کورتیزول یکی از هورمون‌هایی است که در پاسخ بدن به استرس نقش مهمی دارد و تغییر سطح آن می‌تواند اطلاعاتی درباره وضعیت فیزیولوژیک بدن ارائه کند. اندازه‌گیری این هورمون معمولاً با روش‌های آزمایشگاهی انجام می‌شود؛ اما نیاز به تجهیزات، آماده‌سازی نمونه و زمان پردازش، استفاده از چنین آزمایش‌هایی را در پایش سریع و خارج از آزمایشگاه محدود می‌کند. پژوهش جدید تلاش دارد این فاصله را با استفاده از یک حسگر الکترونیکی مبتنی بر گرافن کاهش دهد.
قلب این فناوری، یک «ترانزیستور اثر میدانی گرافنی با گیت الکترولیتی» (Electrolyte-Gated Graphene Field-Effect Transistor یا EG-GFET) است. کانال رسانای این ترانزیستور از گرافنی ساخته شده که به روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) تولید شده است. اما برای آنکه گرافن بتواند کورتیزول را به‌صورت انتخابی شناسایی کند، سطح آن با یک لایه شیمیایی ویژه اصلاح شده است.
پژوهشگران برای این کار از مولکول‌های پیونددهنده‌ای به نام «پیرن بیس‌ایمید» (Perylene Bisimide یا PBI) استفاده کردند. این مولکول‌ها با روش اختصاصی گروه تحقیقاتی موسوم به «انتقال به‌کمک لایه عاملی» (Functional Layer-Assisted Transfer یا FLaT) روی کانال گرافنی قرار گرفتند. این لایه دو نقش مهم دارد: از یک سو، ترکیبات شناسایی‌کننده کورتیزول را روی سطح گرافن تثبیت می‌کند و از سوی دیگر، از کانال گرافنی در برابر آلودگی‌های محیطی محافظت می‌کند.
در مرحله بعد، پژوهشگران قطعاتی از پادتن‌ها موسوم به «قطعات Fab» را به این لایه متصل کردند. این قطعات به‌طور اختصاصی کورتیزول را هدف قرار می‌دهند. بنابراین، زمانی که مولکول‌های کورتیزول موجود در نمونه بزاق به قطعات Fab متصل می‌شوند، ویژگی‌های الکتریکی ترانزیستور تغییر می‌کند.
این تغییر با جابه‌جایی نقطه دیراک (Dirac Point) گرافن آشکار می‌شود و در نهایت به یک سیگنال الکتریکی قابل‌اندازه‌گیری تبدیل می‌شود. به این ترتیب، برای شناسایی کورتیزول نیازی به استفاده از نشانگرهای اضافی نیست و اتصال مستقیم هورمون به سطح حسگر، خود به تغییر الکتریکی قابل‌تشخیص منجر می‌شود.
پژوهشگران ابتدا عملکرد حسگر را در محیط‌های آزمایشگاهی بررسی کردند. این سامانه توانست کورتیزول را در عرق مصنوعی در گستره غلظتی ۱۰۰ فمتومولار تا ۱ میکرومولار شناسایی کند. در محلول بافر فسفات (Phosphate-Buffered Saline یا PBS) نیز امکان تشخیص کورتیزول تا غلظت ۱ پیکومولار وجود داشت. حد تشخیص محاسبه‌شده برای این حسگر حدود ۳۰ فمتومولار بود؛ رقمی که نشان‌دهنده حساسیت بسیار بالای سامانه در شناسایی مقادیر اندک این هورمون است.
اما آزمایش اصلی زمانی اهمیت پیدا کرد که پژوهشگران حسگر را با نمونه واقعی بزاق انسان آزمایش کردند. نتیجه اندازه‌گیری حدود هفت دقیقه پس از قرار گرفتن نمونه روی حسگر آماده شد. این سرعت می‌تواند یکی از ویژگی‌های مهم فناوری برای کاربردهایی باشد که در آن پایش سریع و مکرر سطح کورتیزول مورد نیاز است.
یکی از چالش‌های مهم در طراحی هر زیست‌حسگر، تشخیص ماده هدف در میان تعداد زیادی از مولکول‌های دیگر است. بزاق انسان حاوی ترکیبات مختلفی است و یک حسگر کورتیزول باید بتواند هورمون موردنظر را از سایر مولکول‌های زیستی متمایز کند.
برای بررسی این ویژگی، پژوهشگران حسگر را در معرض سروتونین قرار دادند؛ آن هم در غلظتی ۵۰ برابر بیشتر از غلظت کورتیزول. با وجود این اختلاف زیاد، پاسخ حسگر به سروتونین ناچیز بود. این نتیجه نشان داد که کانال گرافنی اصلاح‌شده با قطعات Fab عمدتاً به کورتیزول پاسخ می‌دهد و واکنش قابل‌توجهی نسبت به مولکول مورد آزمایش دیگر نشان نمی‌دهد.
در مرحله بعد، گروه تحقیقاتی برای ارزیابی عملکرد حسگر در شرایط واقعی، نتایج آن را با روش رایج «آزمون ایمونوسوربنت متصل به آنزیم» یا ELISA مقایسه کرد. این بررسی با استفاده از نمونه‌های بزاق پنج داوطلب انجام شد و نتایج به‌دست‌آمده از دو روش در غلظت‌های پایین کورتیزول تطابق نزدیکی داشتند.
برای نمونه، در یکی از نمونه‌های بزاق، حسگر گرافنی غلظت کورتیزول را ۰.۷۹ نانومولار اندازه‌گیری کرد، در حالی که مقدار به‌دست‌آمده با ELISA برابر با ۰.۸۰ نانومولار بود. اختلاف میان دو اندازه‌گیری تنها حدود ۱.۵ درصد بود؛ نتیجه‌ای که نشان می‌دهد حسگر در محدوده غلظتی پایین می‌تواند عملکردی نزدیک به روش استاندارد آزمایشگاهی داشته باشد.
البته عملکرد حسگر در غلظت‌های بالاتر به همان اندازه دقیق نبود. این وضعیت به‌ویژه در نمونه‌های صبحگاهی که معمولاً سطح کورتیزول در آن‌ها بیشتر است، مشاهده شد. در این شرایط، حسگر گرافنی تمایل داشت غلظت کورتیزول را کمتر از مقدار اندازه‌گیری‌شده با ELISA نشان دهد.
پژوهشگران احتمال می‌دهند این اختلاف به محدوده کالیبراسیون مورد استفاده و همچنین پدیده اشباع حسگر در غلظت‌های بالاتر مربوط باشد. بنابراین، اگرچه نتایج اولیه امیدوارکننده است، برای استفاده عملی از این فناوری باید دامنه کالیبراسیون و عملکرد حسگر در گستره وسیع‌تری از غلظت‌های کورتیزول بهینه شود.
به گفته پژوهشگران، این مطالعه نخستین مقایسه مستقیم یک حسگر EG-GFET برای تشخیص کورتیزول با روش ELISA در بزاق واقعی انسان را ارائه می‌کند. اهمیت این موضوع در آن است که بسیاری از حسگرهای زیستی ممکن است در محلول‌های آزمایشگاهی عملکرد مناسبی داشته باشند، اما عملکرد آن‌ها در نمونه‌های واقعی بدن انسان می‌تواند با چالش‌های بیشتری همراه شود.
فناوری جدید در صورت توسعه بیشتر می‌تواند راه را برای ساخت ابزارهای کوچک و قابل‌حمل پایش استرس هموار کند. پژوهشگران معتقدند این پلتفرم را می‌توان برای شناسایی سایر نشانگرهای زیستی مرتبط با استرس نیز گسترش داد و آن را به واحدهای خوانش کوچک و قابل‌حمل متصل کرد.
چنین سامانه‌ای در آینده می‌تواند امکان پایش سطح کورتیزول را خارج از آزمایشگاه و حتی به‌صورت نزدیک به زمان واقعی فراهم کند. ترکیب حساسیت بالای گرافن، شناسایی اختصاصی مولکولی و اندازه‌گیری سریع، این فناوری را به گزینه‌ای قابل‌بررسی برای نسل آینده زیست‌حسگرهای قابل‌حمل تبدیل کرده است.
بااین‌حال، پیش از رسیدن چنین حسگرهایی به کاربرد گسترده، لازم است عملکرد آن‌ها روی تعداد بیشتری از افراد و در شرایط متنوع‌تر بررسی شود و مشکلات مربوط به کالیبراسیون در غلظت‌های بالاتر نیز برطرف شود. نتایج فعلی نشان می‌دهد که گرافن می‌تواند نقش مهمی در تبدیل یک نمونه ساده مانند بزاق به منبعی برای دریافت اطلاعات زیستی در مدت کوتاه ایفا کند؛ مسیری که می‌تواند پایش استرس و سایر شاخص‌های زیستی را از محیط آزمایشگاه به ابزارهای روزمره و قابل‌حمل نزدیک‌تر کند.