پایش بازدم بیمار با حسگر حاوی ابریشم برای تشخیص سریع بیماری

به گزارش خبرگزاری مهر، بازدم انسان می‌تواند اطلاعات زیادی در مورد وضعیت سلامت او آشکار کند. مولکول‌های کوچک موجود در هوای بازدمی ما سرنخ‌هایی از همه چیز از بیماری ریوی گرفته تا دیابت را ارائه می‌دهند.به همین دلیل است که محققان مشتاق توسعه حسگرهای تنفسی با حساسیت بیشتری بوده که قادر به تشخیص ترکیبات مشخص با دقت بالا هستند.

به تازگی دانشمندان نوع جدیدی از حسگرهای الکترونیکی آلی را طراحی کرده‌اند که از خواص منحصر به فرد ابریشم برای دستیابی به حساسیت و سرعت بی‌سابقه استفاده می‌کند.

این دستگاه جدید که جزئیات طراحی آن در مقاله‌ای در نشریه Advanced Materials منتشر شده، زاییده فکر تیمی از دانشگاه تافتس به رهبری فیورنزو اومنتو است. سال‌هاست که آزمایشگاه اومنتو روش‌هایی را برای کنترل و الگوبرداری از فیبروئین ابریشم، پروتئین ساختاری که به ابریشم خواص قابل‌توجهی می‌دهد، پیشگام بوده است.

با ترکیب ابریشم با فناوری نیمه هادی سنتی، محققان یک ترانزیستور انعطاف‌پذیر ایجاد کردند که می‌تواند با جذب رطوبت بازدم، بین دو حالت کار به سادگی جابجا شود.

نکته کلیدی در این پروژه، در لایه‌های زیست‌پلیمری با ضخامت چند نانومتر نهفته است. اومنتو توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم ضخامت این لایه‌های ابریشم را تا مقیاس نانو کنترل کنیم.»

این کار به محققان اجازه می‌دهد تا نحوه تعامل مواد با مولکول‌های آب را بهینه کنند. این ترانزیستورها بر پایه IGZO ساخته شده‌اند، یک اکسید نیمه‌هادی همه‌کاره که به‌صورت تجاری در نمایشگرهای صفحه تخت استفاده می‌شود.

هنگامی که دستگاه خشک می‌شود، لایه‌های ابریشم با ضخامت فقط ۳ تا ۵ نانومتر به صورت غیرفعال در بالای IGZO قرار می‌گیرد و به ترانزیستور، که توسط محققان به‌عنوان «silk-FET» نامیده می‌شود، اجازه می‌دهد تا از طریق فیزیک نیمه هادی سنتی کار کند. اما هنگامی‌که silk-FET رطوبت را جذب می‌کند، خواص آن به شدت تغییر می‌کند.

آب به یون‌های مثبت و منفی اجازه می‌دهد تا در سطوح مشترک ابریشم هم‌تراز شوند و به اصطلاح لایه‌های دوتایی الکتریکی روی هم چیده شده‌، ساختاری مانند صفحات یک خازن در مقیاس نانو را تشکیل می‌دهند.

این حالت، عملکرد کاملاً متفاوتی از دروازه الکترولیت را امکان‌پذیر می‌کند که با روشن شدن ترانزیستور تا یک میلیون برابر جریان بیشتری تولید می‌کند. حتی مقدار کمی آب برای چرخاندن کلید کافی است. دانشمندان این حالت دروازه دوگانه را تنها به حضور مولکول‌های آب نسبت می‌دهند.

قابلیت جابه‌جایی بین دو حالت به سادگی با جذب آب از بازدم، حسگر فوق‌العاده حساسی را ایجاد می‌کند. هنگامی‌که فردی در دستگاه تنفس می‌کند، جریان تنها در ۳۰ میلی ثانیه افزایش می‌یابد زیرا بخار آب اجازه می‌دهد تا دریچه الکترولیت وارد شود. هنگامی‌که هوای خشک استنشاق می‌شود، ترانزیستور در عرض ۳۰۰ میلی ثانیه به حالت استاندارد باز می‌گردد.

این پاسخ سریع به حسگر اجازه می‌دهد تا هر دم و بازدم را در چرخه‌های تنفسی متعدد با وفاداری ردیابی کند.

محققان آرایه‌ای از ترانزیستورهای ابریشمی را روی یک ماسک جراحی ادغام کردند تا نشان دهند که چگونه فناوری آنها می‌تواند، تنفس را در زمان واقعی حتی زمانی که کاربر صحبت می‌کند یا حرکت می‌کند، نظارت کند.