای فوق حساس و قوی که برای نمونه های دنیای واقعی کاربردی هستند، همچنان رو به افزایش است.

یک چالش بزرگ انجام این کار بدون افزودن برچسب های فلورسنت یا برچسب های دیگر است. بیشتر حسگرهای نوری بدون برچسب تنها زمانی کار می کنند که اهداف بسیار نزدیک به یک ناحیه حساس کوچک روی دستگاه قرار گیرند یا به آن متصل شوند. در غلظت‌های پایین، بسیاری از ذرات هرگز به آن نقطه برخورد نمی‌کنند، و حتی زمانی که به آن نقطه برخورد می‌کنند، سیگنال‌های آنها می‌تواند توسط نویز پس‌زمینه غرق شود، کارایی تشخیص را محدود کرده و یافتن اهداف نادر را به‌ویژه دشوار می‌کند.

این محدودیت توسط بسیاری از ریزحسگرهای نوری، از جمله تشدید کننده‌های حالت گالری زمزمه (WGM) که در میان حساس‌ترین حسگرهای نوری توسعه‌یافته است، مشترک است. این دستگاه‌ها می‌توانند نانوذرات و مولکول‌ها را با دقت استثنایی شناسایی کنند، اما منطقه حسگر آن‌ها معمولا به یک منطقه بسیار کوچک نزدیک به سطح حسگر محدود می‌شود.

لان یانگ، استاد ادوین اچ و فلورانس جی. اسکینر در بخش مهندسی برق و سیستم های پرستون گرین در دانشکده مهندسی مک کلو واشینگتن، گفت: «در طول دو دهه گذشته، حسگرهای مبتنی بر حالت گالری پچ پچ توانایی استثنایی برای تشخیص سیگنال های بسیار ضعیف در طیف گسترده ای از کاربردهای حسگر را نشان داده اند.

"رویکردهای مرسوم تا حد زیادی متکی به فعل و انفعالاتی هستند که بسیار نزدیک به سطح حسگر اتفاق می‌افتند. ما می‌خواستیم قابلیت‌های جدیدی را برای این پلت‌فرم حسگر با گسترش دامنه حسی آن فراتر از سطح نزدیک باز کنیم، در حالی که حساسیت فوق‌العاده‌ای را که این حسگرها را بسیار قدرتمند کرده است، حفظ کنیم. این به طور بالقوه می‌تواند روش‌ها و کاربردهای حسی کاملا جدیدی را باز کند."

بسیاری از کاربردها به حسگرهایی نیاز دارند که هم بسیار حساس بوده و هم قادر به نظارت بر حجم نمونه بزرگتر، بدون همترازی ظریف یا آماده سازی پیچیده باشند.

در مطالعه‌ای که در Light: Science & Applications منتشر شده است، تیمی به رهبری یانگ استراتژی جدیدی را گزارش می‌کنند که این شکاف را با امکان تشخیص ذرات فراتر از سطح مستقیم حسگرها می‌بندد.

این تیم به جای اینکه منتظر بمانند تا ذرات از نزدیک به حسگر عبور کنند یا به آن متصل شوند، به تشدیدگرهای WGM یاد دادند که در حین عبور ذرات به آنها گوش دهند.

این پروژه تخصص در سنجش نوری و هوش مصنوعی را با همکارانی از آزمایشگاه Chenyang Lu، پروفسور Fullgraf و مدیر AI for Health Institute در WashU ترکیب کرد و به توسعه رویکردهای یادگیری ماشینی برای طبقه‌بندی سیگنال کمک کرد.

محققان به جای تکیه بر ذرات برای اتصال به سطح حسگر، نور و صدا را از طریق فرآیندی به نام فوتوآکوستیک ترکیب می کنند. هنگامی که یک ذره آزادانه با یک پالس لیزر کوتاه برخورد می کند، نور را جذب می کند، گرم می شود و به سرعت منبسط می شود. این گسترش یک موج صوتی ایجاد می کند، یک "نجوا" کوچک که حاوی اطلاعاتی در مورد ویژگی های آن مانند اندازه، شکل و ترکیب است.

این امواج صوتی از طریق نمونه عبور می کنند و سپس توسط حسگر تشدید کننده نوری WGM شناسایی می شوند که این ارتعاشات صوتی کوچک را به سیگنال های نوری قابل اندازه گیری تبدیل می کند. به این ترتیب، سیستم می‌تواند بدون نیاز به برچسب، ذرات را در سراسر ناحیه حسگر بسیار بزرگ‌تر، نه فقط در نزدیکی سطح حسگر، شناسایی و مشخص کند.

Jie Liao، یکی از همکاران پژوهشی فوق دکترا و نویسنده اول این مطالعه، گفت: «چیزی که من را بیشتر در مورد این پلتفرم هیجان زده می‌کند، ترکیبی از سادگی و استحکام آن است. ما به اندازه گیری های مرجع پیوسته یا تفریق پیچیده پس زمینه برای پایدار نگه داشتن آن نیازی نداریم.»

این استحکام از طراحی حسگر ناشی می شود. محققان این دستگاه را در داخل یک مویرگ شیشه ای ساختند که نمونه های مایع می توانند از آن عبور کنند. بخشی از مویرگ به یک حباب کوچک منبسط می شود که از حالت های نوری گالری پچ پچ پشتیبانی می کند.

دیوار حباب به طور عمدی کنترل شد تا اطمینان حاصل شود که نور به جای همپوشانی با نمونه در حال جریان، در داخل شیشه محصور می ماند. این به سنسور اجازه می دهد تا سیگنال های فوتوآکوستیک تولید شده توسط ذرات موجود در مایع را شناسایی کند و در عین حال حساسیت نوری بالایی را حفظ کند.

یانگ گفت: «بسیاری از حسگرهای نوری در نمونه‌های آزمایشگاهی خالص‌شده عملکرد خوبی دارند، اما هنگام کار در مایعات بیولوژیکی پیچیده با چالش‌هایی مواجه می‌شوند. با محافظت از میدان نوری در حباب میکرو و در عین حال اجازه دادن به سیگنال های صوتی از طریق نمونه مایع برای رسیدن به حسگر تشدید کننده، ما قادر به حفظ حساسیت حتی در محیط های بسیار پیچیده مانند خون کامل بودیم.

این طراحی امکان سنجش مستقیم در مایعات پیچیده مانند خون کامل را فراهم می کند، جایی که پراکندگی و جذب نوری قوی اغلب رویکردهای حسگر نوری مرسوم را به چالش می کشد. توانایی کار در این محیط ها فرصت های جدیدی را برای نظارت در زمان واقعی در کاربردهای زیست پزشکی، زیست محیطی و شیمیایی باز می کند.

دیپایون کومار سیکدر، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه یانگ و نویسنده مشارکت کننده در این مطالعه، گفت: «بسیاری از روش‌های سنجش نیاز به برچسب‌گذاری، گرفتن یا اصلاح نمونه‌ها قبل از تجزیه و تحلیل دارند. "رویکرد ما اجازه می دهد تا ذرات به طور مستقیم در محیط اصلی خود در حالی که در سیستم جریان می یابند، تجزیه و تحلیل شوند."

یانگ گفت که پیامدها به ویژه برای تشخیص پزشکی قابل توجه است. شناسایی اهداف نادر مانند سلول‌های تومور در گردش، به‌ویژه در مایعات بیولوژیکی پیچیده همچنان یک چالش بزرگ است. هنگامی که ممکن است تنها تعداد انگشت شماری از سلول های هدف در یک نمونه وجود داشته باشد، رویکردهایی که متکی بر اتصال آن سلول ها به یک منطقه حساس کوچک برای شناسایی هستند، می توانند با محدودیت های عملی قابل توجهی روبرو شوند.

در نمونه خون، چگونه تضمین می‌کنید که سلول‌های تومور زمانی که غلظت آن‌ها بسیار کم است، به ویژه در مراحل اولیه بیماری، به حسگر متصل شوند؟ یانگ پرسید. این سوال ما را برانگیخت تا یک رویکرد سنجش را توسعه دهیم که نیازی به تماس مستقیم بین هدف و حسگر ندارد.

ماکسول آدولفسون، نویسنده اول، که در سال 2024 دکترای مهندسی برق را از مهندسی مک‌کلوی دریافت کرد، توضیح می‌دهد: "پلتفرم جدید از طریق یک معماری حسگر با طراحی دقیق با این چالش‌ها مقابله می‌کند. با گسترش دامنه سنجش و افزایش توان عملیاتی، سیستم می‌تواند رویدادهای نادر در سیالات پیچیده را بدون نیاز به آماده‌سازی نمونه سطح یا کارکرد سریع تشخیص دهد."

برای نشان دادن قابلیت‌های این فناوری، محققان نمونه‌های خون کامل از پنج گونه مختلف حیوانی را تجزیه و تحلیل کردند. اگرچه سلول‌های خونی را می‌توان به آسانی شناسایی کرد، تفاوت‌ها در میان گونه‌ها اغلب ظریف است و تشخیص آن از علائم طیفی پیچیده تولید شده توسط حسگر دشوار است.

برای کشف این الگوهای پنهان، گروه یانگ با هانگیو لی، دانشجوی دکترای علوم کامپیوتر و مهندسی در آزمایشگاه لو، همکاری کردند.

لو گفت: «بسیاری از سیگنال‌های مهم بیولوژیکی در داده‌های طیفی پیچیده و پر سر و صدا مدفون شده‌اند و تشخیص آنها با استفاده از روش‌های تحلیل مرسوم دشوار است.

با ترکیب این فناوری حسگر جدید با یادگیری ماشینی پیشرفته، می‌توانیم الگوهای ظریفی را کشف کنیم که در غیر این صورت پنهان می‌مانند و شناسایی و طبقه‌بندی دقیق‌تر سلول‌ها را ممکن می‌سازند. این کار هم افزایی قدرتمند بین هوش مصنوعی و فناوری‌های حسگر نوری نسل بعدی را برای پیشبرد اکتشافات زیست‌پزشکی نشان می‌دهد.

یانگ گفت: این کار رویکرد جدیدی را برای سنجش نوری نشان می‌دهد که سریع، قوی و قادر به تجزیه و تحلیل با توان بالا و بدون برچسب در نمونه‌های پیچیده و دنیای واقعی است. با ترکیب فوتوآکوستیک، اپتوفلویدیک و هوش مصنوعی، این پلت فرم حس نوری فوق حساس را فراتر از سطح مستقیم سنسور و به حجم نمونه بسیار بزرگتری گسترش می دهد.

توانایی تجزیه و تحلیل مستقیم ذرات و سلول‌های آزادانه در محیط بومی آنها فرصت‌های جدیدی را برای کاربردهای مختلف از تشخیص زودهنگام بیماری و آزمایش در نقطه مراقبت تا پایش محیطی و تجزیه و تحلیل زیستی باز می‌کند.

Jie Liao و همکاران، تشدید کننده‌های حالت گالری Whispering برای تشخیص و طبقه‌بندی نانوذرات و سلول‌های جریان آزاد از طریق امضاهای فوتوآکوستیک، Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01978-9

اطلاعات مجله: Light: Science & Applications

ارائه شده توسط دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →