v.m 2020
15th September 2013, 11:33 AM
در پزشكي و علوم باليني براي تشخيص بيماري‌ها و پيگيري درمان آنها ضروري است از وضعيت گونه‌هاي مختلف مورد نظر در داخل بدن اطلاعات كمّي و كيفي داشته باشيم. روش تشخيص موجود كه در آزمايشگاه‌هاي كلينيكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، نمونه‌برداري (از خون، ادرار و...) است. اين روش نمونه‌برداري و تجزیه و تحلیل، لحظه‌اي محسوب مي‌شود و مسائل و مشكلات خاص خود را نيز به همراه دارد، زيرا در بسياري از موارد، نياز داريم از روند تغييرات غلظتِ گونة مورد نظر با گذشت زمان اطلاع داشته باشيم.
نمونه‌برداري لحظه‌اي به معني گزارش غلظتِ گونة مورد نظر در نمونه در يك زمان معين و ثابت است.
حسگرهای زیستی
با ظهور حسگرها و ورود آنها به عرصة تجزیة گونه‌هاي بيوشيميايي، راهكار ديگري براي كنترل كيفيت درمان بيماران فراهم شد. اين حسگرها كه به طور الكتروشيميايي كار مي‌كنند و هنوز هم كاربردهاي بسياري دارند، به لحاظ ابعاد نسبتاً بزرگي كه دارند عموماً در سنجش‌هاي خارج از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند و در اندازه‌گيري ميزان چربي و رطوبت پوست، ميزان تعريق بدن و... به كار مي‌روند. با پيشرفت علوم و فناوری، بشر موفق به ساخت ميكروحسگرهای زیستی شد. از اين ابزار در واكنش‌هاي بيوشيميايي انجام‌شده در سطح الكترود و ثبت ميزان جريان يا دنبال كردن تغييرات پتانسيل بهره‌گيري مي‌شود و اين عوامل به غلظتِ گونة مورد نظر ارتباط داده مي‌شوند. به عنوان نمونه‌اي از كارهاي انجام‌شده در اين سطح، مي‌توان به سنجش ميزان اپي‌نفرين توسط سلول آدرنال اشاره كرد كه تصوير ميكروسكوپي آن در شكل 1 نشان داده شده است. در اين شكل دو الكترود رشتة كربني را ملاحظه مي‌كنيم كه در مجاورت سلولِ مجزائي از غدة فوق كليوي واقع شده است. همان‌طور كه مي‌دانيم، فعاليت ماهيچه‌هاي انسان اين غده را تحريك مي‌كند و در نتيجه هورمون اپي‌نفرين ترشح مي‌شود. اين هورمون كه «آدرنالين» نيز ناميده مي‌شود، قند را از سلول‌هاي ماهيچه‌اي آزاد مي‌كند. همچنين اپي‌نفرين فشار خون را بالا مي‌برد و بر ضربان قلب مي‌افزايد كه فاكتورهاي مهمي از نظر كلينيكي محسوب مي‌شوند. بنابراين، اندازه‌گيري ميزان آزادسازي اپي‌نفرين توسط سلول آدرنال كه به طريق الكتروشيميايي فوق و با استفاده از ميكروحسگر نشان داده شده است، مي‌تواند بسيار سودمند
اپي نفرين آزاد شده از اين سلول به روش الكتروشيميايي مورد اندازه گيري قرار مي گيرد)
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 محيط‌هاي زيستي، نانوبيوسنسور (نانوحسگر زيستي) نامگذاري شدند. نانوحسگرهاي زيستي الكترودهاي بسيار كوچكي در اندازة نانومتري و ابعاد سلولي هستند كه از طريق تثبيت آنزيم‌هاي خاصي روي سطح آنها، نسبت به تشخيص گونه‌هاي شيميايي يا بيولوژيك مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از اين حسگرها براي آشكارسازي و تعيين مقدار گونه‌ها در سيستم‌هاي بيولوژيك استفاده مي‌شود. اين تكنيك، روش بسيار مفيدي در تشخيص عبور بعضي ملكول‌ها از ديواره يا غشاي سلولي است.
در طي دهة گذشته، با پيشرفت فناوري ساخت فيبر نوري و ساخت نانوفيبرها، در پژوهش‌هاي پزشكي و بيولوژيك نيز تحول عظيمي صورت گرفته و فناوري ساخت حسگرهاي زيستي و دانش توليد نانومتريِ اين ابزارها روزبه‌روز گسترش يافته است. اين حسگرها به لحاظ استفاده از فيبر نوري در ساختارشان «حسگرهاي نوری» ناميده شده‌اند و به دو دستة شيميايي و بيولوژيكي تقسيم مي‌شوند. بسته به اينكه بخواهيم اين حسگر را براي تجزية گونة داخل سلول، مايع بيولوژيك بين سلولي يا داخل خون به كار ببريم، ابعاد نوك حسگر، زاوية مخروطي شدن نوك آن و ميزان نرمي پوشش روي فيبر متفاوت خواهد بود.
تولید نانوحسگرهاي زیستی نوری
براي تهية اين فيبر به عنوان نوك حسگر، مي‌توانيم از دستگاه‌هاي مورد استفاده براي كشش فيبرهاي نوري استفاده نماييم (شکل 2).
در اين دستگاه از ليزر دي‌اكسيد كربن براي گرم كردن فيبر و از وسيله‌اي براي كشش فيبر در جهت محور اصلي آن استفاده مي‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغيير دما و ميزان نيروي كششيِ اعمال‌شده به فيبر، نوك‌هايي براي حسگرهاي زيستي بسازند كه قطرشان بين 20 تا 500 نانومتر است (شکل 3). اين تكنيك سرعت بالا (حدود 3 ثانيه) و روند توليد نسبتاً ساده‌اي دارد.
کاربرد حسگرهاي زيستي
كاوشگر حسگرهاي ساخته‌شده به اين روش، مي‌تواند بدون آسيب رساندن به غشاي سلولي، به آن وارد شود و براي مطالعات بيوملكولي و باليني مورد استفاده قرار گيرد (شکل 4). به طور کلی، مجموعة يك نانوحسگر زيستي، از يك ملكول گيرندة زيستي (مثل DNA يا پادتن) تشکيل شده كه بر روي يك فيبر بسيار نازك نشانده شده است. از اين مجموعه مي‌توان به عنوان يك كاوشگر براي وارد كردن گونة خاصي به سلول استفاده كرد و با به‌كارگيري روش‌هاي متداولِ آمپرومتري به تجزية گونه‌ها در داخل سلول پرداخت.
روش آمپرومتري يكي از روش‌هاي الكتروشيميايي است كه در آن حداقل يكي از گونه‌هاي اوليه يا محصولات واكنش در سطح ميكروالكترود اكسيده ــ يا كاهيده ــ مي‌شود.
شايان ذكر است قبل از استفاده از فيبر به عنوان نوك حسگر، ايجاد يك پوشش بسيار نازك حدود 200 نانومتري بر روي فيبر، مي‌تواند عملكرد نوري آن را به ميزان بسياري بهبود بخشد. همچنين به منظور ايجاد سايت‌هاي فعال بر روي نوك حسگر برای اتصال پادتن از فرايند سيلان‌دار كردن سطح فيبر استفاده مي‌شود و به دنبال آن پادتن مورد نظر را از طريق پيوندهاي كوالانسي به سطح فيبر متصل مي‌كنند.
سيلان و فرايند سيلان‌دار كردن
سيليس(Si) يكي از عناصري است كه در طبيعت به وفور يافت مي‌شود و بخش عمده‌اي از پوسته زمين را تشكيل مي‌دهد. اين عنصر در گروه چهارم جدول تناوبي واقع شده است و از اين رو مي تواند با ايجاد چهار پيوند كوالانسي، تركيبي به صورت SiH4 به نام سيلان را ايجاد نمايد. از اين ملكول تركيبات مختلفي به دست مي‌آيد كه از آن جمله مي‌توان به تري «متيل كلرو سيلان» اشاره كرد. اين ملكول مي تواند طي يك واكنش حذفي با از دست دادن يك ملكول HCl به ملكولهاي ديگر بچسبد و بدين صورت خواص سطحي آنها را تغيير دهد. براي مثال اگر يك زنجير غيرقطبي كربني در ملكول فوق داشته باشيم، با پيوند زدن آن به سطح يك نانوحسگر مي‌توانيم نانوحسگر را نسبت به جذب تركيبات غيرقطبي فعال كنيم.
لازم به ذكر است در فرايند سيلان‌دار كردن، از تركيبات مختلف سيليس استفاده مي‌شود و به كمك آنها سطح مورد نظر را با يك گروه عاملي شيميايي مناسب پيوند مي‌زنند. حُسن كار در اين است كه امكان پيوند پادتن با گروه عاملي نشانده‌شده در سطح ميسر مي‌شود. ابزارهاي ساخته‌شده به اين روش، داراي قدرت انتخابگري بالايي هستند و «كاوشگرهاي آنزيمي» نام گرفته‌اند. از اين كاوشگرها در تعيين روزمرة گلوگز، لاكتوز، ساكاروز، گالاكتوز و كلسترول استفاده مي‌شود، بدون اينكه از بيمار نمونه‌گيري خون صورت گيرد.
اين تكنيك سودمند، استفاده‌هاي فراوان ديگري نيز دارد كه از آن جمله مي‌توان به مطالعة اثر داروها و چگونگي برهمكنش آنها با سلول‌ها و مطالعة چگونگي اثر پاتوژن‌ها (عوامل بيماري‌زا) بر سلول‌ها، و مطالعة سيستم‌هاي زيستي اشاره كرد. همچنين ميزان غلظت داروها در خون در زمان‌هاي مختلف پس از مصرف و سرعت رسيدن به غلظت مادة مؤثر به حداكثر مقدار، از جمله فاكتورهايي هستند كه در داروسازي و پزشكي اهميت بسياري دارند و نانوحسگرهاي زيستي ابزاري سودمند و كارآمد در اين زمينه محسوب مي‌شوند.
نظر به اهميت نانوحسگرهاي زيستي در گسترش دانش پزشكي، از آن به عنوان فناوري دستيابي به اطلاعات زيستي سلول با استفاده از تجهيزات نانومتري (Nano-Bio-Info-Tech) ياد شده است. از جملة اين پژوهش‌ها مي‌توان به كار تيمي Vo-Dinhs در سال 2004 در شناسايي، تشخيص و درمان سلول‌هاي سرطاني اشاره كرد.
منابع و توضیحات:
- Park, S.J. Science 295. (2002), p. 503.
- Strom, A.J. Appl. Phys. Lett. 79. (2001), p. 3881.
- Xia, Y. Annu Rev. Mater. Sci. 28. (1998), pp. 153-184.
- Shipway, E. Chem. Phys. Chap.1. (2000), p. 18.
- Malaquin, L. Microelectronic Engineering 73-74. (2004), pp. 887-892.
- Montelius, L. Microelectronic Engineering 53. (2000), pp. 521-524.
- Brian, M. Trends in Biotechnology. (2000), vol. 18.
- Porath, D. Nature 403. (2000),p. 635.
- Haes, A.J. J. Am. Chem. Soc. 124. (2002), p. 10596.
- Marie, R. Microelectronic Engineering 67-68. (2003), p. 893.
نمونه‌برداري لحظه‌اي به معني گزارش غلظتِ گونة مورد نظر در نمونه در يك زمان معين و ثابت است.
حسگرهای زیستی
با ظهور حسگرها و ورود آنها به عرصة تجزیة گونه‌هاي بيوشيميايي، راهكار ديگري براي كنترل كيفيت درمان بيماران فراهم شد. اين حسگرها كه به طور الكتروشيميايي كار مي‌كنند و هنوز هم كاربردهاي بسياري دارند، به لحاظ ابعاد نسبتاً بزرگي كه دارند عموماً در سنجش‌هاي خارج از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند و در اندازه‌گيري ميزان چربي و رطوبت پوست، ميزان تعريق بدن و... به كار مي‌روند. با پيشرفت علوم و فناوری، بشر موفق به ساخت ميكروحسگرهای زیستی شد. از اين ابزار در واكنش‌هاي بيوشيميايي انجام‌شده در سطح الكترود و ثبت ميزان جريان يا دنبال كردن تغييرات پتانسيل بهره‌گيري مي‌شود و اين عوامل به غلظتِ گونة مورد نظر ارتباط داده مي‌شوند. به عنوان نمونه‌اي از كارهاي انجام‌شده در اين سطح، مي‌توان به سنجش ميزان اپي‌نفرين توسط سلول آدرنال اشاره كرد كه تصوير ميكروسكوپي آن در شكل 1 نشان داده شده است. در اين شكل دو الكترود رشتة كربني را ملاحظه مي‌كنيم كه در مجاورت سلولِ مجزائي از غدة فوق كليوي واقع شده است. همان‌طور كه مي‌دانيم، فعاليت ماهيچه‌هاي انسان اين غده را تحريك مي‌كند و در نتيجه هورمون اپي‌نفرين ترشح مي‌شود. اين هورمون كه «آدرنالين» نيز ناميده مي‌شود، قند را از سلول‌هاي ماهيچه‌اي آزاد مي‌كند. همچنين اپي‌نفرين فشار خون را بالا مي‌برد و بر ضربان قلب مي‌افزايد كه فاكتورهاي مهمي از نظر كلينيكي محسوب مي‌شوند. بنابراين، اندازه‌گيري ميزان آزادسازي اپي‌نفرين توسط سلول آدرنال كه به طريق الكتروشيميايي فوق و با استفاده از ميكروحسگر نشان داده شده است، مي‌تواند بسيار سودمند
اپي نفرين آزاد شده از اين سلول به روش الكتروشيميايي مورد اندازه گيري قرار مي گيرد)
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 محيط‌هاي زيستي، نانوبيوسنسور (نانوحسگر زيستي) نامگذاري شدند. نانوحسگرهاي زيستي الكترودهاي بسيار كوچكي در اندازة نانومتري و ابعاد سلولي هستند كه از طريق تثبيت آنزيم‌هاي خاصي روي سطح آنها، نسبت به تشخيص گونه‌هاي شيميايي يا بيولوژيك مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از اين حسگرها براي آشكارسازي و تعيين مقدار گونه‌ها در سيستم‌هاي بيولوژيك استفاده مي‌شود. اين تكنيك، روش بسيار مفيدي در تشخيص عبور بعضي ملكول‌ها از ديواره يا غشاي سلولي است.
در طي دهة گذشته، با پيشرفت فناوري ساخت فيبر نوري و ساخت نانوفيبرها، در پژوهش‌هاي پزشكي و بيولوژيك نيز تحول عظيمي صورت گرفته و فناوري ساخت حسگرهاي زيستي و دانش توليد نانومتريِ اين ابزارها روزبه‌روز گسترش يافته است. اين حسگرها به لحاظ استفاده از فيبر نوري در ساختارشان «حسگرهاي نوری» ناميده شده‌اند و به دو دستة شيميايي و بيولوژيكي تقسيم مي‌شوند. بسته به اينكه بخواهيم اين حسگر را براي تجزية گونة داخل سلول، مايع بيولوژيك بين سلولي يا داخل خون به كار ببريم، ابعاد نوك حسگر، زاوية مخروطي شدن نوك آن و ميزان نرمي پوشش روي فيبر متفاوت خواهد بود.
تولید نانوحسگرهاي زیستی نوری
براي تهية اين فيبر به عنوان نوك حسگر، مي‌توانيم از دستگاه‌هاي مورد استفاده براي كشش فيبرهاي نوري استفاده نماييم (شکل 2).
در اين دستگاه از ليزر دي‌اكسيد كربن براي گرم كردن فيبر و از وسيله‌اي براي كشش فيبر در جهت محور اصلي آن استفاده مي‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغيير دما و ميزان نيروي كششيِ اعمال‌شده به فيبر، نوك‌هايي براي حسگرهاي زيستي بسازند كه قطرشان بين 20 تا 500 نانومتر است (شکل 3). اين تكنيك سرعت بالا (حدود 3 ثانيه) و روند توليد نسبتاً ساده‌اي دارد.
کاربرد حسگرهاي زيستي
كاوشگر حسگرهاي ساخته‌شده به اين روش، مي‌تواند بدون آسيب رساندن به غشاي سلولي، به آن وارد شود و براي مطالعات بيوملكولي و باليني مورد استفاده قرار گيرد (شکل 4). به طور کلی، مجموعة يك نانوحسگر زيستي، از يك ملكول گيرندة زيستي (مثل DNA يا پادتن) تشکيل شده كه بر روي يك فيبر بسيار نازك نشانده شده است. از اين مجموعه مي‌توان به عنوان يك كاوشگر براي وارد كردن گونة خاصي به سلول استفاده كرد و با به‌كارگيري روش‌هاي متداولِ آمپرومتري به تجزية گونه‌ها در داخل سلول پرداخت.
روش آمپرومتري يكي از روش‌هاي الكتروشيميايي است كه در آن حداقل يكي از گونه‌هاي اوليه يا محصولات واكنش در سطح ميكروالكترود اكسيده ــ يا كاهيده ــ مي‌شود.
شايان ذكر است قبل از استفاده از فيبر به عنوان نوك حسگر، ايجاد يك پوشش بسيار نازك حدود 200 نانومتري بر روي فيبر، مي‌تواند عملكرد نوري آن را به ميزان بسياري بهبود بخشد. همچنين به منظور ايجاد سايت‌هاي فعال بر روي نوك حسگر برای اتصال پادتن از فرايند سيلان‌دار كردن سطح فيبر استفاده مي‌شود و به دنبال آن پادتن مورد نظر را از طريق پيوندهاي كوالانسي به سطح فيبر متصل مي‌كنند.
سيلان و فرايند سيلان‌دار كردن
سيليس(Si) يكي از عناصري است كه در طبيعت به وفور يافت مي‌شود و بخش عمده‌اي از پوسته زمين را تشكيل مي‌دهد. اين عنصر در گروه چهارم جدول تناوبي واقع شده است و از اين رو مي تواند با ايجاد چهار پيوند كوالانسي، تركيبي به صورت SiH4 به نام سيلان را ايجاد نمايد. از اين ملكول تركيبات مختلفي به دست مي‌آيد كه از آن جمله مي‌توان به تري «متيل كلرو سيلان» اشاره كرد. اين ملكول مي تواند طي يك واكنش حذفي با از دست دادن يك ملكول HCl به ملكولهاي ديگر بچسبد و بدين صورت خواص سطحي آنها را تغيير دهد. براي مثال اگر يك زنجير غيرقطبي كربني در ملكول فوق داشته باشيم، با پيوند زدن آن به سطح يك نانوحسگر مي‌توانيم نانوحسگر را نسبت به جذب تركيبات غيرقطبي فعال كنيم.
لازم به ذكر است در فرايند سيلان‌دار كردن، از تركيبات مختلف سيليس استفاده مي‌شود و به كمك آنها سطح مورد نظر را با يك گروه عاملي شيميايي مناسب پيوند مي‌زنند. حُسن كار در اين است كه امكان پيوند پادتن با گروه عاملي نشانده‌شده در سطح ميسر مي‌شود. ابزارهاي ساخته‌شده به اين روش، داراي قدرت انتخابگري بالايي هستند و «كاوشگرهاي آنزيمي» نام گرفته‌اند. از اين كاوشگرها در تعيين روزمرة گلوگز، لاكتوز، ساكاروز، گالاكتوز و كلسترول استفاده مي‌شود، بدون اينكه از بيمار نمونه‌گيري خون صورت گيرد.
اين تكنيك سودمند، استفاده‌هاي فراوان ديگري نيز دارد كه از آن جمله مي‌توان به مطالعة اثر داروها و چگونگي برهمكنش آنها با سلول‌ها و مطالعة چگونگي اثر پاتوژن‌ها (عوامل بيماري‌زا) بر سلول‌ها، و مطالعة سيستم‌هاي زيستي اشاره كرد. همچنين ميزان غلظت داروها در خون در زمان‌هاي مختلف پس از مصرف و سرعت رسيدن به غلظت مادة مؤثر به حداكثر مقدار، از جمله فاكتورهايي هستند كه در داروسازي و پزشكي اهميت بسياري دارند و نانوحسگرهاي زيستي ابزاري سودمند و كارآمد در اين زمينه محسوب مي‌شوند.
نظر به اهميت نانوحسگرهاي زيستي در گسترش دانش پزشكي، از آن به عنوان فناوري دستيابي به اطلاعات زيستي سلول با استفاده از تجهيزات نانومتري (Nano-Bio-Info-Tech) ياد شده است. از جملة اين پژوهش‌ها مي‌توان به كار تيمي Vo-Dinhs در سال 2004 در شناسايي، تشخيص و درمان سلول‌هاي سرطاني اشاره كرد.
منابع و توضیحات:
- Park, S.J. Science 295. (2002), p. 503.
- Strom, A.J. Appl. Phys. Lett. 79. (2001), p. 3881.
- Xia, Y. Annu Rev. Mater. Sci. 28. (1998), pp. 153-184.
- Shipway, E. Chem. Phys. Chap.1. (2000), p. 18.
- Malaquin, L. Microelectronic Engineering 73-74. (2004), pp. 887-892.
- Montelius, L. Microelectronic Engineering 53. (2000), pp. 521-524.
- Brian, M. Trends in Biotechnology. (2000), vol. 18.
- Porath, D. Nature 403. (2000),p. 635.
- Haes, A.J. J. Am. Chem. Soc. 124. (2002), p. 10596.
- Marie, R. Microelectronic Engineering 67-68. (2003), p. 893.