بزرگنمايي:

سیاست و بازاریابی - توسعه نسل جدید حسگرهای بویایی با نام «اسمِل‌ترونیکس» پنجره‌ای تازه به‌سوی تشخیص زودهنگام بیماری‌ها از جمله سرطان ریه از طریق بازدم، پایش برخط آلاینده‌ها و شناسایی فساد مواد غذایی گشوده است.

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از ستاد نانو، حسگرهای شیمیایی سنتی معمولاً برای شناسایی گازهای مشخص طراحی شده‌اند، اما پژوهشگران اکنون به دنبال ساخت سامانه‌هایی هستند که بتوانند ترکیب‌های پیچیده و ظریف مولکول‌های فرّار را مانند حس بویایی انسان تشخیص دهند. این رویکرد که «اسمِل‌ترونیکس» نام گرفته، از نانومواد، آرایه‌های حسگری، فناوری‌های نوری و الکترونیکی و الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای شناسایی الگوهای پیچیده بو استفاده می‌کند. چنین فناوری‌ای می‌تواند در تشخیص بیماری از طریق بازدم، شناسایی فساد مواد غذایی، پایش آلاینده‌های محیطی و حتی شناسایی ترکیبات بسیار مشابه شیمیایی کاربرد پیدا کند.
تصور کنید دستگاهی کوچک روی میز قرار گرفته و بدون آن‌که چیزی را لمس کند، از روی هوای اطراف تشخیص دهد غذایی در حال فاسدشدن است، بیماری خاصی در بدن فرد وجود دارد یا ترکیبی از آلاینده‌ها در محیط منتشر شده است. چنین سامانه‌ای قرار نیست صرفاً یک گاز مشخص را شناسایی کند؛ هدف آن، تشخیص الگوی مولکولی یک بو است. پژوهشگران اکنون با توسعه نسل تازه‌ای از حسگرهای شیمیایی تلاش می‌کنند این ایده را به واقعیت نزدیک کنند؛ فناوری‌ای که در یک مرور پژوهشی در مجله Advanced Materials با عنوان «اسمِل‌ترونیکس؛ از حسگری گاز تا حسگری بو» بررسی شده است.
اصطلاح «اسمِل‌ترونیکس» (Smelltronics) برای توصیف رویکردی به‌کار می‌رود که تلاش می‌کند فاصله میان حسگرهای متداول گاز و سامانه بویایی زیستی را پر کند. تفاوت اصلی در این است که حسگرهای سنتی معمولاً برای شناسایی گازهای بسیار فرّار و مشخصی مانند هیدروژن، مونوکسیدکربن یا دی‌اکسید نیتروژن طراحی می‌شوند، درحالی‌که بوهای واقعی معمولاً از مجموعه‌ای پیچیده از ترکیبات آلی فرّار یا VOC تشکیل شده‌اند. بنابراین، تشخیص یک بو به معنای شناسایی یک مولکول منفرد نیست، بلکه به تشخیص تفاوت‌های ظریف میان مجموعه‌ای از مولکول‌ها نیاز دارد.
پژوهشگران برای رسیدن به این هدف، ابتدا روی طراحی موادی کار می‌کنند که بتوانند با مولکول‌های خاص برهم‌کنش انتخابی یا دست‌کم متفاوتی داشته باشند. فلزات نجیب مانند پلاتین، طلا و پالادیم از جمله موادی هستند که در ساخت حسگرهای مقاومتی شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. برای مثال، نانوسیم‌های دی‌اکسید قلع با نانوذرات پالادیم، طلا یا پلاتین اصلاح شده‌اند تا حساسیت آن‌ها به برخی گازها افزایش یابد.
در نمونه‌ای دیگر، اصلاح نانوسیم‌های اکسید روی با اسید اکتادسیل‌فسفونیک یا ODPA باعث شد حسگر بتواند گاز نونانال را با حساسیت بالاتر و به‌شکل برگشت‌پذیر تشخیص دهد. این مثال‌ها نشان می‌دهند که تغییر بسیار کوچک در سطح یک ماده می‌تواند نحوه تعامل آن با مولکول‌های موجود در هوا را تغییر دهد؛ موضوعی که برای ساخت حسگرهای بویایی اهمیت اساسی دارد.
یکی از مسیرهای جذاب دیگر، استفاده از نانوذرات طلا و ویژگی‌های نوری آن‌هاست. پژوهشگران با عامل‌دارکردن نانومیله‌ها یا نانوذرات طلا با مولکول‌هایی مانند سیستئین، حسگرهایی ساخته‌اند که در حضور برخی ترکیبات فرّار تغییر رنگ می‌دهند. در یک نمونه، این فناوری توانست ترکیبات فرّار گیاهی مختلف را طبقه‌بندی کند و حتی بیماری سوختگی دیررس گوجه‌فرنگی را تنها دو روز پس از آلودگی اولیه شناسایی کند.
