برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۳,۸۹۵
  • بازدید این ماه ۲۲۳
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۸۴
  • قبول شدگان ۱۵۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
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

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوزیست حسگرها (1) اصول عملکرد و طبقه‌بندی

یک حسگر، ابزاری است که برای اندازه‌گیری مستقیم ترکیب آزمایشی (آنالیت) در نمونه به کار رود. در حالت مطلوب، چنین ابزاری قادر به پاسخگوئی پیوسته و برگشت‌پذیر است و نباید به نمونه آسیب برساند. نانوحسگر به سیستمی اطلاق می‌گردد که حداقل یکی از ساختارهای نانو جهت آشکارسازی گازها، مواد شیمیایی، عوامل بیولوژیکی، زمینه‌های الکتریکی، نور، گرما و ... در ساخت آن بکار رفته باشد. استفاده از نانومواد، حساسیت سیستم را بطور قابل توجهی افزایش می‌دهد. در زیست‌حسگرها جزئی از سیستم که برای اتصال به آنالیت و تشخیص اختصاصی آن بکار می رود، یک عنصر زیستی (مانند رشته DNA، آنتی بادی، آنزیم، سلول کامل ) است. در سری مقالات "نانوزیست حسگرها" انواع مختلف زیست حسگرها (بیوسنسورها) و زیست‌تراشه‌ها (بیوچیپ‌ها، biochip) (شامل آرایه‌ای از زیست‌حسگرها)، با تاکید بر نقش نانوساختارها، که برای کاربردهای پزشکی و بیولوژیکی توسعه یافته اند مرور می‌شوند.
1- مقدمه
حسگر (sensor) به عنوان وسیله ای تعریف می شود که قادر است حضور ماده مورد تجزیه (analyte) را در نمونه تشخیص داده و آن را به صورت کمی اندازه گیری کند. حسگر شامل یک سیستم تشخیص به نام گیرنده یا پذیرنده ( receptor= جزء اصلی تشخیص دهنده یون ها یا مولکول های هدف)، یک مبدل (transducer) و یک سیستم قرائت (readout system) است. در حسگرهای زیستی، پذیرنده یک عنصر زیستی بوده و با روش های مختلف روی مبدل تثبیت می شود [1 و2]. این عضو زیستی از گزینش پذیری (selectivity) بالایی برای برهمکنش های زیستی و آشکارسازی آنالیت برخوردار است (در سیستم های زیستی بین گیرنده و لیگاند مربوط به آن برهمکنش اختصاصی وجود دارد) [3].
موفقیت بیوسنسورها، تا حد زیادی تابع چگونگی تثبیت لایه بیورسپتور (جزء زیستی) بر روی مبدل است. هدف اصلی، ایجاد ارتباط تنگاتنگ بین عنصر زیستی و سطح حس کننده (مبدل) با حفظ (و حتی بهبود) پایداری جزء زیستی است. بنابراین، طرح های فیزیکی و شیمیائی متعددی می توانند برای تثبیت به کار روند[4].
حسگرها با چند ویژگی مهم ارزیابی می شوند. گزینش پذیری ویژگی مهم حسگر است که نشان می دهد سیستم تا چه اندازه قادر است ماده مورد تجزیه (آنالیت) را از سایر مواد موجود در نمونه تفکیک کند. به عبارت دیگر هرچه قدرت گزینش پذیری بالاتر باشد، حسگر قادر است آنالیت را با کمترین مزاحمت از طرف دیگر مواد موجود در نمونه، تشخیص داده و اندازه گیری نماید. ویژگی مهم بعدی حساسیت (sensitivity) است. حساسیت بالا بدین معنی است که با کمترین تغییرات در غلظت آنالیت، تغییر قابل توجهی در سیگنال خروجی از حسگر مشاهده می شود. توان تجزیه کمی چنین حسگری بالا است. تکرارپذیری (repeatability) نتایج حاصل از اندازه گیری ویژگی مهم دیگری است که با واژه دقت تعریف می شود. دقت (precision) بالا نشان می دهد نتایج حاصل ار تکرار اندازه گیری به هم نزدیک هستند. صحت (accuracy) نشان دهنده نزدیک بودن نتایج حاصل از اندازه گیری به مقدار واقعی است.
نانوساختارها امروزه به دلایل گوناگون در ساختار بیوسنسورها بکار رفته و منجر به پیشرفت های ارزشمندی در این عرصه گردیده اند. هدف از کاربرد نانومواد در ساختار بیوسنسورها افزایش سطح مورد نیاز برای تثبیت مواد زیستی و در نتیجه افزایش حساسیت، کاتالیز فرایند، امکان پذیری واکنش در پتانسیل های پایین و کمک به انتقال سریع الکترون از مرکز فعال واکنش به سطح الکترود (در نانوبیوسنسورهای الکتروشیمیایی) است. استفاده از نانومواد در ساختار بیوسنسورها می تواند، با حذف واسطه های شیمیایی انتقال الکترون، به ساده سازی ابزارها منجر شود که این امر اهمیت فراوانی در توسعه بیوسنسورهای نسل سوم دارد[5].
نانوذرات به دلیل منطقه سطحی ویژه وسیع و انرژی سطحی آزاد بالا نقش مهمی در جذب سطحی زیست مولکولها دارند [6].

