High Sensitivity Hemoglobin Biosensing Using a Plus Shaped Gold Metasurface Refractive Index Sensor

في همس مختبر المستشفى الهادئ، غالبًا ما تروي قطرة دم قصة يحتاج الأطباء لسماعها على الفور. أحد أهم الشخصيات في تلك القصة هو الهيموجلوبين، وهو البروتين الموجود في خلايا الدم الحمراء الذي ينقل الأكسجين. فعندما تنخفض مستوياته بشكل كبير، فإنه يشير إلى فقر الدم؛ وعندما تتقلب بطرق أخرى، يمكن أن يشير ذلك إلى مشاكل في القلب أو الرئتين. تقليديًا، يتطلب قياس هذا البروتين إرسال عينة إلى جهاز ضخم في المختبر، وهي عملية دقيقة ولكنها بطيئة وتعتمد على معدات ضخمة. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لقياس هذه المستويات فورًا ودون الحاجة إلى علامات أو وسوم كيميائية، باستخدام الطريقة التي يتفاعل بها الضوء مع الدم نفسه فقط. وقد قاد هذا السعي الباحثين لاستكشاف عالم الأسطح الميتا (metasurfaces)، وهي طبقات رقيقة للغاية من المواد المنقوشة بأشكال مجهرية. صُممت هذه الهياكل لحجز وتركيز الضوء في مساحات ضيقة، مما يخلق تفاعلات مكثفة مع أي جزيئات توجد بالقرب منها. ومن خلال مراقبة كيفية تغير الضوء عندما يلمس مادة معينة، يمكن للباحثين اكتشاف وجود وتركيز تلك المادة بدقة ملحوظة.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن تصميمًا لمثل هذا المستشعر، يستخدم سطحًا ذهبيًا على شكل علامة "زائد" للكشف عن الهيموجلوبين. جوهر اختراعهم هو هيكل متعدد الطبقات تم بناؤه باستخدام نموذج حاسوبي. في الأسفل، توجد طبقة أساس مكونة من مادة خاصة تسمى "جرمانيوم أنتيموني تيلوريوم"، والتي يمكنها التحول بين حالتين فيزيائيتين: حالة غير منظمة وأخرى منظمة. وفوق هذه الطبقة، توجد ورقة رقيقة من الذهب، منقوشة على شكل شبكة من الرنانات التي تتخذ شكل علامة "زائد". وأخيرًا، تعمل طبقة ذهبية صلبة كمرآة في الأسفل تمامًا لمنع الضوء من المرور عبرها. قام الباحثون بمحاكاة كيفية سلوك هذا الهيكل عند تعرضه للهيموجلوبين بتركيزات مختلفة، محاكيين النطاق الموجود في دم الإنسان. ووجدوا أن المستشعر يعمل عن طريق حجز الضوء في الفجوات والزوايا الصغيرة لأشكال علامة "الزائد"، مما يخلق مناطق ذات طاقة مكثفة حيث يمكن للضوء "الشعور" بجزيئات الهيموجلوبين.

أظهرت الدراسة أن أداء المستشعر يعتمد بشكل كبير على حالة المادة الأساسية والسمك الدقيق للطبقات. فعندما تكون المادة الأساسية في حالتها البلورية المنظمة، يصبح المستشعر أكثر حساسية بشكل ملحوظ مقارنة بحالتها غير المتبلورة (العشوائية). وفي عمليات المحاكاة، استطاع الإصدار البلوري اكتشاف التغيرات في خصائص الدم بحساسية بلغت 766.67 نانومتر لكل وحدة معامل انكسار، بينما وصل الإصدار غير المتبلور إلى 700 نانومتر. وحدد الباحثون أن المستشعر يعمل بشكل أفضل عندما يكون سمك الطبقة الأساسية 0.6 ميكرومتر وسمك طبقة الذهب المنقوشة 0.3 ميكرومتر. كما اختبروا استجابة المستشعر لزوايا مختلفة من الضوء ووجدوا أن التصميم يظل قويًا وثابتًا. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه مع زيادة تركيز الهيموجلوبين، فإن اللون المحدد للضوء الذي يمتصه المستشعر يتغير بطريقة يمكن التنبؤ بها، حيث ينتقل من طول موجي قدره 0.902 ميكرومتر إلى 0.968 ميكرومتر. ويعمل هذا الانزياح كإشارة واضحة على أن المستشعر يكتشف البروتين.

قارن الباحثون تصميمهم بمستشعرات أخرى تم نشرها سابقًا. وبينما تمكنت بعض التصاميم السابقة من اكتشاف التغيرات، أظهر السطح الميتا الذهبي الجديد ذو شكل "الزائد" ميزة متميزة في قدرته على رصد الاختلافات الأصغر في التركيز. وأشار الفريق إلى أن المستشعر قادر على التمييز بين مستويات الهيموجلوبين المختلفة دون الحاجة إلى وسم الجزيئات بالصبغات الفلورية أو غيرها من العلامات. وأكدت محاكاة المجال الكهربائي أن الضوء يتركز بكثافة عند حواف وزوايا أشكال "الزائد"، مما يخلق "نقاطًا ساخنة" حيث يكون التفاعل مع الدم في أقوى حالاته. هذا التركيز للطاقة يسمح للمستشعر بالتقاط التغيرات الدقيقة في البيئة التي قد تفقدها التصاميم الأخرى الأقل تركيزًا. وتخلص الدراسة إلى أن هذا الترتيب المحدد للذهب والمادة الأساسية القابلة للتحول يوفر مسارًا واعدًا نحو إنشاء أجهزة طبية مدمجة وعالية السرعة. ويشير العمل إلى أن مثل هذا المستشعر يمكن تطويره في النهاية ليصبح أداة للتشخيص في نقاط الرعاية، مما يجلب قوة التحليل المختبري المعقد إلى حجم يمكن أن يتناسب مع مكتب طبيب أو عيادة، شريطة أن يتم بناء التصميم واختباره بنجاح في العالم الحقيقي.