X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

در سالهای اخیر کاربردهای زیست‌ فناوری و پزشکی فناوری میکرو ونانو (که معمولا از آن به عنوان سیستم‌های میکروی الکتریکی مکانیکی پزشکی یا زیست‌ فناوری‎(BioMEM) 1‏ نام برده می‌شود) به‌صورت فزاینده‌ای رایج شده است و کاربردهای وسیعی همچون تشخیص و درمان بیماری و مهندسی بافت پیدا کرده است. در حین این که تحقیقات و گسترش فعالیت در این زمینه هم چنان به قوت خود باقی است، بعضی از این کاربردها تجاری هم می‌شود. در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را مرور کرده و خلاصه‌ای از جدیدترین مطالب در حوزه ‏BioMEM ‎‏ را با تمرکز روی تشخیص و حسگرها ارائه می‌شود.‏

سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک

در سالهای اخیر کاربردهای زیست‌ فناوری و پزشکی فناوری میکرو ونانو (که معمولا از آن به عنوان سیستم‌های میکروی الکتریکی مکانیکی پزشکی یا زیست‌ فناوری‎(BioMEM) 1‏ نام برده می‌شود) به‌صورت فزاینده‌ای رایج شده است و کاربردهای وسیعی همچون تشخیص و درمان بیماری و مهندسی بافت پیدا کرده است. در حین این که تحقیقات و گسترش فعالیت در این زمینه هم چنان به قوت خود باقی است، بعضی از این کاربردها تجاری هم می‌شود. در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را مرور کرده و خلاصه‌ای از جدیدترین مطالب در حوزه ‏BioMEM ‎‏ را با تمرکز روی تشخیص و حسگرها ارائه می‌شود.‏

بیوسنسور‌ها
در کاربردهای بسیاری در پزشکی، تحلیل محیطی و صنایع شیمیائی نیاز به روشهایی جهت حس کردن مولکولهای زیستی کوچک وجود دارد. حس‌های بویایی و چشایی ما دقیقا همین کار را انجام می‌دهد و سیستم ایمنی بدن میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسائی می‌کند. شناسائی مولکولهای کوچک تخصص بیومولکولها است، لذا اینها شیوه جدید و جذابی برای ساخت سنسورهای خاص را پیش رو قرار می‌دهد. دو مولفه اساسی در این راستا وجود دارد. المان شناساگر و روش‌هایی برای فراخوانی زمانی که المان شناساگر هدف خودش را پیدا می‌کند. اغلب المان شناساگر تحت تاثیر منبع زیست‌ فناوری تغییر نمی کند. مشکل اصلی در این کار طراحی یک واسطه مناسب به یک وسیله بازخوانی بزرگ است.
از آنتی بادی‌ها به صورت گسترده به عنوان بیوسنسور استفاده می‌شود. آنتی بادی‌ها بیوسنسورهای پیشتاز در طبیعت است، به همین دلیل توسعه تستهای تشخیصی با استفاده از آنتی بادیها، یکی از زمینه‌های بسیار موفق در بیوفناوری است. شاید آشناترین مثال تست ساده‌ای است که برای تعیین گروه خونی استفاده می‌شود.
بوسنسورهای گلوکز از موفق ترین بیوسنسورهای موجود در بازار است. بیماران مبتلا به دیابت نیاز به شیوه‌های مرسوم جهت پایش سطح گلوکز خود دارد. سنسورهای قابل کاشت و غیر تهاجمی در حال توسعه است، اما در حال حاضر در دسترس‌ترین شیوه بیوسنسور دستی است که یک قطره از خون را تحلیل می‌کند.

تعریف ‏BioMEM
‏  از زمان آغاز سیستم‌های ‏MEM‏ در اوایل دهه ۱۹۷۰، اهمیت کاربردهای پزشکی این سیستم‌های مینیاتوری درک شد. ‏BioMEM‏‌ها در حال حاضر یک موضوع بسیار مهم است که تحقیقات بسیاری در زمینه آن انجام شده است و کاربردهای پزشکی مهم بسیاری دارد. در حالت کلی می‌توان ‏BioMEM‏‌ها را به عنوان \”دستگاه‌ها ( وسایل) یا سیستم‌هایی ساخته شده با روش‌‌های الهام گرفته شده از ساخت در ابعاد میکرو /نانو، که برای پردازش، تحویل ۲، دستکاری۳، تحلیل یا ساخت ذرات ۴ شیمیائی و بیولوژیک استفاده می‌شود\”،  تعریف کرد. این وسایل و سیستم‌ها همه واسطه‌های علوم زندگی و ضوابط پزشکی با سیستم‌های با ابعاد میکرو و نانو را شامل می‌شود.  حوزه‌های تحقیقات و کاربردها در ‏BioMEM‏ از تشخیص بیماری‌ها مانند میکرو آرایه‌های پروتئینی و‏DNA، تا مواد جدیدی برای ‏BioMEM، مهندسی بافت، تغییر و اصلاح۵ سطح، ‏BioMEM‏‌های قابل کاشت،  سیستم‌هائی برای رهایش دارو و…. را شامل می‌شوند. وسایل و سیستم‌های فشرده‌ایی که از ‏BioMEM‏‌ها استفاده می‌کنند، به عنوان \”آزمایشگاه روی یک چیپ\”۶ و سیستم‌های تحلیل تمام میکرو‏TAS ) ‎‏ ‏‎µ‎‏ یا ‏‎(micro-TAS ‎‏  7 نیز شناخته می‌شود.

اصول مورد استفاده
BioMEM        ‎‏ و وسایل مربوط می‌تواند با سه دسته از مواد ساخته شود که می‌توان آنها را به‌صورت زیر طبقه‌بندی کرد:
۱- میکرو الکترونیک و MEM‏‌ها، ‏
2- مواد پلاستیکی و پلیمری مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS)‎‏  و … و ‏
‏3-  مواد و ذرات بیولوژیک مانند پروتئین‌ها، سلولها و بافتها، … .‏
روی مواد گروه اول به صورت گسترده هم از دیدگاه تحقیقاتی و هم از نقطه نظر کاربرد گزارش داده شده است و به صورت متداول و رایج در وسایل و دستگاهها و ‏MEM‏‌ها استفاده قرار گرفته است. پردازش سیگنالهای ‏BioMEM‏ با استفاده از روش‌های پلیمری و لیتوگرافی نرم ۸ به خاطر سازگار پذیری زیستی زیاد و ساخت آسان ، کم هزینه و پیش نمونه سازی سریع۹ که در مورد مواد لاستیکی موجود است، بسیار جذاب است. استفاده از این مواد برای کاربردهای عملی به صورت مداوم در حال افزایش است. مواد مربوط به گروه سوم تقریبا بررسی نشده است. اما امکانات جدید و جالب بسیاری را ارائه می‌کند و مرز۱۰جدیدی میان  ‏BioMEM‏ و بیو نانو فناوری به وجود خواهد آورد. برای مثال در مهندسی بافت و سلول که از فناوری میکرو و نانو الهام گرفته شده است  و نیز برای توسعه ابزار و وسایلی برای فهم اعمال و توابع سلولها و بیولوژی سیستم‌ها، استفاده از روش‌‌های ساخت میکرو و نانو برای سنتز و ساخت مستقیم ساختار‌های زیست‌ فناوری مانند اندام مصنوعی و وسایل هیبرید۱۱، طیف وسیعی از امکانات و فرصت‌ها را ارائه می‌کند. کاربردهایی مانند توسعه آرایه‌های بر پایه سلول ۱۲، مهندسی بافت  و توسعه اندام‌های مصنوعی با استفاده از روش‌های ساخت در ابعاد میکرو ونانو، تنها شماری از امکانات بسیار وسیع و مهیج آن است.‏

