up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله سنسور PDF
QR code - سنسور

سنسور

سنسورهايي از نوع ذرات بيولوژيک (1)

در سالهاي اخير كاربردهاي زيست فناوري و پزشكي فناوري ميكرو ونانو (كه معمولا از آن به عنوان سيستم هاي ميكروي الكتريكي مكانيكي پزشكي يا زيست فناوري (BioMEM) ۱ نام برده مي شود) به صورت فزاينده اي رايج شده است و كاربردهاي وسيعي همچون تشخيص و درمان بيماري و مهندسي بافت پيدا كرده است. در حين اين كه تحقيقات و گسترش فعاليت در اين زمينه هم چنان به قوت خود باقي است، بعضي از اين كاربردها تجاري هم مي شود. در اين مقاله پيشرفت هاي اخير در اين زمينه را مرور كرده و خلاصه اي از جديدترين مطالب در حوزه BioMEM را با تمركز روي تشخيص و حسگرها ارائه مي شود.
بيوسنسور ها
در كاربردهاي بسياري در پزشكي، تحليل محيطي و صنايع شيميائي نياز به روشهايي جهت حس كردن مولكولهاي زيستي كوچك وجود دارد. حس هاي بويايي و چشايي ما دقيقا همين كار را انجام مي دهد و سيستم ايمني بدن ميليونها نوع مولكول مختلف را شناسائي مي كند. شناسائي مولكولهاي كوچك تخصص بيومولكولها است، لذا اينها شيوه جديد و جذابي براي ساخت سنسورهاي خاص را پيش رو قرار مي دهد. دو مولفه اساسي در اين راستا وجود دارد. المان شناساگر و روش هايي براي فراخواني زماني كه المان شناساگر هدف خودش را پيدا مي كند. اغلب المان شناساگر تحت تاثير منبع زيست فناوري تغيير نمي كند. مشكل اصلي در اين كار طراحي يك واسطه مناسب به يك وسيله بازخواني بزرگ است.
از آنتي بادي ها به صورت گسترده به عنوان بيوسنسور استفاده مي شود. آنتي بادي ها بيوسنسورهاي پيشتاز در طبيعت است، به همين دليل توسعه تستهاي تشخيصي با استفاده از آنتي باديها، يكي از زمينه هاي بسيار موفق در بيوفناوري است. شايد آشناترين مثال تست ساده اي است كه براي تعيين گروه خوني استفاده مي شود.
بيوسنسورهاي گلوكز از موفق ترين بيوسنسورهاي موجود در بازار است. بيماران مبتلا به ديابت نياز به شيوه هاي مرسوم جهت پايش سطح گلوكز خود دارد. سنسورهاي قابل كاشت و غير تهاجمي در حال توسعه است، اما در حال حاضر در دسترس ترين شيوه بيوسنسور دستي است كه يك قطره از خون را تحليل مي كند.
● تعريف BioMEM
از زمان آغاز سيستم هاي MEM در اوايل دهه ۱۹۷۰، اهميت كاربردهاي پزشكي اين سيستم هاي مينياتوري درك شد. BioMEM ها در حال حاضر يك موضوع بسيار مهم است كه تحقيقات بسياري در زمينه آن انجام شده است و كاربردهاي پزشكي مهم بسياري دارد. در حالت كلي مي توان BioMEM ها را به عنوان دستگاه ها ( وسايل) يا سيستم هايي ساخته شده با روش هاي الهام گرفته شده از ساخت در ابعاد ميكرو نانو، كه براي پردازش، تحويل ۲، دستكاري۳، تحليل يا ساخت ذرات ۴ شيميائي و بيولوژيك استفاده مي شود ، تعريف كرد. اين وسايل و سيستم ها همه واسطه هاي علوم زندگي و ضوابط پزشكي با سيستم هاي با ابعاد ميكرو و نانو را شامل مي شود. حوزه هاي تحقيقات و كاربردها در BioMEM از تشخيص بيماري ها مانند ميكرو آرايه هاي پروتئيني و DNA، تا مواد جديدي براي BioMEM، مهندسي بافت، تغيير و اصلاح۵ سطح، BioMEM هاي قابل كاشت، سيستم هائي براي رهايش دارو و.... را شامل مي شوند. وسايل و سيستم هاي فشرده ايي كه از BioMEM ها استفاده مي كنند، به عنوان آزمايشگاه روي يك چيپ ۶ و سيستم هاي تحليل تمام ميكرو TAS ) µ يا (micro TAS ۷ نيز شناخته مي شود.
● اصول مورد استفاده
BioMEM و وسايل مربوط مي تواند با سه دسته از مواد ساخته شود كه مي توان آنها را به صورت زير طبقه بندي كرد:
▪ ميكرو الكترونيك و MEM ها،
▪ مواد پلاستيكي و پليمري مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS) و ... و
▪ مواد و ذرات بيولوژيك مانند پروتئين ها، سلولها و بافتها، ... .
