برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۱۶۲
  • بازدید این ماه ۲
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانو زیست حسگر ها (5) زیست حسگرهای نوری بر پایه تشدید پلاسمون های سطحی

اسپکتروسکوپی بر پایه رزونانس پلاسمون های سطحی (SPR) به عنوان روشی قدرتمند و بی نیاز از برچسب برای بررسی برهمکنش های مولکولی غیر کووالانسی در زمان واقعی و به صورت غیر تهاجمی به کار می رود. تشدید پلاسمون سطحی، به عنوان یک روش بدون برچسب، برای دستیابی به سیگنال نیازی به برچسب رنگ یا مواد خاص ندارد. در دو دهه گذشته SPR به طور گسترده در مطالعه برهمکنش های غیر کووالانسی پروتئین-DNA، پروتئین-سلول، DNA-RNA، DNA-DNA، پروتئین-پروتئین و... استفاده شده است. طیف سنجی تشدید پلاسمون های سطحی می تواند در تعیین سینتیک واکنش و غلظت مولکول های موجود در نمونه برای واکنش های اختصاصی بکار رود. در این مقاله به اصول عملکرد SPR و کاربرد های آن در حوزه حسگری علوم پزشکی اشاره خواهد شد (1)

1-مقدمه
زیست حسگرها برای اولین بار در سال 1962 با توسعه الکترودهای آنزیمی توسط لنارد سی کلارک (پدر علم زیست حسگر) معرفی شدند. حسگرها گروهی از تجهیزات هستند که در برابر تغییرات فیزیکی یا شیمیایی پاسخ قابل اندازه گیری تولید می کنند. به طور کلی، یک زیست حسگر شامل یک جز زیستی (اسید های نوکلئیک، آنزیم، آنتی بادی و غیره) و یک مبدل سیگنال است و سیگنال متناسب با غلظت آنالیت تولید می کند. پس از شناسایی آنالیت توسط جزء زیستی، مبدل، تغییرات صورت گرفته در زیست مولکول را به سیگنالی متناسب با عملکرد حسگر که می تواند الکتریکی، نوری، مکانیکی و ... باشد، تبدیل می کند. گیرنده نسبت به آنالیت یا ماده ای که مورد سنجش قرار می¬گیرد، بسیار اختصاصی عمل می کند و فقط نسبت به آن حساسیت نشان می دهد، به طوری که آنالیت های دیگر را تشخیص نمی دهد. حسگرها برای اندازه گیری تغییرات زیستی و شیمیایی استفاده می شوند. ویژگی هایی مانند: حساسیت بالا، پاسخ سریع و هزینه پایین، زیست حسگرها را به عنوان ابزاری موثر برای کاربردهای مختلف به خصوص در زمینه زیستی و پزشکی معرفی می کند (2, 3).


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. تصویر شماتیک از عملکرد یک زیست حسگر

زیست حسگرها مانند حسگرها، پاسخ قابل اندازه گیری در اثر تغییرات از خود بروز می دهند اما تفاوت اساسی آن با حسگرها این است که اجزایی که در عمل حسگری به کار می روند، ساختارهای زیستی مانند: سلول ها، آنزیم ها و نوکلئیک اسیدها هستند. زیست حسگرها به علت ویژگی هایی مانند: سرعت، صحت و حساسیت بالا، هزینه پایین و قابل اعتماد بودن نتایج، برای شناسایی و تشخیص آنالیت های اختصاصی استفاده می شوند (4, 5).
زیست حسگرها به انواع مختلف شامل، زیست حسگرهای نوری، زیست حسگرهای الکتروشیمیایی و زیست حسگرهای پیزوالکتریک طبقه بندی می شوند. اساس تشخیص در زیست حسگرهای نوری بر مبنای تغییر در ویژگی-های نوری، در زیست حسگرهای الکتروشیمیایی بر مبنای تغییرات در ویژگی های الکتریکی و در زیست حسگرهای پیزوالکتریک بر مبنای تغییرات در حجم است. زیست حسگرهای نوری ابزاری قدرتمند در شناسایی و آنالیز هستند و در حوزه های گوناگونی از قبیل: زیست پزشکی، سلامت، دارویی، پایش محیط زیست، امنیتی و غیره کاربرد دارند (6).
زیست حسگرهای نوری نسبت به تداخلات الکترومغناطیسی مقاوم هستند و به علت این مقاومت می توانند از راه دور نیز مورد پایش و بررسی قرار گیرند. در شناسایی بر اساس فلوئورسانس، هر دو مولکول هدف و شناساگر زیستی توسط برچسب های فلوئورسنتی مانند رنگ ها نشاندار می شوند و شدت فلوئورسانس نشان دهنده وجود مولکول های هدف و پیوند قوی بین مولکول های شناساگر زیستی و هدف است. اگرچه شناسایی بر پایه فلوئورسانس حساسیت خاص خود را دارد، اما تنها محدود به شناسایی یک مولکول است. مرحله برچسب دار کردن مولکول به عملکرد مولکول آسیب می زند و تعداد فلوئوروفورها بر روی هر مولکول به درستی کنترل نمی شود و در محاسبات کمی اختلال ایجاد می کند. برخلاف روش فلوئورسانس، در شناسایی برچسب آزاد، مولکول های هدف دچار تغییر یا علامت گذاری نمی شوند و در حالت طبیعی خود، مورد شناسایی قرار می گیرند. این روش شناسایی نسبتا آسان و ارزان است و اجازه اندازه¬گیری کمی و کینتیک تعاملات بین مولکولی را می دهد. این روش شناسایی اساس کار زیست حسگرهای تشدید پلاسمون های سطحی است (7, 8).
اولین استفاده از تشدید پلاسمون های سطحی در سال 1990 میلادی انجام شد و پس از آن ، SPR به عنوان یکی از فناوری های زیست حسگری نوری در حوزه های شیمی، زیست و پزشکی شناخته شد. ویژگی های SPR، سنجش در زمان واقعی، بدون برچسب و غیر تهاجمی بودن این فناوری است.

2-اصول فیزیکی حاکم
2-1-پدیده بازتاب داخلی کلی (TIR ) و موج های فرودی:
بازتاب داخلی پدیده ای هست که در آن وقتی نور با زاویه تابش مشخص از محیط غلیظ وارد محیط رقیق می شود نسبت به مسیر اولیه از خط عمود بر فصل مشترک دو محیط رقیق و غلیظ فاصله می گیرد. اگر زاویه تابش به اندازه مشخصی برسد پرتو شکست به جای ورود به محیط رقیق از فصل مشترک دو محیط خارج می شود به این اندازه از زاویه تابش زاویه حد گفته می شود. اگر زاویه تابش از این مقدار بیشتر شود پرتو اصلا وارد محیط رقیق نمی شود و به محیط اول بازتابش می کند که به آن بازتابش کلی می گویند. در شکل 2 این پدیده قابل مشاهده است. هنگامی که نور از محیط با ضریب شکست زیاد یا محیط 1 وارد محیط با ضریب شکست کمتر یا محیط 2 می شود پدیده بازتاب داخلی کلی در محیط 1 اتفاق می افتد و در آن زاویه تتا (Ѳ) بزرگتر از زاویه بحرانی (Ѳc) است و sin(Ѳc)= n2/n1 است. موج های فرودی در محیط 2 و با ضریب شکست پایین تر تحت شرایط TIR تشکیل می شوند. دامنه این نوع از موج ها (موج میرا) با فاصله بین دو محیط 1 و 2 از بین می رود. زمانی که لایه طلای غیر مغناطیسی با ضخامت مناسب در فصل مشترک قرار می گیرد، موج فرودی تقویت شده و به لایه طلا نفوذ می کند و در محیط 2 قرار می گیرد. بزرگی بردار موج موازی با موج فرودی (Kevan) به شکل معادله 1 بیان می شود:
معادله 1: kevan= 2π/λ n1sin(θ)
که در این فرمول λ طول موج نور فرودی، n1 ضریب شکست محیط با ضریب شکست بالاتر یا محیط 1 و θ زاویه فرودی است.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2. تصویر شماتیک از 1 و 2) زاویه تابش، 3) زاویه حد و 4) بازتاب


