پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف با همکاری محققان دانشگاه UAB بارسلونا با استفاده از طراحی و توسعه زیست‌حسگر الکتروکروم که به گفته آنها یک ابزار قابل‌حمل، ساده، ارزان‌قیمت، حساس و سریع برای شناسایی و تشخیص چشمی باکتری‌های بیماری‌زا است توانستند به حوزه‌های مختلفی مانند بهداشت و درمان، صنایع غذایی و کنترل کیفیت محصولات و همچنین کنترل آلاینده‌های میکروبی زیست‌محیطی کمک شایانی کنند.
دانشگاه صنعتی شریف: زیست‌حسگر الکتروکرومی برای تشخیص چشمی باکتری‌های بیماری‌زا
صبا رنجبر دانش‌آموخته مقطع دکتری رشته شیمی تجزیه از دانشگاه صنعتی شریف درباره این طرح گفت: «هدف از انجام طرح حاضر دستیابی به یک ابزار قابل‌حمل، ساده، سریع و بدون نیاز به تجهیزات گران‌قیمت و پیچیده برای شناسایی چشمی باکتری‌های بیماری‌زا در نمونه‌های زیست‌محیطی است تا بتواند با دقت و درستی بالا نمونه‌های زیست‌محیطی حاوی باکتری را در گستره وسیعی از غلظت‌ها مورد سنجش قرار دهد. در این پژوهش از نمونه‌های مختلف آب جمع‌آوری‌شده، برای بررسی عملکرد زیست‌حسگر استفاده شده است. با بهره‌گیری از فناوری پیشنهاد‌شده، امکان تشخیص آب سالم از آب آلوده‌شده توسط باکتری‌ها به صورت آنلاین و در محل به وجود آمده است که می‌تواند به‌عنوان یک روش کارآمد و مؤثر در حوزه‌های مختلف زیست‌محیطی به‌کار گرفته شود. زیست‌حسگر پیشنهادی مانند یک سنجه هوشمند عمل می‌کند که نمایش هر رنگی توسط آن نشان‌دهنده غلظت مشخصی از باکتری است. به‌طور مثال، رنگ بنفش نشان‌دهنده آب فاقد باکتری است. در صورتی که، رنگ آبی غلظت کم باکتری و رنگ زرد به معنای میزان بالای باکتری در نمونه آب است. در شرایط بهینه، زیست‌حسگر موردنظر می‌تواند در گستره وسیع غلظتی CFU/mL 106-101 با حساسیت بالا باکتری هدف را مورد سنجش قرار دهد. حد تشخیص چشمی برای سنجش باکتری CFU/mL 102 ثبت شد که با استفاده از نرم افزار ImageJ این پارامتر به CFU/mL 101 کاهش یافت که نشان‌دهنده عملکرد مناسب زیست‌حسگر در زمینه تشخیص مقادیر ناچیز باکتری است. از طرفی، زیست‌حسگر موردنظر امکان تشخیص نمونه‌های آب سالم از آب آلوده به باکتری را به‌خوبی فراهم می‌سازد که می‌تواند به‌عنوان یک روش تشخیصی سریع در اختیار کاربران قرار گیرد.»
وی درباره ضرورت انجام طرح گفت: «نظر به اینکه حوزه سلامت و بهداشت از جمله حوزه‌های بسیار اساسی و چالش‌برانگیز در هر کشوری به‌شمار می‌آید، لذا لزوم تحقیقات در این زمینه در همان مراحل آغازین، یعنی شناسایی و تشخیص عوامل بیماری‌زا بسیار ضروری و حائز اهمیت است. یکی از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین عوامل بیماری‌زا باکتری‌ها هستند که دسته وسیع و متنوعی از میکروارگانیسم‌ها را شامل می‌شوند و بر بخش‌ها و جنبه‌های مختلف زندگی بشر چون بهداشت و درمان، صنایع غذایی و کنترل کیفیت محصولات، همچنین کنترل آلاینده‌های میکروبی زیست‌محیطی اثرگذارند. از این رو دستیابی به روش‌هایی که قادر باشند با دقت و درستی بالا و همچنین هزینه پایین و زمان آنالیز کوتاه به بررسی این عوامل بپردازند، حائز اهمیت است. در این راستا، طراحی و ساخت زیست‌حسگرها با امکان ایجاد پاسخ‌های گزینش‌پذیر و سریع بسیار راه‌گشا است.»
