DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118487
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40661428
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Saransh Arora وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق وتطبيقات جزيئات الذهب والفضة النانوية
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحديات المتعلقة بالكشف الحيوي البلازمي، وخاصة قيود مطيافية رامان المعززة بالسطح التقليدية (SERS) للتشخيصات في نقاط الرعاية (PoC). تعيق التكاليف العالية، والتصنيع المعقد، ومشاكل استقرار المستشعر تطبيقها العملي. تقدم هذه الدراسة مجموعة مبتكرة من أدوات تصنيع الركيزة SERS بتكلفة منخفضة تستخدم مواد متاحة بسهولة وتقنيات كيميائية كهربائية بسيطة، مما يمكّن من الإنتاج المحلي دون الاعتماد على شبكة الطاقة. تكلفة إنتاج المجموعة هي 39.54 دولار، مع تكلفة المستلزمات لكل اختبار تبلغ فقط 1.33 سنت. أكدت تحليلات إعادة الإنتاج الشاملة تعزيز البلازما المتسق عبر دفعات متعددة، مما يدل على موثوقية الطريقة.
تعتبر منصة سوراكشا مثالاً على حل كشف حيوي لامركزي مع تطبيقات في مراقبة البيئة، وسلامة الغذاء، والصحة العامة. تحقق حساسية عالية في الكشف عن المبيدات مثل ثيرام وثيابدازول عند مستويات منخفضة تصل إلى 0.1 جزء في المليون، متجاوزة الاختبارات التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تصنف بفعالية البكتيريا مثل الإشريكية القولونية وباسيلاس سوبتيليس باستخدام التعلم الآلي. تجعل تكلفة المنصة المنخفضة ومتطلبات إعداد العينة الحد الأدنى منها مناسبة للاختبار في الموقع باستخدام مطياف رامان المحمول. تتيح طريقة الكشف بدون علامات التكيف السريع مع الأهداف الجديدة، مما يعزز فائدتها في البيئات المتنوعة والمحرومة. بشكل عام، تمثل هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الكشف الحيوي المتاحة.
مقدمة
سلطت جائحة COVID-19 الضوء على الحاجة الملحة لحلول اختبار مبتكرة لتعزيز العدالة الصحية العالمية، خاصة في المناطق ذات الدخل المنخفض والمناطق المتأثرة بالنزاعات التي تفتقر إلى بنية تحتية صحية كافية. تواجه هذه المناطق تحديات كبيرة، بما في ذلك الوصول المحدود إلى المستشفيات، والموظفين المدربين، والمرافق الموثوقة، مما يستلزم تطوير مستشعرات حيوية منخفضة التكلفة وعالية الحساسية مناسبة للاستخدام في نقاط الرعاية. تظهر مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) كتقنية واعدة لهذه الإعدادات نظرًا لحساسيتها الاستثنائية وقدرات الكشف السريعة، التي يمكن تكييفها مع مختلف المحللات دون الحاجة إلى كواشف إضافية.
استجابةً لهذه التحديات، يقدم المؤلفون سوراكشا، مجموعة فحص قائمة على SERS مصممة للمناطق عالية المخاطر. تستخدم هذه المجموعة ركائز ورقية منخفضة التكلفة مزودة بهياكل نانوية فضية شجرية لتعزيز إشارات SERS بشكل كبير. تم تبسيط عملية التصنيع لتتطلب فقط مواد ومعدات أساسية، مما يسمح بالتوسع والاستقلال عن مصادر الطاقة غير المستقرة. تظهر سوراكشا حد كشف يبلغ 0.1 جزء في المليون للمبيدات وتحدد بفعالية مسببات الأمراض البكتيرية، مما يوفر حلاً منخفض التكلفة بحوالي 1.33 سنت لكل اختبار. تشير النتائج إلى أن سوراكشا تسد الفجوة بين التقنيات التحليلية المتقدمة والتطبيقات العملية، مما يمكّن من التشخيص السريع في الموقع في البيئات المحدودة الموارد ويمكّن المجتمعات من تعزيز قدراتها على مراقبة الصحة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، كانت المواد الرئيسية المستخدمة تشمل الأزرق الميثيليني (MB)، ثيرام، وثيابدازول، جميعها مستمدة من سيغما ألدريتش (الولايات المتحدة الأمريكية). تم الحصول على سلالات البكتيريا الإشريكية القولونية DH5α وباسيلاس سوبتيليس من مجموعة الثقافة الأمريكية (ATCC، الولايات المتحدة الأمريكية). تم شراء أطباق أجار لوريا-بيرتاني (LB) من ثيرمو فيشر ساينتيفيك (الولايات المتحدة الأمريكية). يشير القسم أيضًا إلى الجداول التكميلية 1-3، التي تحتوي على قوائم شاملة من المواد الكيميائية الإضافية، والكواشف، والمعدات المستخدمة في تطوير مجموعة سوراكشا، جنبًا إلى جنب مع تفاصيل حول الاختبارات القابلة للاستهلاك والعلامات التجارية الموصى بها لمياه الشرب.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. تشير البيانات بشكل محدد إلى علاقة قوية، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
علاوة على ذلك، تؤكد النتائج على أهمية العوامل المحددة، التي تساهم في تفسير التباين بحوالي 70% في المتغير التابع. تدعم هذه النتيجة الفرضية بأن هذه العوامل تلعب دورًا حاسمًا في النتائج الملحوظة. تتناول المناقشة هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية وتأكيد أهميتها للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية.
مناقشة
في تطوير منصة سوراكشا، ركز المؤلفون على إنشاء ركيزة مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) جاهزة للاستخدام الميداني باستخدام هياكل نانوية فضية شجرية. تم اعتبار طرق النمط النانوي التقليدية غير عملية نظرًا لاعتمادها على مرافق الغرف النظيفة والمعدات باهظة الثمن، والتي غالبًا ما تكون غير متاحة في البيئات المحدودة الموارد. بدلاً من ذلك، ابتكر المؤلفون طريقة ترسيب كهربائي منخفضة التكلفة باستخدام مواد متاحة بسهولة، مثل ورق الألمنيوم كأقطاب، وإعداد بسيط يعمل بالبطارية داخل جرة ميسون. تتيح هذه الطريقة تخليق الشجرات الفضية بطريقة بسيطة، مما يسهل جمع هذه الهياكل النانوية وتطبيقها على مستشعر حيوي قائم على الورق.
تم بناء ركيزة SERS القائمة على الورق باستخدام ورق مقوى لضمان المتانة وتقليل الفلورية الخلفية، التي يمكن أن تتداخل مع قياسات SERS. استخدم المؤلفون نهجًا منهجيًا لتحسين الأداء البصري للركيزة، بما في ذلك اختيار طول موجة الليزر وكثافة الطاقة لتعزيز رامان بشكل فعال. أظهرت خصائص الركيزة استجابة بصرية واسعة، مع ذروة عند حوالي 315 نانومتر، وكثافة طاقة ليزر مثالية تبلغ 45 مللي واط/سم² عند 532 نانومتر لتوليد إشارة متسقة. تم التحقق من حساسية الركيزة باستخدام الأزرق الميثيليني كمحلل نموذجي، حيث تم تحقيق حد كشف يتراوح بين 10 نانومتر و100 نانومتر. علاوة على ذلك، أشارت اختبارات إعادة الإنتاج عبر دفعات تصنيع متعددة إلى انخفاض التباين، مما يبرز إمكانات المنصة للتطبيقات الميدانية الموثوقة، مثل الكشف عن المبيدات وتصنيف البكتيريا، مع الحفاظ على التكلفة الفعالة المناسبة للنشر على نطاق واسع في البلدان ذات الدخل المنخفض والمتوسط.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118487
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40661428
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Saransh Arora et al.
Primary Topic: Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications
Overview
The research addresses the challenges of plasmonic biosensing, particularly the limitations of traditional surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for point-of-care (PoC) diagnostics. High costs, complex fabrication, and issues with sensor stability hinder its practical application. This study introduces an innovative, cost-effective SERS substrate fabrication kit that utilizes readily available materials and simple electrochemical techniques, enabling local production without reliance on a power grid. The kit’s production cost is $39.54, with consumables for each test costing only 1.33¢. Comprehensive reproducibility analyses confirmed consistent plasmonic enhancement across multiple batches, demonstrating the method’s reliability.