روي مواد گروه اول به صورت گسترده هم از ديدگاه تحقيقاتي و هم از نقطه نظر كاربرد گزارش داده شده است و به صورت متداول و رايج در وسايل و دستگاهها و MEM ها استفاده قرار گرفته است. پردازش سيگنالهاي BioMEM با استفاده از روش هاي پليمري و ليتوگرافي نرم ۸ به خاطر سازگار پذيري زيستي زياد و ساخت آسان ، كم هزينه و پيش نمونه سازي سريع۹ كه در مورد مواد لاستيكي موجود است، بسيار جذاب است. استفاده از اين مواد براي كاربردهاي عملي به صورت مداوم در حال افزايش است. مواد مربوط به گروه سوم تقريبا بررسي نشده است. اما امكانات جديد و جالب بسياري را ارائه مي كند و مرز۱۰جديدي ميان BioMEM و بيو نانو فناوري به وجود خواهد آورد. براي مثال در مهندسي بافت و سلول كه از فناوري ميكرو و نانو الهام گرفته شده است و نيز براي توسعه ابزار و وسايلي براي فهم اعمال و توابع سلولها و بيولوژي سيستم ها، استفاده از روش هاي ساخت ميكرو و نانو براي سنتز و ساخت مستقيم ساختار هاي زيست فناوري مانند اندام مصنوعي و وسايل هيبريد۱۱، طيف وسيعي از امكانات و فرصت ها را ارائه مي كند. كاربردهايي مانند توسعه آرايه هاي بر پايه سلول ۱۲، مهندسي بافت و توسعه اندام هاي مصنوعي با استفاده از روش هاي ساخت در ابعاد ميكرو ونانو، تنها شماري از امكانات بسيار وسيع و مهيج آن است.
▪ BioMEM و كاربردهاي تشخيصي
تشخيص بزرگترين و كار شده ترين حوزه در BioMEM را تشكيل مي دهد. تعداد زياد و فزاينده اي از وسايل BioMEM براي كاربردهاي تشخيصي توسعه يافته است و در طي چند سال اخير به وسيله گروههاي زيادي در مقالات ارائه شده است. روش هاي طراحي و ساخت اين دستگاهها و نيز حوزه هاي كاربردي آنها به صورت قابل ملاحظه اي متفاوت است. به BioMEM براي كاربردهاي تشخيصي گاهي Biochip هم گفته مي شود. اين دستگاهها براي تشخيص سلولها، ميكرو ارگانيزمها، ويروس ها، پروتئين ها،DNA و اسيد نوكلئيك هاي مربوطه و مولكول هاي كوچك كه از نظر بيوشيميائي مهم است، استفاده مي شود.
▪ BioMEM و سنسورهاي بيوچيپ
بيوسنسورها وسايل تحليلي۱۳ است كه يك المان حساس از نظر بيولوژيك را با يك ترانسديوسر فيزيكي يا شيميائي تركيب مي كند تا به صورت كمي و انتخابي وجود يك تركيب خاص در يك محيط خارجي داده شده را تشخيص دهد. در طي دهه گذشته، BioMEM به عنوان بيوسنسورها استفاده شد است وبيوچيپ هاي حاصل امكان اندازه گيري هاي سريع، حساس و زمان حقيقي را فراهم مي كند. اين سنسورهاي BioMEM مي تواند جهت تشخيص سلولها، پروتئينها، DNA يا مولكولهاي كوچك مورد استفاده قرار گيرد. بسياري از داده هاي ارائه شده تا امروز مربوط به يك سنسور است و اين سنسورها را مي توان به فرمت آرايه اي مجتمع نمود. تعداد زيادي روش تشخيصي در بيوچيپ ها و سنسورهاي BioMEM استفاده مي شوند، شامل :
▪ مكانيكي
▪ الكتريكي
▪ نوري
● BioMEM و تشخيص مكانيكي
اخيرا از سنسورهاي كانتيلور۱۴ با ابعاد نانو و ميكرو روي يك چيپ براي تشخيص مكانيكي واكنش ها و ذرات بيوشيميائي استفاده شده است.اين سنسورها ( كه ساختار شبيه تخته پرش شنا دارند) را مي توان در دو مود به نامهاي مود سنس فشار و حالت اندازه گيري جرم، استفاده كرد. در مود اندازه گيري فشار، فعل و انفعال بيوشيميائي به صورت انتخابي روي يك طرف سنسور انجام مي شود. تغيير در انرژي آزاد سطح۱۵ باعث تغيير درفشار سطح مي شود، كه يك خمش قابل اندازه گيري در سنسور ايجاد مي كند. بنابراين تشخيص بدون برچسب۱۶ تركيب بيومولكولي، ممكن مي شود. سپس خمش سنسور را مي توان به روش نوري ( انعكاس ليزر از سطح سنسور داخل يك دتكتور موقعيت، همانند در يك AFM ) يا به روش الكتريكي( مقاومت پيزو كه در لبه ثابت سنسور قرار داده مي شود) اندازه گيري نمود.