پژوهشگر دانشگاه صنعتی شریف در ادامه گفت: «در سال‌های اخیر روش‌های الکتروشیمیایی و نوری به طور گسترده‌ای در توسعه زیست‌حسگرها به منظور شناسایی و تشخیص باکتری‌های بیماری‌زا به‌کار گرفته شده‌اند که نتایج ارزشمندی توسط آنها حاصل شده است. حساسیت بالا و قابلیت مینیاتوریزه‌شدن، زیست‌حسگرهای الکتروشیمیایی را به‌عنوان ابزاری قدرتمند در این زمینه بدل کرده است، درحالی‌که فناوری‌های نوری با توجه به سادگی تشخیص و هزینه پایین بسیار حائز اهمیت هستند. از این رو، توسعه حسگرهایی که به طور هم‌زمان قادر به بهره‌گیری از تمامی این ویژگی‌ها باشند و بتوانند به عنوان یک ابزار قابل‌حمل و دقیق برای شناسایی عوامل بیماری‌زا (پاتوژن‌ها) به کار روند، بسیار موردتوجه بوده و مطالعات و تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد. در این پروژه تحقیقاتی دسته جدیدی از زیست‌حسگرها تحت عنوان زیست‌حسگرهای الکتروکروم معرفی و برای تشخیص و اندازه‌گیری باکتری‌ها به عنوان یک خانواده وسیع و پیچیده از میکروارگانیسم‌ها در نمونه‌های زیست‌محیطی به‌کار گرفته شده است. در یک تعریف کلی، مواد الکتروکروم به موادی اطلاق می‌شود که خواص نوری آنها تحت تأثیر یک اغتشاش الکتریکی (اعمال پتانسیل یا جریان) قرار می‌گیرد، به عبارت دقیق‌تر با اعمال اغتشاش الکتریکی به این مواد می‌توان حالت‌های اکسایش مختلفی را ایجاد کرد که هرکدام از این حالت‌های اکسایش منجر به تشکیل رنگ‌های مختلفی می‌شود. در زیست‌حسگر معرفی‌شده، فیلم نازک پلی آنیلین با ضخامت چند ده نانومتر که قادر به فراهم‌آوردن طیف وسیعی از رنگ‌ها در پتانسیل‌های نزدیک به‌هم است، به عنوان ماده الکتروکروم برای شناسایی و تشخیص چشمی باکتری هدف به‌کار برده شد. حضور گروه‌های آمینی کافی در ساختار فیلم پلی‌آنیلین تهیه‌شده نیز موجب تثبیت مناسب آنتی‌بادی‌های ویژه باکتری هدف به عنوان گیرنده‌های اختصاصی شده است. تشخیص چشمی باکتری هدف از طریق اعمال پتانسیل ثابت در مدت زمان مشخص (شرایط بهینه) به ایمونوحسگر الکتروکروم و دنبال‌کردن تغییرات رنگ فیلم پلی‌آنیلین در حضور غلظت‌های مختلف باکتری انجام می‌پذیرد. تشکیل ترکیب آنتی‌بادی- باکتری و ایجاد ممانعت فضایی ناشی از این برهم‌کنش، خاصیت الکتروکرومیته پلی‌آنیلین را به سبب تغییر در مقاومت سطح الکترود، تحت تأثیر قرار می‌دهد که در این پژوهش از این ویژگی پلی‌آنیلین برای شناسایی و تشخیص باکتری هدف استفاده شد.»
وی با اشاره به سادگی مراحل ساخت این زیست‌حسگر گفت: «با توجه به عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده برای تفسیر نتایج حاصل و سادگی مراحل ساخت، فناوری معرفی‌شده در این پژوهش به سادگی امکان تجاری‌شدن و استفاده توسط کاربران را بدون نیاز به دانش فنی بالا و تنها بر مبنای روش رنگ‌سنجی دارد. به همین‌خاطر توسعه حسگرها و زیست‌حسگرهای برپایه مواد الکتروکروم در چند سال اخیر موردتوجه چند تیم تحقیقاتی در دنیا قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، یک گروه تحقیقاتی در بارسلونای اسپانیا در سال ۲۰۱۸، یک حسگر الکتروکروم را بر پایه استفاده از نانوذرات اکسید ایریدیوم و پلیمرهای قالب مولکولی (MIP) به منظور تشخیص آفت‌کش کلروپریفوس طراحی کردند. زیست‌حسگر معرفی‌شده در این پژوهش یک نمونه جدید از زیست‌حسگرهای الکتروکروم برپایه آنتی‌بادی‌ها به عنوان گیرنده‌های اختصاصی است که با بهره‌گیری از برهم‌کنش آنتی‌بادی-آنتی‌ژن تشخیص و اندازه‌گیری باکتری را امکان‌پذیر می‌سازد.»
محقق دانشگاه صنعتی شریف درباره لزوم ادامه این طرح گفت: «با توجه به طیف وسیعی از مواد نانوساختار با خاصیت الکتروکرومیته و امکان تهیه نانوکامپوزیت‌های دو یا چند جزئی از آنها، امکان فراهم‌کردن بسترهایی با طیف رنگی وسیع‌تر ایجاد می‌شود که طبیعتاً در چنین شرایطی حساسیت حسگرهای الکتروکروم برای تشخیص‌های چشمی افزایش می‌یابد.»
این پژوهشگر معتقد است انجام چنین پروژه‌هایی در داخل کشور قطعاً نیاز به حمایت سازمان‌های مرتبط با این موضوعات دارد که ستاد ویژه توسعه فناوری نانو و ستاد توسعه زیست فناوری، بسترهای مناسبی را در راستای تحقق این امر ایجاد کرده‌اند.
پژوهش حاصل در دوره فرصت مطالعاتی دکتری صبا رنجبر در مؤسسه (ICN2 Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology) واقع در دانشگاه UAB شهر بارسلونا در کشور اسپانیا به سرپرستی پروفسور آربن مرکوچی و با همکاری دکتر محمدامین فرهمندنژاد دانش‌آموخته مقطع دکتری رشته شیمی تجزیه از دانشگاه صنعتی شریف و دکتر سعید شاهرخیان عضو هیئت علمی دانشکده شیمی دانشگاه صنعتی شریف انجام شده است. این مقاله با عنوان Smart Chip for Visual Detection of Bacteria Using the Electrochromic Properties of Polyaniline در مجله Analytical Chemistry با ضریب تأثیر ۶٫۳۵ در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسیده است.
