ریزتراشه‌ها برای تشخیص بیماری‌ها به کمک ما می‌آیند

در جهانی که افراد با میزان بسیار زیادی از تهدیدات بهداشتی دست و پنجه نرم می‌کنند، از ویروس‌های شدیدا مسری گرفته تا بیماری‌های مزمن و باکتری‌های مقاوم به دارو، نیاز به آزمایش‌های تشخیصی خانگی سریع، قابل اعتماد و با استفاده آسان به شدت وجود دارد.

آینده‌ای را تصور کنید که در آن این آزمایش‌ها را می‌توان در هر مکانی، توسط هر کسی، با استفاده از دستگاهی به کوچکی و قابل حملی ساعت هوشمند انجام داد. برای انجام این کار، به ریزتراشه‌هایی نیاز است که قادر به تشخیص غلظت‌های کوچک ویروس‌ها یا باکتری‌ها در هوا باشند.

به نقل از ساینس‌دیلی، اکنون، تحقیقات جدید از دانشکده NYU Tandon که توسط استاد داوود شهرجردی، مهندس برق و رایانه و همکارانش انجام شده است، نشان می‌دهد که امکان توسعه و ساخت ریزتراشه‌هایی وجود دارد که نه تنها می‌توانند چندین بیماری را از یک نمونه سرفه یا هوا شناسایی کنند، بلکه می‌توانند در مقیاس انبوه تولید شوند.

فناوری نوآورانه‌ای که در این مقاله نشان داده شده است، از ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) استفاده می‌کند که حسگرهای الکترونیکی مینیاتوری هستند که مستقیما نشانگرهای زیستی را شناسایی کرده و آنها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند و جایگزینی برای تست‌های تشخیصی شیمیایی مبتنی بر رنگ سنتی مانند تست‌های بارداری خانگی ارائه می‌دهند. مهندس شهرجردی می‌گوید: این رویکرد پیشرفته، نتایج سریع‌تر، آزمایش چند بیماری به‌طور همزمان و انتقال فوری داده‌ها به ارائه‌دهندگان مراقبت‌های بهداشتی را امکان‌پذیر می‌کند.

ترانزیستورهای اثر میدانی، جزء اصلی الکترونیک مدرن، به عنوان ابزار قدرتمندی در این جست و جو برای ابزارهای تشخیصی در حال ظهور هستند.

این دستگاه‌های کوچک را می‌توان برای عملکرد به عنوان حسگرهای زیستی، شناسایی عوامل بیماری‌زا یا نشانگرهای زیستی خاص در لحظه، بدون نیاز به برچسب‌های شیمیایی یا مراحل طولانی آزمایشگاهی، سازگار کرد. با تبدیل فعل و انفعالات زیستی به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه گیری، حسگرهای زیستی مبتنی بر FET یک پلتفرم سریع و همه کاره برای تشخیص ارائه می‌دهند.

پیشرفت‌های اخیر قابلیت‌های تشخیص حسگرهای زیستی FET را با ترکیب مواد نانومقیاس مانند نانوسیم‌ها، اکسید ایندیم و گرافن به سطوح فوق‌العاده کوچک رسانده است. با این حال، با وجود پتانسیل، حسگرهای مبتنی بر FET هنوز با یک چالش مهم روبرو هستند: آنها در تلاش هستند تا چندین عوامل بیماری‌زا یا نشانگر زیستی را به طور همزمان بر روی یک تراشه شناسایی کنند.

برای رسیدگی به این موضوع، محققان در حال بررسی راه‌های جدیدی برای اصلاح سطوح FET هستند که به هر ترانزیستور روی یک تراشه اجازه می‌دهد تا برای شناسایی نشانگر زیستی متفاوتی طراحی شود. این امر تشخیص موازی چندین عامل بیماری‌زا را ممکن می‌کند.

لیتوگرافی پروب اسکن حرارتی (tSPL) در اینجا وارد عمل می‌شود. این یک فناوری پیشرفته است که ممکن است کلید غلبه بر این موانع باشد. این روش امکان الگوبرداری شیمیایی دقیق یک تراشه پوشش‌داده شده با پلیمر را فراهم می‌کند و عملکرد FET‌های فردی را با گیرنده‌های زیستی مختلف، مانند آنتی‌بادی‌ها یا آپتامرها، در وضوح‌هایی به اندازه ۲۰ نانومتر ممکن می‌سازد. این روش دری را به روی توسعه حسگرهای مبتنی بر FET باز می‌کند که می‌توانند طیف گسترده‌ای از عوامل بیماری‌زا را بر روی یک تراشه واحد با حساسیت بی‌نظیر شناسایی کنند.

در آزمایش‌ها، حسگرهای FET با استفاده از tSPL عملکرد قابل‌توجهی نشان داده‌اند و غلظت‌های کمتر از ۳ اتمی از پروتئین‌های سارس‌-کوو-۲ و کمتر از ۱۰ ذره ویروس زنده در هر میلی‌لیتر را شناسایی کردند، در حالی که به طور موثر بین انواع مختلف ویروس‌ها تمایز قائل می‌شدند.

توانایی شناسایی قابل اعتماد چنین مقادیر اندکی از عوامل بیماری‌زا، گامی حیاتی در جهت ایجاد دستگاه‌های تشخیصی قابل حمل است که می‌توانند روزی در محیط‌های مختلف، از بیمارستان‌ها تا خانه‌ها مورد استفاده قرار گیرند.