تستخدم المستشعرات الحيوية البصرية الضوء كمسبار للكشف عن الجزيئات، وهي ضرورية للتشخيص الطبي الدقيق، ومراقبة البيئة، ويتحسن أداؤها بشكل كبير إذا تمكنت من تركيز الضوء حتى مقياس النانومتر، وهو مقياس صغير بما يكفي للكشف عن البروتينات أو الأحماض الأمينية.
لكن توليد الضوء وكشفه في هذه المستشعرات الحيوية يتطلب معدات ضخمة ومكلفة، مما يحد بشكل كبير من استخدامها في التشخيص السريع أو في مراكز الرعاية الصحية.
النفق الكمومي
والآن، تمكن فريق بحثي بقيادة علماء من مدرسة لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية، وهو معهد بحوث وجامعة في مدينة لوزان السويسرية، من تطوير شريحة كهربائية صغيرة (أصغر من ظفر الإصبع)، تستخدم مفهوم النفق الكمومي لاكتشاف جزيئات حيوية بدقة فائقة.
و”النفق الكمومي” هو ظاهرة غريبة في ميكانيكا الكم، تسمح لجسيم صغير (مثل إلكترون) أن يعبر من خلال حاجز لا يمكنه عبوره في الفيزياء العادية!
وعلى سبيل التبسيط، تخيّل كرة (مثل الإلكترون) أمام جدار، في الحياة العادية تحتاج الكرة أن تقفز فوق الجدار لتعبر، لكن في ميكانيكا الكم، فإن الكرة قد تظهر فجأة على الجانب الآخر من الجدار دون أن تقفز فوقه، هذا ما يُسمى “نفق كمومي”، كأن الجسيم يحفر نفقا غير مرئي ويظهر على الطرف الآخر.
الإلكترونات القافزة
وبحسب الدراسة، التي نشرها الباحثون في دورية “نيتشر فوتونيكس”، تُمرّر شحنة كهربائية صغيرة (فولتية ثابتة) عبر الشريحة، ومن ثم فإن الإلكترونات “تقفز” بشكل مفاجئ عبر حاجز زجاجي رقيق من الألومينا، إلى طبقة ذهبية، عبر ظاهرة النفق الكمومي.
خلال هذه العملية، تُنتَج فوتونات ضوئية (ضوء) من الشريحة، مما يساعد على استشعار وُجود الجزيئات على سطحها.
وبحسب الدراسة، تستطيع الشريحة الكشف عن بروتينات أو أحماض أمينية بوزن يصل إلى تريليون جزء من الغرام، يجعلها تنافس أقوى أجهزة الاستشعار الضوئية المتوفرة حاليا.
تطبيقات واسعة
يفتح ذلك الباب لتطبيقات واسعة في نطاق التشخيص الطبي الفوري (كاشف الأمراض بشكل سريع ودقيق)، والكشف عن تلوثات بيئية (مواد سامة أو مخلفات صناعية)، إلى جانب استخدامات صناعية وبحثية في الرصد الحي للجزيئات، مثل تطوير الأدوية الجديدة.
ويقول إيفان سينيف، الباحث في مختبر أنظمة الفوتون الحيوي في بيان صحفي صادر من مدرسة لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية: “يقدم عملنا مستشعرا متكاملا يجمع بين توليد الضوء والكشف، على شريحة واحدة”.
ويضيف: “يأتي ذلك مع تطبيقات محتملة تتراوح من التشخيص إلى الكشف عن الملوثات البيئية، تمثل هذه التقنية آفاقا جديدة في مجال الأجهزة عالية الأداء”.