تحقیق در مورد سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک

سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک

در سالهای اخیر کاربردهای زیست فناوری و پزشکی فناوری میکرو ونانو (که معمولا از آن به عنوان سیستم های میکروی الکتریکی مکانیکی پزشکی یا زیست فناوری‎(BioMEM) 1‏ نام برده می شود) به صورت فزاینده ای 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 می شود. در این مقاله پیشرفت های اخیر در این زمینه را مرور کرده و خلاصه ای از جدیدترین مطالب در حوزه ‏BioMEM ‎‏ را با تمرکز روی تشخیص و حسگرها ارائه می شود.‏

بیوسنسور ها

در کاربردهای بسیاری در پزشکی، تحلیل محیطی و صنایع شیمیائی نیاز به روشهایی جهت حس کردن مولکولهای زیستی کوچک وجود دارد. حس های بویایی و چشایی ما دقیقا همین کار را انجام می دهد و سیستم ایمنی بدن میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسائی می کند. شناسائی مولکولهای کوچک تخصص بیومولکولها است، لذا اینها شیوه جدید و جذابی برای ساخت سنسورهای خاص را پیش رو قرار می دهد. دو مولفه اساسی در این راستا وجود دارد. المان شناساگر و روش هایی برای فراخوانی زمانی که المان شناساگر هدف خودش را پیدا می کند. 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 بادی ها به صورت گسترده به عنوان بیوسنسور استفاده می شود. آنتی بادی ها بیوسنسورهای پیشتاز در طبیعت است، به همین دلیل توسعه تستهای تشخیصی با استفاده از آنتی بادیها، یکی از زمینه های بسیار موفق در بیوفناوری است. شاید آشناترین مثال تست ساده ای است که برای تعیین گروه خونی استفاده می شود.

بوسنسورهای گلوکز از موفق ترین بیوسنسورهای موجود در بازار است. بیماران مبتلا به دیابت نیاز به شیوه های مرسوم جهت پایش سطح گلوکز خود دارد. سنسورهای قابل کاشت و غیر تهاجمی در حال توسعه است، اما در حال حاضر در دسترس ترین شیوه بیوسنسور دستی است که یک قطره از خون را تحلیل می کند.

تعریف ‏BioMEM

‏ از زمان آغاز سیستم های ‏MEM‏ در اوایل دهه 1970، اهمیت کاربردهای پزشکی این سیستم های مینیاتوری درک شد. ‏BioMEM‏ ها 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 می توان ‏BioMEM‏ ها را به عنوان “دستگاه ها ( وسایل) یا سیستم هایی ساخته شده با روش های الهام گرفته شده از ساخت در ابعاد میکرو /نانو، که برای پردازش، تحویل 2، دستکاری3، تحلیل یا ساخت ذرات 4 شیمیائی و بیولوژیک استفاده می شود”، تعریف کرد. این وسایل و سیستم ها همه واسطه های علوم زندگی و ضوابط پزشکی با سیستم های با ابعاد میکرو و نانو را شامل می شود.

حوزه های تحقیقات و کاربردها در ‏BioMEM‏ از تشخیص بیماری ها مانند میکرو آرایه های پروتئینی و‏DNA، تا مواد جدیدی برای ‏BioMEM، مهندسی بافت، تغییر و اصلاح5 سطح، ‏BioMEM‏ های قابل کاشت، سیستم هائی برای رهایش دارو و…. را شامل می شوند. وسایل و سیستم های فشرده ایی که از ‏BioMEM‏ ها استفاده می کنند، به عنوان “آزمایشگاه روی یک چیپ”6 و سیستم های تحلیل تمام میکرو‏TAS ) ‎‏ ‏‎µ‎‏ یا ‏‎(micro-TAS ‎‏ 7 نیز شناخته می شود. شماتیک رسم شده از قسمت های کلیدی حوزه های تحقیقاتی را نشان می دهد.‏

اصول مورد استفاده

BioMEM ‎‏ و وسایل مربوط می تواند با سه دسته از مواد ساخته شود که می توان آنها را به صورت زیر طبقه بندی کرد:

