نانوحسگرهای زیستی

با پیشرفت علوم و فناوری, بشر موفق به ساخت میكروحسگرهای زیستی شد از این ابزار در واكنش های بیوشیمیایی انجام شده در سطح الكترود و ثبت میزان جریان یا دنبال كردن تغییرات پتانسیل بهره گیری می شود و این عوامل به غلظتِ گونهٔ مورد نظر ارتباط داده می شوند

در پزشكی و علوم بالینی برای تشخیص بیماری‌ها و پیگیری درمان آنها ضروری است از وضعیت گونه‌های مختلف مورد نظر در داخل بدن اطلاعات كمّی و كیفی داشته باشیم. روش تشخیص موجود كه در آزمایشگاه‌های كلینیكی مورد استفاده قرار می‌گیرد، نمونه‌برداری (از خون، ادرار و...) است. این روش نمونه‌برداری و تجزیه و تحلیل، لحظه‌ای محسوب می‌شود و مسائل و مشكلات خاص خود را نیز به همراه دارد، زیرا در بسیاری از موارد، نیاز داریم از روند تغییرات غلظتِ گونهٔ مورد نظر با گذشت زمان اطلاع داشته باشیم.

نمونه‌برداری لحظه‌ای به معنی گزارش غلظتِ گونهٔ مورد نظر در نمونه در یك زمان معین و ثابت است.

● حسگرهای زیستی

با ظهور حسگرها و ورود آنها به عرصهٔ تجزیهٔ گونه‌های بیوشیمیایی، راهكار دیگری برای كنترل كیفیت درمان بیماران فراهم شد. این حسگرها كه به طور الكتروشیمیایی كار می‌كنند و هنوز هم كاربردهای بسیاری دارند، به لحاظ ابعاد نسبتاً بزرگی كه دارند عموماً در سنجش‌های خارج از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند و در اندازه‌گیری میزان چربی و رطوبت پوست، میزان تعریق بدن و... به كار می‌روند. با پیشرفت علوم و فناوری، بشر موفق به ساخت میكروحسگرهای زیستی شد. از این ابزار در واكنش‌های بیوشیمیایی انجام‌شده در سطح الكترود و ثبت میزان جریان یا دنبال كردن تغییرات پتانسیل بهره‌گیری می‌شود و این عوامل به غلظتِ گونهٔ مورد نظر ارتباط داده می‌شوند. در این شكل دو الكترود رشتهٔ كربنی را ملاحظه می‌كنیم كه در مجاورت سلولِ مجزائی از غدهٔ فوق كلیوی واقع شده است. همان‌طور كه می‌دانیم، فعالیت ماهیچه‌های انسان این غده را تحریك می‌كند و در نتیجه هورمون اپی‌نفرین ترشح می‌شود. این هورمون كه «آدرنالین» نیز نامیده می‌شود، قند را از سلول‌های ماهیچه‌ای آزاد می‌كند. همچنین اپی‌نفرین فشار خون را بالا می‌برد و بر ضربان قلب می‌افزاید كه فاكتورهای مهمی از نظر كلینیكی محسوب می‌شوند. بنابراین، اندازه‌گیری میزان آزادسازی اپی‌نفرین توسط سلول آدرنال كه به طریق الكتروشیمیایی فوق و با استفاده از میكروحسگر نشان داده شده است، می‌تواند بسیار سودمند باشد.

● نانوحسگرهای زیستی

با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امكان ساخت الكترودهایی در مقیاس بسیار كوچك، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و كاربردشان در محیط‌های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الكترودهای بسیار كوچكی در اندازهٔ نانومتری و ابعاد سلولی هستند كه از طریق تثبیت آنزیم‌های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه‌های شیمیایی یا بیولوژیك مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از این حسگرها برای آشكارسازی و تعیین مقدار گونه‌ها در سیستم‌های بیولوژیك استفاده می‌شود. این تكنیك، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملكول‌ها از دیواره یا غشای سلولی است.

در طی دههٔ گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش‌های پزشكی و بیولوژیك نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه‌روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده‌اند و به دو دستهٔ شیمیایی و بیولوژیكی تقسیم می‌شوند. بسته به اینكه بخواهیم این حسگر را برای تجزیهٔ گونهٔ داخل سلول، مایع بیولوژیك بین سلولی یا داخل خون به كار ببریم، ابعاد نوك حسگر، زاویهٔ مخروطی شدن نوك آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.

● تولید نانوحسگرهای زیستی نوری

برای تهیهٔ این فیبر به عنوان نوك حسگر، می‌توانیم از دستگاه‌های مورد استفاده برای كشش فیبرهای نوری استفاده نماییم.

در این دستگاه از لیزر دی‌اكسید كربن برای گرم كردن فیبر و از وسیله‌ای برای كشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغییر دما و میزان نیروی كششیِ اعمال‌شده به فیبر، نوك‌هایی برای حسگرهای زیستی بسازند كه قطرشان بین ۲۰ تا ۵۰۰ نانومتر است. این تكنیك سرعت بالا (حدود ۳ ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده‌ای دارد.

● کاربرد حسگرهای زیستی

كاوشگر حسگرهای ساخته‌شده به این روش، می‌تواند بدون آسیب رساندن به غشای سلولی، به آن وارد شود و برای مطالعات بیوملكولی و بالینی مورد استفاده قرار گیرد (شکل ۴). به طور کلی، مجموعهٔ یك نانوحسگر زیستی، از یك ملكول گیرندهٔ زیستی (مثل DNA یا پادتن) تشکیل شده كه بر روی یك فیبر بسیار نازك نشانده شده است. از این مجموعه می‌توان به عنوان یك كاوشگر برای وارد كردن گونهٔ خاصی به سلول استفاده كرد و با به‌كارگیری روش‌های متداولِ آمپرومتری به تجزیهٔ گونه‌ها در داخل سلول پرداخت.

روش آمپرومتری یكی از روش‌های الكتروشیمیایی است كه در آن حداقل یكی از گونه‌های اولیه یا محصولات واكنش در سطح میكروالكترود اكسیده ــ یا كاهیده ــ می‌شود.

شایان ذكر است قبل از استفاده از فیبر به عنوان نوك حسگر، ایجاد یك پوشش بسیار نازك حدود ۲۰۰ نانومتری بر روی فیبر، می‌تواند عملكرد نوری آن را به میزان بسیاری بهبود بخشد. همچنین به منظور ایجاد سایت‌های فعال بر روی نوك حسگر برای اتصال پادتن از فرایند سیلان‌دار كردن سطح فیبر استفاده می‌شود و به دنبال آن پادتن مورد نظر را از طریق پیوندهای كوالانسی به سطح فیبر متصل می‌كنند.

● سیلان و فرایند سیلان‌دار كردن

سیلیس(Si) یكی از عناصری است كه در طبیعت به وفور یافت می‌شود و بخش عمده‌ای‌ از پوسته زمین را تشكیل می‌دهد. این عنصر در گروه چهارم جدول تناوبی واقع شده است و از این رو می تواند با ایجاد چهار پیوند كوالانسی، تركیبی به صورت SiH۴ به نام سیلان را ایجاد نماید. از این ملكول تركیبات مختلفی به دست می‌آید كه از آن جمله می‌توان به تری «متیل كلرو سیلان» اشاره كرد. این ملكول می تواند طی یك واكنش حذفی با از دست دادن یك ملكول HCl به ملكولهای دیگر بچسبد و بدین صورت خواص سطحی آنها را تغییر دهد. برای مثال اگر یك زنجیر غیرقطبی كربنی در ملكول فوق داشته باشیم، با پیوند زدن آن به سطح یك نانوحسگر می‌توانیم نانوحسگر را نسبت به جذب تركیبات غیرقطبی فعال كنیم.

لازم به ذكر است در فرایند سیلان‌دار كردن، از تركیبات مختلف سیلیس استفاده می‌شود و به كمك آنها سطح مورد نظر را با یك گروه عاملی شیمیایی مناسب پیوند می‌زنند. حُسن كار در این است كه امكان پیوند پادتن با گروه عاملی نشانده‌شده در سطح میسر می‌شود. ابزارهای ساخته‌شده به این روش، دارای قدرت انتخابگری بالایی هستند و «كاوشگرهای آنزیمی» نام گرفته‌اند. از این كاوشگرها در تعیین روزمرهٔ گلوگز، لاكتوز، ساكاروز، گالاكتوز و كلسترول استفاده می‌شود، بدون اینكه از بیمار نمونه‌گیری خون صورت گیرد.

این تكنیك سودمند، استفاده‌های فراوان دیگری نیز دارد كه از آن جمله می‌توان به مطالعهٔ اثر داروها و چگونگی برهمكنش آنها با سلول‌ها و مطالعهٔ چگونگی اثر پاتوژن‌ها (عوامل بیماری‌زا) بر سلول‌ها، و مطالعهٔ سیستم‌های زیستی اشاره كرد. همچنین میزان غلظت داروها در خون در زمان‌های مختلف پس از مصرف و سرعت رسیدن به غلظت مادهٔ مؤثر به حداكثر مقدار، از جمله فاكتورهایی هستند كه در داروسازی و پزشكی اهمیت بسیاری دارند و نانوحسگرهای زیستی ابزاری سودمند و كارآمد در این زمینه محسوب می‌شوند.

نظر به اهمیت نانوحسگرهای زیستی در گسترش دانش پزشكی، از آن به عنوان فناوری دستیابی به اطلاعات زیستی سلول با استفاده از تجهیزات نانومتری (Nano-Bio-Info-Tech) یاد شده است. از جملهٔ این پژوهش‌ها می‌توان به كار تیمی Vo-Dinhs در سال ۲۰۰۴ در شناسایی، تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی اشاره كرد.

منابع :

۱- Montelius, L. Microelectronic Engineering ۵۳. (۲۰۰۰), pp. ۵۲۱-۵۲۴.

۲- Brian, M. Trends in Biotechnology. (۲۰۰۰), vol. ۱۸.

۳- Malaquin, L. Microelectronic Engineering ۷۳-۷۴. (۲۰۰۴), pp. ۸۸۷-۸۹۲.

۴- Shipway, E. Chem. Phys. Chap.۱. (۲۰۰۰), p. ۱۸.

۵- Xia, Y. Annu Rev. Mater. Sci. ۲۸. (۱۹۹۸), pp. ۱۵۳-۱۸۴.

۶- Strom, A.J. Appl. Phys. Lett. ۷۹. (۲۰۰۱), p. ۳۸۸۱.

۷- Park, S.J. Science ۲۹۵. (۲۰۰۲), p. ۵۰۳.

۸- Porath, D. Nature ۴۰۳. (۲۰۰۰),p. ۶۳۵.

۹- Haes, A.J. J. Am. Chem. Soc. ۱۲۴. (۲۰۰۲), p. ۱۰۵۹۶.

۱۰- Marie, R. Microelectronic Engineering ۶۷-۶۸. (۲۰۰۳), p. ۸۹۳