تشخیص مولكول های زیستی با میكرومكانیك

در این مقاله به تعریف اصول انتقال و سپس تعریف انواع بیوحسگرها پرداخته شده است همچنین در اینجا به حامل های پیزورزیستوی اشاره شده است در قسمتی از مقاله به خصوصیات كوچك سازی و تولید انبوره در مورد وسایل الكترونیكی و Icها اشاره شده است

كارشناسان سیستمهای میكروالكترومكانیكی (MEMS) چگونه زیست‌شناسان مولكولی را در مطالعه هیبریدیزاسیون DNA پشتیبانی می‌كنند؟ ابزارهای مبتنی بر حامل[۱] مثالی هستند از این‌ كه چگونه یك حسگر ساده را می‌توان با تكنیك ساخت میكرومتری[۲] ایجاد كرد، تا كارایی حیر‌ت‌آوری را بدست دهد. آزمایشهای جالبی را بررسی می‌كنیم كه از اصول انتقال[۳] مكانیكی متفاوتی برای كشف و آنالیز كمیتهای كوچك مواد استفاده می‌كنند. اصول این آزمایشها به زیست شناسان اجازه مطالعه و بررسی بیوشیمی سطحی را در مقیاس نانومتری می‌دهد و فرصت‌های جالب و منحصر به‌فردی را برای پیشرفت در سیستمهای آنالیز مهندسی پزشكی و میكروسكوپی به‌وجود می‌آورد. حسگرهای حامل[۴] بر اصول ساده و مشهور انتقال استوار است و مورد علاقه بسیاری از محققان می‌باشد و به دلیل تركیب تكنیكهای "ساخت میكرومتری سیلیكونی" و بیوشیمی، ایجاد گروههای عامل روی سطح به همراه پیشرفت روش‌های حسگری چندحاملی، فرصت‌های جدیدی را برای حسگرهای فیزیكی و بیوشیمی ایجاد می‌كند. حامل‌های ایجاد شده به روشهای تولید میكرومتری از زمان پیشرفت میكروسكوپی نیروی اتمی (AFM) در سال ۱۹۸۶[۱] بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند.AFM و تكنیك‌های میكروسكوپی پروب پیمایشگر (SPM) باعث اندازه‌گیری مستقیم عكس‌العمل‌های ویژه بین سطوح در مقیاس مولكولی می‌شوند. AFM نیروهای بسیار كوچك در نوك یك تیرك میكروسكوپی كه در انتهای دیگر روی یك پایه (حامل) ثابت شده است را اندازه‌گیری می‌كند. حامل مانند یك مبدل نیرو بر اثر نیروی واقع در نوك میله خم می‌شود(شكل۲- الف).

شكل ۱) حامل‌های سیلیكون، اكسید سیلیكون یا نیترید سیلیكون به صورت تجاری در اشكال، ابعاد و حساسیت‌ به نیروی متفاوت وجود دارند. تصاویـر میكروسكوپ الكترونی پیمایشگر (SEM) از میكروحامل‌های سیلیكونی به كار رفته به عنوان پروبهای AFM با هندسه‌ و اندازه‌های متفاوت:

الف) حامل مستطیلی تجاری به همراه تیرك (Nanosensors GmbH & Co)

ب ) حامل مثلثی تجاری (به منظور به حداقل رساندن خمش‌های پیچشی) به همراه تیرك

ارائه شده توسط مانالیس گسترش كاربرد SPM هم در آزمایشگاههای تحقیقاتی و هم در صنعت، به سهولت كار، هزینه‌كم [۵] و تكرارپذیری این پروبها مربوط می‌شود. با كوچك سازی ساختار حاملها تا اندازة میكروسكوپی می‌توان هم به ثابت فنر كوچك (یعنی حساسیت بالا برای نیروها یا تنش‌های بكار رفته) و هم فركانس تشدید[۶] بالا برای زمان‌های پاسخ سریع و مصونیت بالا در برابر نویزهای مكانیكی بیرونی دست یافت.

كوچك سازی و تولید انبوه، با بهره‌گیری از مزایای تكنیكهای میكرو ماشین‌كاری سیلیكونی غیرپیوسته كه برای فرآیند مدارهای یكپارچه (IC ) توسعه یافته است حاصل می‌شود[۲,۳]. حاملهای سیلیكون، اكسید سیلیكون یا نیترید سیلیكون از لحاظ تجاری با اشكال، ابعاد و حساسیتهای نیرویی مختلف در دسترس می‌باشند (شكل۱). اندازه‌گیری نیز در مبنای (در سطح جفتهای بیومولكولی منفرد) امكان‌پذیر است[۴-۱۰]. در طول دهة اخیر SPM و خصوصیات میكروحاملها در موارد دیگری همچون آشكارسازی تغییرات درجه حرارت، تنش‌سطحی، جرم و خاصیت‌مغناطیسی مواد در اندازة نانوگرم استفاده شده است. سیگنالهای چنین كمیت‌های كوچكی، اغلب به كمك تكنیك‌های ماكروسكوپی قابل دسترسی نیست و به ابزارهای تحلیلی پیچیده‌ای نیازمند است. استفاده از تكنیك‌های حسگری میكروحامل در مقایسه با سایر ابزارهای تحلیلی ماكروسكوپی در بسیاری از آزمایشگاهها با صرفه و قابل ساخت است.