2-2-پلاسمون  سطحی
پلاسمون سطحی (SP) یک موج الکترومغناطیسی با قابلیت عملکرد بالا است که در فصل مشترک فلز – دی-الکتریک در سطح فلز در ناحیه طول موج نوری به دام می افتد. پلاسمون سطحی ویژگی های منحصر به فردی، به دلیل نوسان الکترون های رسانش در نزدیکی سطح فلز در اثر تهییج به واسطه نور فرودی، از خود به نمایش می گذارد. در مقیاس نانومتر، نانوذرات فلزی نسبت سطح به حجم بالایی دارند و در نتیجه ویژگی های نوری، الکترونیکی، مغناطیسی و شیمیایی متفاوتی نسبت به حالت مولکولی و توده (بالک) خود پیدا می کنند. زمانی که میدان الکترومغناطیسی فرودی با نانوذرات فلزی برهمکنش می دهد، الکترون های رسانش سطحی فلز به صورت جمعی و یکپارچه توسط تشدید با فرکانس نور نوسان می کنند و این پدیده به دلیل شبکه بلوری نانوذرات و جاذبه کولومبی بین الکترون ها و هسته نانوذرات فلزی است. این نوسان جمعی الکترون ها در تشدید با فرکانس نور فرودی منجر به تشدید پلاسمون های سطحی بر روی سطح نانوذرات فلزی می شود. بزرگی بردار موج پلاسمون سطحی (Ksp)، وابسته به ثابت¬های دی الکتریک لایه طلا و محیط 2 است. برای محیط غیر جاذب، ثابت دی الکتریک برابر با مربع ضریب شکست n2 = ɛ است که در آن ɛ ثابت دی الکتریک و n ضریب شکست است. بنابراین، ksp توسط دو فاکتور n2 و ng با توجه به معادله 2 محاسبه می شود:

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

که n2 ضریب شکست محیط 2 در محدوده فصل مشترک و ng ضریب شکست لایه طلا است.

3-2-1 تشدید پلاسمون های سطحی:
پلاسمون سطحی می تواند توسط موج فرودی تهییج شود که به این پدیده رزونانس پلاسمون سطحی (SPR) گویند. زمانی که این پدیده رخ می دهد، شدت نور بازتابیده به شدت کاهش می یابد. انهدام پلاسمون سطحی تهییج شده شامل تبدیل انرژی به فونون یا فوتون است. برای اینکه SPR رخ دهد باید Ksp=Kevan باشد. بنابراین با استفاده از معادله 1 و2:

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
زاویه ای که برای رزونانس نیاز است (θSPR) زمانی که n1 و ng ثابت باشد، وابسته به n2 است. جذب و واجذب روی سطح طلا باعث تغییر ضریب شکست محیط 2 نزدیک فصل مشترک فلز-دی الکتریک می شود و به همان نسبت زاویه رزونانس نیز تغییر می کند. بنابراین، پایش تغییرات θSPR برای بررسی جذب-واجذب یا اتصال-انفکاک روی سطح طلا به کار می رود.

3- دستگاهوری SPR:
چیدمان کرچمن در بیشتر دستگاههای SPR استفاده میشود و در شکل 3 ساختار آن مشاهده میشود. در این چیدمان، لایه ای از فلز (معمولا طلا یا نقره) در فصل مشترک دو محیط دی الکتریک قرار میگیرد. محیط 1 منشوری است که دارای ضریب شکست بالاتر (n1) است و محیط 2 با ضریب شکست پایین تر(n2) می تواند هوا یا محلول مورد نظر باشد.


filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل3. تصویر شماتیک از چیدمان کرچمن در دستگاه SPR


دستگاه SPR بر اساس چیدمان کرچمن دارای سه جز اصلی است. اولین جز مهم، منبع نور است که اغلب دیود منتشر کننده نور (LED) با کارکرد بالا و در محدوده مادون قرمز نزدیک است. دومین جزء اصلی سیستم، چیپ حسگر است که شامل لایه طلا با ضخامت 40 تا 50 نانومتر است که به سطح شیشه متصل می شود ( شیشه دارای ضریب شکست بالاتر از طلا است). طلا دارای ضریب شکست پایین تری است و در بافر های فیزیولوژیک، ساکن و غیر فعال است و برای بهبود و افزایش تثبیت مواد بر روی سطح به کار می رود و محیط انتشار موج میرا را فراهم می کند. لایه دی الکتریک شیشه و طلا برای دستیابی به پدیده TIR در سطح به منشور متصل می شود. سل تست به لایه طلا متصل می شود و توسط محلول های مختلفی که مورد مطالعه قرار خواهد گرفت، پر می شود. زمانی که باریکه نور در منشور منتشر می شود و به فصل مشترک لایه طلا و محلول برخورد می کند، پدیده بازتاب داخلی کلی (TIR) روی می دهد و موج فرودی که دارای زاویه فرودی بزرگتر از زاویه بحرانی است، تابانده می شود. شدت نور بازتابیده معمولا توسط زاویه فرودی تحت شرایط TIR تغییر نمی کند و در زاویه خاصی بزرگتر از زاویه بحرانی، موج فرودی، الکترون های جابه جا شده یا پلاسمون های لایه طلا را تهییج می کند که باعث پدیده SPR‌ می شود. شدت نور بازتابیده در این نقطه به شدت کاهش می یابد. زاویه فرودی که کمترین میزان بازتاب در آن مشاهده می شود، زاویه SPR نامیده می شود. زمانی که منشور ثابت است، زاویه SPR با تغییر ضریب شکست محلول در فصل مشترک تغییر می¬کند و تغییر ضریب شکست محلول به علت اتصال مواد مختلف به سطح لایه طلا و تغییر غلظت و حجم اتفاق می افتد. فناوری SPR برای آنالیز تعاملات و واکنش ها در محدوده فصل مشترک و با حدود فاصله 200 نانومتر از سطح طلا استفاده می شود. منحنی بازتاب معمول نسبت به منحنی زاویه فرودی نشان می دهد که زاویه SPR در هوا 35/21 درجه است. با توجه به شکل 4 هرچه اجزای بیشتری روی سطح طلا قرار گیرد و اتصالات بیشتری رخ دهد زاویه SPR تغییر بیشتری به سمت افزایش زاویه پیدا می کند. همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود، با اتصال ایمونوگلوبولین G (IgG) به پروتئین A، زاویه SPR به اندازه 1/2 درجه افزایش مییابد. با افزایش بیشتر ناحیه Fab ایمونوگلوبولین G یا همان واکنش آنتی ژن  - آنتی بادی، زاویه SPR به اندازه 2/1 درجه دیگر افزایش پیدا می کند. تغییر زاویه SPR به طور خطی متناسب با تغییرات حجم بر روی سطح است.


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل4. A) افزایش زاویه SPR با اتصال مولکول های بیشتر به سطح طلا. B) تصویر شماتیکی از لایه های تشکیل شده روی سطح لایه طلا


جز کلیدی سوم دستگاه SPR، سیستم شناساگر است که می تواند شناساگر حسگری موقعیت 2 (PSD) یا وسیله جفت شده باردار 3 (CCD) باشد. سیستم های CCD به دلیل حساسیت بالاتر در SPR بیشتر استفاده می شوند. اساس کار CCD استفاده از آرایه های خطی دیود های حساس به نور یا پیکسل ها برای پوشش محدوده ای از زوایای نور فرودی با رزولوشن یا قدرت تفکیک 5- 10 است.


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. رایج ترین سیستم SPR بر اساس چیدمان کرچمن. دایره ها و Y های معکوس در شکل به ترتیب آنالیت و مولکول های لیگاند در سیستم هستند. در این شکل، لیگاندها شامل آنتی بادی های مونوکونال (mab) هستند که بر روی سطح طلا تثبیت شده اند. دایره های قرمز رنگ، آنتی ژن ها (Ag) هستند که به طور اختصاصی و انتخابی به آنتی بادی متصل می شوند. منبع نور، لیزر هلیوم – نئون (He-Ne) است. شناساگر اغلب یک CCD است.


4-آماده سازی و تثبیت نمونه
به طور کلی، سه رویکرد برای تثبیت مولکول ها و آماده سازی سطح اتخاذ می شود. اولین رویکرد شامل تثبیت مستقیم لیگاند یا مولکول مورد نظر به صورت کووالانسی به سطح حسگر طلا است. برخی از لیگاندهای مورد استفاده شامل: آمین ، تیول، آلدهید و غیره است. به عنوان مثال، گروه آمین می تواند گروه های آمین اولیه آزاد در آمینواسید لیزین یا انتهای N پروتئین باشد. تکنیک تثبیت مولکول روی سطح و شیوه گزینش آن باید به گونه ای باشد که پیوند های غیر اختصاصی را به حداقل برساند، حجم مناسبی از مواد بر روی سطح قرار گیرد و از همه مهم تر اینکه ویژگی های ذاتی و ساختاری مولکول آنالیت را حفظ کند. در طی مرحله تثبیت مولکول ها روی سطح باید از تراکم بسیار بالای لیگاند، تجمع و پیوندهای غیر اختصاصی جلوگیری شود. اتصال مستقیم و بدون واسطه لیگاند به مولکول مورد نظر برای لیگاندهای با خلوص بالاتر (بیشتر از 90%) استفاده می شود اما دارای معایبی هنگام استفاده از لیگاندهای مختلف و ناهمگون است. همچنین برای نمونه های پروتئینی، باید pH و نقطه ایزوالکتریک (pI) پروتئین برای بهینه سازی شرایط تثبیت مورد توجه قرار گیرد.
رویکرد دوم برای تثبیت لیگاند بر روی سطح استفاده از اتصال غیر کووالانسی غیر مستقیم از طریق مولکول های گیراندازنده با تمایل بالا برای اتصال است. مولکول های گیر اندازنده شامل: آنتی بادی های مونوکلونال (mAbs)، مولکول آویدین-بیوتین از طریق بیوتینیلاسیون یا استفاده از برچسب (تگ) های با خلوص بالا در فرایند خالص سازی پروتئین مانند: برچسب هیستدین نوترکیب است. در این رویکرد، مولکول گیر اندازنده به صورت کووالانسی به سطح حسگر و به صورت غیر کووالانسی به لیگاند مد نظر متصل می شود. این تکنیک غیر مستقیم یا گیر اندازنده باعث استفاده از لیگاندهای با خلوص کمتر می شود زیرا گیراندازی تمایلی خودش واجد مرحله خالص سازی نیز است. مزیت دیگر رویکرد دوم، ایجاد لایه های متحدالشکل، یکنواخت یا هوموژن است زیرا تمام مولکول های آنالیت تمایل به شکل گیری یکسان و منظم در مکان مورد نظر دارند. مزیت نهایی تثبیت بر اساس گیر اندازی تمایلی این است که در این رویکرد، از دست رفتن فعالیت زیستی یا از دست دادن تمامیت ساختاری مولکول لیگاند به ندرت اتفاق می افتد.
رویکرد سوم استفاده از مواد لنگر اندازنده به پروتئین های غشایی است. برای مثال، جذب لیپیدها از لیپوزوم یا میسل به سطح حسگر می تواند مطالعات واکنش های لیگاند های متصل شده به غشا را کنترل کند.

5- آنالیز با تکنیک SPR
زاویه SPR دارای رابطه خطی با ضریب شکست (RI) محلول در فصل مشترک است. زوایای SPR در محیط های با ضریب شکست متفاوت اندازه گیری شده اند. در شکل 6 ارتباط بین زاویه SPR و ضریب شکست نمایش داده شده است.


filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. همبستگی بین ضریب شکست و زاویه SPR

اندازه گیری از طریق تکنیک SPR بدون نیاز به برچسب است، یعنی نیاز به مواد رنگی یا فلوئورسانس برای شناسایی سیگنال ندارد، برای مطالعه اجزای غذایی، مواد سمی یا توکسین ها، پاتوژن ها یا مواد بیماری زا، ویتامین ها، پروتئین-های درمانی، نشانگرهای زیستی سرطان ، آنتی بادی های تشخیصی، آلاینده های محیطی، شناساگرهای بیماری های قلبی، هورمون ها و الیگونوکلئوتید ها به کار می رود (1, 9).

6-استفاده از نانوذرات طلا در رزونانس پلاسمون های سطحی
برای حسگری نوری با استفاده از نانوذرات طلا، ویژگی های نوری توسط نوسان جمعی الکترون های باند رسانشی یا پلاسمون ها در پاسخ به تابش الکترومغناطیس خارجی ایجاد می شود. این رزونانس، نوسان منسجم الکترون های رسانش سطحی است که توسط تابش الکترومغناطیسی تهییج می شود. اتصال و پیوند مولکول های اختصاصی بر روی سطح لایه های فلزی می تواند تغییراتی در ثابت دی الکتریک القا کند که باعث تغییر در بازتاب نور لیزر از سطح مایع – فلز می شود. نانوذرات طلا دارای طیف خاموشی نوری بسیار حساس به ثابت دی الکتریک محیط پیرامون هستند که در دستگاه های SPR به طور گسترده استفاده شده اند. نانوذرات طلا برای تقویت و افزایش پاسخ زیست حسگر SPR استفاده می شوند.
انگلبین در سال 1998 گزارش کرد که در صورت پوشش سطح نانوذرات طلا توسط آنتی بادی مونوکلونال، جابه جایی قرمز در طول موج SPR نانوذرات طلا مشاهده می شود. نانوذرات طلا بدون پوشش دارای طول موج اختصاصی مربوط به خود هستند که با توجه به اندازه نانوذرات طلا تعیین می شود (3). این طیف های مربوط به نانوذرات طلا توسط دستگاه اسپکتروفوتومتری مرئی – فرابنفش قابل شناسایی و اندازه گیری است. در صورتیکه به سطح نانوذرات طلا مولکول های مختلفی از جمله آنتی بادی متصل شود، این اتصال باعث نزدیک تر شدن نانوذرات طلا به یکدیگر و جابه جایی در طیف نانوذرات طلا به سمت طول موج های بیشتر می شود که به این پدیده جابه جایی قرمز گویند و با مشاهده طیف ها می توان اتصال مولکول مورد نظر به سطح طلا را شناسایی کرد. در شکل 7 نزدیک شدن نانوذرات طلا به یکدیگر و جابه جایی قرمز بعد از اتصال مولکول مورد نظر به سطح نانوذرات طلا نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل7. a) طیف سنجی مرئی-فرابنفش از نانوذرات طلا و نانوذرات طلای متصل شده به آنتی‌بادی. تصاویر TEM از b) نانوذرات طلا و c) نانوذرات طلای متصل شده به آنتی‌بادی


مطابق آنچه در شکل7 دیده می‌شود، نانوذرات طلای 22 نانومتری پس از اتصال به آنتی‌بادی به30 نانومتر افزایش سایز پیدا کرده اند. همچنین جابجایی قرمز 4 نانومتری در طول موج بیشینه مشاهده می‌شود.
مشاهدات انگلبین نشان داد که این جابه جایی در طیف ناشی از تجمع یا آگلوتیناسیون نانوذرات طلا نیست بلکه به علت تغییر در ضریب شکست ذرات منفرد در نتیجه پوشیده شدن توسط لیگاند اختصاصی به هنگام اتصال به آنتی بادی است. پس از این مطالعه، کارهای آزمایشگاهی بسیاری انجام شدند تا همبستگی بین شدت قله و موقعیت جذب پلاسمون سطحی نانوذرات طلا را با ضریب شکست موضعی محیط اطراف ذرات پیدا کنند. (3).
شکل 8 نشان دهنده این حقیقت است که استفاده از نانوذرات طلا باعث بهبود سیگنال و پاسخ سیستم SPR از طریق جفت شدن الکترونی پلاسمون های سطحی نانوذرات طلا و افزایش حجم مولکول های تثبیت شده روی مولکول های طلا می شود.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. مکانیسم تقویت سیگنال توسط نانوذرات طلا در زیست حسگرهای SPR. نانوذرات طلا می تواند توسط گیرنده های زیستی و آنالیت مانند: DNA بر روی زیر لایه تثبیت شود.

بسیاری از گروه های تحقیقاتی از نانوذرات طلای عامل دار برای ارزیابی بهبود و تقویت حسگری استفاده کرده اند. تکنیک SPR تقویت شده با نانوذرات طلا برای شناسایی سلول های کلرا استفاده شده است. گروه های دیگر از SPR تقویت شده با نانوذرات طلا برای شناسایی غلظت پیکومولار ایمونوگلوبولین استفاده کرده اند (3).
در مورد کاربرد SPR در طراحی زیست حسگر ها، زیست حسگر بسیار حساسی بر اساس اتصال آنتی بادی به نانوذرات طلا برای شناسایی آنتی ژن اختصاصی پروستات ( PSA ) توسعه یافته است.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9. تصویر شماتیک از دستگاه SPR برای شناسایی آنتی ژن اختصاصی پروستات

