نانوحسگرهای قابل تنظیم، فشار آب را به سیگنال‌های فلورسنت تبدیل می‌کنند، با حساسیت شکل دادن به سفتی

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

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:

یک پلت فرم جدید مبتنی بر نانوسیکل که در موسسه علوم توکیو توسعه یافته است، می تواند فشار هیدرواستاتیک را با تبدیل تغییرات مولکولی ناشی از فشار به سیگنال های فلورسانس اندازه گیری کند.

محققان وزیکول های پیچیده پلی یونی اصلاح شده با پیرن را توسعه دادند و نشان دادند که تغییرات در سفتی غشای وزیکول ها حساسیت فشار آنها را تنظیم می کند. وزیکول‌های نرم‌تر حساسیت قوی‌تری در محدوده 0.1-50 MPa نشان دادند، در حالی که وزیکول‌های سفت‌تر تغییرات وابسته به فشار را در طول عمر فلورسانس نشان دادند.

این یافته‌ها بررسی پدیده‌های وابسته به فشار هیدرواستاتیک در محیط‌های غیرقابل دسترس متنوع را امکان‌پذیر می‌سازد.

این مطالعه در ACS Applied Nano Materials منتشر شده است.

فشار هیدرواستاتیک فشار فشاری است که از تمام جهات توسط سیال اطراف در حالت سکون بر جسم وارد می شود. این می تواند بر بسیاری از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تأثیر بگذارد و اندازه گیری آن را در محیط های مختلف، از اعماق اقیانوس گرفته تا بافت های زنده، مهم می کند.

با وجود اهمیت آن، اندازه گیری این پارامتر در مقیاس میکروسکوپی همچنان چالش برانگیز است، به ویژه در محیط های آبی و بیولوژیکی. حسگرهای مولکولی موجود با محدودیت هایی مانند حلالیت ضعیف در آب، حساسیت ناکافی در محدوده مگاپاسکال یا مشکلات عملیاتی در تنظیمات بیولوژیکی مواجه هستند.

در مقابل این پس‌زمینه، یک تیم تحقیقاتی به رهبری استادیار Hayato L. Mizuno و دانشیار Yasutaka Anraku از مؤسسه علوم توکیو، ژاپن، همراه با پروفسور Gaku Fukuhara از دانشگاه کیوشو، ژاپن، یک پلت فرم نانوسیکل برای سنجش فشار هیدرواستاتیک ایجاد کردند. مطالعه آنها وزیکول های کمپلکس پلی یونی اصلاح شده با پیرن یا Pyr-PICsomes را معرفی می کند که سفتی غشا آنها مستقیما پاسخ فلورسانس آنها به فشار را تنظیم می کند.

میزونو می‌گوید: «یک جنبه مهم پلتفرم ما این است که بر یک مکانیسم حسگر تکی ندارد. با تغییر سختی غشاء، می‌توانیم به بازخوانی‌های مختلف فلورسانس دسترسی داشته باشیم که انعطاف‌پذیری در نحوه اندازه‌گیری فشار فراهم می‌کند.

PICsomes وزیکول های مبتنی بر پلیمر هستند که در آب از پلیمرهایی با بار مخالف خود جمع می شوند. محققان غشاهای PICsome را با استفاده از 1-اتیل-3-(3-دی متیل آمین پروپیل) کربودی ایمید (EDC) به صورت شیمیایی به هم متصل کردند. غلظت EDC برای تنظیم سفتی غشاء و در عین حال حفظ اندازه وزیکول در حدود 100 نانومتر در قطر استفاده شد. سپس مولکول‌های پیرن را که به عنوان پروب‌های فلورسنت حساس به فشار عمل می‌کنند، در غشا ادغام کردند.

هنگامی که مولکول های پیرن از هم جدا می شوند، عمدتا به صورت مونومرهای منفرد در حدود 380 نانومتر فلورسانس می شوند. تحت فشار هیدرواستاتیک، مولکول‌های پیرن همسایه به هم نزدیک‌تر می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهد جفت‌های موقتی به نام اگزایمر تشکیل دهند که سیگنال‌های فلورسنت را در حدود ۵۰۰ نانومتر منتشر می‌کنند. بنابراین، تغییر در نسبت فلورسانس اگزایمر به مونومر، اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیک را فراهم می‌کند.

علاوه بر این، محققان دریافتند که سفتی غشای Pyr-PICsome به شدت بر نحوه واکنش وزیکول ها به فشار تأثیر می گذارد. نرم ترین وزیکول ها، با سفتی 7.3 pN/nm، بیشترین تغییر را در نسبت فلورسانس بین اگزایمرها و مونومرها در محدوده 0.1-50 MPa نشان دادند. حساسیت آنها 0.28 MPa-1 بود، در مقایسه با 0.02 MPa-1 برای سفت ترین وزیکول ها، که دارای سفتی 39 pN/nm بودند.

مقدار پیرن نیز بر پاسخ تأثیر گذاشت، با مولکول‌های پیرن بیشتر که منجر به تشکیل excimer بیشتر و حساسیت تشخیص فشار بالاتر می‌شود.

در حین بررسی تأثیر پیرن بر پویایی حالت برانگیخته Pyr-PICsomes، محققان روش دیگری را برای تشخیص فشار با اندازه‌گیری طول عمر فلورسانس یا مدت زمانی که یک مولکول فلورسنت در حالت برانگیخته باقی می‌ماند، شناسایی کردند.

در این مورد، وزیکول‌های سفت‌تر با افزایش فشار، تغییرات طول عمر فلورسانس قوی‌تری را نشان دادند. سفت‌ترین وزیکول‌ها حساسیت مادام‌العمر -0.09 ns/MPa بین 0.1 و 50 مگاپاسکال را نشان دادند. این ویژگی ها آنها را کاندیدای خوبی برای پروب های میکروسکوپ تصویربرداری طول عمر فلورسانس (FLIM) می کند.

این یافته ها نشان می دهد که سفتی غشاء باید بسته به اینکه آیا فشار هیدرواستاتیک از طریق شدت فلورسانس یا FLIM اندازه گیری می شود، تنظیم شود.

میزونو می‌گوید: «این قابلیت تنظیم به حالت حسگر اجازه می‌دهد تا برای محیط‌ها و روش‌های اندازه‌گیری مختلف تنظیم شود و فرصت‌هایی را برای مطالعه فشار در سیستم‌های آبی پیچیده باز کند».

علاوه بر این، محققان مناسب بودن پلت فرم را برای محیط های پیچیده آزمایش کردند. اتصال عرضی کووالانسی به وزیکول ها کمک می کند تا ساختار خود را در شرایط شور حفظ کنند، در حالی که لایه بیرونی آبدوست آنها به محافظت از محیط غشاء در مایعات بیولوژیکی کمک می کند.

بر این اساس، نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که Pyr-PICsomes در نهایت می‌تواند برای بررسی فشار موضعی در بافت‌ها، کشت‌های سلولی، نمونه‌های خارج از بدن و موجودات اعماق دریا استفاده شود.

این مطالعه یک استراتژی طراحی مواد را ایجاد می کند که در آن می توان از مکانیک غشاء برای برنامه ریزی رفتار پاسخ نوری استفاده کرد. محققان یک پلت فرم همه کاره، محلول در آب، زیست سازگار، قوی و قابل تنظیم ایجاد کردند که قادر به تشخیص فشار هیدرواستاتیک در محیط های پیچیده غیرقابل دسترس است. این استراتژی پایه ای برای مواد هوشمند با کاربردهای متنوع در رشته های مختلف می گذارد.

Hayato L. Mizuno و همکاران، پلتفرم نانوسیکل قابل برنامه ریزی برای سنجش فشار مگا پاسکال، مواد نانو کاربردی ACS (2026). DOI: 10.1021/acsanm.6c02728

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 →

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