در این میان، ساختارهای کربنی نیز نقش مهمی دارند. یک نمونه حسگر مقاومتی از کامپوزیت پلیمر پنتیپتسن و نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره ساخته شده است. حفره‌های موجود در ساختار این ماده، به دلیل شکل هندسی خود، امکان برهم‌کنش مناسب‌تر با مولکول‌های آروماتیک مسطحی مانند بنزن، تولوئن و ارتوزایلن را فراهم می‌کنند. در واقع، ماده حسگر به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که بتواند تفاوت‌های ساختاری میان مولکول‌ها را بهتر آشکار کند.
حسگرهای نوری نیز بخش مهمی از این تحول هستند. در یکی از مطالعات، پژوهشگران ورقه‌های دوبعدی تک‌بلوری از چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOFهای فلورسنت کایرال ساختند. این مواد در برابر ۱۷ ترکیب مختلف از ترپنوئیدها و ترپن‌های کایرال آزمایش شدند. هنگامی که این مولکول‌ها با جایگاه‌های اتصال کایرال در ساختار MOF برهم‌کنش کردند، شدت فلورسانس ماده کاهش یافت. ویژگی مهم این روش آن است که می‌تواند حتی میان مولکول‌هایی با ساختار بسیار مشابه، از جمله ایزومرها و انانتیومرها، تمایز ایجاد کند.
پدیده پلاسمون سطحی موضعی یا LSPR نیز در این زمینه اهمیت دارد. در نانوذرات طلا و نقره، برهم‌کنش نور با نوسان الکترون‌های رسانش می‌تواند ویژگی‌های نوری مشخصی ایجاد کند. هنگامی که یک مولکول VOC در اطراف این نانوذرات قرار می‌گیرد، محیط اطراف نانوذره تغییر می‌کند و این تغییر می‌تواند در طیف نوری قابل مشاهده باشد. به این ترتیب، یک رویداد مولکولی بسیار کوچک به سیگنالی تبدیل می‌شود که دستگاه قادر به ثبت آن است.
بااین‌حال، بخش قابل‌توجهی از پژوهش‌های اسمِل‌ترونیکس بر حسگرهای مقاومتی شیمیایی یا Chemiresistorها متمرکز است. این حسگرها در حالت عادی مقاومت الکتریکی مشخصی دارند و با تغییر محیط شیمیایی، مقاومت یا رسانایی آن‌ها تغییر می‌کند. سادگی ساخت، مصرف انرژی پایین و امکان کوچک‌سازی باعث شده است این فناوری گزینه جذابی برای سامانه‌های بویایی مصنوعی باشد.
یکی از راهکارهای مهم در این حوزه، استفاده از شبکه‌های نانوذرات فلزی و کامپوزیت‌های پلیمری است. برای نمونه، مولکول‌های VOC می‌توانند وارد لایه‌های آلی اطراف نانوذرات طلای پوشش‌داده‌شده با ترکیبات تیولی شوند. این فرایند باعث تورم لایه آلی و تغییر فاصله میان نانوذرات می‌شود و در نتیجه مقاومت مسیر انتقال الکترون تغییر می‌کند. مجموعه‌ای از این حسگرها که هرکدام به شیوه‌ای متفاوت به مولکول‌های موجود در هوا پاسخ می‌دهند، می‌تواند یک «اثر انگشت» برای هر بو ایجاد کند.
اهمیت پزشکی این فناوری نیز بسیار قابل‌توجه است. در یک مطالعه، آرایه‌ای ۹کاناله از حسگرهای مبتنی بر نانوذرات طلای عامل‌دارشده توانست بر اساس ترکیبات موجود در بازدم، میان افراد مبتلا به سرطان ریه و افراد سالم تمایز ایجاد کند. نکته مهم این بود که برای این کار نیازی به پیش‌تغلیظ یا رطوبت‌زدایی نمونه بازدم وجود نداشت. این موضوع نشان می‌دهد که «بوی بازدم» می‌تواند در آینده به یکی از مسیرهای کم‌تهاجمی برای بررسی وضعیت سلامت تبدیل شود.
مقیاس آرایه‌های حسگری نیز در حال تغییر است. در یک نمونه، ۱۰۲۴ کانال نانوفیلمی دی‌اکسید قلع روی یک تراشه مجتمع شدند تا سامانه‌ای سریع و قابل‌اعتماد برای تشخیص VOCها ایجاد شود. در مطالعه‌ای دیگر، حدود ۱۰هزار حسگر منفرد روی نانولوله‌های موجود در یک تراشه قرار گرفتند؛ آن هم درحالی‌که کل آرایه تنها از چهار اکسید فلزی تشکیل شده بود. چنین معماری‌هایی می‌توانند برای شناسایی مخلوط گازها و بوهای پیچیده، اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به یک حسگر منفرد تولید کنند.