اصول "انتقال"

یك حامل تشكیل شده از ساندویچی از مواد با ضریب انبساط حرارتی متفاوت به صورت تابعی از درجة حرارت محیط خم می‌شود (شكل ۲- ب). این اصل انتقال "دو فلزی"، تغییرات دما را تا ۱۰-۵K اندازه‌گیری می‌كند [۱۱]. چنین حسگر‌هایی برای اندازه‌گیری‌های فتوحرارتی با استفاده از نوعی جاذب نوری خاص[۱۲-۱۵] یا به ‌عنوان یك میكروكالریمتر برای بررسی تحول گرمایی در واكنشهای شیمیایی در لایه‌ واكنشی كه در رأس حسگر جای داده شده است، به كار گرفته می‌شوند[۱۱]. تغییرات انتالپی در حد ۵۰۰ پیكوژول در سطوح بین فازی با فقط چند پیكوگرم ماده متصل به نوك حسگر به‌طور مطمئن قابل تجزیه و تحلیل‌ است[۱۶,۱۷].

میكروحاملهای دو فلزی می‌توانند طیف فتوحرارتی فیلمهای نازك[۱۸] را با حساسیت ۱۵۰ فمتوژول و تحلیل زمانی كمتر از میلی ثانیه نشان دهند[۱۷]. تخمین‌های تئوری نشان می‌دهد كه این حسگر‌ها قادرند تغییرات گرمایی را با حساسیت آتوژول مشخص نمایند[۱۱,۱۹]. همچنین حاملها می‌توانند با اندازه‌گیری خصوصیات ارتعاشی در مد نوسانی به عنوان ترازوهای دقیق (شكل۲- ج) بكار روند. جرم‌ اضافی كه به رأس یك حسگر حامل افزوده می‌شود، میزان فركانس تشدید آن را كاهش می‌دهد(معادله ۱). همچنین تغییرات ویسكوزیته یا چگالی محیط بر خصوصیات ارتعاشی حسگرها مؤثر است. در شكل (۲-د) مبنای عمل ویسكومتر نشان داده شده كه توسط محققین زیادی[۲۰-۲۲] پیشنهاد شده است. هنگام عمل در مد نوسانی نیاز است بدانیم كه آیا در طول فرآیندهای دفع و جذب سطحی، مواد جذب شده می‌توانند خواص مكانیكی حامل را (به‌عنوان مثال سختی آن را) تغییر دهند یا نه.

شكل ۲ ـ نمای شماتیك انواع مبدلهای ممكن:

الف) حسگر نیرو به همراه تیرك برای AFM

ب) حسگر "دو فلزی" دما و حرارت

ج) حسگر بار جرمی

د) حسگر ویسكوالاستیسیته محیط

هـ) حسگر ترموگراویمتریك

و) حسگر تنش

جذب سطحی آب روی یك حامل با پوشش ژلاتین -برخلاف اثر افزایش جرم (معادله ۱)- باعث افزایش فركانس تشدید می‌گردد[۲۳-۲۵]. در صورتی كه لایة حسگر در انتهای آزاد حامل متمركز ‌شود، می‌توان این رابطه معكوس[۷] بین تغییرات جرم و سختی را از رابطة اصلی تفكیك كرد (شكل ۲- ج). در این حالت تغییر در فركانس طنین دار می‌تواند مستقیماً طبق فرمول زیر به تغییرات در جرم مربوط ‌شود:

? (معادله ۱)

كه K ثابت فنری حامل و f۰ وf۱ فركانس‌های تشدید قبل و بعد از جذب سطحی می‌باشند.

با این حال تنها با جذب سطحی در رأس تیرك، از جذب سطحی و به تبع آن حساسیت كاسته می‌شود. با استفاده از ماده متخلخلی مثل زئولیت به ‌عنوان یك "اسفنج حسگر" می‌توان حساسیت را بالا برد[۲۶]. برگر و همكارانش[۲۷] ‌با استفاده از حامل پیزورزیستیو[۸] نوسانگر گرم شده در گاز هلیم، آنالیز ترموگراویمتریك را بررسی كردند (شكل ۲- هـ) [۲۸]. تخمینهای تئوری مبتنی بر حاملهایی كه از لحاظ اقتصادی در دسترس هستند، حداقل چگالی جرمی آشكارپذیر ng/cm-۲ ۶۷/۰ را نشان می‌دهد كه با حسگرهای صوتی نظیر نوسانگرهای موج صوتی سطحی (SAW) و میكروبالانس‌های كریستال كوارتز (QCM) قابل مقایسه می‌باشد. با محاسبه مساحت فعال ساختار، حداقل جرم آشكار پذیر مقدار ۱۰-۱۵g بدست می‌آید[۲۹].

---