BioMEM‏ و کاربردهای تشخیصی
 تشخیص بزرگترین و کار شده‌ترین حوزه در ‏BioMEM‏ را تشکیل می‌دهد. تعداد زیاد و فزاینده ای از وسایل ‏BioMEM‏ برای کاربردهای تشخیصی توسعه یافته است و در طی چند سال اخیر به وسیله گروههای زیادی در مقالات ارائه شده است. روش‌‌های طراحی و ساخت این دستگاهها و نیز حوزه‌های کاربردی آنها به صورت قابل ملاحظه ای متفاوت است. به ‏BioMEM‏ برای کاربردهای تشخیصی گاهی ‏Biochip‏ هم گفته می‌شود. این دستگاهها برای تشخیص سلولها، میکرو ارگانیزمها، ویروس‌ها، پروتئین‌ها،DNA‏ و اسید نوکلئیک‌های مربوطه و مولکول‌های کوچک که از نظر بیوشیمیائی مهم است، استفاده می‌شود.‏

‏ ‏BioMEM‏ و سنسورهای بیوچیپ‏
‏    بیوسنسورها وسایل تحلیلی۱۳ است که یک المان حساس از نظر بیولوژیک را با یک ترانسدیوسر فیزیکی یا شیمیائی ترکیب می‌کند تا به صورت کمی و انتخابی وجود یک ترکیب خاص در یک محیط خارجی داده شده را تشخیص دهد. در طی دهه گذشته، ‏BioMEM‏ به عنوان بیوسنسورها استفاده شد است وبیوچیپ‌های حاصل امکان اندازه‌گیری‌های سریع، حساس و زمان حقیقی را فراهم می‌کند. این سنسورهای ‏BioMEM‏ می‌تواند جهت تشخیص سلولها، پروتئینها،‏DNA‏ یا مولکولهای کوچک مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از داده‌های ارائه شده تا امروز مربوط به یک سنسور است و این سنسورها را می‌توان به فرمت آرایه ای مجتمع نمود. تعداد زیادی روش تشخیصی در بیوچیپ‌ها و سنسورهای ‏BioMEM‏ استفاده می‌شوند، شامل : ۱- مکانیکی ۲- الکتریکی ۳- نوری… شماتیک شرایط کلیدی تشخیص را که در سنسور‌های ‏BioMEM‏ و بیوچیپ‌ها استفاده می‌شوند، را نشان می‌دهد.

‏BioMEM ‎‏ و تشخیص مکانیکی‏
‏    اخیرا از سنسورهای کانتیلور۱۴ با ابعاد نانو و میکرو روی یک چیپ برای تشخیص مکانیکی واکنش‌ها و ذرات بیوشیمیائی استفاده شده است. این سنسورها ( که ساختار شبیه تخته پرش شنا دارند) را می‌توان در دو مود به نا مهای مود سنس فشار و حالت اندازه‌گیری جرم، استفاده کرد. در مود اندازه‌گیری فشار، فعل و انفعال بیوشیمیائی به صورت انتخابی روی یک طرف سنسور انجام می‌شود. تغییر در انرژی آزاد سطح۱۵ باعث تغییر درفشار سطح می‌شود، که یک خمش قابل اندازه گیری در سنسور ایجاد می‌کند. بنابراین تشخیص بدون برچسب۱۶ ترکیب بیومولکولی، ممکن می‌شود. سپس خمش سنسور را می‌توان به روش نوری ( انعکاس لیزر از سطح سنسور داخل یک دتکتور موقعیت، همانند در یک ‏AFM‏ ) یا به روش الکتریکی( مقاومت پیزو که در لبه ثابت سنسور قرار داده می‌شود) اندازه گیری نمود.
یکی از مزایای اصلی این سنسورها، توانائی آنها برای تشخیص ترکیبات دارای فعل و انفعال داخلی بدون نیاز به افزودن برچسب قابل تشخیص به صورت نوری روی ذرات ترکیب شونده، است. در سالهای اخیر پیشرفتهای چشمگیر و جالبی در تشخیص بیوشیمیائی با استفاده از سنسورهای کانتیلور رخ داده است. تشخیص بدون برچسب و مستقیم ‏DNA‏ و پروتئین‌ها به وسیله کانتیلور سیلیکونی انجام شده است.  هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ و تشخیص  ‏single based mismatch‏  روی لایه‌های به‌هم بافته ‏DNA‏ به‌وسیله  کانتیلورهائی با یک لایه نازک طلا روی یک سمت آنها، انجام شده است. لایه‌های به‌هم بافته ‏DNA، به لایه طلا متصل می‌شود و زمانی که لایه‌های بهم بافته هدف با لایه‌های بهم بافته گیرنده ترکیب می‌شوند، خمش کانتیلورها قابل تشخیص است. این سنسورها را همچنین می‌توان جهت تشخیص پروتئین‌ها و مارکرهای سرطان مانند آنتی ژن‌های خاص پروستات ( ماده ای که در سلولهای مخاطی پروستات پنهان شده است و اغلب برای تشخیص سرطان پروستات تست می‌شود) استفاده نمود که در شرایط مناسب  بالینی، در پس زمینه آلبومین سرم انسان در حد ‏ng/ml‏2/0 تشخیص داده شده است.

BioMEM ‎‏  و تشخیص الکتریکی
‏ تکنیک‌های تشخیص الکتریکی و الکتروشیمیایی تقریبا به صورت معمول و مرسوم در بیوچیپ‌ها و سنسورهای ‏BioMEM ‎‏  هم مورد استفاده قرار گرفته است. این روش‌ها وقتی با روش‌های تشخیص نوری مقایسه می‌شود، می‌تواند قابلیت‌هائی نظیر انتقال‌پذیر بودن و مینیاتورسازی را از خود ارائه کند. اگر چه، در پیشرفتهای اخیر در مجتمع سازی مولفه‌های نوری روی یک چیپ نیز می‌تواند وسایل مجتمع کوچکتری تولید کند. بیوسنسورهای الکتروشیمیائی سه نوع پایه را شامل می‌شوندکه در شکل ‏b‏-2 نشان داده شده است: ۱- بیوسنسورهای آمپرومتریک که جریان الکتریکی مربوط به الکترونهای درگیر در فرآیندهای اکسایش را شامل می‌شود. ۲-  بیوسنسورهای پتانسیومتری که تغییر پتانسیل در الکترودها به خاطر یونها یا واکنش‌های شیمیائی در یک الکترود را اندازه می‌گیرد.۳- بیوسنسورهای هدایت‌سنج۱۷ که تغییرات هدایت وابسته با تغییر در کل محیط یونی بین دو الکترود را اندازه می‌گیرد. گزارش‌های بیشتری روی سنسورهای آمپرومتریک و پتانسیومتریک به ویژه به خاطر زمینه قاطع و مسلم و ثابت الکترو شیمی گزارش شده است و بسیاری از این سنسورها در مقیاسهای میکرو و نانو استفاده شده‌اند. مرسومترین نمونه‌های بیوسنسورها ی آمپرومتریک از یک واکنش اکسایش ( کاهش) که آنزیم کاتالیزور آن است،۱۸ استفاده می‌کنند. ‏
سنسورهای پتانسیومتریک از اندازه گیری پتانسیل در یک الکترود مرجع نسبت به الکترود دیگر استفاده می‌کند. متداولترین فرم سنسورهای پتانسیومتریک ترانزیستورهای اثر میدانی حساس به یون ‏‎(ISFET)‎‏ یا ترانزیستورهای اثرمیدانی شیمیائی ‏‎(Chem-FET) ‎‏ است. این وسایل به عنوان سنسورهای ‏Ph‏ به صورت تجاری موجود و نمونه‌های زیادی از آنها ذکر شده است.
سنسورهای پتانسیومتریک با یونو فورز انتخاب کننده یون در ‏PVC‏  19اصلاح شده، برای تشخیص آنالیت‌های سرم انسان استفاده شده است. تنفس سلولی و اسید سازی ناشی از فعالیت سلولها به وسیله ‏ISFET‏‌های ‏CMOS‏ اندازه گیری شده است. سنسور پتانسیومتریک با قابلیت آدرس دهی نوری ‏LAPS‏ برای تشخیص تغییر در غلظت یون هیدروژن و بنابراین ‏Ph‏ با استفاده از یک وسیله اثر میدانی در سیلیکون در حضور نور، استفاده شده است. سنسورهای پتانسیومتریک با استفاده از سیم‌های سیلیکونی نانو  و نانو تیوب‌های کربن به عنوان سنسورهای اثر میدانی، به مقیاس نانو کاهش بعد داده است، برای رسیدن به این مزیت: بالا بردن حساسیت به خاطر نسبت سطح به حجم بالاتر.
جمع کردن این سنسورهای با ابعاد نانو در آزمایشگاه روی چیپ‌ها مشکلتر است. اما پیشرفتهای اخیر در روش‌های تولید از بالا به پایین ۲۰ برای ارائه اینگونه ساختارهای با ابعاد نانو استفاده شده‌اند.
سنسورهای پتانسیومتریک در مقیاس میکرو نیز برای انجام تشخیص بدون برچسب هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ استفاده شده است. این سنسورها به نحوی در داخل کانتیلورها جاداده شده است که می‌توان از آنها داخل کانالهای میکرو سیال استفاده نمود. هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ از طریق اندازه گیری اثر میدانی در سیلیکون با بار ذاتی مولکولی روی ‏DNA،  با استفاده از  یک بافر ‏Poly-L-lysine‏ بعدا تشخیص داده شد.
سنسورهای هدایت سنج، تغییرات در امپدانس الکتریکی بین دو الکترود را اندازه می‌گیرد که این تغییرات می‌تواند در یک واسطه یا در فضای حجیم۲۱ باشد و می‌تواند برای تشخیص واکنش و فعل و انفعال بیومولکولی بین ‏DNA، پروتئین‌ها و فعل و انفعال آنتی‌ژن/ آنتی‌بادی  یا دفع محصولات متابولیک سلولی  استفاده شود. وسایل با ساختار میکرو۲۲ برای اندازه‌گیری فعالیت نورونی خارج سلولی برای یک مدت طولانی استفاده شده‌ است. روش‌های هدایت به خاطر سادگی و سهولت استفاده‌شان جذاب هستند. از آنجا که یک الکترود مرجع ویژه نیاز نیست و برای تشخیص رنج وسیعی از ذرات مانند عوامل ‏biothreat‏ ، مواد بیوشیمیائی، سموم و اسید نوکلئیک‌ها استفاده شده‌اند. سنسورهای هدایت‌سنج اطلاعات را روی قدرت ۲۳ یونی در الکترولیتها تامین می‌کند، اگر با غشای آنزیمها کوپل شود، می‌توانند خاصیت انتخابی داشته باشد. این سنسورها برای تشخیص آنالیت‌های متفاوت مورد استفاده قرار گرفته‌اند، برای مثال اوره، گلوکزو غیره.‏
سنسورهای بر پایه سلول هم دسته مهمی از سنسورها است که در سالهای اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از سلولها به عنوان سنسورها روش بسیار جذاب و جالبی برای ساختن دتکتورهای بیوشیمیائی حساس است. سلولهای سالم  با آنزیم‌ها، کانالها و گیرنده‌های بسیار حساس و انتخابی آنها، کاندیداهای بسیار جذابی جهت توسعه بیوسنسورها است. مزیت اصلی سلولها به عنوان بیوسنسورها این است که سلولها خاصیت انتخابی و ذاتی طبیعی نسبت به مواد شیمیائی فعال از نظر بیولوژیکی دارد و می‌تواند در شرایطی که از نظر فیزیولوژیک مناسب است، با آنالیت‌ها واکنش دهد. تبدیل سیگنالهای سلول سنسور، می‌تواند با اندازه‌گیری پتانسیل‌های سلولی و غشائی، تغییرات امپدانس، فعالیت متابولیک یا به صورت نوری با استفاده از فلورسانس یا لومینسانس به دست آید. نورونها روی سطوح با ساختار میکرو پرورش یافته و تغییرات در سیگنالهای الکتریکی آنها ناشی از در معرض مواد شیمیائی مضر و سموم قرار گرفتن، روی یک چیپ اندازه‌گیری شده است.
آزمایشگاه روی یک چیپ و وسایل میکروفلوئیدیک ‏
آزمایشگاه روی یک چیپ اصطلاحی برای بیان ‏‎µTAS‎‏ است و برای تشریح سنسورها و وسایلی با درجه‌ای از مجتمع‌سازی و گردآوری توابع و کارائی‌های ۲۴مختلف، استفاده می‌شود. مزیت این وسایل یکجا کردن جابجایی، دستکاری و آماده‌سازی، ترکیب کردن، جداسازی، تجزیه سلولی به روش لیزین۲۵ و تشخیص نمونه‌ها است. بسیاری از این وسایل بیش از مرحله تحلیل را شامل می‌شود، برای مثال تشخیص و آماده سازی نمونه، تجزیه سلولی به روش لیزین و ‏PCR، رشد سلول و تشخیص متابولیت‌ها و غیره. نمونه‌های زیادی از این وسایل مجتمع و آزمایشگاه روی یک چیپ‌ها، جهت  پردازش و تشخیص سلولها و پروتئینها، ‏DNA‏ و مولکولهای کوچک گزارش داده شده است.  همه توابعی که  در این شماتیک نشان داده  شده است ، همیشه استفاده نمی شود، بلکه ممکن است فقط بعضی از این‌ها برای رسیدن به یک هدف خاص جمع شود. الکتروفورز میکرو موئین روی چیپ می‌توان جهت جداسازی موادشیمیائی و آنالیت‌های مختلف به کار برد. تعداد زیادی از سنسورهائی که شرح داده شد مولفه‌های اصلی آزمایشگاه روی یک چیپ را تشکیل می‌دهند. ‏

