مستقبل التشخيصات الطبية: رقاقة مستشعر حيوي لجميع الأغراض مع زيادة في نطاق الكشف بمقدار 10000 ضعف
طور الباحثون تقنيات جديدة لمعالجة الإشارات تم استخدامها مع رقاقة جهاز استشعار حيوي موائع ضوئي لاكتشاف مزيج من الخيوط النانوية عبر تركيزات متباينة بمقدار ثمانية أوامر من حيث الحجم. الائتمان: هولجر شميدت ، قسم ECE، جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز
يمكن أن يتيح الاكتشاف عبر تركيزات متفاوتة على نطاق واسع وصولاً إلى جزيء واحد إجراء اختبارات طبية متعددة على جهاز محمول واحد.
قام علماء جامعة كاليفورنيا بسانتا كروز بتحسين أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على الرقائق بشكل كبير، مما وسع نطاق اكتشاف تركيزهم بأكثر من 10000 مرة. تمكن هذه التطورات جهازًا واحدًا من إجراء فحوصات طبية متعددة في وقت واحد على جزيئات حيوية مختلفة، حتى في تركيزات مختلفة إلى حد كبير. استفاد الفريق من التعلم الآلي من أجل التعرف على الجسيمات بدقة عالية، مما يجعل هذه الأجهزة مناسبة لتحليل البيانات في الوقت الفعلي في سيناريوهات نقاط الرعاية.
أظهر الباحثون تحسينات كبيرة لأجهزة الاستشعار القائمة على الرقائق المستخدمة للكشف عن المواد أو تحليلها. تضع الإنجازات الأساس لأجهزة استشعار موائع ضوئية متكاملة وحساسة للغاية يمكن استخدامها لإجراء أنواع مختلفة من الفحوصات الطبية في وقت واحد حتى لو كانت تتضمن أنواعًا مختلفة تمامًا من الجسيمات الحيوية – مثل الجسيمات الفيروسية والحمض النووي – بتركيزات متفاوتة على نطاق واسع.
كما ورد في Optica ، مجلة Optica Publishing Group للأبحاث عالية التأثير، قام الباحثون بقيادة Holger Schmidt من مركز WM Keck للموائع الضوئية النانوية في جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز (UCSC)، بتطبيق تقنيات معالجة الإشارات الجديدة على شريحة موائع ضوئية. جهاز استشعار حيوي. مكنت هذه التطورات من اكتشاف مضان سلس لمزيج من الخيوط النانوية بتركيزات عبر ثمانية أوامر من حيث الحجم، من أتومولار إلى نانومولار. هذا يوسع نطاق التركيز الذي يمكن أن تعمل فيه هذه المستشعرات بعامل يزيد عن 10000.
قال شميت: “هذا العمل هو أحدث خطواتنا في تطوير أجهزة استشعار موائع ضوئية متكاملة حساسة بدرجة كافية لاكتشاف الجزيئات الحيوية المفردة والعمل على نطاق واسع جدًا من التركيزات”. “لقد أظهرنا أنه يمكن القيام بذلك بطريقة واحدة، مما يسمح لنا بقياس وتمييز أنواع متعددة من الجسيمات في وقت واحد حتى لو كانت لها تركيزات مختلفة جدًا.”
لاكتشاف الجزيئات الموجودة بتركيزات عالية ومنخفضة في وقت واحد، أنشأ الباحثون ترددات مختلفة لتعديل الإشارة. استخدموا تعديل الليزر عالي التردد للتمييز بين الجسيمات المفردة بتركيزات منخفضة وكشف التعديل بالليزر منخفض التردد إشارات كبيرة من العديد من الجسيمات في وقت واحد بتركيزات عالية. تُظهر الصورة الإعداد البصري وبرنامج التحكم المطوّر خصيصًا قيد التشغيل. الائتمان: هولجر شميدت ، قسم ECE، جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز
إنشاء جهاز اختبار متعدد الأغراض
على الرغم من تطوير العديد من أنواع أجهزة الاختبار القائمة على الرقائق، إلا أن معظمها يركز على هدف أو نوع واحد من الاختبار لأن الجزيئات الحيوية تأتي في أشكال مختلفة وبكميات مختلفة إلى حد كبير. على سبيل المثال، يمكن أن تختلف تركيزات البروتينات المختلفة المستخدمة كمؤشرات حيوية للمرض بأكثر من عشرة أوامر من حيث الحجم.
تعمل مجموعة شميدت ، بالتعاون مع آرون هوكينز في جامعة بريغهام يونغ، على تطوير منصة اختبار يمكن استخدامها لأنواع متعددة من التحليلات. يعتمد على رقائق موائع بصرية، والتي تجمع بين البصريات وقنوات الموائع الدقيقة على شريحة من السيليكون أو البلاستيك. يتم الكشف عن الجسيمات بإضاءتها بشعاع ليزر ثم قياس الاستجابة من الجسيمات بكاشف حساس للضوء.
