برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۶/۲۹ تا ۱۳۹۹/۰۷/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۲۴
  • بازدید این ماه ۱۷۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۹
  • قبول شدگان ۲۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

منابع دهمین مسابقه ملی فناوری نانو

طرح درس

دهمین مسابقه ملی نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

حسگرهای زیستی نانومکانیکی

اگر چه استفاده از حسگرها قدمت زیادی دارد، اما در سال‌های اخیر نانوفناوری نقش مهم و فزاینده‌ای در توسعه آن‌ها ایفا کرده است. نانوحسگرهایی که بخش اصلی حسگر در آن‌ها ماهیت زیستی داشته باشند، با نام نانوحسگر زیستی (Nano-biosensor) شناخته می‌شوند. نانوحسگرهای زیستی به دلیل داشتن اندازه نانومتری، می‌توانند سنجش در محیط‌های زیستی را آسان‌تر، حساس‌تر و سریع‌تر انجام دهند. حسگرهای زیستی ابزارهای تجزیه‌ای هستند که سه جزء اصلی دارند: عنصر زیستی، مبدل و سیستم قرائت. عضو زیستی از گزینش‌پذیری بالایی برای برهمکنش زیستی و آشکارسازی آنالیت (ماده مورد تجزیه) برخوردار است. مبدل فیزیکی (Transducer) پدیده شناسایی را به یک اثر قابل اندازه‌گیری مانند سیگنال الکتریکی، نشر نوری یا حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. این اثر در نهایت توسط سیستم قرائت اندازه‌گیری می‌شود. نانوکانتیلورها و میکروکانتیلورها می‌توانند تعدادی از پدیده‌ها نظیر تغییرات جرم، دما، گرما، فشار و رطوبت را به انحراف (شیوه استاتیک) یا تغییر در فرکانس رزونانسی (شیوه دینامیک) تبدیل کنند. کانتیلورها در ساختمان زیست‌حسگرها به‌عنوان مبدل سیگنال شیمیایی به حرکت مکانیکی با حساسیت بالا به‌کار می‌روند. کلید استفاده از میکروکانتیلورها برای آشکارسازی گزینشی مولکول‌ها، قدرت عامل‌دار کردن سطح کانتیلور است. میکروکانتیلورها در آشکارسازی مواد شیمیایی مانند ترکیبات فرار، مواد منفجره، گونه‌های یونی، سموم، آلاینده‌های غذا و محیط، آفت‌کش‌ها و مواد زیستی مانند آشکارسازی DNA، پروتئین، گلوکز و ... به‌کار می‌روند.

 

1- مقدمه
اگر چه استفاده از حسگرها قدمت زیادی دارد، اما در سال‌های اخیر نانوفناوری نقش مهم و فزاینده‌ای در توسعه آن‌ها ایفا کرده است. نانوحسگرهایی که بخش تشخیص‌دهنده (Recognizing Part) آن‌ها ماهیت زیستی داشته باشد، به عنوان نانوحسگر زیستی شناخته می‌شوند و به دلیل داشتن اندازه نانومتری می‌توانند سنجش در محیط‌های زیستی را آسان‌تر، حساس‌تر و سریع‌تر انجام دهند.
نانوساختارهای مختلفی در ساخت نانوحسگرهای زیستی استفاده می‌شوند که بعضی از آن‌ها عبارتند از: نانوذرات، نقاط کوانتومی، نانولوله‌ها، نانوفیبرها و نانو‌سیم‌ها [1].

