رویت ستارگان در نیمروز؛ راهکارهای نانوفناوری برای کاهش نویز در سنسورهای شیمیایی

کد خبر: ۶۰۱۲۱۱

چالشی که دانشمندان در ارتباط با سنسورهای شیمیایی با آن رو‌به‌رو هستند، تلاش برای تشخیص بسیار دقیق مولکول‌های هدف در حضور سیگنال‌های مزاحم سایر مولکول‌های موجود در ماتریس نمونه است. مایکل سیلر (Michael J. Sailor) ادیتور همکار ژورنال ACS Sensors این مساله را به چالش تلسکوپ‌های تصویربرداری مادون قرمز – دور برای سنجش تغییرات بسیار ناچیز دما در کهکشان تشبیه کرده است. در ستاره‌شناسی مادون قرمز – دور ستارگان الزاما نورانی و درخشان نیستند، بلکه می‌توان با استفاده از تلسکوپ‌های مادون قرمز – دور تشعشعات مواد بسیار سرد که در طول موج‌های پایین‌تر قابل رویت نیستند را مشاهده کرد. یکی از کاربردهای این‌گونه تلسکوپ‌ها بررسی ابرهای عظیم و سرد کهکشانی و مشاهده زایش ستارگان جدید از میان آنهاست؛ البته قبل از اینکه تشعشع درخشانی داشته باشند. به زبان ساده‌تر این قابلیت را می‌توان به رویت ستارگان توسط یک تلسکوپ نوری در نیمروز تشبیه کرد. مولکول‌هایی که ما برای آشکارسازی آنها در تلاش هستیم، به مانند ستارگان و سیگنال‌های آنها مشابه سیگنال‌های محوشده ستارگان در پرتو خیره‌کننده خورشید هستند. ما نمی‌‌توانیم همانند ستاره‌شناسان منتظر غروب آفتاب و پدیدار شدن ستارگان بمانیم، چرا که سیگنال ماتریس زمینه مانند سیگنال زمینه گرمایی اطراف ستارگان با غروب خورشید ناپدید نخواهد شد. بنابراین ما باید دنبال روش‌های اندازه‌گیری کارآمدتری از روش‌های موجود باشیم. در این مسیر، نانوفناوری راهکارهای خلاقانه‌ای را فراهم آورده است. نانوذرات پلاسمونیک منجر به تقویت سیگنال به مقدار قابل توجه (در بعضی موارد تا حد تک‌مولکول) می‌شوند و نانوحفره‌ها (طبیعی یا مصنوعی) قادر به فیلتر و جداسازی یک آنالیت از یک ماتریس زمینه پیچیده با قدرت تفکیک نزدیک به تک‌مولکول هستند. اگرچه افزایش بازده روش اندازه‌گیری و فیلتر کردن نویز نیازمند استفاده از دو ابزار مجزاست (مشابه یک لنز و یک فیلتر رنگ روی یک تلسکوپ)، اما ترکیب هر دو عملکرد در یک ابزار به‌‌ویژه در نانوفناوری یک مزیت است.

با این وجود هر نانوسنسور خود دارای محدودیت‌های خاصی نیز هست که به محدودیت در بررسی آنالیت هدف منجر می‌شود. به‌عنوان مثال تکنیک جدید تشخیص تک‌مولکولی با استفاده از نانوفناوری، طیف‌سنجی رامان ارتقایافته (SERS)، با استفاده از نانوذرات نقره بازدهی طیف‌سنجی رامان را با بزرگی چندین برابر افزایش داده است. ولی تقویت پلاسمونیک به میزان بسیار زیادی به ماهیت مولکول هدف بستگی دارد و افزایش قدرت سیگنال طیف‌سنجی رامان بسته به نوع برهم‌کنش ترکیب با سطح نانوذرات از یک ترکیب به ترکیب دیگر تغییر می‌کند. در بهترین حالت این روش امکان تمییز طیفی و فضایی را فراهم آورده که به بهبود تشخیص آنالیت، افزایش سیگنال و کاهش نویز منجر می‌شود. با این حال این راهکار ممکن است کاربرد روش را محدود کند، چراکه تعداد زیادی مولکول در ماتریس نمونه وجود دارد که به ایجاد نویز منجر می‌شوند.

روش دیگری به‌منظور تحت کنترل درآوردن نانومواد به‌منظور افزایش سیگنال و کاهش نویز به‌صورت همزمان وجود دارد. از آنجا که در مقیاس نانو اندازه‌ها نزدیک ابعاد مولکولی است، نانومواد به ایجاد برهم‌کنش با مولکول‌ها حتی در سطوح اختصاصی تمایل دارند. در این میان نانوحفره‌ها به‌ویژه به‌دلیل نزدیکی ابعاد آنها به مولکول‌های هدف، گزینش‌پذیری بسیار بالایی برای انتقال و جداسازی مولکولی دارند. این برهم‌کنش‌ها به ما اجازه می‌دهند که کلیه مراحل پیش‌آماده‌سازی نمونه (مانند جداسازی گزینشی بر اساس اندازه، شکل و بار) را مستقیما با المنت‌های یک سنسور یکپارچه‌سازی کنیم. یکپارچه‌سازی چندین عملکرد در یک ساختار واحد در ابعاد مولکولی یکی از بزرگ‌ترین قدرت‌های نانوفناوری است و بسیاری از محققان در زمینه سنسور در حال بهره‌برداری از این مزیت هستند.

توسعه ابزاری برای جداسازی گزینشی و تغلیظ یک آنالیت، حذف همه یا اکثریت عوامل مزاحم در حالی که برهم‌کنش‌های آنها به‌صورت همزمان در یک پردازشگر نوری، الکتریکی، مکانیکی یا مغناطیسی ثبت شود، مساله‌ای بسیار مهم است. به‌عنوان یک نمونه عملی می‌توان به مانیتورینگ مستقیم پراکندگی نور از یک نانوحفره سیلیکون نیترید در حالی که در معرض یک آنالیت قرار دارد، اشاره کرد. بررسی تداخل نوری ترکیبی آرایه‌ای از نانوحفره‌های سیلیکون نیترید که به‌صورت شیمیایی با یک گیرنده اختصاصی عامل‌دار شده است، نمونه‌ای دیگر است. در هر دو نمونه، مراحل جداسازی و آشکارسازی آنالیت، در فضای فیزیکی یکسانی انجام می‌شود.

اوج کمال ابزارهای تجزیه‌ای توانایی تشخیص تک‌مولکول‌هاست. در حالی که تکنیک SERS و تعداد انگشت‌شماری از سایر روش‌ها از نظر حساسیت تشخیص به شرایط مطلوبی رسیده‌اند، در آینده‌ای نزدیک چالش اصلی برای سنسورها در دنیای واقعی تشخیص مولکول هدف نخواهد بود، بلکه موضوع اصلی کنار گذاشتن نویز سایر مولکول‌های موجود در ماتریس نمونه است. نانوفناوری تعداد روزافزونی از ابزارهایی که این امکان را برای ما ایجاد می‌کنند فراهم آورده است. همان‌طور که مایکل سیلر اشاره می‌کند: «لامپ را خاموش کنید تا بتوانید ببینید».

 

منبع:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssensors.7b00079

More from احمدرضا افراز

تبدیل سلول‌های پوست به سلول‌های سازنده عروق توسط یک سوئیچ مولکولی

کد خبر:۶۰۱۲۱۳ تبدیل سلول‌های پوست به سلول‌های سازنده عروق توسط یک سوئیچ...
مشاهده مطلب

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *