مركب من الكيتوزان-بولي(3,4-إيثيلينديوكسيثيوفين)-بولي(ستيرين سلفات)-جسيمات الذهب للكشف عن الأسيتون باستخدام مستشعر تصوير بلازموني

دلالات من النفس وبيئات عمل أكثر أمانًا

يشتهر الأسيتون كمزيل لطلاء الأظافر، لكنه يتصاعد أيضًا في المصانع والمختبرات وحتى في أنفاسنا. يمكن أن تشير مستوياته في الهواء الزفير إلى أمراض مثل السكري، بينما قد يشكل ارتفاعه في أماكن العمل خطرًا على الصحة والسلامة. تقدم هذه الدراسة طلاءً ضوئياً حسيًا جديدًا قادرًا على اكتشاف الأسيتون بسرعة وبانتقائية، حتى في وجود أبخرة كحولية شائعة أخرى، مما يفتح طريقًا لأجهزة فحص النفس المحمولة ومراقبات صناعية بسيطة.

لماذا نهتم برائحة مذيب

الأسيتون سائل صغير شديد الاشتعال يُستخدم كمنظف ومذيب قوي في الصناعات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والنسيج والدهانات والمختبرات البحثية. وبما أنه يتبخر بسهولة، يتعرّض الناس لبخاره كثيرًا. الأطباء يهتمون به لسبب مختلف: إذ يُعد الأسيتون في النفس «مؤشراً حيويًا» مهمًا للسكري ولحالة خطيرة اسمها الحماض الكيتوني السكري. قياسه عادة يتطلب أدوات مختبرية معقدة. جهاز مدمج وبسيط يمكنه استشعار كميات ضئيلة من الأسيتون في الوقت الحقيقي قد يساعد على متابعة المرض دون سحب الدم ويحسّن أمان المساحات الصناعية.

كيف يُستخدم الضوء لرصد المواد الكيميائية

جوهر الجهاز في هذا العمل هو مستشعر تصوير رنين البلازما السطحي (SPRi). ببساطة، يسلط ليزر أحمر عبر كتلة زجاجية على طبقة رقيقة من الذهب. عند زاوية معينة، يرتبط الضوء بموجات إلكترونية على سطح المعدن، فيُصبح الشعاع المُنعكس مظلماً بشكل غير عادي. هذه النقطة الداكنة حساسة للغاية لما يغطي الذهب ولأي بخار يلامسه. عندما تحط جزيئات الأسيتون على طلاء خاص فوق الذهب، فإنها تغيّر بشكل طفيف انعكاس الضوء. تسجل كاميرا تغيّرات صغيرة في نمط السطوع مع مرور الوقت، وتحول التحليلات الحاسوبية تلك التغيّرات إلى مقياس لقوة تفاعل البخار مع السطح.

طلاء ذكي مبني من قشور القشريات والذهب

أنشأ الباحثون نسختين من الطلاء الحساس. كلاهما قائم على الكيتوزان، وهو مادة شبيهة بالسكر تُستخرج غالبًا من قشور الروبيان، مخلوطة ببلاستيك موصل معروف باسم PEDOT:PSS. يوفر الكيتوزان مواقع عديدة يمكنها تكوين روابط مؤقتة مع الأسيتون، بينما يساعد البلاستيك على نقل تلك التفاعلات إلى الذهب الحساس للضوء أدناه. في النسخة المحسّنة أضاف الفريق جسيمات ذهب نانوية صغيرة نُنتجت بقصف هدف ذهبي بنبضات ليزر في سائل. أكدت اختبارات المجهر والطيفية أن هذه الجسيمات كانت تقريبًا كروية وموزعة جيدًا داخل الفيلم ومرتبطة بإحكام بشبكة البوليمر والكيتوزان المحيطة.

مراقبة ارتباط الأسيتون في الزمن الحقيقي

لاختبار الأداء، تعرّض الفريق كلا الطلاءين لبخار الأسيتون النقي ولمخاليط من الأسيتون مع الميثانول أو الإيثانول، وهما كحولا ن شائعان قد يربكان العديد من الحساسات. عند الزاوية التي يكون فيها الصورة المنعكسة أكثر ظلمة، رصدوا كيف تغيّر متوسط السطوع على مدى ثوانٍ. ارتفع الإشارة لكلا الطلاءين مع امتصاص الأسيتون ثم تراجعت عند تحرره. لكن نسخة جسيمات الذهب استجابت أسرع ومع تغير شدة أكبر بكثير — بنحو 1.6 مرة أكثر حساسية من الفيلم الأساسي، مع حد كشف منخفض جدًا. عندما تم تخفيف الأسيتون بالإيثانول أو الميثانول، صغُرت الإشارة بما يتناسب تقريبًا مع انخفاض محتوى الأسيتون. اللافت أنه عندما تعرّض الطلاء للإيثانول أو الميثانول النقيين وحدهما، بالكاد تغيرت الإشارة.

لماذا تُحدث جسيمات الذهب فرقًا

ينبع السلوك المحسّن للطلاء المتقدم من جوانب كيميائية وفيزيائية معًا. يحتوي الكيتوزان على مجموعات أمين وهيدروكسيل تجذب مجموعة الكربونيل القطبية بشدة في الأسيتون عبر روابط هيدروجينية وتفاعلات كهربائية. يقدم البلاستيك الموصل والكيتوزان معًا العديد من مواقع الارتباط هذه. إضافة جسيمات الذهب النانوية تعزز المجال الكهربائي المحلي عند السطح وتزيد من كثافة الشحنات المحمولة، مما يجعل الإشارة البصرية أكثر استجابة لأي حدث ارتباط. نتيجة لذلك، تسبب جزيئات الأسيتون تغيرًا أكبر بكثير في نمط الضوء المنعكس مقارنة بالميثانول أو الإيثانول، اللذين يتفاعلان بضعف مع السطح.

من إعداد المختبر إلى كاشفات عملية

تُظهر الدراسة أن طبقة رقيقة مصنوعة من الكيتوزان والبوليمر الموصل وجسيمات الذهب النانوية يمكن أن تعمل كـ«أنف» انتقائي للغاية للأسيتون عند الاقتران مع إعداد تصوير SPR. الطريق يعتمد على الضوء ومعالجة الصور فقط، ولا يتطلب علامات كما يعمل في درجة حرارة الغرفة وبأجهزة بسيطة. وبما أن المستشعر يستجيب بقوة للأسيتون لكنه بالكاد يلاحظ أبخرة الكحولات المماثلة، فيمكن تكييفه لأجهزة تحليل النفس لمراقبة الصحة الأيضية أو لمراقبات مدمجة تراقب تسرب المذيبات في المصانع والمختبرات، موفراً وسيلة متاحة وحساسة لاكتشاف هذه المادة الكيميائية المهمة.

الاستشهاد: Sadrolhosseini, A.R., Bizhanifar, A., Akbari, L. et al. Chitosan-poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)-AuNPs composite for acetone detection using plasmonic image sensor. Sci Rep 16, 7069 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38050-4

الكلمات المفتاحية: مستشعر الأسيتون, تحليل النفس, التصوير البلازموني, جسيمات الذهب النانوية, مركب الكيتوزان