این نکته نیز بایستی مورد توجه قرار گیرد که تعداد زیادی از مولفه‌های مهم یک آزمایشگاه روی یک چیپ مجتمع، تحت توسعه است، شامل دریچه‌ها، المانهای اندازه‌گیری، المانهای تجزیه کردن، مخلوط کننده‌ها، میکرو پمپ‌ها و غیره می‌شود.

نتایج و مسیرهای آینده
‏    پیشرفت قابل توجهی در زمینه ‏BioMEM‏‌ها رخ داده است که تا حدودی در بالا توضیح داده شد. در حال حاضر حوزه‌های تحقیقاتی ادغام شده و درقالب نانوبیوتکنولوژی بیان می‌شود. نمونه‌های تجاری ‏BioMEM‏ و بیوچیپ‌ها شامل میکرو سیالها همچنان به صورت مداوم در حال افزایش است. درست مانند ‏MEMs‏ که به عنوان فناوری واسط دنیای ماکرو و نانو عمل می‌کند، ‏BioMEM‏  هم قابلیت پروب، اندازه‌گیری و اکتشاف و یابش نانوماشینها  در دنیای بیولوژیکال همانند تک سلولها را فراهم می‌کند. بسیاری از کشف‌های بزرگ در این حوزه‌های تحقیقاتی و برخی از مسیرها و زمینه‌های تحقیقاتی ممکن برای آینده و امکانات به صورت مختصر در زیر لیست شده‌ است:‏
جمع کردن وسایل تشخیص با درمانی و پزشکی اختصاصی شده
BioMEM‏ برای وسایل هیبرید و اعضای مصنوعی سه بعدی


BM‏ و ابزار جدید در نانو بیولوژی
با پیشرفت این رشته نیاز به فناوری  و ابزارهایی خواهد بود برای داخل کردن ژن به یک یا تعداد بسیار کمی باکتریو دستکاری خاص مشخصه‌های آنها در شبکه‌ای از باکتری‌ها. این ابزار و سکوها می‌تواند به وسیله ‏BioMEM‏ و سنسورهای با ابعاد نانو تکنولوژی دستگاهها و پردازش مربوط به آن پشتیبانی و فراهم شود.

 

 

منبع : پدیدا بزرگترین مرجع علمی ایرانیان

ارسال نظر