پژوهشگران دانشگاه توکیو اخیراً به دستاوردی چشمگیر در حوزه طیف سنجی رامان دست یافته‌اند که سرعت اندازه‌گیری این روش را تا 100 برابر افزایش داده است. این موفقیت، که با ترکیب طیف سنجی رامان همدوس، استفاده از یک لیزر فوق کوتاه پالسی و فناوری کشش زمانی ممکن شده است، امکانات جدیدی را برای تصویربرداری شیمیایی سریع و بدون نیاز به نشانگر فراهم کرده است و می‌تواند تحول شگرفی در تشخیص پزشکی و تجزیه و تحلیل مواد ایجاد کند. با دیجی رو همراه باشید.
طیف سنجی رامان: ابزاری برای تشخیص مولکول‌ها
طیف سنجی رامان (Raman Spectroscopy) به عنوان یک روش پیشرفته، نقش کلیدی در علوم پایه و کاربردی ایفا می‌کند و برای تشخیص انواع مولکول‌ها و سلول‌ها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، تابش لیزر به مولکول‌ها برخورد می‌کند و این تعامل منجر به تغییراتی در ارتعاشات و چرخش پیوندهای مولکولی می‌شود و فرکانس نور تابش یافته تغییر می‌کند. این تغییر فرکانس که به عنوان “طیف پراکندگی” شناخته می‌شود، در واقع “اثر انگشت ارتعاشی” هر مولکول است و به کمک آن می‌توان مولکول‌ها را شناسایی کرد.
دکتر تاکرو ایدگوچی (Takuro Ideguchi)، محقق ارشد این پژوهش، در این باره می‌گوید:
اندازه‌گیری، بنیان علم است و ما تلاش می‌کنیم تا بهترین عملکرد را در سیستم‌های اندازه‌گیری خود به دست آوریم. هدف ما گسترش مرزهای اندازه‌گیری‌های نوری است.
به عنوان مثال، طیف سنجی رامان در پزشکی کاربردهای گسترده‌ای دارد که دلیل آن توانایی در شناسایی مولکول‌ها و تحلیل ترکیبات شیمیایی بدون نیاز به برچسب‌گذاری و تغییر در نمونه‌ها است. در زیر به چند مورد از کاربردهای مهم این فناوری در پزشکی اشاره می‌کنیم:
- تشخیص سرطان: طیف سنجی رامان می‌تواند برای شناسایی سلول‌های سرطانی به کار رود. از آنجا که بافت‌های سرطانی دارای ساختار و ترکیب مولکولی متفاوتی نسبت به بافت‌های سالم هستند، طیف سنجی رامان می‌تواند این تفاوت‌ها را تشخیص دهد. این روش به ویژه برای تشخیص زودهنگام انواع سرطان‌ها مانند سرطان پوست، سینه و مغز کاربرد دارد.
- شناسایی عفونت‌ها: طیف سنجی رامان قادر است باکتری‌ها و ویروس‌ها را بر اساس ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها شناسایی کند. این کاربرد می‌تواند برای تشخیص عفونت‌ها و شناسایی پاتوژن‌ها، مانند باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، مفید باشد.
- اندازه‌گیری غلظت گلوکز: طیف سنجی رامان به عنوان یک روش غیرتهاجمی برای اندازه‌گیری گلوکز خون استفاده می‌شود. با توجه به اهمیت نظارت دقیق بر سطح گلوکز برای بیماران دیابتی، این روش می‌تواند جایگزینی دقیق و غیرتهاجمی برای روش‌های سنتی نظارت بر قند خون باشد.
- تصویربرداری از بافت‌ها: در تشخیص‌های پزشکی، طیف سنجی رامان همراه با میکروسکوپ‌های پیشرفته برای تصویربرداری بافت‌های زیستی استفاده می‌شود. این روش به پزشکان امکان می‌دهد تا ساختار مولکولی دقیق بافت‌ها و سلول‌ها را شناسایی کنند و از این طریق به تشخیص دقیق‌تر بیماری‌ها برسند.
- تشخیص پلاک‌های آترواسکلروزی: در حوزه قلب و عروق، طیف سنجی رامان می‌تواند برای شناسایی پلاک‌های آترواسکلروزی و تشخیص میزان تجمع کلسترول و چربی‌ها در عروق استفاده شود. این اطلاعات برای ارزیابی خطر ابتلا به بیماری‌های قلبی عروقی اهمیت زیادی دارد.
- مطالعه متابولیت‌های سلولی: طیف سنجی رامان به دلیل توانایی شناسایی مولکول‌های متنوع، برای بررسی متابولیت‌های سلولی در نمونه‌های بافتی و مایعات بدن، مانند خون و ادرار، کاربرد دارد. این کاربرد می‌تواند در تحقیقات بالینی و تشخیص بیماری‌های متابولیکی موثر باشد.
این روش به عنوان ابزاری سریع، غیرتهاجمی و دقیق، در حال گسترش در حوزه‌های مختلف پزشکی است و پتانسیل بالایی برای بهبود روش‌های تشخیصی و درمانی در اختیار متخصصان قرار می‌دهد.
چالش‌ها و نوآوری‌های تکنولوژیکی در طیف سنجی رامان
طیف سنجی رامان از زمان معرفی به عنوان یک ابزار پرکاربرد برای شناسایی مولکولی، با محدودیت‌هایی به ویژه در سرعت اندازه‌گیری روبرو بوده است. بسیاری از واکنش‌های شیمیایی و فیزیکی به سرعت رخ می‌دهند و این روش نمی‌تواند همگام با این تغییرات سریع عمل کند. پژوهشگران برای غلبه بر این محدودیت، سیستمی را از ابتدا طراحی و پیاده‌سازی کردند که قادر است با نرخ 50 میلیون طیف بر ثانیه اندازه‌گیری کند؛ این رقم 100 برابر بیشتر از بهترین نرخ اندازه‌گیری‌های قبلی است که حداکثر به 50 هزار طیف در ثانیه می‌رسید.
پژوهشگر اصلی این پروژه در این باره چنین توضیح می‌دهد:
من سال‌ها رویای توسعه چنین سیستمی را داشتم، اما تا پیش از این ابزار لازم برای شروع این پروژه در دسترس نبود. در نهایت، با توسعه یک لیزر جدید و بهینه در سال‌های اخیر، این ایده به واقعیت تبدیل شد.
روش‌های ترکیبی جدید: افزایش سرعت و دقت با طیف سنجی رامان همدوس و فناوری کشش زمانی
تیم تحقیقاتی با ترکیب چندین روش پیشرفته، موفق به این پیشرفت شگرف شده است. سه عنصر کلیدی در این پیشرفت شامل موارد زیر است:
- طیف سنجی رامان همدوس (Coherent Raman Spectroscopy): نسخه‌ای از طیف سنجی رامان که نسبت به روش‌های سنتی سیگنال‌های قوی‌تری تولید می‌کند و باعث افزایش حساسیت اندازه‌گیری می‌شود.
- لیزر فوق کوتاه پالسی (Ultrashort Pulse Laser): این نوع لیزرها به دلیل پالس‌های کوتاه خود، قادرند ارتعاشات مولکولی را با دقت و سرعت بالا ثبت کنند.
- فناوری کشش زمانی با استفاده از فیبر نوری (Time-Stretch Technology Using Optical Fibers): با استفاده از این فناوری، سیگنال‌ها در طول فیبر نوری کشیده می‌شوند که این امر امکان ثبت سریع‌تر و دقیق‌تر طیف‌ها را فراهم می‌کند.
کاربردهای آینده این فناوری: از میکروسکوپی تا فلوسیتومتری
افزایش 100 برابری سرعت در طیف سنجی رامان درهای جدیدی را برای پژوهش‌ها و کاربردهای علمی باز می‌کند. دکتر ایدگوچی می‌گوید:
هدف ما استفاده از این طیف سنجی برای تصویربرداری میکروسکوپی است که امکان ثبت تصاویر دوبعدی یا سه‌بعدی با استفاده از طیف‌های پراکندگی رامان را فراهم می‌کند.
همچنین، آن‌ها امیدوارند این فناوری را با میکروفلوئیدیک ترکیب کنند تا سیستم‌هایی برای تصویربرداری شیمیایی با بازده بالا و بدون نیاز به نشانگر ایجاد کنند که می‌تواند مولکول‌های زیستی را در سلول‌ها و بافت‌ها شناسایی کند.
نتیجه‌گیری: افقی نوین در تشخیص مولکولی و تحلیل مواد
پیشرفت‌های اخیر در طیف سنجی رامان که به لطف فناوری‌های نوینی مانند لیزر فوق کوتاه پالسی و کشش زمانی به دست آمده، سرعت و دقت این ابزار حیاتی را به سطحی بی‌سابقه ارتقا داده است. این دستاورد می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه‌های مختلف از جمله تشخیص پزشکی، تحلیل مواد و تحقیقات علمی منجر شود و فرصت‌های تازه‌ای را برای پژوهشگران و متخصصان در این حوزه فراهم آورد.
