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 1970، 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 2، دستکاری3، تحلیل یا ساخت ذرات 4 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 اصلاح5 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"6 و سیستم‌های تحلیل تمام میکروTAS ) µ یا (micro-TAS 7 نیز شناخته می‌شود. شماتیک رسم شده از قسمت‌های کلیدی حوزه‌های تحقیقاتی را نشان می‌دهد.
اصول مورد استفاده
BioMEM و وسایل مربوط می‌تواند با سه دسته از مواد ساخته شود که می‌توان آنها را به‌صورت زیر طبقه‌بندی کرد:
1- 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 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 می‌کند 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 سیستم‌ها، استفاده از روشهای ساخت میکرو و نانو برای سنتز و ساخت مستقیم ساختار‌های زیست فناوری مانند اندام مصنوعی و وسایل هیبرید11، طیف وسیعی از امکانات و فرصت‌ها را ارائه می‌کند. کاربردهایی مانند توسعه آرایه‌های بر پایه سلول 12، 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 تحلیلی13 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 : 1- مکانیکی 2- الکتریکی 3- نوری... شماتیک شرایط کلیدی تشخیص را که در سنسورهای BioMEM و بیوچیپ‌ها استفاده می‌شوند، را نشان می‌دهد.
BioMEM و تشخیص مکانیکی
اخیرا از سنسورهای کانتیلور14 با ابعاد نانو و میکرو روی یک چیپ برای تشخیص مکانیکی واکنش‌ها و ذرات بیوشیمیائی استفاده شده است. همان طور که در نشان داده 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 سطح15 باعث تغییر درفشار سطح می‌شود، که یک خمش قابل اندازه گیری در سنسور ایجاد می‌کند. بنابراین تشخیص بدون برچسب16 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 می‌شوند1- بیوسنسورهای آمپرومتریک که جریان الکتریکی مربوط به الکترونهای درگیر در فرآیندهای اکسایش را شامل می‌شود. 2- بیوسنسورهای پتانسیومتری که تغییر پتانسیل در الکترودها به خاطر یونها یا واکنش‌های شیمیائی در یک الکترود را اندازه می‌گیرد.3- بیوسنسورهای هدایت‌سنج17 که تغییرات هدایت وابسته با تغییر در کل محیط یونی بین دو الکترود را اندازه می‌گیرد.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 27 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک
