تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 3730
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
3730
filereader.php?p1=main_ebfa478ae173cbff7

موضوع: نانوزیست فناوری و نانوپزشکی

فصل: نانو زیست حسگرها


بخش‌ اول: نانوزیست حسگرها

بخش اول: نانو‌زیست حسگرها


نویسندگان: یوسف شلاگه، سیده معصومه قاسمی نژاد



مقدمه

حسگرها ابزارهایی هستند که تغییر متغیرها را به ما نشان می‌دهند و به عبارتی تحت شرایط خاص از خود واکنش‌های پیش-بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. حسگرها در واقع ابزار کسب اطلاعات هستند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشر ساخته است. در طراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند زیست شیمی، زیست شناسی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضور دارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصر حسگر آن است. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با متغیر مورد نظر در نمونه مورد بررسی است. سپس آشکارساز سیگنال‌هایی را که در نتیجه پیوند شدن جزء حسگر با گونه مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. در زیست حسگرها اجزای زیستی نظیر پادتن‌ها، آنزیم‌ها، گیرنده‌ها یا کل سلول می‌توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند. حسگرها را می‌توان بر اساس نوع واکنشی که میان آنها و گونه مورد بررسی صورت می‌گیرد به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد. با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک‌تر و دارای قابلیت‌های بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود، به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس هستند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطر کوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند، به طوریکه حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می‌دهند. با این تعاریف می‌توان گفت نانوزیست حسگر وسیله‌ای با ساختارهای نانومتری است که تغییرات پارامترهای مختلف زیستی را اندازه‌گیری می‌کند و آنها را به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌نماید. نانوزیست حسگرها قابلیت‌های بسیار زیادی در زمینه‌های مختلف و از همه مهم‌تر در تشخیص دقیق و زودهنگام بیماری از خود نشان داده‌اند که این امر توجه پژوهشگران و حتی صنعت‌گران به این زمینه را جلب کرده است.


1- حسگر

واژه حسگر (sensor) از واژه لاتین "sentire" به معنای درک و مشاهده گرفته شده است. حسگر ابزاری است که می‌تواند وجود یک محرک یا تغییرات آن را تشخیص و نسبت به آن واکنش دهد. این واکنش ما را از آن تغییرات آگاه می‌سازد. محرک هر متغیری می‌تواند باشد، به طور مثال دما. بنابراین حسگر را می‌توان نوعی مبدل دانست. گاهی حسگرها به تنهایی قابل استفاده‌اند و برای نشان دادن نتیجه به ما به دستگاه جانبی دیگری نیاز ندارند مانند دماسنج جیوه‌ای. ولی گاهی برای اطلاع از نتیجه کار حسگر، به دستگاه دیگری که معمولا یک پردازشگر است نیاز داریم، مانند آنچه که در ترموکوپل می‌بینیم (شکل 1).



filereader.php?p1=main_ae7be26cdaa742ca1

شکل 1: ترموکوپل متصل به مالتی متر


ترموکوپل:
ترموکوپل از دو فلز غیرهم‌جنس تشکیل شده است که از یک طرف به‌هم متصل‌اند. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند برق تولید می‌شود. در واقع وقتی به محل اتصال این دو مفتول حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر آنها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده ‌است. بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

در بدن موجوادت زنده نیز حسگرهایی موجود است که زبان و بینی دو نوع آن بشمار می‌رود. هر وسیله‌ای برای اینکه بتواند به عنوان حسگر عمل کند باید بتواند به طریقی وجود محرک را تشخیص دهد و نسبت به آن پاسخ دهد. برای روشن‌تر شدن موضوع، به این مثال توجه کنید. بدن ما برای ادامه حیات خود به شکل مطلوب باید همواره در شرایط مناسب و متغیرهای مختلف آن در یک بازه مجاز قرار داشته باشند. یکی از متغیرهایی که بدن همواره از راه¬های گوناگون آن را تنظیم می‌کند، فشار خون است. اولین قدم برای تنظیم فشار خون این است که بدن میزان فشار خون را تشخیص دهد. بدین منظور در آفرینش بدن حسگرهایی در دیواره برخی عروق (سرخرگ آئورت در قفسه سینه و سرخرگ کاروتید مشترک در گردن) قرار داده شده‌اند. با ورود خون به درون رگ، دیواره آن کشیده می‌شود و به تبع آن این حسگرها هم تحت کشش قرار می‌گیرند. هر چه فشار خون بالاتر باشد، کشش این حسگرها نیز افزایش می‌شود. پاسخ آنها در برابر این کشش، ارسال پیام‌های عصبی به مراکز تنظیم فشار خون است. هر چه فرکانس ارسال این پیام‌ها بیشتر شود بدن در می‌یابد که فشار افزایش یافته است و با دادن دستوراتی سعی در برگرداندن فشار به حالت مجاز خود می‌کند.
از ویژگی‌های حسگر مناسب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: حساسیت، سرعت پاسخ و سرعت بازیافت بالا، محدوده عمل مناسب، تمییزپذیری بالا، برگشت‌پذیری، پایداری بالا، هزینه تولید پایین، تجهیزات کم، اندازه کوچک، توان مصرفی پایین، دمای عمل مناسب و .... حال که قدری در مورد حسگر دانستیم بهتر است به سراغ دو کلمه دیگر برویم. ابتدا کلمه حسگر را در کنار کلمه «زیست» بررسی می‌کنیم و سپس در کنار کلمه «نانو» و در نهایت به تعریف مناسبی از «نانوزیست حسگر» خواهیم رسید.


2- زیست حسگرها

زیست حسگر (Biosensor) نوعی ابزار ردیابی است که از ترکیب یک گیرنده زیستی (Bioreceptor) و یک مبدل (Transducer) ایجاد می‌شود. نقش گیرنده تشخیص وجود آنالیت (ماده‌ای که مورد آنالیز و بررسی قرار می‌گیرد) و تغییر آن و نقش مبدل، تبدیل پاسخ به سیگنال قابل اندازه‌گیری است.


خود را بیازمایید
با توجه به مطالب بالا مشخص کنید در مثال‌هایی که از حسگر ها زده شد (دماسنج و حسگرهای فشار در دیواره‌ی عروق) محرک و پاسخ مربوط به آن به ترتیب چیست؟

3- نانوزیست حسگرها

با توجه به مطالبی که آموختیم می‌توانیم بگوییم که نانوزیست حسگر عبارت است از ابزاری که با کمک فناوری نانو برای سنجش و آشکارسازی وجود یا تغییرات یک محرک یا آنالیت ساخته شده است. به عبارت دیگر دستگاه آنالیزی است که با کمک فناوری نانو ساخته شده و توسط شناساگر زیستی نوع و غلظت آنالیت را تشخیص داده و به وسیله مبدل آن را به سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. نانوزیست حسگرها یکی از جالب‌ترین و کاربردی‌ترین زمینه‌های فناوری نانو است که با توجه به مزایای خاص خود نسبت به سایر ابزارهای آنالیزی، روز به روز با سرعت بیشتری جایگزین سایر روش‌های آزمایشگاهی می‌شوند. تحقیقات در این زمینه امیدها را برای پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه‌هایی چون تشخیص زود هنگام بیماری‌ها از جمله سرطان پررنگ‌تر کرده است.
اولین زیست حسگرها الکترودهای آنزیمی بودند که برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز به کار رفتند. گلوکز به عنوان سوخت رایج سلول‌های بدن که توسط آنزیم گلوکز اکسیداز اکسید می‌شود. این واکنش، پتانسیل محیط را متناسب با غلظت اولیه گلوکز تغییر می‌دهد. اندازه‌گیری مداوم غلظت آن در برخی بیماران، خصوصاً بیماران دیابتی، بسیار مهم است. با این دستگاه بیماران به راحتی و با فرو کردن الکترودهای حسگر در یک قطره خون خود می‌توانند غلظت قند خون خود را اندازه‌گیری کنند. واکنش‌های انجام شده در این فرآیند در شکل 2 نشان داده شده‌اند.


filereader.php?p1=main_aaf2f89992379705d

شکل 2: تصویر شماتیک واکنش‌های انجام شده برای بررسی غلظت گلوکز توسط الکترودهای آنزیمی


چند سالی است که زیست حسگرها و جدیداً نانوزیست حسگرها در علوم پزشکی و بهداشت، آزمایشگاه‌های تحقیقات جنایی، در موضوعاتی چون سم‌شناسی، شناسایی انواع مواد مخدر و تشخیص مصرف الکل توسط مجرمان و ... مورد توجه قرار گرفته است و به دلیل داشتن مزایایی چون حساسیت، سرعت و تنوع بیشتر جایگزین سایر روش¬های آزمایشگاهی نظیر HPLC، GC-MS، ELISA و ... شده‌اند. همچنین این حسگرها نسبت به سایر روش¬ها هزینه و انرژی و نیروهای ماهر و دوره دیده کم‌تری نیاز دارند.
همان¬طور که گفته شد حسگرها ترکیبی از اجزای زیستی و مبدل-ها هستند. بر اساس اینکه چه جزء زیستی به کار رفته و مبدل از چه نوعی باشد و از چه پدیده‌ای استفاده کند انواع مختلفی از نانوزیست حسگرها ایجاد شده‌اند. قسمت زیستی باید بسیار اختصاصی باشد و در شرایط محیط مورد نظر پایدار باشد. همچنین از لحاظ فیزیکی باید به مبدل متصل باشد. مبدل نیز باید تغییرات حاصل از واکنش میان جزء زیستی و آنالیت را به سیگنالی که قابل اندازه‌گیری است تبدیل کند. گاهی اوقات لازم است برای آشکارسازی و یا پردازش این سیگنال از وسیله‌ای دیگر در کنار اجزای قبلی استفاده کنیم. جدول زیر ترکیبات مختلف گیرنده‌های زیستی و مبدل را ارائه می‌دهد.


جدول 1: ترکیبات مختلف گیرنده زیستی و مبدل در نانوحسگرهای زیستی

گیرنده زیستی مبدل
آنزیم: آنالیت را تجزیه می‌کند و یا کاتالیزور با آنالیت محدود می‌شود. الکترود شیمیایی:
- آمپرومتریک
- ولتاژومتریک
- پتانسیومتریک
و ...
میکروارگانیسم : از آنالیت تغذیه می‌کند یا آنالیت مانع رشد آن می‌شود. نوری :
- جذبی
- فلوئورسانس
- لومینسانس
- پلاسمون رزونانس سطحی
و ...
آنتی‌بادی: آنالیتی ویژه را شناسایی می‌کند و به آن متصل می‌شود. وزنی :
- میکرو بالانس کوارتز دار
حرارتی :
- ترمومتریک
مواد دیگری که قابلیت استفاده در این جایگاه را دارند: ماده ژنتیک سلول، نمونه بافتی، اندامک‌ها و...


filereader.php?p1=main_9678f7a7939f457fa

شکل 3: تقسیم‌بندی کلی اجزای یک حسگر زیستی


برای اتصال جزء زیستی به انتقال دهنده چند راه وجود دارد:
1. جذب سطحی (Adsorbtion): ساده‌ترین راه جذب فیزیکی است.
2. محبوس‌سازی (Entrapment) جزء زیستی درون یک ژل یا خمیر یا پلیمر ثابت می‌شود.
3. اتصال کووالانس بین جزء زیستی و مبدل
4. ریزپوشینه‌سازی (میکروکپسولاسیون): فرآیندی که در آن ذرات با حباب‌ها یا قطرات ریز پراکنده در یک زمینه پلیمری یا سایر مواد آلی یا معدنی احاطه می‌شود.


4- روش‌های ساخت نانوحسگرها

روش‌های تولید نانوحسگرها مانند سایر نانوساختارها به دو دسته بالا به پایین (مانند لیتوگرافی) و پایین به بالا (مانند چینش ذرات سیستم با میکروسکوپ نیروی اتمی) تقسیم می‌شود. اما راه سومی نیز برای تولید نانوحسگرها وجود دارد و آن استفاده از نانوساختارهای خاص از جمله گرافن، نانولوله‌های کربنی، انواع نانوذرات فلزی و ... است. برای مثال دانشمندان دانشگاه ایلینویز با رشد دادن لایه‌های مولکولی در اطراف نانولوله‌ها توانستند خواص نوری آنها را داده و این ساختارهای کربنی را برای استفاده در نانوحسگرها مناسب سازند. (شکل 3)


filereader.php?p1=main_fd6b6fc9220b72d21

شکل4: رشد لایه‌های مولکولی در اطراف نانولوله‌های کربنی


نانولوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می‌توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظت‌های بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد. به طور مثال هر گاه مواد شیمیایی خاصی همچون گازهای دی اکسید نیتروژن و آمونیاک در تماس با نانولوله‌های کربنی قرار گیرند، رسانایی آنها را به شدت تغییر خواهند داد. تحقیقات نشان داده‌اند هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه-هادی تک دیواره که در مجاورت 200 ppm از NO2 قرار داشته باشد، می¬تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد. همچنین تغییرات فیریکی و فشارهای مکانیکی نیز می‌توانند به طور محسوسی بر رسانایی نانولوله‌های کربنی تاثیر بگذارند. این ویژگی‌ها سبب شده است که این ساختارها قابلیت زیادی برای بهبود کارایی حسگرها داشته باشند. در تحقیقی دیگر دانشمندان توانسته‌اند یک لایه از پروتئین‌های بویایی را روی یک نانوالکترود بنشانند که این ساختار می‌تواند با غلظت‌های پایین مواد خوش بو هم واکنش دهد. این حساسیت می‌تواند پزشکان را در تشخیص زود هنگام بیماری‌ها یاری کند. محققان مهندسی پزشکی در طرحی توانستند با ترکیب آنتی‌بادی و نانوساختاری با خاصیت پیزوالکتریک حسگر تشخیصی بسیاری از بیماری‌ها را از جمله ایدز بسازند.


5- نتیجه‌گیری

نانوزیست حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانو برای نشان دادن تغییرات مواد زیستی با دقت، سرعت و حساسیت بالا هستند. در حال حاضر در تحقیقات مربوط به نانوزیست فناوری، مباحث مربوط به تشخیص و درمان از اولویت‌های اصلی محسوب می‌شوند. با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد این نانوزیست حسگرها و مزیت‌های آنها نسبت به روش‌های تشخیصی موجود، این فناوری نویدبخش پیشرفت‌های چشمگیری خصوصاً در زمینه تشخیص بیماری-های بررسی دقیق وضعیت بیماران است.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


1. Parth Malik et al, Nanobiosensors: Concepts and Variations, 2006, ISRN Nanomaterials, 327435
2. Ahmed Touhami, Nanomedicine, chapter 15 : Biosensors and Nanobiosensors: Design and Applications, Physics & Astronomy Department, University of Texas at Brownsville