بررسی و ارزیابی نانوحسگر زیستی فیبر نوری جهت شناسایی مواد زیستی

بسم الله الرحمن الرحیم

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد علوم و تحقیقات هرمزگان
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته:برق
گرایش:الکترونیک
بررسی و ارزیابی نانوحسگر زیستی فیبر نوری جهت شناسایی مواد زیستی
استاد راهنما:
دکتر غلامرضا عباییانی
استاد مشاور:
دکتر سید علی حسینی
نگارنده:
سحر رحیمی فیاض
فصل اول
مبانی و کلیات
مقدمه
امروزه در زمینه‌های مختلفی از جمله پزشكي،صنايع شيميايي،صنايع غذايي،زيست محيطي وتوليدمحصولات دارويي- بهداشتي از حسگرهای زیستی استفاده می‌شود. در محیط‌های کلینیکی و پزشکی، وجود ابزارهایی جهت تشخیص بیماری‌ها، امری بسیار ضروری می‌باشد. توسعه‌ی سیستم‌هایی که دارای بانک کاملی از مشخصات انواع بیماری‌‌ها بوده و محیطی آسان و مطلوب را جهت استفاده‌ی کاربران خود فراهم کنند، موضوعی است که محققان علوم مختلفی را همچون علم پزشکی و شاخه‌های علمی مرتبط، به سمت خود جذب نموده است. یکی از روش‌های معمول تشخیص بیماری، نمونه برداری می‌باشد که عمدتاً از طریق خون یا ادرار صورت می‌پذیرد. این روش دارای مشکلات متعددی نیز می‌باشد. محدودیت‌های دسترسی لحظه به لحظه به بیمار، طولانی بودن مدت تشخیص بیماری از روی نمونه‌ها، تغییر غلظت نمونه‌ها با گذشت زمان و قابل توجه بودن حجم نمونه‌ها از جمله‌ی این مشکلات می‌باشد. استفاده از روش‌های تشخیص سریع و یا ترکیبی از این روش‌ها که به کمترین حجم از نمونه‌ها نیاز داشته باشد، باعث کاهش زمان، هزینه و احتمال بروز خطا به هنگام تشخیص بیماری می‌گردد. یکی از راه‌های دست‌یابی به این هدف، استفاده از حسگرهای زیستی می‌باشد.
حسگرها
حسگرها گونه‌ای مبدل هستند. بعضی از حسگرها به تنهایی قابل استفاده اند و برای خواندن آنهااحتیاجی به وسایل جانبی دیگری نیست، مانند دماسنج جیوه ای.دسته ی دیگر برای استفاده باید با وسایل دیگری همراه باشند مثل ترموکوپل.بیشتر حسگرها الکتریکی یا الکترونیکی هستند که انواع الکتریکی از دقت پایین تری برخوردارند. البته انواع دیگری نیز موجود است. حسگرها در زندگی روزمره ما به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرند، مواردی که شامل خودرو، ماشین‌های صنعتی، تجهیزات فضائی و حتی دارویی می‌شود. پیشرفت فنی باعث شده تا انواع مختلف و گوناگونی از حسگرها با فناوری ام‌ای‌ام‌اس (MEMS) تولید شود. در اکثر موارد این کار باعث بدست آمدن حساسیت بالا شده است.
با به وجود آمدن راه‌های مختلف برای نمایش اثر انرژیها، حسگرها بر اساس انرژی مورد آزمون، که حسگر آن را دریافت می‌کند، طبقه بندی می‌شوند.
حسگرهای دمائی
دماسنج (thermometer)
ترموکوپل (thermocouple)
مقاومت‌های حساس به گرما (thermistors and resistance –perature detectors)
بولومتر (bolometer)
گرماسنج (calorimeter)
حسگرهای مقاومت الکتریکی
الکتروسکوپ (electroscope)
ولت‌سنج (voltmeter)
اما چرا از حسگرها استفاده می کنیم ؟ همانطور که در ابتدای این گفتار اشاره شد حسگرها اطلاعات مورد نیاز را در یافت و کمیتهای فیزیکی یا شیمیایی موردنظر را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می کنند.مزایای سیگنالهای الکتریکی را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد:
– پردازش راحتتر و ارزانتر
– انتقال آسان
– دقت بالا
– سرعت بالا
– و…
حسگر های زیستی
حسگرها در پزشکي وبهداشت، صنايع شيميايي، صنايع دفاعي وصنعت خودرو کاربردهاي فراواني دارند. درقسمت قبل به شرح نانو حسگرها پرداختيم. دراين قسمت به معرفي حسگرهاي زيستي مي پردازيم.