2- اجزای اصلی زیست‌حسگر
حسگرهای زیستی ابرازهای تجزیه‌ای هستند که سه جزء اصلی دارند: عنصر زیستی (به عنوان جزء اصلی تشخیص‌دهنده یون‌ها یا مولکول‌های هدف)، مبدل (Transducer) و سیستم قرائت (Read out System). در حسگرهای زیستی، عضو زیستی با روش‌های مختلف روی مبدل تثبیت (Immobilize) شده است [1]. این عضو زیستی از گزینش‌پذیری بالایی برای برهمکنش‌های زیستی و آشکارسازی آنالیت برخوردار است؛ در سیستم‌های زیستی بین گیرنده و لیگاند مربوط به آن، ارتباط اختصاصی وجود دارد که نمونه جالب آن رابطه کاملاً اختصاصی بین آنزیم و پیش‌ماده (Substrate) آن است. بدین معنا که آنزیم فقط پیش‌ماده خاص خود را می‌پذیرد و واکنش موردنظر را تنها بر روی پیش‌ماده ویژه کاتالیز می‌کند. این ویژگی از تطابق ساختار جایگاه فعال آنزیم (Active site) با ساختار پیش‌ماده ناشی می‌شود. مبدل فیزیکی، پدیده شناسایی را به یک اثر قابل اندازه‌گیری مانند سیگنال الکتریکی، نشر نور یا حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. این اثر در نهایت توسط سیستم قرائت اندازه‌گیری می‌شود [2].
معمول‌ترین عضو زیستی در زیست‌حسگرها، آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها، اندامک‌ها، گیرنده‌ها و اسیدهای نوکلئیک هستند که با اتصال ویژه به آنالیت موردنظر، امکان تجزیه کمّی و کیفی آن را فراهم می‌کنند.
مبدل‌های معمول در ساخت زیست‌حسگرها شامل انواع نوری، الکتروشیمیایی، ترمومتری، پیزوالکتریک و ... هستند که سیگنال ایجاد شده را به ترتیب به علایم نوری، الکترونیکی، تغییرات گرمایی و نوسانی تبدیل می‌کنند.
این حسگرها بر مبنای نوع جزء زیستی، نحوه کار مبدل یا کاربرد آن‌ها تقسیم‌بندی می‌شوند [1].

3- امتیازات و عوامل پیشرفت زیست‌حسگرها
در اوایل 1960، کلارک و لایونز و آپدایک و هیکز اولین زیست‌حسگرها را بر مبنای برهمکنش کاتالیتیکی ویژه آنزیم گلوکز اکسیداز با گلوکز توسعه دادند. بعد از آن، رشد سریعی در مطالعه فعالیت‌ها در این زمینه اتفاق افتاد که باعث پیشرفت بزرگی در توسعه ابزارهای حسگر برای اندازه‌گیری مولکول‌های زیستی در زمینه‌های مختلف صنعتی، دارویی، بالینی و کنترل‌های محیطی شد [2].
پیشرفت در میکروفناوری و نانوفناوری، پیشرفت حسگرهای بسیار حساس (با توانایی آشکارسازی خمیدگی‌هایی در حد نانومتر) با امتیاز کوچک بودن (امکان سنجش آسان‌تر محیط‌های زیستی) را در پی داشت. توانمندی بالا، قابلیت اطمینان، صرف انرژی کم، صرفه‌جویی در زمان و قیمت و آنالیت، از مزایای استفاده از این نانوزیست‌حسگرهاست. سهولت و سرعت بالای اندازه‌گیری، تکرارپذیری، عملکرد اختصاصی، قابلیت حمل، امکان ساخت آرایه‌های چندعنصری برای اندازه‌گیری همزمان و قرائت چندین نمونه، حساسیت بالا و امکان جمع شدن با فناوری میکروالکترونیک، از دیگر مزایا هستند. این روش آشکارسازی نیاز به نشان‌دار کردن (Labeling) ندارد [2].

4- معرفی زیست‌حسگرهای نانومکانیکی
میکروکانتیلورها برای میکروزیست حسگرها و نانوزیست‌حسگرها بسیار امیدبخش هستند و از کانتیلورهای مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscopy-AFM مشتق می‌شوند. کانتیلورها، سکوهای فنری در اندازه‌های نانو و میکرو هستند که بر مبنای انحراف سکو یا تغییر فرکانس رزونانسی حاصل از حضور آنالیت در سطح کانتیلور عمل می‌کنند.

filereader.php?p1=main_448a94929572d9bc1
شکل 1- ساختار کانتیلور سیلیکون نیترید با پوشش طلای اصلاح شده با تیول

زمانی که یک برهمکنش زیست‌مولکولی در سطح آن‌ها اتفاق می‌افتد، میکروکانتیلور شناسایی مولکولی زیست‌مولکول‌ها را به اشارات نانومکانیکی ترجمه می‌کند که به‌طور رایج به یک سیستم قرائت نوری (Optical Readout System) یا پیزومقاومتی (Piezo-Resistive Readout System) به‌عنوان مبدل نیروی مکانیکی به جریان الکتریکی، کوپل می‌شود. میکروکانتیلور مثال جالبی از همراهی نانوفناوری و زیست‌فناوری است [2]. حسگرهای مبتنی بر کانتیلور در محیط هوا, خلأ و مایع عمل می‌کنند [3].

توسعه زیست‌حسگرهای مجتمع (Integrated) برای آشکاسازی همزمان گونه‌های مهم زیستی، منجر به مفهوم زیست‌تراشه‌ها (Biochip) شده است که به‌عنوان بسترهای دارای میکروآرایه‌های زیست‌پذیرنده (Bioreceptor) تعریف می‌شوند. زیست‌تراشه‌های حاوی نانو و میکروکانتیلورها، به‌عنوان عناصر حسگر به نیروی خارجی، نشان‌دار کردن (Labling) و مولکول‌های فلورسان نیاز ندارند [4].
امروزه طیفی از حسگرهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی قرار گرفته روی سکوی کانتیلور مورد مطالعه هستند. اگر چه آشکارسازهای منفرد بر مبنای کانتیلورها توسعه یافته‌اند ولی یک آرایه (Array) از چنین حسگرهایی می‌تواند اطلاعات فزاینده‌ای فراهم کند که توسط ابزارهای منفرد قابل دسترسی نیستند. حسگرهای میکروکانتیلور چندعاملی (Multifunctional) با تنوعی از پوشش‌ها، امکان اندازه‌گیری مخلوطی از بخارات را با حساسیت بالا فراهم می‌کنند. تنوعی از پوشش‌ها و ضخامت‌ها می‌توانند برای آشکارسازی بخارات شیمیایی به‌کار روند. پاسخ آرایه می‌تواند برای شناسایی مخلوطی از اجزای شیمیایی به‌کار رود. استفاده از آرایه‌ها روی یک تراشه و به‌دست آوردن مجموعه‌ای از اطلاعات، سهولت نصب و ساخت، استفاده سیار از سیستم، کاهش هزینه و نیرو در طیف وسیعی از کاربردها، از صنعت تا محیط زیست، را فراهم می‌کند [5].
پیشرفت‌های آینده، بهینه‌سازی ابعاد و شکل کانتیلور را برای رسیدن به کارایی‌های ویژه شامل می‌شود. حساسیت فشاری، جرمی و دمایی حداکثری، استفاده از آرایه کانتیلورهای موازی که با معدل‌گیری از نتایج آن‌ها نسبت سیگنال به نویز S/N (نسبت پاسخ حسگر به مولکول هدف (سیگنال) به پاسخ‌های بی‌هدف (نویز)، که هرچه بیشتر باشد کارآیی حسگر مطلوب‌تر است) افزایش می‌یابد، آنالیزهای چندگانه با کانتیلورهایی با پذیرنده‌های مختلف, ساده‌تر کردن قسمت‌های مختلف و تجمع آن‌ها [3] از این دسته‌اند.
استفاده‌های جاری از زیست‌حسگرها به دنبال ابزارهایی است که قادر باشند توسط هر کس، در هر جایی و برای آزمایش هر چیزی، در زمان واقعی و با هزینه جزئی، عمل کنند. برای قابل حمل بودن زیست‌حسگرها، حذف اثرات محیط و خودکارسازی عملکرد زیست‌حسگر ضروری است [6].