بااین‌حال، اسمِل‌ترونیکس هنوز با یک مشکل اساسی روبه‌رو است. مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی معمولاً پایداری شیمیایی و حرارتی بالایی دارند، اما توانایی آن‌ها برای شناسایی مولکول‌های بسیار مشابه محدود است. در مقابل، مواد آلی و زیستی قابلیت تنظیم و طراحی مولکولی بیشتری دارند، ولی ممکن است در استفاده طولانی‌مدت از پایداری کمتری برخوردار باشند. به بیان ساده، ساخت حسگری که هم دقیق باشد، هم سریع، هم حساس و هم سال‌ها بدون افت عملکرد کار کند، هنوز برای دانشمندان یک دردسر تمام‌عیار است.
از سوی دیگر، مواد حسگر به‌تنهایی نمی‌توانند مشکل را حل کنند. وقتی یک بو از ده‌ها یا حتی صدها ترکیب مختلف تشکیل شده باشد، خروجی یک حسگر منفرد معمولاً اطلاعات کافی در اختیار دستگاه قرار نمی‌دهد. به همین دلیل، پژوهشگران به سمت آرایه‌های حسگری و تحلیل داده با یادگیری ماشین و هوش مصنوعی حرکت کرده‌اند. در این معماری، هر حسگر به مجموعه‌ای از مولکول‌ها پاسخ می‌دهد و ترکیب پاسخ‌های همه حسگرها یک الگوی چندبعدی ایجاد می‌کند. الگوریتم سپس تلاش می‌کند این الگو را به یک بو یا وضعیت مشخص نسبت دهد.
حتی یک ترانزیستور اثر میدان یا FET مبتنی بر نانوسیم‌های سیلیکونی نیز در یک مطالعه برای تشخیص ترکیبات مشابه مورد استفاده قرار گرفته است. سطح نانوسیم‌ها با تک‌لایه‌های خودآرا اصلاح شد و چهار ویژگی شامل تحرک حفره‌ها، شیب زیرآستانه، ولتاژ آستانه و جریان منبع-درین استخراج شد. سپس این داده‌ها به یک شبکه عصبی مصنوعی داده شدند و سامانه توانست میان برخی آلکان‌ها و الکل‌های مشابه تمایز ایجاد کند.
مسیر آینده این فناوری حتی فراتر از هوش مصنوعی متداول ترسیم شده است. پژوهشگران در نقشه راه پنج تا ۱۰ساله خود از توسعه رابط‌های مولکولی طراحی‌شده، مواد هیبریدی، مهندسی فصل‌مشترک‌ها و حسگرهای دارای تحریک پویا سخن می‌گویند و در مراحل بعد، فناوری‌هایی مانند محاسبات نورومورفیک، محاسبات مخزنی و هوش مصنوعی لبه‌ای را نیز وارد این سامانه‌ها می‌دانند.
در این نگاه، هدف دیگر صرفاً ساخت یک «حسگر گاز بهتر» نیست. هدف، ایجاد سامانه‌ای است که بتواند اطلاعات پیچیده موجود در یک بو را دریافت، رمزگذاری و تفسیر کند؛ چیزی شبیه کاری که سیستم بویایی انسان انجام می‌دهد، اما با مواد مهندسی‌شده و الگوریتم‌های محاسباتی.
پژوهشگران در عین حال تأکید می‌کنند که برای تبدیل اسمِل‌ترونیکس به فناوری واقعی، پنج ویژگی باید هم‌زمان دنبال شود: پایداری، سرعت، انتخاب‌پذیری، حساسیت و پایداری زیست‌محیطی. ویژگی پنجم اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند، زیرا بسیاری از کاربردهای آینده ممکن است به حسگرهای کوچک و حتی یک‌بارمصرف نیاز داشته باشند.
اگر این مسیر موفق شود، «بینی مصنوعی» دیگر صرفاً یک آرایه از حسگرها نخواهد بود. این فناوری می‌تواند به ابزاری برای تشخیص بیماری از بازدم، شناسایی فساد مواد غذایی، پایش آلودگی هوا و شناسایی ترکیبات شیمیایی پیچیده تبدیل شود. شاید هنوز فاصله زیادی تا ساخت دستگاهی که واقعاً مانند انسان «بو را بفهمد» وجود داشته باشد، اما پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند دانشمندان دست‌کم در حال ساخت اجزای لازم برای چنین بینی‌ای هستند؛ بینی‌ای که به‌جای سلول‌های گیرنده بویایی، از نانومواد، مدارهای الکترونیکی و الگوریتم‌ها استفاده می‌کند.