ويژگي هاي مهم نانو حسگرها انتخاب گري بالاتر،حساسيت زيادتر،ابعاد کوچکتر وارزان تر هستند. نانوحسگرها به طور ذاتي کوچک‌تر و حساس‌تر از ساير حسگرها مي‌باشند. وهمان طور که گفتيم اين ظرفيت را دارند که قيمت تمام شده آنها کمتر از قيمت تمام‌شده حسگرهاي موجود در بازار باشد.
در بخش نظامي و امنيت ملي احتياج به حسگرهاي بسيار حساسي است که بتوانند به صورت گسترده توزيع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بيوسم‌هاي زيستي را مورد بررسي قرار داد. در زمينه پزشکي نياز به حسگرهاي بسيار حساسي به صورت آزمايشگاه‌هايي بر روي تراشه است كه بتوانند کوچک‌ترين علائم نشان‌دهنده سرطان را شناسايي کنند. در صنايع هوافضا احتياج به نانوحسگرهايي است که در بدنه هواپيماها به عنوان سيستم هشداردهنده ثابت قرار بگيرند و مشخص کنند که چه زماني هواپيما احتياج به تعميرات دارد.
در صنايع اتومبيل مي‌توان از نانوحسگرها براي مصرف بهينه سوخت استفاده کرد. همچنين در اتومبيل‌هاي گران‌قيمت مي‌توان براي بهبود وضعيت صندلي و وضعيت کنترل‌هاي موجود به تناسب حالت‌هاي مختلف بدن، اين نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدي مي‌توان از آن در فناوري اطلاعات به منظور ترغيب در فراگيرشدن سيستم‌هاي محاسبه‌گر رايانه‌هاي همراه هميشه روشن استفاده کرد. همچنين مي‌توان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌هاي هوشمندي که براي ارتباطات ثابت بين ساير تلفن‌هاي هوشمند و رايانه‌هاي همراه از آنها استفاده مي‌شود، به کار برد!
اصول و کاربردهای حسگر هاي زيستي
حسگر زيستي يا بيوسنسور نامِ گروهي از حسگرها است. اين حسگرها به گونه‌اي طراحي مي‌شوند تا تنها با يک ماده‌ي خاص واکنش نشان دهند. نتيجه‌ي اين واکنش به صورتِ پيام‌هايي در مي‌آيد که يک ريزپردازنده، مي‌تواند آن‌ها را تحليل کند. اين حسگرها از سه بخش تشکيل شده‌اند.
پذيرنده‌ي زيستي يا بيورسپتور: يک عنصر زيستي (پادتنها، اسيد نوکلئيکها، آنزيم‌ها، سلول‌ها و ديگر ماده‌هايِ زيستي) که مي‌تواند به صورتِ انتخابي تنها با ماده‌ي خاصي واکنش نشان دهد.
بيورسپتور هايي که در حسگرهاي زيستي مورد استفاده قرار مي گيرند به شرح ذيل مي باشند:
1. آنزيم
2. آنتي بادي
3. گيرنده هاي سلولي
4. اسيدهاي نوکلئيک DNA يا RNA
5. ميکرو ارگانيسم يا سلول کامل
6. بافت
7. گيرنده هاي سنتتيک
آشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌اي خاص با پذيرنده‌هايِ زيستي، وارد عمل مي‌شوند و مي‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هايِ مختلفِ فيزيکي-شيمايي کرده (مثلاً با بررسيِ تغييرهايِ الکتروشيميايي، نوري، جرمي يا حرارتيِ قبل و بعد از واکنش) و به وسيله‌ي سيگنال‌هايِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.
انواع متداول مبدل هاي مورد استفاده در بيوسنسورها شامل:
سنسورهای الکتروشيميايي
مبدل هاي الکتروشيميايي به سه دسته پتانسيومتري تقسيم مي شوند (اين روش مبتني بر اندازه گيري پتانسيل يک پيل در جريان صفر است). اين پتانسيل با لگاريتم غلظت ماده مورد سنجش متناسب است، (ولتامتري) يک پتانسيل به پيل اعمال مي شود تا اکسايش (يا کاهش) ماده مورد سنجش اتفاق افتد و يک افزايش يا کاهش در جريان پيل ايجاد شود. اين روش به آمپرمتري معروف است و رسانايي سنجي محلول هاي حاوي يون هادي الکترون هستند. بزرگي اين رسانايي در اثر واکنش شيميايي تغيير مي يابد.رابطه بين رسانايي و غلظت به طبيعت واکنش وابسته است.
