Highly Sensitive Graphene-MoS₂ Hybrid Surface Plasmon Resonance Biosensor for Malaria Detection via Refractive Index Analysis of Red Blood Cells

تخيل أنك تحاول سماع همس في غرفة صاخبة. عادةً ما يطغى الضجيج في الخلفية على ذلك الصوت الضئيل، مما يجعل من المستحيل معرفة ما إذا كان شخص ما يتحدث أم أنها مجرد رياح تهب. في عالم العلوم، هذا "الضجيج" هو غالباً صعوبة اكتشاف التغيرات المتناهية الصغر في كيفية ارتداد الضوء عن سطح ما. يستخدم العلماء حيلة ذكية تسمى رنين البلازمون السطحي (SPR) لحل هذه المشكلة. فكر في الـ SPR كأنه هوائي راديو مضبوط بدقة فائقة مصنوع من المعدن. عندما يصطدم الضوء بهذا الهوائي بزاوية معينة، فإنه يجعل الإلكترونات على سطح المعدن ترقص في موجة متزامنة. وإذا وضعت شيئاً مختلفاً ولو قليلاً بالقرب من الهوائي — مثل قطرة ماء أو فيروس صغير — فإن هذه الرقصة يتغير إيقاعها. ومن خلال مراقبة كيفية تحول الإيقاع، يمكن للعلماء اكتشاف وجود ذلك "الشيء" دون لمسه أبداً. وهذا أمر بالغ الأهمية في الطب لأنه قد يسمح للأطباء برصد أمراض مثل الملاريا في وقت مبكر، ببساطة من خلال مراقبة كيفية تفاعل خلايا الدم مع الضوء، دون الحاجة إلى صبغها بالمواد الكيميائية أو انتظار اختبارات معملية طويلة.

الآن، تخيل فريقاً من الباحثين في جامعة شيراز للتكنولوجيا قرروا ترقية هذا "الهوائي الراديوي" لجعله أكثر حساسية. كانوا يعلمون أنه بينما الهوائيات المعدنية القياسية جيدة، إلا أنه يمكن جعلها أفضل إذا تم تغليفها بمواد خاصة فائقة الرقة. لقد جربوا هيكلاً مكوناً من الفضة، وطبقة واحدة من الجرافين (وهو عبارة عن طبقة من ذرات الكربون بسمك ورقة رقيقة)، ومجموعة من المواد تسمى "ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية" (TMDCs). هذه الـ TMDCs تشبه نكهات مختلفة لتوابل خاصة يمكنها تغيير كيفية تفاعل الضوء مع المستشعر. أراد الباحثون معرفة أي "نكهة" وأي سمك من الفضة سيخلق الكاشف الأكثر حدة وحساسية لخلايا الدم الحمراء المصابة بالملاريا.

في هذه الدراسة، لم يقم المؤلفون ببناء جهاز مادي في المختبر؛ بل استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لتصميم واختبار مستشعرهم. لقد قاموا بنمذجة هيكل يتكون من منشور زجاجي، وطبقة فضة، وطبقات من الجرافين ممزوجة مع واحدة من أربع مواد مختلفة من الـ TMDCs وهي: MoS₂، وMoSe₂، وWS₂، وWSe₂. لقد سلطوا شعاع ضوء من الأشعة تحت الحمراء القريبة (أطوال موجية تتراوح بين 1000 إلى 1100 نانومتر) على هذا الإعداد وحسبوا بدقة مقدار الضوء المرتد. كان هدفهم هو العثور على المزيج المثالي الذي سيخلق أكبر "تحول في الرقصة" عند اكتشاف المستشعر للفرق بين خلية دم حمراء سليمة وأخرى مصابة بالملاريا.

كشفت عمليات المحاكاة أن اختيار المادة وسمك طبقة الفضة كانا مهمين للغاية. لم يكن الأمر يتعلق فقط باختيار "أفضل" مادة، بل كان يتعلق بإيجاد التطابق المناسب للون الضوء المستخدم. على سبيل المثال، عند طول موجي قدره 1000 نانومتر، أظهر هيكل يستخدم WS₂ مع طبقة فضة بسمك 40 نانومتر أقوى امتصاص للضوست. ومع ذلك، عندما انتقلوا إلى 1100 نانومتر، بدأت مادة MoSe₂ في التألق، مظهرةً أفضل أداء. كما وجد الباحثون أن إضافة المزيد من طبقات الجرافين لم يكن مفيداً دائماً؛ بل في الواقع، جعلت كثرة الطبقات المستشعر أحياناً أقل حساسية لأنها تحبس الضوء بعيداً جداً عن السطح حيث توجد خلايا الدم.

بعد اختبار العديد من التشكيلات، حدد الفريق "التشكيلة البطلة". فقد وجدوا أن مستشعراً يستخدم غشاء فضة بسمك 70 نانومتراً، وطبقة واحدة من الجرافين، وطبقة من MoS₂ (أو MoSe₂) يعمل عند طول موجي 1100 نانومتر، يقدم أفضل توازن. كان هذا الإعداد حساساً بشكل لا يصدق. فعندما حاكت عملية المحاكاة اكتشاف المستشعر لتغير طفيف في معامل الانكسار (وهو مقياس لكيفية انحناء الضوء) يشبه ما يحدث عندما تصاب خلية دم حمراء، أظهر المستشعر إزاحة في "زاوية الرنين" بمقدار كبير. وتحديداً، بالنسبة لتغير صغير جداً في خصائص خلية الدم (0.005 RIU)، أظهر المستشعر حساسية بلغت 198.08 درجة لكل وحدة من معامل الانكسار. وإذا كان التغير أكبر قليلاً (0.007 RIU)، قفزت الحساسية إلى 201.52 درجة لكل وحدة.

كما قامت الورقة البحثية بمحاكاة كيفية تمييز هذا المستشعر بين المراحل المختلفة من الإصابة بالملاريا. خلايا الدم الحمراء السليمة لها معامل انكسار محدد، ولكن مع نمو طفيل الملاريا داخل الخلية، تتغير خصائص الخلية. أظهرت عمليات المحاكاة أن المستشعر يمكنه بوضوح التمييز بين الخلية السليمة والخلايا في مراحل "الحلقة" (ring)، و"التروفوزويت" (trophozoite)، و"السكيزونت" (schizont)، حيث تنتج كل مرحلة إشارة متميزة. على سبيل المثال، كانت إشارة مرحلة "السكيزونت" مختلفة بشكل ملحوظ عن الخلية السليمة، مما يشير إلى أن المستشعر يمكنه تقنياً تحديد ليس فقط وجود المرض، بل أيضاً مدى تقدمه.

يخلص المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن نتائجهم تعتمد حالياً على النماذج الحاسوبية وليس التجارب الفيزيائية، إلا أن التصميم يشير إلى مسار واعد للغاية. ويجادلون بأنه من خلال استخدام هذه المواد ثنائية الأبعاد الهجينة، من الممكن إنشاء مستشعر حيوي أكثر حدة ودقة من التصاميم الحالية. وقد يؤدي هذا في النهاية إلى جهاز يكشف عن الملاريا بسرعة وبدون الحاجة لوسوم، ببساطة من خلال تحليل الضوء المنعكس من قطرة دم. وتؤكد الدراسة أن مفتاح النجاح يكمن في ضبط طبقات المعدن والمواد ثنائية الأبعاد بدقة لتتناسب مع الطول الموجي للضوء، مما يثبت أنه في عالم الاستشعار النانوي، تكمن التفاصيل الدقيقة في جوهر النجاح.