تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - 158-بیوسنسورها(سنسورهای دمایی)BIOSENSOR

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

بیوسنسورها(سنسورهای دمایی):

اندازه گیریهای متعددی در ارتباط با انرژی حرارتی سیستم بیولوژیک قابل انجام است.اینها شامل دما،هدایت گرمایی و تشعشع گرمایی هستند.از بین اینها، اندازه گیری دما به طور معمول انجام می شود. دما متغییری فیزیولوژیک است که کیلینیکی اهمیت دارد و یکی از 4 علامت حیاتی اساسی است که در تشخیص کلینیکی بیماران مورد استفاده واقع می شود.
سنسور، مهم ترین جزء یک سیستم اندازه گیری دما است. در واقع یک ابزار دقیق اندازه گیری دما، دمای سنسور را نشان می دهد از این رو، مشکل موجود در اندازه گیریهای پزشکی دما، نگهداشتن سنسور دما دردمای فیزیولوژیکی مورد اندازه گیری است. آسان ترین راه انجام این کار نگهداشتن سنسور دما در تماس مستقیم با ساختاری است که دمایش اندازه گیری می شود. با این حال، این به تنهایی کافی نیست چرا که سنسور دما ممکن است دمای بافت در تماس با خود را تغییر دهد. مثلاً، چنانچه سنسور در ابتدا دمای کمتری نسبت به بافت اندازه گیری شونده داشته باشد زمانی که در تماس مستقیم با آن بافت قرار می گیرد، گرما از بافت به سنسور دما جریان می یابد. اگر انرژی گرمایی هدایت شده به داخل بافت یا انرژی گرمایی تولید شده به روش های متابولیک در بافت، نتوانند جای آن گرما را بگیرند، قرار دادن سنسور دما در تماس مستقیم با بافت آن را سرد می کند و در نتیجه دما غلط قرائت می شود به این دلیل، جرم مٶثر گرمایی سنسور دما همواره باید بسیار کمتر از جرم مٶثر گرمایی بافت مورد اندازه گیری باشد. از این گذشته، مهم است که مقاومت گرمایی بین سنسور واقعی و بافت مورد اندازه گیری حتی الامکان کم باشد.
سنسورهای معمول دما که در ابزارهای دقیق مهندسی پزشکی مورد استفاده اند عبارتند از:
1- ترمیستور 2- سنسورهای دمای مقاومت سیمی فلزی 3- ترموکوپل 4- نیمه هادی اتصالpn5- مواد حساس به دما مانند کریستال های مایع که خواص فیزیکیشان را دما تغییر می دهد. از بین این موارد، ترمیستور معمول ترین سنسور دما در اندازه گیری مهندسی پزشکی است. این سنسور از اکسیدهای فلزی نیمه هادی تشکیل یافته است که به اندازه ها و اشکال فیزیکی متنوعی درآورده می شوند. این اشکال از ترمیستورهای قیطانی خیلی کوچک که کروی هستند و قطرهایی به کوچکی mm1 دارند، گرفته تا دیسک های مسطح بزرگی که دارای قطر چند سانتی متر است، تنوع دارند.الکترودها و سیم های رابط، تماس الکتریکی با ماده ترمیستور را فراهم می نمایند و مقاومت الکتریکی ترمیستور از طریق این تماس ها اندازه گیری می شود. مقاومت الکتریکی مواد نیمه هادی با افزایش دما کاهش می یابد. مواد ترمیستوری را طوری ساخته اند که تغییر در مقاومت در محدوده دمایی موردنظر به حداکثر برسد و در همان حال حد بالایی از پایداری الکتریکی داشته باشند تا از تغییرات مقاومت در اثر دیگر منابع، یا به طور ساده با کهنه شدن خود ماده، جلوگیری شود. رسیدن به چنین خواصی، ساده نیست و از این رو فرمولاسیون واقعی مواد مختلف ترمیستوری که توسط تولیدکنندگان مختلف مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین فرایندی که جهت پایدار نمودن خواص الکتریکی آنها استفاده می شود به دقت سرّی نگه داشته می شوند.
دماسنج الکترونیکی کلینیکی مثالی از یک ابزار دقیق اندازه گیری دما مبتنی بر ترمیستور است. سنسور این ابزار دقیق از یک پروب تشکیل شده که یک ترمیستور دارد. طراحی این پروب، عامل مهمی در عملکرد کل ابزار است. جرم پروب و ترمیستور باید کم باشد تا پاسخ زمانی سریعی بدهد، در عین اینکه پروب باید محکم باشد تا قدرت تحمل استفاده مکرر را داشته باشد. بنابراین یک ترکیب مهندسی ضروری است چرا که این دو نیازمندی معمولاً با هم مخالف هستند. از این گذشته، چنانچه ابزار دقیق برای افراد مختلف بکار رود، تمیز کردن و استریلیزه نمودن پروب بعد از هر بار استفاده عملی نیست. پس یک پوشش حفاظتی استریلیزه و یکبار مصرف پروب را می پوشاند که برای استفاده هر بیمار عوض می شود. همچنین این پوشش باید جرم گرمایی کم و هدایت گرمایی بالا داشته باشد تا از خراب شدن پاسخ زمانی ابزار جلوگیری نماید. همچنین باید محکم باشد تا گسیختگی که عملکرد آن را از بین می برد روی پروب قرار گیرد.
هدف مدار الکترونیک پردازش سیگنال در این ابزار دقیق تبدیل مقاومت الکتریکی ترمیستور به ولتاژ مرتبط با دمای آن و آماده سازی این ولتاژ برای وسیله قرائت که معمولاً یک صفحه دیجیتالی نمایش دهنده دما است، می باشد. یک مدار پل و تستون نامتعادل که یک ضلع آن را ترمیستور تشکیل می دهد، این هدف را محقق می کند. چنانچه چنانچه پل به طور مناسب طراحی گردد، غیرخطی بودن ولتاژ خروجی پل و تستون به عنوان تابعی از مقاومت می تواند غیرخطی بودن ترمیستور را در یک محدوده دمایی معین(حداکثر تا 40 درجه سانتی گراد) جبران کند، طوری که ولتاژ خروجی پل رابطه خطی با دما داشته باشد. بقیه مدار الکترونیکی باید این سیگنال را طوری مقیاس دهی کند که خروجی دستگاه عدد صحیح را که با دمای مورد اندازه گیری مطابق است نشان دهد.
کارایی دیگری که در بعضی دماسنجهای الکترونیکی هست، مداری است که نشان می دهد چه زمان سنسور دما به تعادل رسیده است تا دما خوانده شود. چنین مداری هر ثانیه دما را بررسی می کند و قرائت نهایی را با چند تای قبلی مقایسه می کند. اگر اختلافها کمتر از 1/0 سانتی گراد باشد، دما ثابت درنظر گرفته می شود و به اپراتور گفته می شود که می تواند دما را بخواند، این کار معمولاً با یک بوق کوتاه انجام می شود.
دیگر ابزارهای دقیق دما که قبلاً ذکر شد همگی براساس همین نوع ابزار دقیق هستند، چون اندازه گیری رسانایی گرمایی، شار گرمایی و تشعشع شامل انجام اندازه گیری اهی دمایی است. این سیگنال را طوری پردازش می کنند که کمیت موردنظر را براساس طرح سنسور ارائه دهد.