سنسور های نوري( لومينسانس، جذب و تشديد پلاسمون سطح )
روش هاي مورد استفاده در بيوسنسورهاي نوري شامل طيف سنجي جذب، طيف سنجي فلورسانس، طيف سنجي انعکاس داخلي، پراش نور است.
این سنسورها دارای دو نوع حساس به تغيير جرم و حرارتي مي باشند.
تمام فرايندهاي شيميايي با توليد يا جذب انرژي همراه هستند. اين حرارت را مي توان با يک ترميستور حساس اندازه گيري کرد و آن را به ميزان واکنش نسبت داد.
پردازنده هاي سيگنال که عمدتا مسئول براي نمايش نتايج و انجام محاسبات حسگر هستند.
حسگرهاي زيستي طي سالهاي اخير مورد توجه بسياري از مراکز تحقيقاتي قرار گرفته است. حسگرهاي زيستي يا سنسورهاي بر پايه مواد بيولوژيکي اکنون گستره ي وسيعي از کاربردها نظير صنايع دارويي، صنايع خوراکي، علوم محيطي، صنايع نظامي بخصوص شاخه Biowar و … را شامل مي شود.
به طور کلي ميتوان گفت حسگر هاي زيستي يک گروه از سيستمهاي اندازه گيري مي باشند و طراحي آنها بر مبناي شناسايي انتخابي آناليتها بر اساس اجزا بيولوژيک وآشکارسازهاي فيزيکي و شيميايي صورت مي پذيرد
از آنجا که حسگر هاي زيستي ابزاري توانمند جهت شناسايي مولکول هاي زيستي مي باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکي، صنايع شيميايي، صنايع غذايي، مانيتورينگ محيط زيست، توليد محصولات دارويي، بهداشتي و غيره بهره مي گيرند.در واقع اين حسگرها ابزاري توانمند جهت شناسايي مولکولهاي زيستي مي باشند. حواس بويايي و چشايي انسان که به شناسايي بوها و طعمهاي مختلف مي پردازد و يا سيستم ايمني بدن که ميليونها نوع مولکول مختلف را شناسايي مي کند، نمونه هايي از حسگرهاي زيستي طبيعي مي باشند. بيشترين کاربرد حسگرهاي زيستي در تشخيص هاي پزشکي و علوم آزمايشگاهي است، در حال حاضر بيوسنسور هاي گلوکز از موفق ترين بيوسنسور هاي موجود در بازار بوده که براي اندازه گيري غلظت گلوکز خون بيماران ديابتي استفاده مي شود.
در پانکراس بيماران ديابتي به ميزان کافي انسولين توليد نمي‌شود. در اين گونه موارد براي تنظيم مصرف انسولين، سنجش مداوم ميزان گلوکز خون ضروري است. اين ابزار به بيماران مبتلا به ديابت کمک مي کند تا در طول روز به سنجش سطح گلوکز خون خود پرداخته و در زمان هاي مورد نياز انسولين تزريق کنند.
کاربردهاي مختلفي براي حسگرهاي زيستي در پزشکي و بالين متصور است که در ذيل اشاره مي شود:
**تشخيص ودرمان بيماريها ( سرطان، ديابت و ……)
** تشخيص بيماريها در سطح ژن( سرطان، ديابت و ……)
**تشخيص عوامل بيماريزا
**اندازه گيري داروها و متابوليتهاي آنها، کشف داروهاي جديد و ارزيابي فعاليت آنها
** ارزيابي و اندازه گيري آناليتها ي موجود در نمونه بيولوژيک
** تشخيص سريع بيماريها با استفاده از تستهاي سريع يا Point-of- care ، ويژگي اين تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمايش است.
نانوحسگرهاي زيستي
با ورود علوم و فناوري نانو و فراهم شدن امكان ساخت الكترودهايي در مقياس بسيار كوچك، ساخت حسگرهاي نانومتري نيز ميسر شد. اين حسگرها به لحاظ دارا بودن سايز نانومتري و كاربردشان در محيط هاي زيستي، نانوبيوسنسور (نانوحسگر زيستي) نامگذاري شدند. نانوحسگرهاي زيستي الكترودهاي بسيار كوچكي در اندازهء نانومتري و ابعاد سلولي هستند كه از طريق تثبيت آنزيم هاي خاصي روي سطح آنها، نسبت به تشخيص گونه هاي شيميايي يا بيولوژيك مورد نظر در سلول ها حساس شده اند. از اين حسگرها براي آشكارسازي و تعيين مقدار گونه ها در سيستم هاي بيولوژيك استفاده مي شود. اين تكنيك، روش بسيار مفيدي در تشخيص عبور بعضي ملكول ها از ديواره يا غشاي سلولي است.