يكي از مزاياي اصلي اين سنسورها، توانائي آنها براي تشخيص تركيبات داراي فعل و انفعال داخلي بدون نياز به افزودن برچسب قابل تشخيص به صورت نوري روي ذرات تركيب شونده، است. در سالهاي اخير پيشرفتهاي چشمگير و جالبي در تشخيص بيوشيميائي با استفاده از سنسورهاي كانتيلور رخ داده است. تشخيص بدون برچسب و مستقيم DNA و پروتئين ها به وسيله كانتيلور سيليكوني انجام شده است.هيبريديزاسيون DNA و تشخيص single based mismatch روي لايه هاي به هم بافته DNA به وسيله كانتيلورهائي با يك لايه نازك طلا روي يك سمت آنها، انجام شده است. لايه هاي به هم بافته DNA، به لايه طلا متصل مي شود و زماني كه لايه هاي بهم بافته هدف با لايه هاي بهم بافته گيرنده تركيب مي شوند، خمش كانتيلورها قابل تشخيص است. اين سنسورها را همچنين مي توان جهت تشخيص پروتئين ها و ماركرهاي سرطان مانند آنتي ژن هاي خاص پروستات ( ماده اي كه در سلولهاي مخاطي پروستات پنهان شده است و اغلب براي تشخيص سرطان پروستات تست مي شود) استفاده نمود كه در شرايط مناسب باليني، در پس زمينه آلبومين سرم انسان در حد ng ml ۲ ۰ تشخيص داده شده است.
●BioMEM و تشخيص الكتريكي
تكنيك هاي تشخيص الكتريكي و الكتروشيميايي تقريبا به صورت معمول و مرسوم در بيوچيپ ها و سنسورهاي BioMEM هم مورد استفاده قرار گرفته است. اين روش ها وقتي با روش هاي تشخيص نوري مقايسه مي شود، مي تواند قابليت هائي نظير انتقال پذير بودن و مينياتورسازي را از خود ارائه كند. اگر چه، در پيشرفتهاي اخير در مجتمع سازي مولفه هاي نوري روي يك چيپ نيز مي تواند وسايل مجتمع كوچكتري توليد كند.
بيوسنسورهاي الكتروشيميائي سه نوع پايه را شامل :
بيوسنسورهاي آمپرومتريك كه جريان الكتريكي مربوط به الكترونهاي درگير در فرآيندهاي اكسايش را شامل مي شود.
بيوسنسورهاي پتانسيومتري كه تغيير پتانسيل در الكترودها به خاطر يونها يا واكنش هاي شيميائي در يك الكترود را اندازه مي گيرد.
بيوسنسورهاي هدايت سنج۱۷ كه تغييرات هدايت وابسته با تغيير در كل محيط يوني بين دو الكترود را اندازه مي گيرد. گزارش هاي بيشتري روي سنسورهاي آمپرومتريك و پتانسيومتريك به ويژه به خاطر زمينه قاطع و مسلم و ثابت الكترو شيمي گزارش شده است و بسياري از اين سنسورها در مقياسهاي ميكرو و نانو استفاده شده اند. مرسومترين نمونه هاي بيوسنسورها ي آمپرومتريك از يك واكنش اكسايش ( كاهش) كه آنزيم كاتاليزور آن است،۱۸ استفاده مي كنند.
سنسورهاي پتانسيومتريك از اندازه گيري پتانسيل در يك الكترود مرجع نسبت به الكترود ديگر استفاده مي كند. متداولترين فرم سنسورهاي پتانسيومتريك ترانزيستورهاي اثر ميداني حساس به يون (ISFET) يا ترانزيستورهاي اثرميداني شيميائي (Chem FET) است. اين وسايل به عنوان سنسورهاي Ph به صورت تجاري موجود و نمونه هاي زيادي از آنها ذكر شده است.
سنسورهاي پتانسيومتريك با يونو فورز انتخاب كننده يون در PVC ۱۹اصلاح شده، براي تشخيص آناليت هاي سرم انسان استفاده شده است. تنفس سلولي و اسيد سازي ناشي از فعاليت سلولها به وسيله ISFET هاي CMOS اندازه گيري شده است. سنسور پتانسيومتريك با قابليت آدرس دهي نوري LAPS براي تشخيص تغيير در غلظت يون هيدروژن و بنابراين Ph با استفاده از يك وسيله اثر ميداني در سيليكون در حضور نور، استفاده شده است. سنسورهاي پتانسيومتريك با استفاده از سيم هاي سيليكوني نانو و نانو تيوب هاي كربن به عنوان سنسورهاي اثر ميداني، به مقياس نانو كاهش بعد داده است، براي رسيدن به اين مزيت: بالا بردن حساسيت به خاطر نسبت سطح به حجم بالاتر.
جمع كردن اين سنسورهاي با ابعاد نانو در آزمايشگاه روي چيپ ها مشكلتر است. اما پيشرفتهاي اخير در روش هاي توليد از بالا به پايين ۲۰ براي ارائه اينگونه ساختارهاي با ابعاد نانو استفاده شده اند.
سنسورهاي پتانسيومتريك در مقياس ميكرو نيز براي انجام تشخيص بدون برچسب هيبريديزاسيون DNA استفاده شده است. اين سنسورها به نحوي در داخل كانتيلورها جاداده شده است كه مي توان از آنها داخل كانالهاي ميكرو سيال استفاده نمود. هيبريديزاسيون DNA از طريق اندازه گيري اثر ميداني در سيليكون با بار ذاتي مولكولي روي DNA، با استفاده از يك بافر Poly L lysine بعدا تشخيص داده شد.

سنسور فاصله ياب ليزري در اين مقاله با کليات ساخت سنسور فاصله ياب ليزري آشنا مي شويد. هدف نهايي از انجام اين تحقيق ، طراحي و ساخت سنسور فاصله ياب ليزري ...

سنسورها اغلب براي درک اطلاعات تماسي، تنشي، مجاورتي، بينايي و صوتي به‌کار مي‌روند. عملکرد سنسورها بدين‌گونه است که با توجه به تغييرات فاکتوري که نسبت ب ...

اهميت سنسورها در پروسه هاي صنعتي را مي توان به راحتي با فرض نداشتن حواس پنجگانه در انسان تصوير کرد، آيا اين انسان قادر به برقراي ارتباط با دنياي خارج ...

سنسورهاي هدايت سنج، تغييرات در امپدانس الكتريكي بين دو الكترود را اندازه مي گيرد كه اين تغييرات مي تواند در يك واسطه يا در فضاي حجيم۲۱ باشد و مي تواند ...

در سالهاي اخير كاربردهاي زيست‌ فناوري و پزشكي فناوري ميكرو ونانو (كه معمولا از آن به عنوان سيستم‌هاي ميكروي الكتريكي مكانيكي پزشكي يا زيست‌ فناوري‎(Bi ...

دستيابي به دانش بدون ابهام، سالهاي متمادي انسان را دچار چالش ساخته است. از هنگامي که ارسطو منطق دو ارزشي را معرفي کرده، تاکنون بشر توانسته با کمک و اس ...

نانوتکنولوژي بعنوان يک فنا وري کاربردي در دهه هاي اخير مورد توجه قرار گرفته است. کاربرد اين فناوري در حوزه هاي مختلف، متفاوت است. اين فناوري با توليد ...

فناوري نانو ميتواند اثرات قابل توجهي در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زير بعد از اشاره به برخي از اين تأثيرات، تعدادي از کاربردهاي فناوري نانو در صنعت ...

دانلود نسخه PDF - سنسور