ساخت حسگر از باکتری‌هایی که برق تولید می‌کنند!

پژوهشگران آمریکایی نوعی حسگر بیوالکترونیکی ابداع کرده‌اند که با کمک باکتری‌های تولیدکننده سیگنال الکتریکی می‌تواند فاضلاب و غذا را بررسی کند.

کد خبر: ۷۳۰۵۱۷

تاریخ: ۲۵ اسفند ۱۴۰۴ - ۰۳:۰۴

به گزارش صراط به نقل از ایسنا، حسگرهای بیوالکترونیکی میکروبی از باکتری‌های زنده‌ای استفاده می‌کنند که می‌توانند در واکنش به وجود یک ماده یا آنالیت، سیگنال الکتریکی ایجاد کنند.

به نقل از فیز، این نوع حسگرها مزایای زیادی نسبت به سایر انواع حسگرهای زیستی مبتنی بر پروتئین‌ها و آنزیم‌ها دارند. باکتری‌ها می‌توانند عملکردهای متعددی را انجام دهند، در محیط‌های متنوعی زنده بمانند و حتی برای استفاده بلندمدت، رشد کنند و بازسازی شوند.

با وجود این، ساخت دستگاه‌هایی با استفاده از باکتری‌های زنده، چالش‌های متعددی را به همراه دارد. واسطه‌هایی که برخی از باکتری‌ها برای ارسال و دریافت الکترون‌ها و ایجاد سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند، می‌توانند توسط محیط‌های مایع مانند فاضلاب که پژوهشگران می‌خواهند بر آنها نظارت داشته باشند، از حسگر دور شوند. برخی از واسطه‌ها برای انسان یا محیط زیست سمی هستند. «رافائل وردوزکو»(Rafael Verduzco)، پژوهشگر «دانشگاه رایس»(Rice University)، یک حسگر بیوالکترونیکی ایمن ابداع کرده است که امکان ارتباط الکترونیکی مؤثر را حتی در محیط‌های مایع فراهم می‌کند.

وردوزکو گفت: این سیستم از یک پلیمر کیتوزان طبیعی استفاده می‌کند که در پوسته‌های بیرونی سخت‌پوستان یافت می‌شود. در سیستم ما، کیتوزان مانند یک پوسته عمل می‌کند تا از فرار باکتری‌ها جلوگیری کند. همچنین، کیتوزان اصلاح شده است تا دارای نقاط لنگری باشد که واسطه‌ها می‌توانند به آنها متصل شوند. این نقاط برای انتقال الکترون‌ها حیاتی هستند. این ماده، روشی انعطاف‌پذیر را برای کپسوله کردن باکتری‌ها و افزایش سیگنال‌های الکترونیکی فراهم می‌کند. از آنجا که این حسگر مبتنی بر یک پلیمر کم‌هزینه و تجدیدپذیر است، ما معتقدیم که پتانسیل بالایی را برای کاربرد در دنیای واقعی دارد.

«شین‌یوآن زو»(Xinyuan Zuo)، پژوهشگر ارشد این پروژه برای رسیدن به این سیستم، ایده ابداع هیدروژلی را داشت که باکتری‌ها را در نزدیکی الکترود به دام بیندازد. هیدروژل‌ها ژل‌های نرم و انعطاف‌پذیری هستند که از مخلوطی از جامدات متخلخل و نفوذپذیر ساخته می‌شوند. این هیدروژل به محیط کشت با آنالیت‌های بالقوه‌اش اجازه می‌دهد تا بدون آزاد کردن باکتری‌ها به داخل مایع، در داخل و اطراف باکتری‌های به‌دام‌افتاده جریان یابد. با وجود این، پژوهشگران به راهی نیز برای انتقال الکترون‌ها بین باکتری‌ها و الکترود نیاز داشتند.

زو گفت: ما متوجه شدیم که می‌توانیم هر دوی این مشکلات را با استفاده از یک پلیمر فعال ردوکس حل کنیم. این پلیمر به ما امکان می‌دهد تا سیگنال الکتریکی را از باکتری‌ها به طور مؤثر بگیریم و آن را به الکترود منتقل کنیم.

پلیمر فعال ردوکس که در اینجا به عنوان نقطه اتصال برای واسطه‌ها استفاده می‌شود، ماده‌ای است که می‌تواند هم الکترون را از منبع دیگری بپذیرد و هم الکترون را منتقل کند. این ویژگی ردوکس به الکترون‌ها امکان می‌دهد تا در امتداد پلیمرها جریان یابند، به الکترود برسند و به عنوان الکتریسیته خوانده شوند. پژوهشگران یک پلیمر ردوکس مبتنی بر کیتوزان -یک بیوپلیمر همه‌کاره- ابداع کردند که می‌توان از آن برای ساخت هیدروژل استفاده کرد و همچنین می‌توان آن را برای اتصال واسطه‌ها با هدف انتقال الکترون‌ها اصلاح کرد. با اتصال این واسطه‌های ردوکس و تشکیل یک هیدروژل در اطراف باکتری‌ها، آنها یک ماده الکترونیکی زنده و بیوهیبریدی را تولید کردند. پژوهشگران دریافتند که این هیدروژل زنده می‌تواند هنگام قرار گرفتن روی یک الکترود، جریان الکترونیکی پایداری را ایجاد کند.

وردوزکو گفت: این هیدروژل راهی را برای برقراری ارتباط الکترونیکی با باکتری‌ها فراهم می‌کند و دستگاه‌های بیوالکترونیکی زنده را قادر می‌سازد تا برای عمل کردن به عنوان حسگر، تولید مواد شیمیایی یا جداسازی و تجزیه مواد شیمیایی مضر استفاده شوند.

این پژوهش در مجله «Advanced Materials» به چاپ رسید.