مقاله از خانم طاهره حسینی

http://dezmed.mihanblog.com/post/178

سنسورهای زیستی یا Biosensor برای ثبت و دریافت ترکیبی از اجزای زمین با مولفه فیزیکوشیمیایی و آشکارساز اون استفاده میشه. مثلا سنسورهای گاز مثل Alcohol Gas Sensor MQ-3 و Carbon Monoxide Sensor - MQ-7 و LPG Gas Sensor - MQ-6 و Methane CNG Gas Sensor - MQ-4 و یا سنسورهای اثر انگشت(Fingerprint Scanner ) و

اساسا سیستم بیو سنسور از 3 قسمت تشكیل میشه
1)سنسورهای دریافت عنصر حساس بیولوژیکی (ماده بیولوژیکی (به عنوان مثال بافت ، میکروارگانیسم ، گیرنده های سلولی ، آنزیمها ، آنتی بادی ، اسیدهای نوکلئیک ، مواد بیولوژیک مشتق شده و یا biomimic و غیره

2) سنسورهای مبدل یا عنصر ردیاب آثار در مبحث فیزیکوشیمیایی ؛ نوری ، فیزوالکتریک ، الکتروشیمیایی، و غیره)

3) پردازنده های سیگنال که عمدتا مسئول برای نمایش نتایج و انجام محاسبات هستند
بیوسنسورها طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. بیوسنسورها 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 میشود.

توسعه بیوسنسورها از 1950 با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور همچنین بنام سازنده ی آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده میشود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH4++ بیو سنسوری ساخته شده که میتوانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. هر کدام از این دو بیوسنسور اولیه از ترنسدیوسر متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده میکردند. در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری میشد (آمپرومتریک) در حالیکه در سنسور اوره اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودهای سنسور صورت می پذیرفت (پتنشیومتریک Potentiometric).

ممکن است روزی فرا رسد که بیمار بدون نیاز به مراجعه به پزشک و تنها بر مبنای اطلاعاتی که توسط یک COBD یا Chip-on-Board-Doctor فراهم میشود نوع بیماری تشخیص داده شده و سپس داروهای مورد نیاز مستقیماً درون خون تزریق شود. این مسئله باعث خواهد شد که دوز مصرفی دارو بسیار پایین آمده و ضمناً از میزان اثرات جانبی دارو Side-Effect بطرز فاحشی کاسته شود، چرا که دارو مستقیماً به محل مورد نیاز در بدن ارسال میشود.

کاری که یک بیوسنسور انجام میدهد تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی است و شامل دو جزء اصلی: پذیرنده Receptor و آشکارکننده Detector است. قابلیت انتخابگری یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده تعیین میشود. آنزیمها، آنتی بادی ها، و لایه های لیپید (چربی) مثالهای خوبی برای Receptor هستند.

وظیفه دتکتور تبدیل تغییرات فیزیکی یا شیمیایی با تشخیص ماده مورد تجزیه (Analyte) به یک سیگنال الکتریکی است. کاملاً واضح است که دتکتورها قابلیت انتخاب در نوع واکنش صورت گرفته را ندارند. انواع دتکتورهای (یا ترانسدیوسرها یا مبدلها یا آشکارسازها) مورد استفاده در بیوسنسورها شامل: الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی میباشند. در نوع الکتروشیمیای عمل تبدیل به یکی از صورتهای: آمپرومتریک، پتانشیومتریک، و امپدانسی صورت میپذیرد. متداولترین الکترودهای مورد استفاده در نوع پتانشیومتریک شامل: الکترود شیشه ای Glass Electrode، الکترود انتخابگر یونی Ion-Selective، و ترانزیستور اثرمیدان حساس یونی Ion-sensitive FET یا ISFET هستند.

بطورکلی یک بیوسنسور شامل یک سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized نظیر یک دسته سلول، یک آنزیم، و یا یک آنتی بادی و یک وسیله اندازه گیری است. در حضور مولکول معینی سیستم بیولوژیکی باعث تغییر خواص محیط اطراف میشود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید میکند. این سیگنال را سپس میتوان به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل کرد.

مزایای بیوسنسورها بر سایر دستگاههای اندازه گیری موجود را میتوان بطور خلاصه، بصورت زیر بیان کرد:

*
مولکولهای غیرقطبی زیادی در ارگانهای زنده شکل میگیرند که به بیشتر سیستمهای موجود اندازه گیری پاسخ نمی دهند. بیوسنسورها میتوانند این پاسخ را دریافت کنند.
*
مبنای کار آنها بر اساس سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized تعبیه شده در خود آنهاست، در نتیجه اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
*
کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورهای امکان پذیر است.

بیو سنسورها

سنسورهایی از نوع ذرات بیولوژیک

در سالهای اخیر كاربردهای زیست‌ فناوری و پزشكی فناوری میكرو ونانو (كه معمولا از آن به عنوان سیستم‌های میكروی الكتریكی مكانیكی پزشكی یا زیست‌ فناوری‎(BioMEM) 1‏ نام برده می‌شود) به‌صورت فزاینده‌ای رایج شده است و كاربردهای وسیعی همچون تشخیص و درمان بیماری و مهندسی بافت پیدا كرده است. در حین این كه تحقیقات و گسترش فعالیت در این زمینه هم چنان به قوت خود باقی است، بعضی از این كاربردها تجاری هم می‌شود. در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را مرور كرده و خلاصه‌ای از جدیدترین مطالب در حوزه ‏BioMEM ‎‏ را با تمركز روی تشخیص و حسگرها ارائه می‌شود.‏

بیوسنسور‌ها
در كاربردهای بسیاری در پزشكی، تحلیل محیطی و صنایع شیمیائی نیاز به روشهایی جهت حس كردن مولكولهای زیستی كوچك وجود دارد. حس‌های بویایی و چشایی ما دقیقا همین كار را انجام می‌دهد و سیستم ایمنی بدن میلیونها نوع مولكول مختلف را شناسائی می‌كند. شناسائی مولكولهای كوچك تخصص بیومولكولها است، لذا اینها شیوه جدید و جذابی برای ساخت سنسورهای خاص را پیش رو قرار می‌دهد. دو مولفه اساسی در این راستا وجود دارد. المان شناساگر و روش‌هایی برای فراخوانی زمانی كه المان شناساگر هدف خودش را پیدا می‌كند. اغلب المان شناساگر تحت تاثیر منبع زیست‌ فناوری تغییر نمی كند. مشكل اصلی در این كار طراحی یك واسطه مناسب به یك وسیله بازخوانی بزرگ است.
از آنتی بادی‌ها به صورت گسترده به عنوان بیوسنسور استفاده می‌شود. آنتی بادی‌ها بیوسنسورهای پیشتاز در طبیعت است، به همین دلیل توسعه تستهای تشخیصی با استفاده از آنتی بادیها، یكی از زمینه‌های بسیار موفق در بیوفناوری است. شاید آشناترین مثال تست ساده‌ای است كه برای تعیین گروه خونی استفاده می‌شود.
بوسنسورهای گلوكز از موفق ترین بیوسنسورهای موجود در بازار است. بیماران مبتلا به دیابت نیاز به شیوه‌های مرسوم جهت پایش سطح گلوكز خود دارد. سنسورهای قابل كاشت و غیر تهاجمی در حال توسعه است، اما در حال حاضر در دسترس‌ترین شیوه بیوسنسور دستی است كه یك قطره از خون را تحلیل می‌كند.


تعریف ‏BioMEM
‏ از زمان آغاز سیستم‌های ‏MEM‏ در اوایل دهه 1970، اهمیت كاربردهای پزشكی این سیستم‌های مینیاتوری درك شد. ‏BioMEM‏‌ها در حال حاضر یك موضوع بسیار مهم است كه تحقیقات بسیاری در زمینه آن انجام شده است و كاربردهای پزشكی مهم بسیاری دارد. در حالت كلی می‌توان ‏BioMEM‏‌ها را به عنوان "دستگاه‌ها ( وسایل) یا سیستم‌هایی ساخته شده با روش‌‌های الهام گرفته شده از ساخت در ابعاد میكرو /نانو، كه برای پردازش، تحویل 2، دستكاری3، تحلیل یا ساخت ذرات 4 شیمیائی و بیولوژیك استفاده می‌شود"، تعریف كرد. این وسایل و سیستم‌ها همه واسطه‌های علوم زندگی و ضوابط پزشكی با سیستم‌های با ابعاد میكرو و نانو را شامل می‌شود. حوزه‌های تحقیقات و كاربردها در ‏BioMEM‏ از تشخیص بیماری‌ها مانند میكرو آرایه‌های پروتئینی و‏DNA، تا مواد جدیدی برای ‏BioMEM، مهندسی بافت، تغییر و اصلاح5 سطح، ‏BioMEM‏‌های قابل كاشت، سیستم‌هائی برای رهایش دارو و.... را شامل می‌شوند. وسایل و سیستم‌های فشرده‌ایی كه از ‏BioMEM‏‌ها استفاده می‌كنند، به عنوان "آزمایشگاه روی یك چیپ"6 و سیستم‌های تحلیل تمام میكرو‏TAS ) ‎‏ ‏‎µ‎‏ یا ‏‎(micro-TAS ‎‏ 7 نیز شناخته می‌شود. شكل (1) شماتیك رسم شده از قسمت‌های كلیدی حوزه‌های تحقیقاتی را نشان می‌دهد.‏


اصول مورد استفاده
BioMEM ‎‏ و وسایل مربوط می‌تواند با سه دسته از مواد ساخته شود كه می‌توان آنها را به‌صورت زیر طبقه‌بندی كرد:
1- میكرو الكترونیك و MEM‏‌ها، ‏
2- مواد پلاستیكی و پلیمری مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS)‎‏ و ... و
‏3- مواد و ذرات بیولوژیك مانند پروتئین‌ها، سلولها و بافتها، ... .‏
روی مواد گروه اول به صورت گسترده هم از دیدگاه تحقیقاتی و هم از نقطه نظر كاربرد گزارش داده شده است و به صورت متداول و رایج در وسایل و دستگاهها و ‏MEM‏‌ها استفاده قرار گرفته است. پردازش سیگنالهای ‏BioMEM‏ با استفاده از روش‌های پلیمری و لیتوگرافی نرم 8 به خاطر سازگار پذیری زیستی زیاد و ساخت آسان ، كم هزینه و پیش نمونه سازی سریع9 كه در مورد مواد لاستیكی موجود است، بسیار جذاب است. استفاده از این مواد برای كاربردهای عملی به صورت مداوم در حال افزایش است. مواد مربوط به گروه سوم تقریبا بررسی نشده است. اما امكانات جدید و جالب بسیاری را ارائه می‌كند و مرز10جدیدی میان ‏BioMEM‏ و بیو نانو فناوری به وجود خواهد آورد. برای مثال در مهندسی بافت و سلول كه از فناوری میكرو و نانو الهام گرفته شده است و نیز برای توسعه ابزار و وسایلی برای فهم اعمال و توابع سلولها و بیولوژی سیستم‌ها، استفاده از روش‌‌های ساخت میكرو و نانو برای سنتز و ساخت مستقیم ساختار‌های زیست‌ فناوری مانند اندام مصنوعی و وسایل هیبرید11، طیف وسیعی از امكانات و فرصت‌ها را ارائه می‌كند. كاربردهایی مانند توسعه آرایه‌های بر پایه سلول 12، مهندسی بافت و توسعه اندام‌های مصنوعی با استفاده از روش‌های ساخت در ابعاد میكرو ونانو، تنها شماری از امكانات بسیار وسیع و مهیج آن است.‏