The Suraksha platform exemplifies a decentralized biosensing solution with applications in environmental monitoring, food safety, and public health. It achieves high sensitivity in detecting pesticides like Thiram and Thiabendazole at levels as low as 0.1 ppm, surpassing conventional tests. Additionally, it effectively classifies bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis using machine learning. The platform’s affordability and minimal sample preparation requirements make it suitable for on-site testing with portable Raman spectrometers. Its label-free detection method allows for rapid adaptation to new targets, enhancing its utility in diverse and underserved settings. Overall, this research represents a significant advancement in accessible biosensing technology.
Introduction
The COVID-19 pandemic highlighted the critical need for innovative testing solutions to promote global health equity, particularly in low-income regions and conflict-affected areas that lack adequate healthcare infrastructure. These regions face significant challenges, including limited access to hospitals, trained personnel, and reliable utilities, necessitating the development of low-cost, high-sensitivity biosensors suitable for point-of-care use. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) emerges as a promising technology for these settings due to its exceptional sensitivity and rapid detection capabilities, which can be adapted to various analytes without the need for additional reagents.
In response to these challenges, the authors present Suraksha, a SERS-based screening kit designed for high-risk areas. This kit utilizes affordable, paper-based substrates embedded with dendritic silver nanostructures to enhance SERS signals significantly. The manufacturing process is simplified to require only basic materials and equipment, allowing for scalability and independence from unstable power sources. Suraksha demonstrates a limit of detection of 0.1 ppm for pesticides and effectively identifies bacterial pathogens, offering a cost-effective solution at approximately 1.33¢ per test. The findings indicate that Suraksha bridges the gap between advanced analytical techniques and practical applications, enabling rapid, on-site diagnostics in resource-limited environments and empowering communities to enhance their health monitoring capabilities.
Methods
In the experimental section of the study, key materials utilized included Methylene blue (MB), Thiram, and Thiabendazole, all sourced from Sigma Aldrich (USA). The bacterial strains Escherichia coli DH5α and Bacillus subtilis were obtained from the American Type Culture Collection (ATCC, USA). Luria-Bertani (LB) agar plates were procured from ThermoFisher Scientific (USA). The section also references Supplementary Tables 1-3, which contain comprehensive lists of additional chemicals, reagents, and equipment employed in the development of the Suraksha kit, alongside details on consumable tests and recommended brands of drinking water.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicate a strong relationship, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust association.
Furthermore, the results underscore the importance of the identified factors, which contribute to a variance explanation of approximately 70% in the dependent variable. This finding supports the hypothesis that these factors play a critical role in the observed outcomes. The discussion elaborates on these results, contextualizing them within existing literature and emphasizing their relevance for future research and practical applications.
Discussion
In the development of the Suraksha platform, the authors focused on creating a field-ready Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) substrate using dendritic silver nanostructures. Conventional nanopatterning methods were deemed impractical due to their reliance on clean room facilities and expensive equipment, which are often unavailable in resource-limited settings. Instead, the authors devised a cost-effective electrodeposition method utilizing readily available materials, such as aluminum foil as electrodes, and a simple battery-powered setup within a mason jar. This approach allows for the synthesis of silver dendrites in a straightforward manner, facilitating the collection and application of these nanostructures onto a paper-based biosensor.
The paper-based SERS substrate was constructed using cardstock to ensure durability and minimize background fluorescence, which can interfere with SERS measurements. The authors employed a systematic approach to optimize the substrate’s optical performance, including the selection of laser wavelength and power density for effective Raman enhancement. Characterization of the substrate demonstrated a broad optical response, with a peak at approximately 315 nm, and an optimal laser power density of 45 mW/cm² at 532 nm for consistent signal generation. The substrate’s sensitivity was validated using methylene blue as a model analyte, achieving a limit of detection between 10 nM and 100 nM. Furthermore, reproducibility tests across multiple fabrication batches indicated low variability, underscoring the platform’s potential for reliable field applications, such as pesticide detection and bacterial classification, while maintaining cost-effectiveness suitable for large-scale deployment in low- and middle-income countries.