2- اصول عملکرد زیست حسگرها
در حالی که لایه زیستی مسئول برهمکنش اختصاصی با آنالیت است، مبدل، اطلاعات حاصل از این برهمکنش را به اثر قابل اندازه گیری تبدیل می کند. به عنوان مثال مبدل های مکانیکی برهمکنش آنالیت-بیورسپتور را به تغییر در خمش یا فرکانس رزونانسی، مبدل های نوری این پدیده را معمولا به تغییر در فرکانس یا شدت نور و مبدل های الکتروشیمیایی به تغییر در جریان، پتانسیل و ... تبدیل می کنند. در نهایت سیستم قرائت میزان این تغییرات را اندازه می گیرد. شکل 1 فرایند زیست حسگری را به صورت شماتیک نمایش می دهد.

filereader.php?p1=main_3b9050f1dc255c49f
شکل1. دیاگرام اصول زیست حسگری[3].

سیستم قرائت پدیده فیزیکی ناشی از برهمکنش را اندازه گیری می کند. تغییر در خمش، تغییر در فرکانس رزونانسی، تغییر معیارهای الکتروشیمیایی نظیر جریان و پتانسیل و تغییر در خواص نوری، از جمله پدیده های فیزیکی هستند که توسط سیستم قرائت مناسب اندازه گیری می شوند[7].
از مثال های جالب توجه در مورد سیستم قرائت استفاده از فتودتکتور یا سیستم های پیزو در سنسورهای جرمی است (برای مطالعه بیشتر رجوع شود به مقاله "حسگرهای زیستی نانومکانیکی").
بیوچیپ (biochip) نیز شامل آرایه ای از بیوسنسورهای منفرد است که می توانند به صورت جداگانه عمل کرده و عموما برای تشخیص همزمان چندین آنالیت بکار می رود.

3- طبقه بندی بیوسنسورها
بیوسنسورها بر اساس مولفه های مختلف نظیر نوع مبدل یا نوع بیورسپتور طبقه بندی می شوند (شکل 2).

3-1- طبقه بندی بر اساس نوع بیورسپتور
بیوسنسور شامل لایه زیستی حساسی است که می تواند به روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی به مبدل متصل گردد. بیورسپتور، گونه مولکولی زیستی (آنتی بادی، آنزیم، پروتئین، اسیدنوکلئیک) یا سیستم زیستی زنده (سلول، بافت، ارگانیسم) بوده و از مکانیسم بیوشیمیایی جهت تشخیص استفاده می کند. رایج ترین بیورسپتورها بر پایه برهمکنش-های آنتی ژن-آنتی بادی، برهمکنش های اسیدهای نوکلئیک (دو رشته مکمل)، برهمکنش های آنزیمی (آنزیم-سوبسترا)، برهمکنش-های سلولی (میکروارگانیسم ها، پروتئین) و برهمکنش های مواد زیست مقلد (biomimetic) یا بیورسپتورهای سنتزی عمل می کنند. برهمکنش ویژه بین آنالیت و رسپتور امکان عملکرد اختصاصی در آنالیز ماده موردنظر را فراهم کرده و میزان اختصاصیت عملکرد حسگر را تعیین می کند.