BioMEM‏ و كاربردهای تشخیصی
تشخیص بزرگترین و كار شده‌ترین حوزه در ‏BioMEM‏ را تشكیل می‌دهد. تعداد زیاد و فزاینده ای از وسایل ‏BioMEM‏ برای كاربردهای تشخیصی توسعه یافته است و در طی چند سال اخیر به وسیله گروههای زیادی در مقالات ارائه شده است. روش‌‌های طراحی و ساخت این دستگاهها و نیز حوزه‌های كاربردی آنها به صورت قابل ملاحظه ای متفاوت است. به ‏BioMEM‏ برای كاربردهای تشخیصی گاهی ‏Biochip‏ هم گفته می‌شود. این دستگاهها برای تشخیص سلولها، میكرو ارگانیزمها، ویروس‌ها، پروتئین‌ها،DNA‏ و اسید نوكلئیك‌های مربوطه و مولكول‌های كوچك كه از نظر بیوشیمیائی مهم است، استفاده می‌شود.‏


‏ ‏BioMEM‏ و سنسورهای بیوچیپ‏
‏ بیوسنسورها وسایل تحلیلی13 است كه یك المان حساس از نظر بیولوژیك را با یك ترانسدیوسر فیزیكی یا شیمیائی تركیب می‌كند تا به صورت كمی و انتخابی وجود یك تركیب خاص در یك محیط خارجی داده شده را تشخیص دهد. در طی دهه گذشته، ‏BioMEM‏ به عنوان بیوسنسورها استفاده شد است وبیوچیپ‌های حاصل امكان اندازه‌گیری‌های سریع، حساس و زمان حقیقی را فراهم می‌كند. این سنسورهای ‏BioMEM‏ می‌تواند جهت تشخیص سلولها، پروتئینها،‏DNA‏ یا مولكولهای كوچك مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از داده‌های ارائه شده تا امروز مربوط به یك سنسور است و این سنسورها را می‌توان به فرمت آرایه ای مجتمع نمود. تعداد زیادی روش تشخیصی در بیوچیپ‌ها و سنسورهای ‏BioMEM‏ استفاده می‌شوند، شامل : 1- مكانیكی 2- الكتریكی 3- نوری... شكل (2) شماتیك شرایط كلیدی تشخیص را كه در سنسور‌های ‏BioMEM‏ و بیوچیپ‌ها استفاده می‌شوند، را نشان می‌دهد.


‏BioMEM ‎‏ و تشخیص مكانیكی‏
‏ اخیرا از سنسورهای كانتیلور14 با ابعاد نانو و میكرو روی یك چیپ برای تشخیص مكانیكی واكنش‌ها و ذرات بیوشیمیائی استفاده شده است. همان طور كه در شكل (‏a‏-2) نشان داده شده است، این سنسورها ( كه ساختار شبیه تخته پرش شنا دارند) را می‌توان در دو مود به نا مهای مود سنس فشار و حالت اندازه‌گیری جرم، استفاده كرد. در مود اندازه‌گیری فشار، فعل و انفعال بیوشیمیائی به صورت انتخابی روی یك طرف سنسور انجام می‌شود. تغییر در انرژی آزاد سطح15 باعث تغییر درفشار سطح می‌شود، كه یك خمش قابل اندازه گیری در سنسور ایجاد می‌كند. بنابراین تشخیص بدون برچسب16 تركیب بیومولكولی، ممكن می‌شود. سپس خمش سنسور را می‌توان به روش نوری ( انعكاس لیزر از سطح سنسور داخل یك دتكتور موقعیت، همانند در یك ‏AFM‏ ) یا به روش الكتریكی( مقاومت پیزو كه در لبه ثابت سنسور قرار داده می‌شود) اندازه گیری نمود.
یكی از مزایای اصلی این سنسورها، توانائی آنها برای تشخیص تركیبات دارای فعل و انفعال داخلی بدون نیاز به افزودن برچسب قابل تشخیص به صورت نوری روی ذرات تركیب شونده، است. در سالهای اخیر پیشرفتهای چشمگیر و جالبی در تشخیص بیوشیمیائی با استفاده از سنسورهای كانتیلور رخ داده است. تشخیص بدون برچسب و مستقیم ‏DNA‏ و پروتئین‌ها به وسیله كانتیلور سیلیكونی انجام شده است. (به صورت شماتیكی در شكل (3) نشان داده شده است) هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ و تشخیص ‏single based mismatch‏ روی لایه‌های به‌هم بافته ‏DNA‏ به‌وسیله كانتیلورهائی با یك لایه نازك طلا روی یك سمت آنها، انجام شده است. لایه‌های به‌هم بافته ‏DNA، به لایه طلا متصل می‌شود و زمانی كه لایه‌های بهم بافته هدف با لایه‌های بهم بافته گیرنده تركیب می‌شوند، خمش كانتیلورها قابل تشخیص است. این سنسورها را همچنین می‌توان جهت تشخیص پروتئین‌ها و ماركرهای سرطان مانند آنتی ژن‌های خاص پروستات ( ماده ای كه در سلولهای مخاطی پروستات پنهان شده است و اغلب برای تشخیص سرطان پروستات تست می‌شود) استفاده نمود كه در شرایط مناسب بالینی، در پس زمینه آلبومین سرم انسان در حد ‏ng/ml‏2/0 تشخیص داده شده است. (شكل 4) ‏