همانطور که در شکل 9 مشاهده می شود، روی زیر لایه ای از طلا برای اتصال بهتر آنتی بادی لایه ای از rProteinG قرار می گیرد تا قرار گیری آنتی بادی روی سطح با نظم و چینش و جهت گیری بهتری صورت گیرد. بعد از این مرحله، آنتی بادی بر ضد PSA بر روی سطح قرار می گیرد و در مرحله بعد آنتی ژن PSA روی سطح قرار می گیرد. بعد از آن، محلولی که دارای نانوذرات طلای متصل به آنتی بادی بر ضد PSA می باشد اضافه می شود و تغییرات از طریق تغییر در زاویه SPR خوانده می شود و میزان اتصال مشخص می شود. اضافه کردن نانوذره طلای متصل به آنتی¬بادی در واقع باعث تقویت و حساسیت بهتر سیستم می شود و بین غلظت PSA و نانوذرات طلای متصل به آنتی بادی رابطه خطی وجود دارد. حساسیت این سیستم حتی تا مرتبه فمتومولار نیز می رسد. سیستم های بسیاری بر اساس SPR توسعه یافته اند و دارای حد تشخیص و حساسیت بالایی هستند که اهمیت استفاده و کاربرد این سیستم ها را نشان می دهد .
فناوری SPR در تجهیزات و آزمایشگاه ها استفاده می شود و این تکنولوژی محدودیت های مربوط به خود را دارد. اگرچه تکنیک های متعددی برای تثبیت مولکول ها بر روی سطح استفاده می¬شود اما هرگونه دستکاری که عملکرد زیستی گونه های مورد بررسی را تحت تاثیر قرار دهد، محدودیت در استفاده از SPR ایجاد می کند. مولکول های کوچک (کوچکتر از150 – 180 دالتون) به آسانی توسط دستگاه SPR شناسایی نمی شوند. به علاوه پیوند های غیر اختصاصی، ویسکوزیته نمونه، کیفیت نمونه مورد بررسی، نظافت سیستم همگی در کیفیت عملکرد دستگاه SPR تاثیر دارد (9).

نتیجه گیری:
سیستم های بر پایه رزونانس پلاسمون های سطحی (SPR) بیش از دو دهه است که به صورت گسترده در کاربردهای مختلف به خصوص در حوزه علوم پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است و این سیستم به صورت غیرتهاجمی و بر چسب آزاد به بررسی و شناسایی مولکول ها و اجزای مختلف می پردازد. در آینده توانایی انجام عملکردهای مختلف با استفاده از این سیستم نوری توسعه خواهد یافت.

منابـــع و مراجــــع

1. Bakhtiar R. Surface plasmon resonance spectroscopy: a versatile technique in a biochemist’s toolbox. Journal of Chemical Education. 2012;90(2):203-9

2. Clark LC, Lyons C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of sciences. 1962;102(1):29-45.

3. Li Y, Schluesener HJ, Xu S. Gold nanoparticle-based biosensors. Gold Bulletin. 2010;43(1):29-41.

4. Wei Q, Li T, Wang G, Li H, Qian Z, Yang M. Fe 3 O 4 nanoparticles-loaded PEG–PLA polymeric vesicles as labels for ultrasensitive immunosensors. Biomaterials. 2010;31(28):7332-9.

5. Yang M, Li H, Javadi A, Gong S. Multifunctional mesoporous silica nanoparticles as labels for the preparation of ultrasensitive electrochemical immunosensors. Biomaterials. 2010;12)31):6-3281.

6. Narayanaswamy R, Wolfbeis OS. Optical sensors: industrial environmental and diagnostic applications: Springer Science & Business Media; 2003.

7. Moerner W. New directions in single-mole cule imaging and analysis. Proceedings of the 8. National Academy of Sciences. 2007;104(31):12596-602.

8. Cox WG, Singer VL. Fluorescent DNA hybridization probe preparation using amine modification and reactive dye coupling. Biotechniques. 2004;36(1):114-23

9. Tang Y, Zeng X, Liang J. Surface plasmon resonance: An Introduction to a surface spectroscopy technique. Journal of chemical education. 2010;87(7):742-6.