filereader.php?p1=main_2b993227b7c83044b
شکل2. طرح شماتیک طبقه بندی بیوسنسورها و زیست تراشه ها[3]

3-2- طبقه بندی بر اساس نوع مبدل
مبدل وقوع و میزان وقوع برهمکنش بین آنالیت و رسپتور را به یک پدیده فیزیکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. تبدیل می تواند به واسطه روش های وسیعی صورت گیرد و بیوسنسورها می توانند بر اساس نوع سیستم تبدیل بکار رفته طبقه بندی شوند. طبقه بندی سیستم های تبدیل رایج شامل، 1- سیستم های نوری (مبتنی بر اندازه گیری لومینسانس، جذب، رزونانس پلاسمون سطحی ...) 2- الکتروشیمیایی (سنجش تغییرات امپدانس، جریان، پتانسیل و ...) و 3- سیستم های حساس به جرم (اندازه گیری خمش و تغییر فرکانس رزونانسی ...) است که به زیرگروه های مربوط تقسیم بندی می شود. سیستم های تبدیل موجود، یک یا ترکیبی از روش های بالا است.

- تکنیک های نوری
برهمکنش آنالیت-رسپتور می تواند منجر به تغییر در خواص نوری نظیر شدت یا فرکانس جذب و نشر، فرکانس رزونانس الکترون های سطحی، زاویه شکست و ... گردد. بیوسنسورها می-توانند از انواع مختلف اسپکتروسکوپی با ثبت ویژگی های اسپکتروشیمیایی مختلف استفاده کنند (جذب، فلورسانس، فسفرسانس، رامان، رزونانس الکترون سطحی، شکست، پخش و ...).

- تکنیک های الکتروشیمیایی
آشکارسازی الکتروشیمیایی روش دیگر تبدیل است که در بیوسنسورها استفاده می شود. تکنیک های الکتروشیمیایی می-توانند به صورت مستقل یا مکمل روش های آشکارسازی نوری نظیر تکنیک نوری بسیار حساس فلورسانس بکار روند. از آنجایی که تعداد زیادی از آنالیت ها فلورسانس قوی ندارند و نشان دار کردن مولکول ها با برچسب فلورسان معمولا فرایند دشواری دارد، تبدیل الکتروشیمیایی می تواند بسیار مفید باشد. با ترکیب حساسیت اندازه گیری های الکتروشیمیایی با انتخاب گری فراهم شده توسط بیورسپتور حد تشخیص های قابل مقایسه با بیوسنسورهای فلورسان بدست می آید.
آشکارسازی الکتروشیمیایی به روش های مختلف ولتامتری، آمپرومتری، پتانسیومتری، اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی و ... صورت می گیرد که در مقاله مربوط به بیوسنسورهای الکتروشیمیایی به تفصیل بحث می شوند.

- تکنیک های حساس به جرم
اندازه گیری تغییرات کوچک در جرم، ناشی از برهمکنش آنالیت-بیورسپتور، شکل دیگری از تبدیل مورد استفاده در بیوسنسورها می باشد. اساس این روش بر کریستال های پیزوالکتریک استوار است. این کریستال ها در اثر اعمال سیگنال الکتریکی در فرکانس مشخصی مرتعش می شوند. فرکانس نوسان به فرکانس الکتریکی بکار رفته و جرم کریستال بستگی دارد؛ بنابراین زمانی که جرم بواسطه اتصالات شیمیایی افزایش می یابد فرکانس نوسانی کریستال تغییر کرده و تغییر حاصل به روش الکتریکی اندازه گیری و برای تعیین جرم افزوده استفاده می شود.

filereader.php?p1=main_1f7d5c3265fb0dd45
شکل 3. اثر برهمکنش بر فرکانس رزونانسی

در دسته دیگری از تکنیک های حساس به جرم از اندازه گیری میزان خمش کانتیلور، ناشی از برهمکنش رسپتور-لیگند، برای آنالیز استفاده می شود.

filereader.php?p1=main_a9f1ca3b60c5760fd
شکل 4. اثر برهمکنش بر خمش

( این مبحث در دو مقاله تحت عناوین "حسگرهای نانومکانیکی" و "ساخت و اصلاح سطح در کانتیلورها" تشریح شده است.)

4- بیوچیپ ها
سیستم های میکروآرایه

توسعه بیوسنسورهای تجمعی جهت آشکارسازی همزمان گونه های زیستی چندگانه از دو دهه پیش آغاز گردیده است. در این آرایه ها هر آرایه برای تشخیص یکی از آنالیت های چندگانه موجود در نمونه، دارای یک بیورسپتور جداگانه بوده و مجموع این آرایه ها از منبع تهییج و پروسه اندازه گیری یکسان برای همه گونه های مورد آنالیز استفاده می کنند. شکل 5 مثالی از میکروآرایه DNA به همراه سیستم آشکارسازی را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_7b66ac04eaacad298
شکل 5. طرح شماتیک میکروآرایه [3]DNA

در سیستم های بیوچیپ تجمع یافته تمام اجزای سنسور از قبیل سیستم ارایه کننده نمونه، عنصر حسگر، مبدل، تقویت کننده، و تمامی مسیرها و مدارات موردنیاز بر روی یک چیپ تعبیه شده است.
توسعه بیوسنسورها از سال 1960 آغاز گردیده است. رشد فزاینده این سیستم ها تنوعی از کاربردها را در دو حوزه حسگری بیولوژیکی و حسگری زیست محیطی ممکن ساخته است[1].
در مقالات بعدی، پیشرفت بیوسنسورها در نتیجه انواع ساختارهای نانو بکار رفته در آنها به تفصیل بیان می گردد.

نتیجه گیری
بیوسنسورهایی که ساختارهای نانو در آنها بکار رفته اند، به نانوبیوسنسور معروفند و به دلیل برخورداری از سطح وسیع تثبیت نمونه، کارایی و حساسیت بالایی دارند. با کاهش اندازه بیوسنسور و نیاز به مقادیر بسیار کم نمونه که رهاورد استفاده از ساختارهای نانو می باشد، امکان طراحی بیوچیپ های تجمع یافته فراهم شده است. این سیستم ها برای کاربردهای تشخیصی بالینی بسیار اهمیت داشته و تمام اجزای لازم جهت ارائه نمونه، حسگری و داده پردازی در آنها گرد آمده اند. تکنولوژی بیوچیپ با حداقل مقدار نمونه موردنیاز، برای آنالیز سرپایی نمونه بیماران توسط پرسنل نه چندان ماهر مناسب بوده و نیاز به آزمایشگاه های تشخیص طبی را که با نیاز به تجهیزات گسترده و اتلاف وقت و هزینه همراه است، مرتفع می سازد و امکان آنالیز همزمان چندین آنالیت در یک نمونه و در نتیجه امکان تشخیص دقیق و سریع را فراهم می کند.

منابـــع و مراجــــع

1. Mauro Ferrari, Rashid Bashir, Steve Wereley, "Biomolecular Sensing, Processing and Analysis", NewYork; London: Springer, volume4, (2006).

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

3. L.G. Carrascosa, “Nanomechanical biosensors: a new sensing tool”, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Vol.25, 3, p.p 196-206, (2006).

4. جوزف وانگ، "الکتروشیمی تجزیه"، ترجمه: سید مهدی گلابی، میررضا مجیدی، چاپ دوم، تبریز: دانشگاه تبریز، (1385).

5. Abdollah Salimi, “Amperometric detection of nitrite, iodate and periodate at glassy carbon electrode modified with catalase and multi-wall carbon nanotubes”, Sensors and Actuators, Vol. 123, 1, pp. 530-537, (2007).

6. Haipeng Yang, “A high performance glucose biosensor enhanced via nanosized SiO2”, Analytica Chimica Acta, Vol. 554, 1-2, pp. 92-97, (2005).

7. Brian R. Eggins, “CHEMICAL SENSORS AND BIOSENSORS”, England: John Wiley & Sons; Ltd, (2002).