پروفسور اوون جی گای در سال 1997 مدرک کارشناسی شیمی خود را با درجه 1 دریافت کرد و جایزه اییلینگ را برای تحصیلات عالی در شیمی در دانشگاه سوانسی به‌ دست آورد. همچنین وی جایزه لئونارد هینکل را برای دکترای شیمی خود در سال 2001 برای کار بر روی "تجزیه نوری رنگ‎دانه‌های ink – jet"، با همکاری زنکا، از آن خود کرد. در سال 2007 ، او به عنوان یک عضو RCUK در علوم نانوپزشکی و مدرس دانشگاه سوانسی انتخاب شد.

وی در حال حاضر استاد دانشکده مهندسی دانشگاه سوانسی و مدیر مرکز نانوسلامت دانشگاه سوانسی است که در زمینه تولید در مقیاس نانو/میکرو، MNs، میکروسیالات، ادوات و نانوسیم‌های سیلیکونی و حسگرهای گرافن برای کاربردهای بهداشت سلامت تحقیق می‌کند. زمینه‌های پژوهشی اصلی او در مورد حسگرهای زیستی گرافنی و ادغام آن با میکروسیالات و فناوری الکترونیک است.

1- آیا شما میتوانید مروری کلی از زمینه‌های تحقیقاتی خود در دانشگاه سوانسی را به خوانندگان ما ارائه دهید؟

من در مرکز نانوسلامت دانشگاه سوانسی که در حوزه تلفیقی بین پزشکی و مهندسی فعالیت می‌کند، مستقر هستم. موضوع کلی تحقیقات ما استفاده از راه‌حل‌های فناوری نانو برای بهداشت سلامت است. بخشی از تحقیقات ما بر روی حسگرهای گرافن، به‌ویژه حسگرهای زیستی گرافن، برای توسعه حسگرهای تشخیص زودهنگام بیماری‌هایی مانند سرطان، زوال عقل و سکته مغزی است. همچنین ما فناوری میکرو سیالات، مانند میکرو‌کانال‌ها و میکرو‌سوزن‌ها را توسعه می‌دهیم و در حال برقراری ارتباط بین حسگر و فناوری میکروسیالات در یک ابزار کامل هستیم.

2- لطفا توضیح دهید که یک حسگر بیولوژیکی (حسگر زیستی) چیست و چگونه کار می‌کند؟

در مفهوم پایه، حسگر زیستی یک حسگر یا جزء مبدل است که قادر به شناسایی یک نشانگر زیستی خاص است. در حالت ایده‌آل، شما می‌خواهید این تشخیص حساس و انتخابی باشد. شما نیاز دارید که حساسیت نسبت به غلظت‌های بالینی موجود، وجود داشته باشد و انتخاب نیز جهت تشخیص مولکول مورد‌نظر انجام شود و هیچ‌گونه تداخلی از دیگر مولکول‌های موجود در محلول‌های پیچیده‌ای مانند خون، بزاق یا ادرار وجود نداشته باشد.

از نقطه‌نظر فعالیت حسگر، انواع مختلفی از حسگر‌ها وجود دارد که توانایی تشخیص در آنها به‌صورت الکتروشیمیایی، الکتریکی یا نوری است. حسگر‌های ما مبتنی‌بر تشخیص الکتروشیمیایی هستند که در آن تعامل یک نشانگر زیستی با گیرنده زیستی که به سطح حسگر متصل است، باعث تغییر در مقاومت الکتریکی حسگر می‌شود.

3- انواع اصلی حسگرهای گرافنی موجود کدام است؟

حسگرهای گازی مبتنی‌بر گرافن وجود دارند که می‌توانند مولکول‌های منفرد را شناسایی کنند، بنابراین بسیار حساس هستند. همچنین تعداد زیادی از فناوری‌های حسگر چاپی با‌ استفاده از انواع مختلف جوهرهای گرافن یا جوهرهای نانوذره‌ای گرافیت وجود دارد که مشابه حسگر‌های چاپی مبتنی‌بر نانولوله‌های کربنی هستند.

این‌ حسگرها در قالب الکترودهای چاپی روی صفحه، به‌صورت سیستم سه الکترود چاپ شده، هستند. هزینه تولید و خرید نسبتاً ارزان است، اما از نظر عملکرد مشابه سایر حسگرها، نظیر حسگرهای گاز تولید شده در آزمایشگاه‌های فیزیک، نیستند.

