پژوهشگران مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک دانشگاه تهران موفق به ساخت حسگر زیستی شدند که برای شناسایی و اندازه‌گیری اختصاصی باکتری سالمونلا تیفی در سرم خون انسان با حساسیت و دقت بالا به کار می‌رود. این حسگر، توانایی اندازه‌گیری مقادیر سالمونلا تیفی در خون بیماران با تب تیفوئید را به خوبی و با حد تشخیص یک پیکوگرم در هر میلی‌لیتر دارد.
دانشگاه تهران: شناسایی باکتری سالمونلا تیفی در سرم خون انسان با زیست‌حسگر نانویی
دکتر هدایت‌الله قورچیان استاد تمام مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک دانشگاه تهران درباره اهداف و دستاوردهای مهم این پژوهش گفت: «در این پژوهش گروه تحقیقاتی ما موفق شدند یک حسگر زیستی بسازند که برای شناسایی و اندازه‌گیری اختصاصی باکتری سالمونلا در سرم خون انسان کارایی دارد. در ساخت این زیست‌حسگر، ما از ذرات کوانتومی کربنی استفاده کردیم. در سال‌های اخیر ذرات کوانتومی کربنی به‌دلیل ویژگی‌های نوری منحصربفرد با زیست‌سازگاری بالا و حلالیت مناسب در آب مورد توجه زیادی قرار گرفته است. این ذرات با الهام از ساختار ترکیبی به نام هِم ساخته شده است. هِم همان ترکیبی است که در خون وجود دارد و رنگ سرخ خون و بوی آن از همین مولکول نشأت می‌گیرد. ما موفق شدیم ذرات کوانتومی کربنی جدیدی با خواص نوری و مغناطیسی بسیار مطلوب با بازده نوری ۸۶ درصد بسازیم. از این ذرات برای طراحی یک حسگر زیستی نوری برای شناسایی باکتری سالمونلا تیفی در سرم خون انسان با حساسیت و دقت بالا استفاده شد. نتایج پژوهشی ما نشان داده است که این حسگر توانایی اندازه‌گیری مقادیر سالمونلا تیفی در خون بیماران با تب تیفوئید را به خوبی و با حد تشخیص یک پیکوگرم در هر میلی‌لیتر دارد.»
باکتری سالمونلا معمولاً توسط غذا یا آب آلوده به مدفوع یا ادرار بیماران یا حاملین منتقل می‌شود. میوه‌جات خام، سبزیجات آلوده به کود انسانی، شیر و فرآورده‌های لبنی، همچنین حشراتی مثل مگس و سوسک و دیگر حیوانات می‌توانند آلودگی را انتقال دهند. نتایج حاصل از این پژوهش، می‌تواند به‌طور مستقیم به منظور تشخیص و شناسایی این باکتری و در صورت لزوم با تعمیم آن برای دیگر آلاینده‌های زیست‌محیطی مورداستفاده قرار گیرد. با توجه به خواص پارامغناطیسی و نوری این ذرات، آن‌ها می‌توانند کاربردهای غیرمستقیم هم داشته باشند که از جمله آن‌ها می‌توان به‌عنوان ماده حاجب در زمینه تصویربرداری زیستی و حامل دارو در دارورسانی اشاره کرد.
ذرات یا نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا معمولاً از فلزات سنگین به ویژه کادمیوم و سلنیوم ساخته می‌شوند. این نقاط کوانتومی خود را به‌عنوان نانومواد فلورسانس غیرآلی قدرتمند ثابت کرده‌اند. با این حال، بیشتر نقاط کوانتومی با کارایی بالا به‌دلیل سمیت عناصر فلزی سازنده آن‌ها محدود شده‌اند. تلاش‌های گسترده‌ای برای دستیابی به مواد فلورسانس بدون سمیت به‌عنوان جایگزینی برای نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا انجام پذیرفته است. در مقایسه با نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا، نقاط کوانتومی کربنی (گرافنی) ویژگی‌هایی مانند سمیت کم، حلالیت عالی، بی‌اثری شیمیایی، فوتولومینسانس پایدار و پیوند سطحی بهتر را از خود نشان داده‌اند. یکی از روش‌های بهبود خواص نوری، الکتریکی و شیمیایی این نانومواد تلفیق آن‌ها با اتم‌های مختلف است. در این تحقیق با الهام از ساختار هِم که مهم‌ترین ماده رنگی موجود در طبیعت است نقاط کوانتومی گرافنی با خواص نوری و مغناطیسی بهبودیافته ساخته شده است. همچنین با توجه به بازده فلورسانس بالای این نقاط کوانتومی گرافنی اصلاح‌شده، از آن‌ها در طراحی زیست‌حسگر فوتولومینسانس برای شناسایی آنتی‌ژن باکتری سالمونلا تیفی با حساسیت و دقت بالا استفاده شده است.
قورچیان در ادامه گفت: «با توجه به این‌که اغلب مواد کربنی، ارزان‌قیمت و در دسترس هستند، با افزایش مقیاس تولید می‌توان هزینه‌های ساخت را به میزان قابل‌توجهی کاهش داده و تولید این ذرات را در مقیاس صنعتی پیاده کرد. همچنین با توجه به نتایج موفقیت‌آمیز این پژوهش و ساخت نمونه اولیه زیست‌حسگر می‌توان برای کاربردی‌کردن آن از بسترهای میکروفلوئیدی، کاغذی و غیره استفاده نمود و زیست‌حسگر را به صورت کیت تشخیص سریع عرضه کرد.»
این محقق با اشاره به طرح‌های آینده گفت: «در ادامه می‌خواهیم خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی این ذرات کوانتومی با ساختار مشابه هِم را بررسی کرده و کاربردهای مختلفی را طراحی و اجرا کنیم. همچنین می‌خواهیم با استفاده از پیش‌سازها و روش‌های ساخت مختلف، خواص این نانومواد را بهبود دهیم.»
این مقاله بخشی از پایان‌نامه دوره دکتری خانم زهرا کمال، دانش‌آموخته رشته بیوفیزیک مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک دانشگاه تهران است که در آزمایشگاه بیوآنالیز در گروه تحقیقاتی دکتر هدایت‌الله قورچیان استاد تمام مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک به انجام رسیده است. خانم دکتر محدثه زارعی قبادی عضو علمی وابسته این آزمایشگاه و همچنین آقای دکتر مجید محسنی دانشیار دانشکده فیزیک دانشگاه شهید بهشتی در این طرح پژوهشی همکاری داشته‌اند. نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان High-performance porphyrin-like graphene quantum dots for immuno-sensing of Salmonella typhi در نشریه Biosensors & Bioelectronics به چاپ رسیده است.