BioMEM ‎‏ و تشخیص الكتریكی
‏ تكنیك‌های تشخیص الكتریكی و الكتروشیمیایی تقریبا به صورت معمول و مرسوم در بیوچیپ‌ها و سنسورهای ‏BioMEM ‎‏ هم مورد استفاده قرار گرفته است. این روش‌ها وقتی با روش‌های تشخیص نوری مقایسه می‌شود، می‌تواند قابلیت‌هائی نظیر انتقال‌پذیر بودن و مینیاتورسازی را از خود ارائه كند. اگر چه، در پیشرفتهای اخیر در مجتمع سازی مولفه‌های نوری روی یك چیپ نیز می‌تواند وسایل مجتمع كوچكتری تولید كند. بیوسنسورهای الكتروشیمیائی سه نوع پایه را شامل می‌شوندكه در شكل ‏b‏-2 نشان داده شده است: 1- بیوسنسورهای آمپرومتریك كه جریان الكتریكی مربوط به الكترونهای درگیر در فرآیندهای اكسایش را شامل می‌شود. 2- بیوسنسورهای پتانسیومتری كه تغییر پتانسیل در الكترودها به خاطر یونها یا واكنش‌های شیمیائی در یك الكترود را اندازه می‌گیرد.3- بیوسنسورهای هدایت‌سنج17 كه تغییرات هدایت وابسته با تغییر در كل محیط یونی بین دو الكترود را اندازه می‌گیرد. گزارش‌های بیشتری روی سنسورهای آمپرومتریك و پتانسیومتریك به ویژه به خاطر زمینه قاطع و مسلم و ثابت الكترو شیمی گزارش شده است و بسیاری از این سنسورها در مقیاسهای میكرو و نانو استفاده شده‌اند. مرسومترین نمونه‌های بیوسنسورها ی آمپرومتریك از یك واكنش اكسایش ( كاهش) كه آنزیم كاتالیزور آن است،18 استفاده می‌كنند. ‏
سنسورهای پتانسیومتریك از اندازه گیری پتانسیل در یك الكترود مرجع نسبت به الكترود دیگر استفاده می‌كند. متداولترین فرم سنسورهای پتانسیومتریك ترانزیستورهای اثر میدانی حساس به یون ‏‎(ISFET)‎‏ یا ترانزیستورهای اثرمیدانی شیمیائی ‏‎(Chem-FET) ‎‏ است. این وسایل به عنوان سنسورهای ‏Ph‏ به صورت تجاری موجود و نمونه‌های زیادی از آنها ذكر شده است.
سنسورهای پتانسیومتریك با یونو فورز انتخاب كننده یون در ‏PVC‏ 19اصلاح شده، برای تشخیص آنالیت‌های سرم انسان استفاده شده است. تنفس سلولی و اسید سازی ناشی از فعالیت سلولها به وسیله ‏ISFET‏‌های ‏CMOS‏ اندازه گیری شده است. سنسور پتانسیومتریك با قابلیت آدرس دهی نوری ‏LAPS‏ برای تشخیص تغییر در غلظت یون هیدروژن و بنابراین ‏Ph‏ با استفاده از یك وسیله اثر میدانی در سیلیكون در حضور نور، استفاده شده است. سنسورهای پتانسیومتریك با استفاده از سیم‌های سیلیكونی نانو (همان طور كه به صورت شماتیكی در شكل 6 نشان داده شده است) و نانو تیوب‌های كربن به عنوان سنسورهای اثر میدانی، به مقیاس نانو كاهش بعد داده است، برای رسیدن به این مزیت: بالا بردن حساسیت به خاطر نسبت سطح به حجم بالاتر.
جمع كردن این سنسورهای با ابعاد نانو در آزمایشگاه روی چیپ‌ها مشكلتر است. اما پیشرفتهای اخیر در روش‌های تولید از بالا به پایین 20 برای ارائه اینگونه ساختارهای با ابعاد نانو استفاده شده‌اند. (نشان داده شده درشكل (5))‏
سنسورهای پتانسیومتریك در مقیاس میكرو نیز برای انجام تشخیص بدون برچسب هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ استفاده شده است. این سنسورها به نحوی در داخل كانتیلورها جاداده شده است كه می‌توان از آنها داخل كانالهای میكرو سیال استفاده نمود. هیبریدیزاسیون ‏DNA‏ از طریق اندازه گیری اثر میدانی در سیلیكون با بار ذاتی مولكولی روی ‏DNA، با استفاده از یك بافر ‏Poly-L-lysine‏ بعدا تشخیص داده شد.