5- عملکرد کانتیلورها
کانتیلورها می‌توانند تعدادی از پدیده‌ها نظیر تغییرات جرم، دما، گرما، فشار و رطوبت را به انحراف (شیوه استاتیک) یا تغییر در فرکانس رزونانسی (شیوه دینامیک) تبدیل کنند و در ساختمان زیست‌حسگرها به‌عنوان مبدل سیگنال شیمیایی به حرکت مکانیکی با حساسیت بالا به‌کار می‌روند [2و3]. جذب سطحی مولکول‌ها وقتی به یکی از سطوح کانتیلور محدود می‌شود، فشار سطحی اختلافی تولید می‌کند که کانتیلور را خم می‌کند و همزمان، فرکانس رزونانسی کانتیلور به خاطر بارگذاری تغییر می‌کند. خمیدگی و تغییر در فرکانس رزونانسی می‌تواند توسط چندین تکنیک: خمیدگی محور نوری (Optical Beam Deflection)، مقاومت پیزو (Piezoresistivity)، پیزوالکتریسیتی (Piezoelectricity)، تداخل‌سنجی (Interferometry)، تغییرات ظرفیت خازنی (Capacitance) و ... نمایش داده شوند [2].
اساس حسگری با توجه به ابزار، مولکول‌های آنالیت و دقت مورد نیاز متنوع است [7]. به‌طور کلی حسگرهای شیمیایی اغلب بر مبنای شیوه تبدیل، به چهار زمینه عمده الکتروشیمیایی (Electrochemical)، نوری (Optical)، حساس به گرما (Thermosensitive) و حساس به جرم (Mass Sensitive) طبقه‌بندی می‌شوند. پاسخ حسگرهای حساس به جرم، با جرم آنالیت برهمکنش‌کننده با سطح عنصر حسگر متناسب است [8]. حسگرهای میکروکانتیلور به هیچ برچسبی (Label) جهت پاسخ به حضور مولکول روی سطح زیست‌حسگر نیاز ندارند. در روش‌های بدون برچسب، می‌توان از نمونه‌های اصلاح نشده استفاده کرد، در نتیجه امکان قرائت پاسخ در زمان واقعی فراهم می‌شود. حسگرهای نانومکانیکی حساسیت بالایی در یک ناحیه کوچک (100μm2)، در مقایسه با زیست‌حسگرهای بدون برچسب دیگر نظیر تشدید پلاسمون سطحی (SPR) و ریزترازوی بلور کوارتز (Quarrtz Crystal Microbalance-QCMB)، دارند [9]. زمانی که اتم‌های سطح کانتیلور تحت بازآرایی ناشی از جذب سطحی گونه‌های شیمیایی قرار می‌گیرند، تغییرات مهمی در فشار روی سطح اتفاق می‌افتد؛ این تغییرات کششی یا تراکمی به طبیعت گونه جذب شده بستگی دارد [10]. روش استاتیک یک تکنیک آشکارسازی dc (جریان مستقیم) است که انحراف ناشی از فشار اتصال مولکول هدف به پذیرنده در سطح میکروکانتیلور را آشکارسازی می‌کند. روش دینامیک، آشکارسازی ac (جریان متناوب) است که تغییرات جرم کانتیلور را با استفاده از جابه‌جایی فرکانس رزونانسی آشکارسازی می‌کند [9].

6- رایج‌ترین سیستم‌های قرائت
تکمیل یک سیستم قرائت با ظرفیت نشان دادن تغییرات با دقت nm ضروری است؛ برای این منظور روش‌های آشکارسازی استاتیک و دینامیک تأیید شده‌اند که بسیار حساس هستند [2].

1-6- روش استاتیک
انعطاف‌پذیری کانتیلور در این روش سبب می‌شود تا اتصال مولکول هدف به پذیرنده‌ای که بر سطح کانتیلور تثبیت شده، منجر به انحراف و خمیدگی در کانتیلور شود. این شیوه اجازه می‌دهد حسگر تغییرات بینهایت کوچک ناشی از جذب سطحی مولکولی را اندازه بگیرد. به این علت کانتیلورها زیست‌حسگرهای بسیار حساسی هستند و با تکنیک کانتیلور، آشکارسازی فشار سطحی تا حد 4-10 N/m ممکن است. همچنین چنین اندازه‌گیری کمّی و مرتبط با غلظت آنالیت موردنظر است. چندین تکنیک برای آشکارسازی خمیدگی کانتیلور به‌کار می‌روند که تکنیک‌های نوری، مقاومت پیزو و روش‌های خازنی معمول‌ترین این روش‌ها هستند. تحت شرایط واقعی، حسگرها باید در طولانی‌مدت پایدار و نسبت به مولکول هدف حساس و انتخابگر باشند [2].

