طراحی نانوحسگر تشخیص سریع ویروس کرونا در دانشگاه صنعتی همدان

به گزارش روز چهارشنبه گروه آموزش برگزیده های ایران از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، جواد پاینده‌پیمان از محققان این پروژه تحقیقاتی درباره ضرورت انجام این طرح پژوهشی گفت: «تشخیص سریع ویروس SARS-CoV-۲ می‌تواند از گسترش بیشتر آن جلوگیری و به کنترل این ویروس کمک زیادی کند. مشکل اساسی در آزمون‌های فعلی، زمان‌بر بودن و نداشتن دقت بالای آن‌ها در تعداد کم ویروس در نمونه‌ها است. در این کار به دنبال طراحی نانوحسگرهای مکانیکی برای تشخیص ویروس کرونا با دقت و سرعت بالا به وسیله شبیه‌سازی بودیم.

وی بیان کرد: در این کار، سطح گرافن به عنوان یک حسگر با آنتی‌بادی‌های اختصاصی ویروس کرونا پوشیده می‌شود و سپس در معرض ویروس قرار می‌گیرد. با محاسبه تغییرات خواص ارتعاشاتی حسگر مورد نظر، وجود ویروس SARS-CoV-۲ در نمونه‌های آزمون افراد مشکوک به کووید ۱۹ تشخیص داده می‌شود. مراحل طراحی در یک بازه ۶ ماهه، با بیش از ۱۵ هزار شبیه‌سازی با موفقیت انجام و حسگر مورد نظر برای ویروس کرونا کالیبره شد.

پاینده پیمان ادامه داد: دستاوردهای پژوهش نشان می‌دهد این نانوحسگر قابلیت تشخیص تعداد کم ویروس (۱۰ ویروس در هر آزمون) در نمونه را دارد. در پایان با ارائه یک رابطه تحلیلی، پارامترهای مهم طراحی حسگرهای اختصاصی تشخیص سریع ویروس کرونا تعیین شدند.

وی گفت: در این طرح، خواص فیزیکی ویروس SARS-CoV-۲ شامل وزن و اندازه آن با استفاده از مقالات موجود محاسبه شده است. با فرض توزیع احتمالی ویروس‌ها به هنگام چسبیدن به سطح حسگر، شبیه‌سازی‌های مختلفی با غلظت‌های مختلف ویروس و آنتی‌ویروس برای این‌کار طراحی شده است که قابلیت اطمینان لازم را از کارکرد حسگر در شرایط مختلف فراهم می‌کند.

وی ادامه داد: گرافن یکی از نانومواد بسیار پرکاربرد است که هزینه تولید آن با استفاده از فناوری‌های مختلف در حال کاهش است. ساخت کیت‌های ارزان‌قیمت با استفاده از گرافن می‌تواند در پاندمی‌های مشابه کرونا بسیار کاربردی و قابل‌استفاده برای همه کشورها باشد. استفاده از این نوع نانوحسگر مکانیکی باعث تشخیص سریع و دقیق وجود ویروس کرونا در نمونه‌هایی با حداقل ۱۰ ویروس می‌شود که در صورت عملی‌شدن نتیجه بسیار خوبی است.

 پژوهشگر دانشگاه صنعتی همدان معتقد است این نتایج، شبیه‌سازی است و در عمل باید موارد مختلف به دقت بررسی شود.

پاینده‌پیمان درباره ویژگی‌های نوآورانه این طرح گفت: استفاده از صفحات گرافن در ساخت حسگرهای بسیار حساس و سریع مختلف برای تشخیص اجرام بسیار کوچک مانند ویروس، باکتری، مولکول‌های گاز و غیره در حال گسترش است. نوآوری این‌کار در واقع استفاده از گرافن برای تشخیص اختصاصی ویروس SARS-CoV-۲ است و پارامترهای مهم طراحی حسگرها برای این نوع ویروس مورد بررسی قرار گرفته است.

صفحات گرافنی به دلیل ضخامت (کمتر از یک نانومتر) و وزن بسیار کم آن و از جهتی خاصیت الاستیک فوق‌العاده آن که حدود پنج برابر فولاد استف در رده رزوناتورهای فرکانس بالا قرار دارد، حساسیت فوق‌العاده آن نسبت به تغییرات جرم حسگر، به تشخیص جرم‌های بسیار کوچک منجر می‌شود. از این خاصیت برای تشخیص وجود ویروس بر سطح آن استفاده شد.

این محقق یادآور شد: نتایج مقاله حاضر می‌تواند در ساخت کیت‌های تشخیص سریع و دقیق‌تر کووید ۱۹ مورداستفاده قرار گیرد. با توجه به احتمال شیوع ویروس‌های مختلف فعلی و جدید در آینده، می‌توان حسگر مورد نظر را برای ویروس‌های دیگر نیز کالیبره کرد.

وی گفت: نمونه‌های اولیه این نوع حسگر که بر پایه ترانزیستورهای اثرمیدان کار می‌کنند، در مراکز تحقیقاتی کره جنوبی ساخته و تست شده است. همچنین محققانی از دانشگاه توهوکو ژاپن، حسگرهای مشابه با مواد پیزوالکتریک طراحی کرده‌اند.

پاینده‌پیمان گفت: طراحی فعلی بر پایه خواص مکانیکی گرافن انجام شده است. در حوزه مواد دوبعدی در سال‌های اخیر مواد بسیار زیادی کشف و ساخته شده است که در حال حاضر به دنبال استفاده از این مواد به منظور بهینه‌کردن حسگر و افزایش ضریب اطمینان و دقت آن هستیم.

این مقاله که حاصل یک پژوهش بین‌رشته‌ای بین متخصصان حوزه مهندسی و زیستی است با همکاری دکتر جواد پاینده‌پیمان استادیار گروه مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی همدان، ندا پروینی دانشجوی دکتری پزشکی مولکولی پژوهشگاه رویان، کامبیز مرادی فارغ‌التحصیل مهندسی رباتیک دانشگاه صنعتی همدان و نیما هاشمیان دانشجوی دکتری بیوسیستماتیک مولکولی دانشگاه تهران در نشریه معتبر ACS Applied Nano Materials به چاپ رسیده است.