1- میکرو الکترونیک و MEM‏ ها، ‏

2- مواد پلاستیکی و پلیمری مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS)‎‏ و … و ‏

‏3- مواد و ذرات بیولوژیک مانند پروتئین ها، 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 ‏MEM‏ ها استفاده قرار گرفته است. پردازش سیگنالهای ‏BioMEM‏ با استفاده از روش های پلیمری و لیتوگرافی نرم 8 به خاطر سازگار پذیری زیستی زیاد و ساخت آسان ، کم هزینه و پیش نمونه سازی سریع9 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 می کند و مرز10جدیدی 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 سیستم ها، استفاده از روش های ساخت میکرو و نانو برای سنتز و ساخت مستقیم ساختار های زیست فناوری مانند اندام مصنوعی و وسایل هیبرید11، طیف وسیعی از امکانات و فرصت ها را ارائه می کند. کاربردهایی مانند توسعه آرایه های بر پایه سلول 12، مهندسی بافت و توسعه اندام های مصنوعی با استفاده از روش های ساخت در ابعاد میکرو ونانو، تنها شماری از امکانات بسیار وسیع و مهیج آن است.‏

BioMEM‏ و کاربردهای تشخیصی

تشخیص بزرگترین و کار شده ترین حوزه در ‏BioMEM‏ را تشکیل می دهد. 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. روش های طراحی و ساخت این دستگاهها و نیز حوزه های کاربردی آنها به صورت قابل ملاحظه ای متفاوت است. به ‏BioMEM‏ برای کاربردهای تشخیصی گاهی ‏Biochip‏ هم گفته می شود. این دستگاهها برای تشخیص سلولها، میکرو ارگانیزمها، ویروس ها، پروتئین ها،DNA‏ و اسید نوکلئیک های مربوطه و مولکول های کوچک که از نظر بیوشیمیائی مهم است، استفاده می شود.‏

‏ ‏BioMEM‏ و سنسورهای بیوچیپ‏

‏ بیوسنسورها وسایل تحلیلی13 است که یک المان حساس از نظر بیولوژیک را با یک ترانسدیوسر فیزیکی یا شیمیائی ترکیب می کند 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 وبیوچیپ های حاصل امکان اندازه گیری های سریع، حساس و زمان حقیقی را فراهم می کند. این سنسورهای ‏BioMEM‏ می تواند جهت تشخیص سلولها، پروتئینها،‏DNA‏ یا مولکولهای کوچک مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از داده های ارائه شده تا امروز مربوط به یک سنسور است و این سنسورها را می توان به فرمت آرایه ای مجتمع نمود.

تعداد زیادی روش تشخیصی در بیوچیپ ها و سنسورهای ‏BioMEM‏ استفاده می شوند، شامل : 1- مکانیکی 2- الکتریکی 3- نوری… شماتیک شرایط کلیدی تشخیص را که در سنسور های ‏BioMEM‏ و بیوچیپ ها استفاده می شوند، را نشان می دهد.

‏BioMEM ‎‏ و تشخیص مکانیکی‏

اخیرا از سنسورهای کانتیلور14 با ابعاد نانو و میکرو روی یک چیپ برای تشخیص مکانیکی واکنش ها و ذرات بیوشیمیائی استفاده شده است. همان طور که در نشان داده شده است، این سنسورها ( که ساختار شبیه تخته پرش شنا دارند) را می توان در دو مود به نا مهای مود سنس فشار و حالت اندازه گیری جرم، استفاده کرد. در مود اندازه گیری فشار، فعل و انفعال بیوشیمیائی به صورت انتخابی روی یک طرف سنسور انجام می شود. تغییر در انرژی آزاد سطح15 باعث تغییر درفشار سطح می شود، که یک خمش قابل اندازه گیری در سنسور ایجاد می کند. بنابراین تشخیص بدون برچسب16 ترکیب بیومولکولی، ممکن می شود.

سپس خمش سنسور را می توان 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 می شود) 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 پروتئین ها به وسیله کانتیلور سیلیکونی انجام شده است. هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ و تشخیص ‏single based mismatch‏ روی لایه های به هم بافته ‏DNA‏ به وسیله کانتیلورهائی با یک لایه نازک طلا روی یک سمت آنها، انجام شده است.

لایه های به هم بافته ‏DNA، به لایه طلا متصل می شود و زمانی که لایه های بهم بافته هدف با لایه های بهم بافته گیرنده ترکیب می شوند، خمش کانتیلورها قابل تشخیص است. این سنسورها را همچنین می توان جهت تشخیص پروتئین ها و مارکرهای سرطان مانند آنتی ژن های خاص پروستات ( ماده ای که در سلولهای مخاطی پروستات پنهان شده است و اغلب برای تشخیص سرطان پروستات تست می شود) 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

‏ تکنیک های تشخیص الکتریکی و الکتروشیمیایی تقریبا به صورت معمول و مرسوم در بیوچیپ ها و سنسورهای ‏BioMEM ‎‏ هم مورد استفاده قرار گرفته است. این روش ها وقتی با روش های تشخیص نوری مقایسه می شود، می تواند قابلیت هائی نظیر انتقال پذیر بودن و مینیاتورسازی را از خود ارائه کند. اگر چه، در پیشرفتهای اخیر در مجتمع سازی مولفه های نوری روی یک چیپ نیز می تواند وسایل مجتمع کوچکتری تولید کند. بیوسنسورهای الکتروشیمیائی سه نوع پایه را شامل می شوند1- بیوسنسورهای آمپرومتریک که جریان الکتریکی مربوط به الکترونهای درگیر در فرآیندهای اکسایش را شامل می شود.

2- بیوسنسورهای پتانسیومتری که تغییر پتانسیل در الکترودها به خاطر یونها یا واکنش های شیمیائی در یک الکترود را اندازه می گیرد.3- بیوسنسورهای هدایت سنج17 که تغییرات هدایت وابسته با تغییر در کل محیط یونی بین دو الکترود را اندازه می گیرد. گزارش های 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 شده اند. مرسومترین نمونه های بیوسنسورها ی آمپرومتریک از یک واکنش اکسایش ( کاهش) که آنزیم کاتالیزور آن است،18 استفاده می کنند. ‏

سنسورهای پتانسیومتریک از اندازه گیری پتانسیل در یک الکترود مرجع نسبت به الکترود دیگر استفاده می کند. 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 نمونه های زیادی از آنها ذکر شده است.

سنسورهای پتانسیومتریک با یونو فورز انتخاب کننده یون در ‏PVC‏ 19اصلاح شده، برای تشخیص آنالیت های سرم انسان استفاده شده است. تنفس سلولی و اسید سازی ناشی از فعالیت سلولها به وسیله ‏ISFET‏ های ‏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 سیم های سیلیکونی نانو و نانو تیوب های 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 چیپ ها مشکلتر است. اما پیشرفتهای اخیر در روش های تولید از بالا به پایین 20 برای ارائه اینگونه ساختارهای با ابعاد نانو استفاده شده اند. 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 می توان 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 می گیرد که این تغییرات می تواند در یک واسطه یا در فضای حجیم21 باشد و می تواند برای تشخیص واکنش و فعل و انفعال بیومولکولی بین ‏DNA، پروتئین ها و فعل و انفعال آنتی ژن/ آنتی بادی یا دفع محصولات متابولیک سلولی استفاده شود. وسایل با ساختار میکرو22 برای اندازه گیری فعالیت نورونی خارج سلولی برای یک مدت طولانی استفاده شده است. روش های هدایت به خاطر سادگی و سهولت استفاده شان 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 نوکلئیک ها استفاده شده اند.

سنسورهای هدایت سنج اطلاعات را روی قدرت 23 یونی در الکترولیتها تامین می کند، اگر با غشای آنزیمها کوپل شود، می توانند خاصیت انتخابی داشته باشد. این سنسورها برای تشخیص آنالیت های متفاوت مورد استفاده قرار گرفته اند، 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 آنزیم ها، کانالها و گیرنده های 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 می تواند در شرایطی که از نظر فیزیولوژیک مناسب است، با آنالیت ها واکنش دهد.