filereader.php?p1=main_0b8ab53230f04066c
 
شکل 2- خمیدگی کانتیلور در حضور مولکول‌های تثبیت شده روی سطح

1-1-6- روش‌های نوری
الف- نور لیزر بر انتهای آزاد کانتیلور که به عنوان آیینه عمل می‌کند، متمرکز می شود؛ به منظور افزایش انعکاس، کانتیلورهای تجاری عمدتاً با لایه نازکی از طلا پوشش داده می‌شوند. نور منعکس شده به آشکارساز نوری برخورد می‎کند. وقتی کانتیلور خم می‌شود، نور لیزر بر روی آشکارساز نوری حرکت می‌کند. فاصله طی شده توسط محور لیزر با انحراف کانتیلور متناسب بوده و با فاصله کانتیلور - آشکارساز نوری افزایش می‌یابد که باید در کالیبراسیون لحاظ شود. نکته قابل توجه در این روش این است که شیب در نقطه برخورد لیزر به کانتیلور، جهت تعیین نسبت خمیدگی کانتیلور به جابه‌جایی تنظیم شود [3].

filereader.php?p1=main_c3a5523f830483ce6
 
شکل 3- انعکاس نور لیزر از انتهای کانتیلور به یک فوتودتکتور ترجیحاً چهارقسمتی تابانده می‌شود. در حالت استراحت، لکه نور روی هر چهار قسمت به‌طور مساوی توزیع می‌شود در حالی که در اثر خمیدگی، جابه‌جایی عمودی لکه روی فوتودتکتور مشاهده می‌شود.

این روش، تفکیکی در حد آنگسترم را فراهم می‌کند که به آسانی انجام می‌گیرد. مشکل عمده این تکنیک این است که نیاز به ابزارهای خارجی برای اندازه‌گیری انحراف دارد؛ بنابراین چینش متوالی و کالیبره کردن آن بسیار وقت‌گیر است.
برای به‌دست آوردن پاسخ آرایه‌ها به این روش، یک چالش تکنولوژیکی وجود دارد چرا که به آرایه‌ای از منابع لیزر، به تعداد آنالیت‌های مورد شناسایی، نیاز است. در این تکنیک ترتیب on و off هر منبع لیزر، برای اجتناب از همپوشانی محورهای منحرف شده روی آشکارساز نوری ضروری است. این مشکل عمدتاً با استفاده از روبش منبع لیزر حل می‌شود و محور لیزر مرتباً طول آرایه را اسکن می‌کند [2].

ب- برای مینیاتوری کردن (Miniaturization)، کانتیلور باید به‌صورت تجمعی با یک سیستم قرائت ساخته شود تا از تنظیمات خارجی و اثرات محیطی اجتناب شود. یک راه برای تأمین چنین هدفی، استفاده از نوعی سیستم‌های مجتمع نوری است که در آن میزان خمیدگی از طریق نشان دادن تغییرات در شدت نور انتقال یافته از طریق کانتیلور که به‌عنوان انتقال‌دهنده موج عمل می‎کند، تعیین می‌شود. نور پس از ورود به سیستم، از طریق انتقال‌دهنده موج، ورودی عرض شکاف را به سمت کانتیلور طی می‌کند و پس از کوپل به کانتیلور، مسیر خود را ادامه می‌دهد و از طریق موج‌بر خروجی، از سیستم خارج می‌شود. وقتی کانتیلور خم می‌شود مقداری از نوری که می‌تواند به موج‌بر کانتیلور کوپل شود کاهش می‌یابد و شدت نور خروجی افت می‌کند. از تغییرات شدت نور می‌توان به میزان خمیدگی کانتیلور پی برد [7]. زیست‌حسگرهای نوری نسبت به انواع دیگر زیست‌حسگرها از امتیازاتی چون آشکارسازی‌های چندآنالیتی و مونیتورینگ پیوسته برخوردارند [6].

2-1-6- کانتیلورهای پیزو
حسگرهای مبتنی بر میکروکانتیلور مقاومتی پیزو، تغییرات مقاومت ناشی از فشار قرار گرفتن در معرض آنالیت موردنظر را اندازه می‌گیرند. این فشار زمانی اتفاق می‌افتد که آنالیت، جذب سطحی شده یا به ماده حسگر پوشش یافته روی کانتیلور متصل می‌شود. در این سیستم، کانتیلور به‌طور کامل یا جزئی داخل مواد حسگر قرار می‌گیرد.
قسمتی از ماده حسگر که در معرض آنالیت‌ها است، آنالیت را به طور انتخابی جذب می‌کند و در نتیجه تغییر حجم کوچکی در ماده حسگر ایجاد می‌شود که به عنوان تغییر مقاومت در کانتیلور اندازه‌گیری می‌شود. به این ترتیب، آنالیت آشکارسازی می‌شود. عنصر کلیدی در طراحی این نوع کانتیلور، ساخت ترکیبی است که در معرض آنالیت موردنظر متورم شده یا ابعادش تغییر کند. از پلیمرهای آلی رایج به عنوان ماده حسگر برای آشکارسازی حضور بخار آب و بسیاری از ترکیبات آلی فرار مانند استون، تولوئن، اتانول، هگزان و .... استفاده شده است. مولکول‌های آنالیتی که پارامترهای انحلال آن‌ها نزدیک و متناسب با پلیمر باشد، به آسانی روی آن پلیمر توزیع می‌شوند. بنابراین از آرایه‌هایی از حسگرها با پارامترهای انحلال‌پذیری مختلف، می‌توان برای شناسایی دامنه وسیعی از گونه‌های آنالیت استفاده کرد. هیدروژل‌های سنتزی (Synthetic Hydrogels) می‌توانند تغییرات حجمی بزرگی را در پاسخ به تغییرات دما، pH، رطوبت و فاکتورهای دیگر تحمل کرده و مواد مناسبی جهت طراحی کانتیلورهای مقاومتی پیزو برای ثبت تغییرات این پارامترها محسوب می‌شوند. مواد زیستی خالص نیز که در اثر اتصال به آنالیت تغییرات حجم‌سنجی قابل اندازه‌گیری با کانتیلور را داشته باشند، می‌توانند به عنوان حسگر استفاده شوند. مولکول‌های لایه حسگر ممکن است آنالیت را جذب سطحی کنند یا با آن مخلوط شوند یا پیوند شیمیایی ایجاد کنند [11].

filereader.php?p1=main_2089d2effda8474a7
 
 
شکل 4 - حضور آنالیت منجر به تغییرات ولتامتری در ماده حسگر می‌شود.

برای اینکه مقاومت پیزو قابل مشاهده باشد، هدایت الکتریکی در طول ضخامت کانتیلور باید نامتقارن باشد که اغلب توسط دوپ کردن (Dopping) اختلافی ماده صورت می‌گیرد. وقتی ماده مقاومتی پیزو مانند سیلیکون دوپ شده (Dopped) تحت شرایط مکانیکی قرار می‌گیرد، هدایت الکتریکی آن تغییر می‌کند. برای اندازه‌گیری تغییر در مقاومت، کانتیلورهای سیلیکون باید در شرایط بایاس (Bias) مستقیم پل وتستون قرار گیرند؛ در پل وتستون یک زوج کانتیلور قرار می‌گیرد که یکی به‌عنوان رفرانس عمل می‌کند؛ خروجی سیستم، سیگنال تفاضلی بین دو کانتیلور است. نسبت سیگنال به نویز در این روش قویاً بهبود می‌یابد و نویز حاصل از اتصالات غیرویژه، نوسانات حرارتی و لرزش‌ها حذف می‌شود. اتصالات غیرویژه به سطح، مشکلی عمومی است که باید در تمام آنالیزها به حداقل برسد. اگرچه حذف کامل این پارامترها غیرممکن است، ولی می توان تأثیر آن روی آشکارسازی را با استفاده از کانتیلور رفرنس کنترل کرد.

کانتیلورهای پیزورسیستیو در مقایسه با نوع نوری چندین امتیاز دارند:
- آشکارسازی پیزورسیستیو می‌تواند در محلول‌های غیرشفاف و مایعات آشفته صورت گیرد.
- نیازی به چینش وقت‌گیر لیزر نیست.
- این سیستم قرائت می‌تواند به‌صورت ائتلافی روی ورق سیلیکون قرار بگیرد.
- کنترل دما به آسانی انجام می‌گیرد.
- با کوچک کردن و ساخت آرایه‌ها سازگار است و هزینه کمتری دارد.

ضعف عمده، سطح نویز ذاتی است که در مقایسه با کانتیلورهای نوری مستقیماً بر تفکیک و حساسیت اثر می‌گذارد [7و3و2]. کنترل دما می‌تواند به‌عنوان ابزاری برای شکستن پیوندهای لیگاند- پذیرنده به‌کار رود؛ بنابراین لایه حسگر بازتولید می‌شود [3].

2-6- روش دینامیک
در روش دینامیک، کانتیلور به‌طور مکانیکی در فرکانس رزونانسی خود تحریک می‌شود که اتصال آنالیت موجب جابه‌جایی این فرکانس رزونانسی می‌شود و توسط پل وتستون مجتمع با پیزورسیسیتو حس می‌شود [13].

filereader.php?p1=main_e30fbce1b3c9f9f91
 
شکل 5- رزونانس کانتیلور در حالت دینامیک
 

تغییرات در فرکانس رزونانسی می‌تواند با اندازه‌گیری نویز گرمایی کانتیلور آشکارسازی شود. هنگام کار در مایعات، پیک رزونانس بسیار کمتر از هوا انتقال پیدا می‌کند که از اثر میرایی مایعات ناشی می‌شود. این فاکتور اندازه‌گیری‌های برمبنای روش دینامیک را به شدت متأثر می‌کند. در نتیجه این روش برای نشان دادن فرآیندهای بیوشیمیایی در محیط آبی نسبت به روش استاتیک، کارآمدی کمتری دارد. حسگرهای کانتیلور که در روش استاتیک عمل می‌کنند، به‌عنوان شیوه‌ای برای سنجش‌های نانومکانیکی زیست‌مولکولی مفیدترند. برای رسیدن به حساسیت بالا هنگام کار با مایعات در روش دینامیک، پیش‌فعالسازی کانتیلور با استفاده از تغییر زمینه الکتریکی، مغناطیسی یا صوتی ضروری است [2]. به‌طور کلی حساسیت روش استاتیک دو تا سه برابر از روش دینامیک بیشتر است [9].
پل وتستون پیزورسیستیو برای تشخیص نوسان رزونانسی در لبه کانتیلور، جایی که ماکزیمم فشار مکانیکی وجود دارد، جاگذاری می‌شود؛ در حالی که در مورد سیستم استاتیک، حیطه اندازه‌گیری در طول کانتیلور بوده و منطقه وسیع‌تری را پوشش می‌دهد [12].
در بررسی مولکول‌های پیچیده مثل پروتئین‌ها، چند منبع فشار احتمالی دیگر غیر از اثر جذب سطحی آنالیت روی کانتیلور وجود دارد؛ برهمکنش الکترواستاتیک جذب سطحی شده‌های مجاور، تغییرات در آب‌گریزی سطح و تغییرات ساختاری مولکول‌های جذب شده همگی می‌توانند عامل فشار باشند. در نتیجه تغییرات در فشار می‌تواند مستقیماً به انرژی پیوند لیگاند - پذیرنده مرتبط نباشد. این مسئله مخصوصاً برای جذب سطحی زیستی، به خاطر پیچیدگی برهمکنش‌های مربوطه مطرح است. به‌عنوان مثالی از پیچیدگی این مسئله، مشاهده نحوه جذب سطحی DNA مکمل روی سطح کانتیلور است که می‌تواند بسته به نیروی یونی بافری که هیبریداسیون در آن اتفاق می‌افتد، منجر به فشار کششی یا تراکمی شود که ناشی از برهمکنش دو نیروی مخالف است؛ کاهش آنتروپی ناشی از جذب سطحی DNA بعد از هیبریداسیون، که منجر به کاهش فشار تراکمی است و دافعه الکتروستاتیک بین DNA جذبی که مسبب افزایش فشار تراکمی است [2و3]. از اثر پیوندهای غیرویژه مولکول‌ها و منابع نویز مانند لرزش و تغییرات دما با استفاده از کانتیلور رفرنس می‌توان اجتناب کرد [2].
در کانتیلورها با افزایش نسبت طول به ضخامت، حساسیت بالا می‌رود و نویز مکانیکی خارجی مستقیماً حداقل انحراف قابل آشکارسازی را متأثر می‌کند. حساسیت بالا و به‌طور همزمان نویز پایین، با استفاده از کانتیلورهای کوچک‌تر فراهم می‌شود. همچنین کانتیلورهای کوچک‌تر به خاطر فرکانس رزونانسی بالا، دارای قدرت پاسخ‌دهی بالایی هستند [3].
حساسیت آشکارسازی انحراف کانتیلور ناشی از جذب سطحی و تغییر فرکانس رزنانسی ناشی از بارگذاری می‎تواند در حد ppb و ppt باشد [5]. میکروکانتیلورهای بسیار نازک تا نیروی N 10-18 را اندازه می‌گیرند [13].

نتیجه‌گیری
نانو و میکروکانیتلورها در آشکارسازی مواد شیمیایی مثل ترکیبات فرار، مواد منفجره، گونه‌های یونی، سموم، آلاینده‌های غذا و محیط، آفت‌کش‌ها و مواد بیولوژیکی مانند آشکارسازی DNA، پروتئین، گلوکز و ... به کار می‌روند [7و2].
به طور عمومی زیست‌حسگری به مهارتی بیش از حسگری‌های شیمیایی و فیزیکی نیاز دارد؛ زیرا فرایندهای بیوشیمیایی و طبیعت محیط عمل از پیچیدگی بیشتری برخوردار است. در کاربردهای زیست‌حسگری، آشکارسازی معمولاً در محیط مایع (محلول) صورت می‌گیرد. جریان و اختلاط محلول، ایجاد آشفتگی می‌کند و بر انحراف کانتیلور تأثیر می‌گذارد. به‌علاوه یک تغییر تدریجی در انحراف مشاهده می‌شود که می‌تواند ناشی از فرایند آرام الکتروشیمیایی در سطح کانتیلور و بازآرایی‌های سطح حسگر باشد که معمولاً از چند لایه‌های مولکول‌های پیچیده نظیر پروتئین‌ها ایجاد می‌شود. استفاده از نانوفناوری در حسگرها و زیست‌حسگرها قابلیت مطلوب و موردنیاز را فراهم آورده است [3].
 

منابـــع و مراجــــع

1. قدم پریناز، جمعه سنگی زهره ، نانوحسگرهای زیستی (نانوبیوسنسورها)، مجله دنیای نانو، شماره نهم، 1386،31

2. L.G. Carrascosa, M. Moreno, M. A´ lvarez, L.M.Lechuga, Nanomechanical biosensors: a new sensing tool, Analytical Chemistry, Vol. 25, No. 3, 2006

3. R, Raiteri, M, Grattarola, H.J. Butt, P. Skladal ,Micromechanical cantilever-based biosensors ,Sensors and Actuators B, Vol. 79, 2001

4. A.R.A. Khaled, K. Vafai, M. Yang, X. Zhang, C.S. Ozkan, Analysis, control and augmentation of microcantilever deflections in bio-sensing systems, Sensors and Actuators B, Vol. 94, 2003

5. C.L. Britton Jr., R.L. Jones, P.I. Oden, Z. Hu, R.J. Warmack, S.F. Smith, W.L. Bryan, J.M. Rochelle Multiple-input microcantilever sensors, Ultramicroscopy, Vol. 82, 2000

6. F. S. Ligler, Perspective on Optical Biosensors and Integrated Sensor Systems, Anal. Chem. Vol. 81, 2009

7. Cubanacán, Playa, C. L. Habana, Cantilever Biosensor, Biotecnología Aplicada, Vol. 23, No. 4, 2006

8. B. C. Fagan, C. A. Tipple, Z. Xue, M. J. Sepaniak, P. G. Datskos, Modification of micro-cantilever sensors with sol-gels to enhance performance and immobilize chemically selective phases, Talanta, Vol. 53, 2000

9. K. W. Wee, G. Y. Kang, J. Park, J. Y. Kang, D. S. Yoon, J. H. Park, T. S. Kim, Novel electrical detection of label-free disease marker proteins using piezoresistive self-sensing micro-cantilevers, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 20, 2005

10. J.J. Headrick, M.J. Sepaniak, N.V. Lavrik, P.G. Datskosa, Enhancing chemi-mechanical transduction in microcantilever chemical sensing by surface modification, Ultramicroscopy, Vol. 97, 2003

11. R.L. Gunter, W.G. Delinger, K. Manygoats, A. Kooser, T.L. Porter, Viral detection using an embedded piezoresistive microcantilever sensor, Sensors and Actuators A,Vol. 107, 2003

12. K.U. Kirstein, Y. Li, M. Zimmermann, C. Vancura, T. Volden, W. H. Song, J. Lichtenberg, and A. Hierlemannn, Cantilever-Based Biosensors in CMOS Technology, Computer society

13. P.G. Datasco, M.J. Sepaniak b, C.A. Tipple, N. Lavrik, photomechanical chemical microsensors, Sensors and Acturators B, Vol. 76, 2001