در طي دههء گذشته، با پيشرفت فناوري ساخت فيبر نوري و ساخت نانوفيبرها، در پژوهش هاي پزشكي و بيولوژيك نيز تحول عظيمي صورت گرفته و فناوري ساخت حسگرهاي زيستي و دانش توليد نانومتريِ اين ابزارها روزبه روز گسترش يافته است. اين حسگرها به لحاظ استفاده از فيبر نوري در ساختارشان «حسگرهاي نوري» ناميده شده اند و به دو دستهء شيميايي و بيولوژيكي تقسيم مي شوند. بسته به اينكه بخواهيم اين حسگر را براي تجزيهء گونهء داخل سلول، مايع بيولوژيك بين سلولي يا داخل خون به كار ببريم، ابعاد نوك حسگر، زاويهء مخروطي شدن نوك آن و ميزان نرمي پوشش روي فيبر متفاوت خواهد بود.
توليد نانوحسگرهاي زيستي نوري
براي تهيهء اين فيبر به عنوان نوك حسگر، مي توانيم از دستگاه هاي مورد استفاده براي كشش فيبرهاي نوري استفاده نماييم.
در اين دستگاه از ليزر دي اكسيد كربن براي گرم كردن فيبر و از وسيله اي براي كشش فيبر در جهت محور اصلي آن استفاده مي شود. محققان موفق شده اند با تغيير دما و ميزان نيروي كششيِ اعمال شده به فيبر، نوك هايي براي حسگرهاي زيستي بسازند كه قطرشان بين 20 تا 500 نانومتر است. اين تكنيك سرعت بالا (حدود 3 ثانيه) و روند توليد نسبتاً ساده اي دارد.
حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند اما مستقل از نوعشان همگی دارای سازو کاری مشترک اند. هر حسگر زیستی شامل دو بخش اصلی است: ۱/ عنصر تشخیص دهنده (recognition element) که برقراری پیوند شیمیایی با هدف را توسط ligand میسر می‌سازد، ۲/ انتقال دهنده (transducer) که وظیفه تبدیل سیگنال‌ها را بر عهده دارد.
حسگرهای زیستی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌شوند. در حسگرهای زیستی مستقیم هدف بدون هیچ واسطه‌ای با لیگاند پیوند برقرار کرده و شناسایی می‌شود. اما در حسگر غیرمستقیم این کار توسط یک عنصر واسطه انجام می‌گیرد.
در انتخاب حسگر مناسب باید دقت داشت که سرعت و سادگی حسگرهای مستقیم نسبت به غیرمستقیم بیشتر بوده و هم چنین قابلیت استفاده در حالت غیر مستقیم را نیز دارد و می توان برای اندازه گیری تغییرات فیزیکی (خواص اپتیکی، الکتریکی و شیمیایی) از آن استفاده کرد.
حسگرهای زیستی به دو دسته اپتیکی و مکانیکی تقسیم می‌شوند که از انواع اپتیکی می توان به SPR(Surface Plasmon Resonator), LSPR, … اشاره کرد که به شکل‌های فیبری (tip & taper) وجود دارند و مورد بحث ما هستند. از انواع مکانیکی نیز می توان از MEMS, quartz plasmon resonator یاد کرد، که در ابعاد نانو کاربردهای بسیار زیادی دارند.
این حسگرها از سه بخش تشکیل شده‌اند.
1.پذیرندهی زیستی یا عنصرِ زیستیِ حساس: یک مادهٔ زیستی (پادتن‌ها، اسید نوکلئیکها، آنزیم‌ها، سلول‌ها و دیگر ماده‌هایِ زیستی) که می‌تواند به صورتِ انتخابی تنها با مادهٔ خاصی واکنش نشان دهد.
2.آشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌ای خاص با پذیرنده‌هایِ زیستی، وارد عمل می‌شوند و می‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هایِ مختلفِ فیزیکی-شیمایی کرده (مثلاً با بررسیِ تغییرهایِ الکتروشیمیایی، نوری، جرمی یا حرارتیِ قبل و بعد از واکنش) و به وسیلهٔ سیگنال‌هایِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.
بخشِ پردازنده که همچنین مسئولیتِ نمایشِ نتیجهٔ فعالیتِ حسگر را نیز بر عهده دارد. به طور کلی می‌توان

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *