سیستم جدید تشخیص میکروبی فلورسانس بدون لنز برای نجات میلیون‌ها زندگی
یک دستگاه جدید که به طور سریع، کارآمد و مقرون به صرفه آلودگی‌های آب را تشخیص می‌دهد می‌تواند هر ساله میلیون‌ها نفر را در کشورهای در حال توسعه نجات دهد.
اخیراً، دانشمندان از موسسه تحقیقاتی فوتونگ در نپال، دانشگاه سائوپائولو در برزیل و دانشگاه یورک در بریتانیا همکاری کردند تا یک سیستم تشخیص فلورسانس را طراحی کنند.
برخلاف ابزارهای مرسوم که لنز دارند، این سیستم برای تشخیص میکروبی در آب آشامیدنی از لنز استفاده نمی‌کند.
سیستم فلورسانس بدون لنز برای تشخیص میکروبی در آب
این سیستم تشخیصی فلورسانس نه تنها می‌تواند منابع آب ناامن را تشخیص دهد، بلکه می‌تواند برای تنظیم ایمنی آب برای فعالیت‌های ورزشی مانند شنا نیز استفاده شود. این موضوع در المپیک پاریس نیز مورد نگرانی قرار گرفته است.
دکتر اشیم دهاکال، رهبر تیم تحقیقاتی از موسسه تحقیقاتی فوتونگ در نپال به مهندسی جالب گفت که دستگاه از یک منبع نور تحریک‌کننده برای تحریک مولکول‌های هدف از باکتری‌ها در نمونه آب استفاده می‌کند.
در توضیح فرآیند او می‌گوید مولکول‌ها انرژی را از نور جذب می‌کنند، مقداری از آن را به عنوان گرما از دست می‌دهند و بقیه انرژی را از طریق نور با انرژی کمتر منتشر می‌کنند. جذب و انتشار بستگی به پیکربندی الکترونیکی مولکول‌های هدف دارد.
او افزود: "مقدار نوری که انتشار می‌کند با استفاده از یک آشکارساز اندازه‌گیری می‌شود تا مولکول‌های هدف را کمی‌سازی کند، که به ما امکان می‌دهد وجود باکتری‌ها را در نمونه استنتاج کنیم."
دهاکال به مهندسی جالب گفت که یک LED به عنوان منبع تحریک‌کننده و یک فوتودیود به عنوان آشکارساز با الکترونیک‌های راه‌انداز آنها استفاده می‌شود.
او افزود: "به طور معمول، لنزها در این سیستم‌ها برای به حداکثر رساندن مقدار نور تحریک‌کننده که به مولکول‌های هدف می‌رسد و جمع‌آوری نور منتشر شده از مولکول‌ها استفاده می‌شوند."
مقابله با چالش‌ها
چالشی که در سیستم‌های تشخیص میکروبی وجود دارد استفاده از لنزها است زیرا آنها باید نوع خاصی باشند - موجودیت محدود لنزهای کششی عددی (NA) و ادغام آنها در طراحی نیز فرآیندی پیچیده است.
دانشمند می‌گوید رویکرد جدید لنزها را به طور کامل از دستگاه حذف می‌کند – در حالی که عملکرد را بطور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.
سیستم جدید تشخیص میکروبی در آب طراحی شده به عنوان یک سیستم فلورسانس بدون لنز با LEDها و آشکارسازهای بزرگ (1-2 میلی‌متر مربع) است.
به گفته دانشمندان این LEDها اخیراً در طول موج‌های UV در دسترس قرار گرفته‌اند. آنها با استفاده از نور UV برای تحریک پروتئین‌های میکروب‌های مضر و سپس تشخیص فلورسانس حاصل عمل می‌کنند.
دهاکال می‌گوید سیستم پروتئین‌های استخراج شده از آمینواسیدی به نام تریپتوفان را هدف قرار می‌دهد.
او افزود: "تریپتوفان فلورسانس‌ترین آمینو اسیدها به نام "آمینو اسیدهای ضروری" است که انسان‌ها و اکثر حیواناتی که E. coli کلون‌ها را در روده خود دارند، نمی‌توانند خودشان سنتز کنند."
او اضافه کرد که تریپتوفان و مشتقات آن به طور فعال توسط E. coli تولید و متابولیزه می‌شوند و هم در داخل و هم در خارج سلول‌های این باکتری‌ها یافت می‌شوند.
"این باعث می‌شود فلورسانس از این پروتئین‌ها نماینده مناسب برای ردیابی وجود E coli در نمونه‌های آب باشد."
فناوری کلیدی که سیستم جدید بدون لنز را ممکن ساخت موجودیت LEDهای کم‌هزینه و بزرگ منطقه (> 1 میلی‌متر مربع) در UV عمیق ( < 280 نانومتر) است. این امر به دلیل فرآیندهای ساخت برنده جایزه نوبل با استفاده از آلیاژهای نیترید گالیوم امکان‌پذیر شد، دهاکال گفت.
سیستم تشخیص میکروبی آسان برای استفاده
علاوه بر این، پیشرفت‌های اخیر در تولید فوتودیودهای بزرگ منطقه، کم‌نویز و کم‌هزینه به توسعه سیستم تشخیص میکروبی کمک کرده است.
عمر سیستم به دلیل استفاده کم از انرژی توسط LEDها در مقایسه با سیستم‌های لنزی افزایش یافت.
چیزی که این سیستم را منحصر به فرد می‌کند نتایج اندازه‌گیری – که با اعداد ساده و نشانگرهای چراغ ترافیک توسط افراد عادی قابل تفسیر است – ظرف چند ثانیه در دسترس است. این امر استفاده از آن را آسان می‌کند و به ذینفعان اجازه می‌دهد بلافاصله اقدام کنند.
دهاکال اشاره کرد که طراحی بدون لنز لنزهای پر هزینه و منابع مورد نیاز برای تراز دقیق لنزها را حذف می‌کند.
او افزود: "این همچنین وزن و حجم مرتبط را حذف می‌کند." "همه این‌ها با هم یک سیستم بدون لنز را بیشتر قابل حمل، مقرون به صرفه و عملی در محیط‌های محدود منابع می‌سازند."
تیم محققان در حال حاضر نسخه‌هایی را توسعه می‌دهند که می‌تواند به زیرساخت‌های موجود در تصفیه و نظارت بر آب متصل شوند. آنها امیدوارند سیستم ساده باشد.
محقق ارشد به ملاحظات عملی که باید مورد بررسی قرار گیرد اشاره کرد.
این شامل موجودیت و پایداری منبع تغذیه، مدیریت فشار و ساده‌سازی جریان از لوله‌ها، یک محفظه قوی‌تر و تمیز کردن منظم پنجره‌های نوری برای حذف آلودگی است.
این مطالعه امروز [8 اوت 2024] در مجله – Optica منتشر شد.
