ایجاد یک حسگر تصویربرداری با الهام از سیستم بینایی پروانه

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، سنسور تصویربرداری الهام گرفته از پروانه می تواند سلول های سرطانی را با دقت بالایی تشخیص دهد.

موجودات زیادی در سیاره ما با حواس پیشرفته تر از انسان وجود دارد. لاک پشت ها می توانند میدان مغناطیسی زمین را حس کنند. میگوی مانتیس می تواند نور پلاریزه را تشخیص دهد. فیل ها می توانند فرکانس های بسیار کمتری نسبت به انسان ها بشنوند. پروانه ها می توانند طیف وسیع تری از رنگ ها از جمله اشعه ماوراء بنفش (UV) را درک کنند.

تیمی از محققان با الهام از سیستم بینایی پیشرفته پروانه Papilio xuthus، یک حسگر تصویربرداری ایجاد کرده اند که قادر به دیدن محدوده UV غیرقابل دسترس برای چشم انسان است. طراحی این حسگر از فتودیودهای روی هم و نانوبلورهای پروسکایت (PNC) استفاده می کند که قادر به تصویربرداری از طول موج های مختلف در محدوده UV هستند. این فناوری جدید تصویربرداری با استفاده از نشانه های طیفی نشانگرهای زیست پزشکی، مانند اسیدهای آمینه، حتی قادر است بین سلول های سرطانی و سلول های طبیعی با اطمینان 99 درصد تمایز قائل شود.

این تحقیق جدید که توسط استاد مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، ویکتور گروف و پروفسور مهندسی زیستی Shuming Nie رهبری می شود، اخیراً در مجله Science Advances منتشر شده است.

نور UV تابش الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه تر از نور مرئی (اما طولانی تر از اشعه ایکس) است. ما بیشتر با اشعه ماوراء بنفش خورشید و خطراتی که برای سلامتی انسان دارد آشنا هستیم. اشعه ماوراء بنفش به سه ناحیه مختلف طبقه بندی می شود: UVA، UVB و UVC. بر اساس محدوده طول موج های مختلف از آنجایی که انسان نمی تواند نور UV را ببیند، گرفتن اطلاعات UV، به ویژه تشخیص تفاوت های کوچک بین هر منطقه، چالش برانگیز است.

با این حال، پروانه ها می توانند این تغییرات کوچک در طیف UV را ببینند، مانند انسان ها که می توانند سایه های آبی و سبز را ببینند.

انسان ها دارای دید سه رنگ با سه گیرنده نوری هستند که در آن هر رنگی که درک می شود می تواند از ترکیب قرمز، سبز و آبی ساخته شود. پروانه ها، با این حال، چشم های مرکب، با شش (یا بیشتر) کلاس گیرنده نوری با حساسیت طیفی مشخص دارند. به طور خاص، Papilio xuthus، پروانه ای زرد و آسیایی دم چلچله ای، نه تنها دارای گیرنده های آبی، سبز و قرمز است، بلکه گیرنده های بنفش، فرابنفش و broadband receptors نیز دارد. علاوه بر این، پروانه ها دارای رنگدانه های فلورسنت هستند که به آنها اجازه می دهد نور UV را به نور مرئی تبدیل کنند که سپس می تواند به راحتی توسط گیرنده های نوری آنها حس شود. این به آنها اجازه می دهد تا طیف وسیع تری از رنگ ها و جزئیات را در محیط خود درک کنند.

فراتر از افزایش تعداد گیرنده های نوری، پروانه ها همچنین ساختار لایه ای منحصر به فردی را در گیرنده های نوری خود نشان می دهند. برای تکرار مکانیسم سنجش UV پروانه Papilio xuthus، تیم UIUC این فرآیند را با ترکیب یک لایه نازک از PNC با مجموعه ای از فتودیودهای سیلیکونی تقلید کرده است.

PNC ها دسته ای از نانوکریستال های نیمه هادی هستند که خواص منحصر به فردی شبیه به نقاط کوانتومی را نشان می دهند- تغییر اندازه و ترکیب ذرات باعث تغییر خواص جذب و انتشار مواد می شود. در چند سال گذشته، PNC ها به عنوان یک ماده جالب برای کاربردهای مختلف حسگری، مانند سلول های خورشیدی و LED ها ظاهر شده اند. PNC ها در تشخیص طول موج های UV (و حتی کمتر) بسیار خوب هستند که آشکارسازهای سیلیکونی سنتی نیستند.

در سنسور تصویربرداری جدید، لایه PNC قادر است فوتون های UV را جذب کرده و نور را در طیف مرئی (سبز) منتشر کند که سپس توسط فتودیودهای سیلیکونی طبقه بندی شده شناسایی می شود. پردازش این سیگنال ها امکان نقشه برداری و شناسایی امضاهای UV را فراهم می کند.

نشانگرهای زیست پزشکی مختلفی در بافت های سرطانی با غلظت های بالاتر از بافت های سالم وجود دارد: اسیدهای آمینه (بلوک های سازنده پروتئین ها)، پروتئین ها و آنزیم ها. هنگامی که با نور UV برانگیخته می شوند، این نشانگرها در فرابنفش و بخشی از طیف مرئی روشن می شوند و در فرآیندی به نام autofluorescence، فلورسانس می شوند.

نی توضیح می دهد: تصویربرداری در ناحیه UV محدود بوده است و می توانم بگویم که این بزرگترین مانع برای پیشرفت علمی بوده است. اکنون ما به این فناوری رسیده ایم که می توانیم نور UV را با حساسیت بالا تصویربرداری کنیم و همچنین می توانیم تفاوت های کوچک طول موج را تشخیص دهیم.

از آنجایی که سلول های سرطانی و سالم دارای غلظت های متفاوتی از نشانگرها و در نتیجه علامتهای طیفی متفاوتی هستند، این دو دسته از سلول ها را می توان بر اساس فلورسانس آنها در طیف UV متمایز کرد. این تیم دستگاه تصویربرداری خود را بر اساس توانایی آن در تشخیص نشانگرهای مرتبط با سرطان ارزیابی کردند و دریافتند که قادر است بین سرطان و سلول های سالم با اطمینان 99 درصد تمایز قائل شود.

Gruev، Nie و تیم تحقیقاتی مشترک آنها می توانند از این حسگر در طول جراحی استفاده کنند. یکی از بزرگ ترین چالش ها این است که بدانید چه مقدار بافت باید برداشته شود تا از حاشیه های شفاف اطمینان حاصل شود و چنین حسگری می تواند به تسهیل فرآیند تصمیم گیری در زمانی که جراح در حال برداشتن تومور سرطانی است کمک کند.

علاوه بر پروانه ها، گونه های دیگری نیز وجود دارند که می توانند در اشعه ماوراء بنفش ببینند، و داشتن راهی برای تشخیص آن نور، فرصت های جالبی را برای زیست شناسان فراهم می کند تا درباره این گونه ها، مانند عادات شکار و جفت گیری، اطلاعات بیشتری کسب کنند. آوردن سنسور به زیر آب می تواند به درک بیشتر آن محیط نیز کمک کند. در حالی که مقدار زیادی اشعه ماوراء بنفش توسط آب جذب می شود، اما هنوز هم مقدار کافی وجود دارد که بتواند تأثیر بگذارد و حیوانات زیادی در زیر آب وجود دارند که نور UV را نیز می بینند و از آن استفاده می کنند.