پایان نامه بررسی و ارزیابی نانو حسگر زیستی فیبر نوری جهت شناسایی مواد زیستی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته:برق

گرایش:الکترونیک

فصل اول

مبانی و کلیات

مقدمه

امروزه در زمینه‌های مختلفی از جمله پزشکی،صنایع شیمیایی،صنایع غذایی،زیست محیطی وتولیدمحصولات دارویی- بهداشتی از حسگرهای زیستی[1] 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.

حسگر ها 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.

حسگر های دمائی

دماسنج (thermometer)

ترموکوپل (thermocouple)

مقاومت‌های حساس به گرما (thermistors and resistance temperature 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 پزشکی وبهداشت، صنایع شیمیایی، صنایع دفاعی وصنعت خودرو کاربردهای فراوانی دارند. درقسمت قبل به شرح نانو حسگرها پرداختیم. دراین قسمت به معرفی حسگرهای زیستی می پردازیم.

ویژگی های مهم نانو حسگرها انتخاب گری بالاتر،حساسیت زیادتر،ابعاد کوچکتر وارزان تر هستند. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. وهمان طور که گفتیم این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شده آنها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد.

در بخش نظامی و امنیت ملی احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان‌دهنده سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنه هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.

در صنایع اتومبیل می‌توان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران‌قیمت می‌توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدی می‌توان از آن در فناوری اطلاعات به منظور ترغیب در فراگیرشدن  سیستم‌های محاسبه‌گر رایانه‌های همراه همیشه روشن استفاده کرد. همچنین می‌توان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌های هوشمندی که برای ارتباطات ثابت بین سایر تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های همراه از آنها استفاده می‌شود، به کار برد!

 اصول و کاربردهای حسگر های زیستی

حسگر زیستی یا بیوسنسور نامِ گروهی از حسگرها است. این حسگرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا تنها با یک ماده‌ی خاص واکنش نشان دهند. نتیجه‌ی این واکنش به صورتِ پیام‌هایی در می‌آید که یک ریزپردازنده، می‌تواند آن‌ها را تحلیل کند. این حسگرها از سه بخش تشکیل شده‌اند.

پذیرنده‌ی زیستی یا بیورسپتور: یک عنصر زیستی (پادتنها، اسید نوکلئیکها، آنزیم‌ها، سلول‌ها و دیگر ماده‌هایِ زیستی) که می‌تواند به صورتِ انتخابی تنها با ماده‌ی خاصی واکنش نشان دهد.

بیورسپتور هایی که در حسگرهای زیستی مورد استفاده قرار می گیرند به شرح ذیل می باشند:

1. آنزیم

2. آنتی بادی

3. گیرنده های سلولی

4. اسیدهای نوکلئیک DNA یا RNA

5. میکرو ارگانیسم یا سلول کامل

6. بافت

7. گیرنده های سنتتیک

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 وسیله‌ی سیگنال‌هایِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.

انواع متداول مبدل های مورد استفاده در بیوسنسورها شامل:

سنسورهای  الکتروشیمیایی

مبدل های الکتروشیمیایی به سه دسته پتانسیومتری تقسیم می شوند (این روش مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل یک پیل در جریان صفر است). این پتانسیل با لگاریتم غلظت ماده مورد سنجش متناسب است، (ولتامتری) یک پتانسیل به پیل اعمال می شود تا اکسایش (یا کاهش) ماده مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش یا کاهش در جریان پیل ایجاد شود. این روش به آمپرمتری معروف است و رسانایی سنجی محلول های حاوی یون هادی الکترون هستند. بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می یابد.رابطه بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.

سنسور های  نوری( لومینسانس، جذب و تشدید پلاسمون سطح )

روش های مورد استفاده در بیوسنسورهای نوری شامل طیف سنجی جذب، طیف سنجی فلورسانس، طیف سنجی انعکاس داخلی،  پراش نور است.

این سنسورها دارای دو نوع  حساس به تغییر جرم و حرارتی می باشند.

تمام فرایندهای شیمیایی با تولید یا جذب انرژی همراه هستند. این حرارت را می توان با یک ترمیستور حساس اندازه گیری کرد و آن را به میزان واکنش نسبت داد.

پردازنده های سیگنال که عمدتا مسئول برای نمایش نتایج و انجام محاسبات حسگر هستند.

حسگرهای زیستی طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. حسگرهای زیستی یا سنسورهای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردها نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل می شود.

به طور کلی میتوان گفت حسگر های زیستی یک گروه از سیستمهای اندازه گیری می باشند و طراحی آنها بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیتها بر اساس اجزا بیولوژیک وآشکارسازهای فیزیکی و شیمیایی صورت می پذیرد

از آنجا که حسگر های زیستی  ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول های زیستی می باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می گیرند.در واقع این حسگرها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکولهای زیستی می باشند. حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می پردازد و یا سیستم ایمنی بدن که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می کند، نمونه هایی از حسگرهای زیستی  طبیعی می باشند. بیشترین کاربرد حسگرهای زیستی در تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر بیوسنسور های گلوکز از موفق ترین بیوسنسور های موجود در بازار بوده که برای اندازه گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می شود.

در پانکراس بیماران دیابتی به میزان کافی انسولین تولید نمی‌شود. در این گونه موارد برای تنظیم مصرف انسولین، سنجش مداوم میزان گلوکز خون ضروری است. این ابزار به بیماران مبتلا به دیابت کمک می کند تا در طول روز به سنجش سطح گلوکز خون خود پرداخته و در زمان های مورد نیاز انسولین تزریق کنند.

کاربردهای مختلفی برای حسگرهای زیستی در پزشکی و بالین متصور است که در ذیل اشاره می شود:

**تشخیص ودرمان بیماریها ( سرطان، دیابت و ......)

** تشخیص بیماریها در سطح ژن( سرطان، دیابت و ......)

**تشخیص عوامل بیماریزا

**اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها

** ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک

** تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.

نانوحسگرهای زیستی

با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس بسیار کوچک، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و کاربردشان در محیط های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازهء نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلول ها حساس شده اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه ها در سیستم های بیولوژیک استفاده می شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول ها از دیواره یا غشای سلولی است.

در طی دههء گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانو فیبر ها، در پژوهش های پزشکی و بیولوژیک نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده اند و به دو دستهء شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیهء گونهء داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویهء مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.