طبق الباحثون حلقة تغذية مرتدة تكتشف متى تكون الإشارات كبيرة جدًا وتضبط طاقة الليزر المدخلة وفقًا لذلك. سمح لهم ذلك باكتشاف الإشارات الكبيرة من التركيزات العالية دون التغلب على الإشارات الضعيفة التي قد تكون موجودة من أنواع أخرى بتركيزات منخفضة. الائتمان: هولجر شميدت ، قسم ECE، جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز
أظهر الباحثون سابقًا أن نظامهم الأساسي يتمتع بالحساسية اللازمة لإجراء أنواع مختلفة من التحليلات ويمكنه اكتشاف العديد من أنواع الجسيمات المختلفة، بما في ذلك الأحماض النووية والبروتينات والفيروسات والبكتيريا والعلامات الحيوية للسرطان. ومع ذلك، فقد استخدموا حتى الآن كواشف منفصلة وتقنيات تحليل الإشارات لقياس الجسيمات ذات التركيزات العالية والمنخفضة. كان هذا ضروريًا لأنه في حالة وجود نوع واحد من الجسيمات بتركيز عالٍ جدًا، فإنه يخلق استجابة كبيرة جدًا تطغى على الإشارات الأصغر بكثير من نوع جسيم آخر موجود بتركيزات منخفضة.
معالجة أفضل للإشارات
في العمل الجديد، طور شميدت وطالب الدراسات العليا وحيد جانجليزاده طرق معالجة الإشارات التي يمكن استخدامها للكشف عن الجسيمات بتركيزات عالية ومنخفضة في وقت واحد، حتى لو لم تكن التركيزات معروفة مسبقًا. للقيام بذلك، قاموا بدمج ترددات مختلفة لتعديل الإشارة: تعديل ليزر عالي التردد لتمييز الجسيمات المفردة بتركيزات منخفضة وتعديل ليزر منخفض التردد لاكتشاف الإشارات الكبيرة من العديد من الجسيمات في وقت واحد بتركيزات عالية.
قال شميت: “ثانيًا، قمنا بتنفيذ حلقة تغذية مرتدة تكتشف متى تكون الإشارات كبيرة حقًا وتضبط طاقة الليزر المدخلة وفقًا لذلك”. وبهذه الطريقة، يمكننا اكتشاف الإشارات الكبيرة من التركيزات العالية دون التغلب على الإشارات الضعيفة التي قد تكون موجودة من أنواع أخرى بتركيزات منخفضة. سمح لنا ذلك باكتشاف الجسيمات التي كانت موجودة بتركيزات مختلفة في نفس الوقت. “
طبق الباحثون أيضًا خوارزمية سريعة للغاية طوروها مؤخرًا لتحديد إشارات الجسيمات المفردة بتركيزات منخفضة في الوقت الفعلي. ساعد التعلم الآلي أيضًا في التعرف على أنماط الإشارة بحيث يمكن تمييز أنواع الجسيمات المختلفة بدقة عالية. قال شميت: “تُعد هذه التطورات في تحليل الإشارات مثالية لتمكين تشغيل الجهاز في نقطة الرعاية حيث يمكن أن تكون جودة الإشارة رديئة وحيث يلزم تحليل البيانات في الوقت الفعلي”.
التمييز بين التركيزات المنخفضة والعالية
أظهر الباحثون نهجهم الجديد لتحليل الإشارات عن طريق ضخ رقائق المستشعر الحيوي للموائع الضوئية بمحلول من الخيوط النانوية بتركيزات مختلفة وبألوان مضان مختلفة. كانوا قادرين على تحديد تركيز كل من تركيزات حبة الأصفر والأخضر والقرمزي بشكل صحيح على الرغم من اختلاف تركيزاتهم بعامل يزيد عن 10000 في الخليط.
قال شميت: “بينما يعمل هذا العمل على تطوير مستشعر متكامل محدد يعتمد على إشارات الفلورة الضوئية، يمكن استخدام تقنية تحليل الإشارة مع أي نوع من الإشارات المعتمدة على الوقت والتي تغطي نطاق تركيز واسع”. “يمكن أن يشمل هذا إشارات ضوئية مختلفة ولكن أيضًا أجهزة استشعار كهربائية.”
يتم حاليًا تسويق تقنية الاستشعار البيولوجي للموائع الضوئية للفريق من قبل شركة الأجهزة الطبية Fluxus Inc. يمكن أن يوفر هذا المشروع، الذي يعد جزءًا من مركز UCSC لجينوم الخلايا الحية، وهو مركز امتياز في علوم الجينوم التابع للمعاهد الوطنية للصحة، مزيدًا من التبصر في مجالات مثل الأمراض العصبية وسرطان الأطفال.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