در‌ حال‌حاضر دانشمندان در حال توسعه حسگرهای گرافن ساخته شده به‌روش لیتوگرافی یا حسگرهای گرافن الگو‌گذاری شده با استفاده از گرافن حاصل از CVD یا گرافن اپیتاکسی هستند. با استفاده از این‌گونه روش‌ها، احتمالا حسگرهایی تولید می‌شوند که عملکرد بهتری دارند؛ حسگری از نوع ChemFET (ترانزیستور اثر میدان شیمیایی) به‌طور بالقوه می‌تواند مولکول منفرد را شناسایی کند.

این مروری کلی است از آنچه که فعلاً در دسترس است. در‌حال‌حاضر، فکر نمی‌کنم حسگر‌های تجاری زیادی برای کاربردهای بیماری وجود داشته باشد، اما این ابزارها در حال توسعه هستند.

4- مزایای انتخاب گرافن به‌عنوان ماده مورد استفاده در یک حسگر زیستی چیست؟

گرافن یک ماده شگفت‌انگیز است و‌ به‌طور گسترده‌ای خواص استثنایی از آن گزارش شده است. بدیهی است که نسبت سطح به حجم بالا در گرافن بسیار مهم است. هرگونه برهم‌کنش سطحی به‌واسطه این نسبت سطح به حجم بالا، تقویت می‌شود. همچنین، گرافن خواص الکتریکی فوق‌العاده خوبی دارد، بنابراین هرگونه تغییر در سطح حسگرهای گرافنی می‌تواند منجر به یک اثر قوی در خواص الکتریکی شود.

 

گرافن یک شبکه کربنی تک لایه، گسترده و دو‌بعدی است. موپیک/ شاتراستاک

 

گرافن در مقایسه با ساختارهای حاوی سیلیکون، خنثی است؛ بدین معنی‌که در طول زمان اکسید و دچار تجزیه نمی‌شود، بنابراین عملکرد حسگری بسیار پایدارتری را نتیجه می‌دهد. همچنین شیمی سطح متنوعی دارد که می‌تواند برای تغییر سطح گرافن مورد استفاده قرار گیرد و آن را برای شناسایی نشانگرهای زیستی مختلف قابل استفاده کند.

5- آیا می‌توانید نمونه‌هایی از بیماری‌ها و شرایطی را که حسگر‌های زیستی گرافن می‌تواند برای تشخیص آنها استفاده شود، ارائه دهید؟

هم‌اکنون در حال توسعه حسگرهای نمونه اولیه برای انواع بیماری‌ها هستیم. حسگر‌های زیستی می‌توانند به‌طور بالقوه برای تشخیص سرطان در آینده مورد استفاده قرار گیرند. در حال حاضر، ما نشانگرهای استرس اکسیدکننده مربوط به سرطان پروستات را مورد بررسی قرار داده‌ایم و نشانگرهای مرتبط با سکته مغزی، ترومبوز وریدی عمیق و اختلالات لخته شدن خون بررسی شده است. تحقیقات اولیه‌ای در مورد بیماری قلبی با استفاده از مولکول‌هایی مانند تروپونین به‌عنوان نشانگر، انجام شده است. در حال حاضر، یک پروژه بزرگ جهت شناسایی نشانگرهای زوال عقل، مانند بیماری آلزایمر، را پیش‌رو داریم. بعد از این مرحله، روش ما می‌تواند در یک زمینه گسترده‌تر برای تشخیص داروها و/یا متابولیت‌های آنها، به‌عنوان مثال در یک حسگر شاهد یا داروهای سنتزی، استفاده شود؛ بنابراین این روش کاربرد گسترده‎ای، از بیماری‌ها تا حسگرهای دارویی و تشخیص نشانگر مرتبط با سلامتی، دارد.

6- چرا تشخیص و نظارت زودهنگام بر بیماری‌ها و شرایط، بسیار حیاتی است؟

آن‌چه مورد اهمیت است درمان بهتر با تشخیص زودهنگام است. اگر بتوانید بیماری را زود تشخیص دهید، می‌توانید زودتر درمان و مداخله کنید و نتایج موفقیت‌آمیزتری را در درمان به‌دست آورید. این موضوع بسیار اهمیت دارد و همه چیز در مورد تشخیص زودهنگام و تشخیص سریع است، به این معنی‌که احتمال موفقیت درمان بیشتر است.

7- چگونه شیمی سطح گرافن به منظور ایجاد یک حسگر زیستی عامل‌دار می شود؟

عوامل شیمیایی سطحی متعددی در سطح گرافن وجود دارد. این موارد به‌خوبی شناخته شده‌اند، زیرا برای گرافیت و نانولوله‌های کربنی نیز بررسی شده‌اند. بنابراین این فناوری‌ها با تغییراتی برای گرافن نیز قابل استفاده هستند. تحقیقات زیادی بر روی اکسید گرافن انجام شده است. اگرچه ما بر روی اکسید گرافن کار نمی‌کنیم و تنها روی گرافن تمرکز می‌کنیم؛ چون اکسید گرافن، هدایت گرافن را ندارد.

ما به‌دنبال عامل‌دار کردن گرافن اولیه هستیم و می‌توانیم با عامل شیمی آمینو‌سیلان به آن دست یابیم. این یک روش معمول با استفاده از مولکولی به‌نام APTES است، که مولکول آمینوسیلان به‌طور مستقیم گرافن را عامل‌دار می‌کند. همچنین می‌توانیم از شیمی دیازونیم و شیمی پلاسما استفاده کنیم که در آن سطح گرافن را با گاز پلاسما آمونیاک تحریک شده، اصلاح می‌کنیم.

هدف از این روش‌ها، اتصال یک گروه آمینو به سطح گرافن است که پس از آن می‌تواند برای تشخیص و پیوستن به مولکول‌های زیستی مورد استفاده قرار گیرد. ما از عامل آمین استفاده کردیم اما می‌توان از عامل کربوکسیک نیز برای این کار استفاده کرد. گروه‌های اسید‌کربوکسیلیک نیز بر روی سطح گرافن قادر به تشخیص و اتصال به مولکول‌های زیستی هستند.

8- چگونه سطح و خواص الکتریکی گرافن بعد از عامل‌دار شدن تغییر می‌کند؟

به‌طور‌کلی، زمانی‌که فرایند عامل‌دار کردن را به صورت کووالانسی انجام می‌دهید، اتصالات sp3 از نوع الماس را در گرافن وارد می‌کنید. در حالی‌که در گرافن اولیه، اتم‌های کربن به‌صورت sp2هیبرید شده‌اند، به این معنی که آنها دارای پیوندهای گرافیتی هستند. هنگامی‌که گرافن را به‌طور کووالانسی عامل‌دار می‌کنید، مشخصه پیوندهای sp2 را حذف می‌کنید که باعث کاهش هدایت الکتریکی می‌شود.

شما باید مراقب باشید که هدایت گرافن را در طی فرایند عامل‌دار کردن، از بین نبرید. بین میزان عامل‌دار شدن و حفظ عملکرد الکتریکی گرافن، کمی تفاوت وجود دارد.

 

تصویر نشان می‌دهد چگونه گرافن عامل‌دار شده می‌تواند با ترکیبات و پروتئین در یک نمونه سیال ارتباط برقرار کند.

 

هنگامی‌که شما در ابتدا گرافن را عامل‌دار کرده‌اید، می‌توانید گروه‌هایی را مانند آنتی‌بادی‌ها به آن متصل کنید. در صورتی‌که این گروه‌ها باردار باشند، می‌توانند تاثیر بیشتری بر هدایت کلی داشته باشند؛ به این معنی که می‌توانند افزایش یا کاهش هدایت بیشتری را سبب شوند. به‌واقع این تغییرات در هدایت به مواردی مانند بار و اندازه مولکول بستگی دارد.

9- چطور حسگر‌های زیستی گرافنی می‌توانند با میکروسیالات ادغام شوند؟

ما در حال انجام کارهای زیادی در این زمینه هستیم. یک چالش بزرگ در اتصال تراشه گرافن به چیزی شبیه به یک صفحه مدار چاپی (PCB) وجود دارد. ما در حال تلاش برای ایجاد اتصالات بین PCB و تراشه گرافن هستیم تا در مرحله بعد، آنها را با یک تراشه میکروسیالات تلفیق کنیم که کانال‌های سیال از بین ابزار گرافن عبور کند.

تکنیک‌هایی برای این فرآیندها موجود است؛ در حال‌حاضر ما از تکنیک‌های تولید آزمایشگاهی در فناوری تراشه و تولید نیمه‌هادی سیلیکونی MEMS(سیستم‌های میکرو‌الکترومکانیکی) استفاده می‌کنیم. ما از این نوع فناوری برای ادغام کانال‌های میکروسیالات با سطح تراشه گرافن یا در واقع، برای تولید تراشه‌های میکروسیالات و سپس اتصال آن به یک تراشه گرافنی استفاده می‌کنیم.

در‌حال‌حاضر، این موضوع زمینه‌ای کاملا چالش‌برانگیز است، اما فناوری‌ها در دسترس هستند و فقط باید با هم ادغام شوند.

10- بازار جهانی حسگرهای زیستی در حال حاضر چه میزان قیمت‌گذاری می‌شود و پیش‌بینی‌های رشد بازار در سه سال آینده چگونه است؟

در حال حاضر، بازار جهانی این ادوات حدود پانزده میلیارد دلار است؛ که رشد آن در حدود چهار و نیم درصد در سال است و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2018 به حدود 19 میلیارد برسد.

11- شما فکر می‌کنید چه زمانی حسگرهای زیستی گرافن در تشخیص بیماری‌های شایع و شرایط مشترک در حوزه بهداشت سلامت، جهانی شوند؟

من فکر می‌کنم در طول سه سال آینده، ما شاهد حسگرهایی برای بازارهای سلامت و یا حسگرهایی برای بیماری‌های غیر‌تهدید‌کننده زندگی، و همچنین برای برنامه‌های بهداشت سلامت خواهیم بود؛ و پس از آن، ما احتمالا برخی از حسگر‌ها را برای متابولیت‌های دارویی مشاهده خواهیم کرد. همچنین می‌توانیم برخی از حسگرها را در تشخیص آسیب مغزی و نشانگرهای قلب یا سکته مغزی داشته باشیم. این نوع حسگر‌ها طی سه تا ده سال آینده معرفی خواهند شد.

12- خوانندگان ما کجا می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد تحقیقات شما در زمینه حسگرهای زیستی گرافن پیدا کنند؟

ما تعدادی تالیف داریم (شرح داده شده در زیر) که ممکن است به آن علاقه‌مند باشند:

1. «زیست‌سنجی اپیتکسیال حسگرهای گرافنی برای تشخیص حساسیت بیومارکرهای خطرزای سرطانی»، تهرانی زری؛ بورول، گرگوری؛ محد عظمی، محد ازراعی؛ کستینگ، آمبروز؛ ریکمن، رابرت؛ المراشی جمال؛ دانستان، پیتر؛ میران بیگی، علی اکبر؛ دواک، شارن؛ و گای، اوون، مواد 2014، 1، 025004، 10.1088/2053/1583/1/2/ 025004.

2. «اثر یک مدولار دو مرحله‌ای ازن-آب و فرایند آنیلینگ بر روی گرافن کاربید سیلیکون»، وب، متیو جی. و پولی، کریگ و دیرشرل، کای و برول، گرگوری و پالمرن، پل و نیو، یوران و لندستدت، آنا و زاخاروف، الکسی آ. و گای، اوون جی و بالازابرامانیان، تیاگاراجان و یاکیمووا، روسیتا و گرنبرگ، هلنا، نامه‌های فیزیک کاربردی ، 105، 081602 (2014)، http:// dx.doi.org/10.1063/1.4893781.

3. «بررسی استفاده از استات بوتیرات سلولز در حداقل انتقال باقیمانده گرافن، لیتوگرافی و عملیات پلاسما»، گرگوری برول، ناتان اسمیت و اوون گای، مهندسی میکرو الکترونیک 146 (2015) 81-84.

4. «حسگر الکتروشیمی گرافن اصلاح شده با Chitosan/AuNP برای تشخیص گونادوتروپین کورونی انسان بدون برچسب»، تیکسرا، سوفیا؛ فریرا، نادیا اس. کنلان، رابرت استیون؛ گای، ؛ فروش، ام جی اف، الکتروآنالیس دوره: 26 شماره: 12 صفحه: 2591-2598 (2014).

5. ، تیکسرا، اس کنلان، اس گای، سیلس، ام. (2014)، «تشخیص گونادوتروپین کوریونی انسان بدون استفاده از برچسب در سطوح پیکوگام با استفاده از آنتی‌بادی‌های متصل به الکترودهای گرافنی چاپ‌شده روی صفحه»، مجله مواد شیمیایی، 10.1039/C3TB21235A.

6. تیکسرا، اس. بوول، جی. کستینگ، ای. گنزالز، دی. کنلان، آر و گای ، (2014). «ایمونوسنسور گرافن اپیتکسیال برای گونادوتروپین کوریونی انسان». سنسورها و عملگرها، 190، 723-729. 10.1016/j.snb.2013.09.019.

7. « الکترود نانولوله کربنی تک دیواره چاپ شده روی صفحه به عنوان ایمونوسنسور برای گونادوتروپین کوریونی انسان». سوفیا تیکسرا، رابرت استیون کنلان، اوی جی گای، ماریا گورتی فریرا سلس، الکترو شیمی، 01/2014،136(1):323-329.