سنسورهای هدایت سنج، تغییرات در امپدانس الكتریكی بین دو الكترود را اندازه می‌گیرد كه این تغییرات می‌تواند در یك واسطه یا در فضای حجیم21 باشد و می‌تواند برای تشخیص واكنش و فعل و انفعال بیومولكولی بین ‏DNA، پروتئین‌ها و فعل و انفعال آنتی‌ژن/ آنتی‌بادی یا دفع محصولات متابولیك سلولی استفاده شود. وسایل با ساختار میكرو22 برای اندازه‌گیری فعالیت نورونی خارج سلولی برای یك مدت طولانی استفاده شده‌ است. روش‌های هدایت به خاطر سادگی و سهولت استفاده‌شان جذاب هستند. از آنجا كه یك الكترود مرجع ویژه نیاز نیست و برای تشخیص رنج وسیعی از ذرات مانند عوامل ‏biothreat‏ ، مواد بیوشیمیائی، سموم و اسید نوكلئیك‌ها استفاده شده‌اند. سنسورهای هدایت‌سنج اطلاعات را روی قدرت 23 یونی در الكترولیتها تامین می‌كند، اگر با غشای آنزیمها كوپل شود، می‌توانند خاصیت انتخابی داشته باشد. این سنسورها برای تشخیص آنالیت‌های متفاوت مورد استفاده قرار گرفته‌اند، برای مثال اوره، گلوكزو غیره.‏
سنسورهای بر پایه سلول هم دسته مهمی از سنسورها است كه در سالهای اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از سلولها به عنوان سنسورها روش بسیار جذاب و جالبی برای ساختن دتكتورهای بیوشیمیائی حساس است. ( مطابق شكل 6) سلولهای سالم با آنزیم‌ها، كانالها و گیرنده‌های بسیار حساس و انتخابی آنها، كاندیداهای بسیار جذابی جهت توسعه بیوسنسورها است. مزیت اصلی سلولها به عنوان بیوسنسورها این است كه سلولها خاصیت انتخابی و ذاتی طبیعی نسبت به مواد شیمیائی فعال از نظر بیولوژیكی دارد و می‌تواند در شرایطی كه از نظر فیزیولوژیك مناسب است، با آنالیت‌ها واكنش دهد. تبدیل سیگنالهای سلول سنسور، می‌تواند با اندازه‌گیری پتانسیل‌های سلولی و غشائی، تغییرات امپدانس، فعالیت متابولیك یا به صورت نوری با استفاده از فلورسانس یا لومینسانس به دست آید. نورونها روی سطوح با ساختار میكرو پرورش یافته و تغییرات در سیگنالهای الكتریكی آنها ناشی از در معرض مواد شیمیائی مضر و سموم قرار گرفتن، روی یك چیپ اندازه‌گیری شده است.
آزمایشگاه روی یك چیپ و وسایل میكروفلوئیدیك ‏
آزمایشگاه روی یك چیپ اصطلاحی برای بیان ‏‎µTAS‎‏ است و برای تشریح سنسورها و وسایلی با درجه‌ای از مجتمع‌سازی و گردآوری توابع و كارائی‌های 24مختلف، استفاده می‌شود. مزیت این وسایل یكجا كردن جابجایی، دستكاری و آماده‌سازی، تركیب كردن، جداسازی، تجزیه سلولی به روش لیزین25 و تشخیص نمونه‌ها است. بسیاری از این وسایل بیش از مرحله تحلیل را شامل می‌شود، برای مثال تشخیص و آماده سازی نمونه، تجزیه سلولی به روش لیزین و ‏PCR، رشد سلول و تشخیص متابولیت‌ها و غیره. نمونه‌های زیادی از این وسایل مجتمع و آزمایشگاه روی یك چیپ‌ها، جهت پردازش و تشخیص سلولها و پروتئینها، ‏DNA‏ و مولكولهای كوچك گزارش داده شده است. در مورد سلولها، شماتیكی از سیستم‌های مجتمع با همه توابع مورد نیاز در شكل (7) نشان داده شده است. همه توابعی كه در این شماتیك نشان داده شده است ، همیشه استفاده نمی شود، بلكه ممكن است فقط بعضی از این‌ها برای رسیدن به یك هدف خاص جمع شود. الكتروفورز میكرو موئین روی چیپ می‌توان جهت جداسازی موادشیمیائی و آنالیت‌های مختلف به كار برد. تعداد زیادی از سنسورهائی كه شرح داده شد مولفه‌های اصلی آزمایشگاه روی یك چیپ را تشكیل می‌دهند. ‏

این نكته نیز بایستی مورد توجه قرار گیرد كه تعداد زیادی از مولفه‌های مهم یك آزمایشگاه روی یك چیپ مجتمع، تحت توسعه است، شامل دریچه‌ها، المانهای اندازه‌گیری، المانهای تجزیه كردن، مخلوط كننده‌ها، میكرو پمپ‌ها و غیره می‌شود.


نتایج و مسیرهای آینده
‏ پیشرفت قابل توجهی در زمینه ‏BioMEM‏‌ها رخ داده است كه تا حدودی در بالا توضیح داده شد. در حال حاضر حوزه‌های تحقیقاتی ادغام شده و درقالب نانوبیوتكنولوژی بیان می‌شود. نمونه‌های تجاری ‏BioMEM‏ و بیوچیپ‌ها شامل میكرو سیالها همچنان به صورت مداوم در حال افزایش است. درست مانند ‏MEMs‏ كه به عنوان فناوری واسط دنیای ماكرو و نانو عمل می‌كند، ‏BioMEM‏ هم قابلیت پروب، اندازه‌گیری و اكتشاف و یابش نانوماشینها در دنیای بیولوژیكال همانند تك سلولها را فراهم می‌كند. بسیاری از كشف‌های بزرگ در این حوزه‌های تحقیقاتی و برخی از مسیرها و زمینه‌های تحقیقاتی ممكن برای آینده و امكانات به صورت مختصر در زیر لیست شده‌ است:‏
جمع كردن وسایل تشخیص با درمانی و پزشكی اختصاصی شده
BioMEM‏ برای وسایل هیبرید و اعضای مصنوعی سه بعدی


BM‏ و ابزار جدید در نانو بیولوژی
با پیشرفت این رشته نیاز به فناوری و ابزارهایی خواهد بود برای داخل كردن ژن به یك یا تعداد بسیار كمی باكتریو دستكاری خاص مشخصه‌های آنها در شبكه‌ای از باكتری‌ها. این ابزار و سكوها می‌تواند به وسیله ‏BioMEM‏ و سنسورهای با ابعاد نانو تكنولوژی دستگاهها و پردازش مربوط به آن پشتیبانی و فراهم شود.


شكل (1): حوزه‌های تحقیقاتی كه از جمع كردن سیستمهای با ابعاد میكرو و نانو با علوم پزشكی به دست آمده است.
شكل (2) اجزای كلیدی تشخیص كه در ‏BioMEMو سنسورهای بیوچیپ استفاده می‌شود
شكل (3): تشخیص هیبریدیزاسیون بدون برچسب ‏DNA‏ با استفاده از كانتلیورهای میكرومكانیكی
شكل (4): تشخیص آنتی ژن مخصوص پروستات با استفاده از میكروكانتیلورها در شرایط مناسب كلینیكی، كه فشار سطح را به عنوان یك پارامتر وابسته به هندسه نشان می‌دهد
شكل (4): یك سنسور پتانسیومتریك نانوسیم برای تشخیص ‏PH
شكل (5): شماتیك یك سنسور نانو سیم مجتمع
شكل (7): سكوهای مجتمع كه قابل استفاده در آزمایشگاه روی چیپ‌ها، به منظور تشخیص سلولها و میكروارگانیسمها است. مدولهای مختلفی را می‌توان برای تشخیص گونه دلخواه با آن تركیب نمود.

1‏ ‏Biomedical or Biological Micro-Electro-Mechanical Systems
2‏ ‏delivery
3‏ ‏manipulation
4‏ ‏entity
5‏ ‏modification
6‏ ‏lab-on-a-chip
7‏ ‏
8‏ ‏soft lithography
9‏ ‏rapid prototyping

10‏ ‏frontier
11‏ ‏hybrid devices
12‏ ‏cell-based
13‏ ‏analytical
14‏ ‏cantilever

15‏ ‏surface free energy
16‏ ‏lable free
17‏ ‏condactometric
18‏ ‏enzyme-catalyzed redox reaction

19‏ ‏Poly Vinyl Chloride
20‏ ‏top-down fabrication
21‏ ‏bulk region
22‏ ‏micro-fabricated
23‏ ‏strength
24‏ ‏fanctionality
25‏ ‏lysing


 

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :