نانوتیوب

  نانوبیوسنسور ها (2): آینده‌ای برای تشخیص بیماری‌ها

دکتر رضا میرنژاد ( دانشیار دانشگاه) – وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)

نانوسیم‌ها (Nanowires)

نانوسیم یک ساختار دوبعدی است که با داشتن اثرات کوانتومی “به سیم‌های کوانتومی” نیز معروف شده است. نانوسیم‌ها از فلزات و نیمه رساناها و انواع پلیمرها ساخته شده و می‌توانند در تهیه مدارهای الکتریکی بسیار کوچک از جمله در رایانه‌ها و دستگاه‌های محاسبه و غیره کاربرد داشته باشد و نیز چون نانوسیم‌ها دو بعدی هستند و نمی‌توانند بلور کریستالی سه بعدی ایجاد کنند در نتیجه خواص الکتریکی آنها در حضور مواد شیمیایی تغیر می‌کنند؛ در نتیجه از این خاصیت نانوسیم‌ها در ساخت سنسورها (آشکارسازی مواد شیمیایی از جمله گازها) استفاده می‌شود. از نانوسیم‌ها می‌توان در غشاهای جداساز مواد از جمله در ماسک‌های شیمیایی و تهویه هوا استفاده کرد و یا در آشکارسازی یا جذب امواج رادیویی بهره برد. دیودهای لیزری نانو مقیاس را نیز می‌توان به سادگی از اتصال دو نوع نانوسیم مختلف تهیه کرد.

در حال حاضر با بدست آوردن تکنولوژی نانوسیم، کشورهای توسعه یافته مانند ایالت متحده آمریکا و جمهوری خلق کره، بهترین گزینه برای ساخت ردیاب الکتریکی قوی، حساس و انتخابی نسبت به هدف بیولوژیک را پیدا کرده‌اند. این ردیاب الکتریکی، همان آشکارساز و یا حتی ایندیوسر در نانوبیوسنسورهاست.

جریان در هر سیستم یک بعدی نسبت به میزان حساسیت سیستم، با تغییر متغییرها از جمله حضور یا عدم حضور مواد شیمیایی دچار آشفتگی شده و شاخص تشخیص را دچار پاسخ‌های اشتباه می‌کنند. حال آنکه نانوسیم‌ها به دلیل ساختار دوبعدی و کوانتومی و همینطور قرار گرفتن جریان نزدیک به سطح، توانایی سیستم را به حالت فوق حساس افزایش می‌دهند و متغییرهای معمولی بر روند کار آنها هیچ اختلالی را وارد نمی‌کند(شکل 1). این افزایش حساسیت به دلیل سطح بسیار زیاد نانوسیم‌ها و اندازه آنهاست.

قطر نانوسیم‌ها به اندازه درشت مولکول‌های زیستی هستند. بنابراین ترکیبی صحیح از خواص نانوسیم‌های نیمه هادی و اتصال آنها به آنالیت‌ها، موجب افزایش سطح بازده سنسور شده و حتی می‌تواند به عنوان یک قرائت‌گر مستقیم استفاده شود. در اپریل 2014 دانشمندان آمریکایی با کمک شرکت‌های ترانزیستورسازی کره‌ای موفق شدند جریان الکتریکی را با کنترل انرژی اوربیتال‌ها در یک ترانزیستور مولکولی با موفقیت هدایت کنند. بدون تکنولوژی نانوسیم‌ها هرگز امکان ساخت مدارات مجتمع تا این حد کوچک وجود نداشت.

تحقیقات سالهای قبل نشان داده بود که مولکول‌های آلی بهترین گزینه برای ساخت این ترانزیستورها باشند، اما بر اساس گزارش نیچر، این دانشمندان برای ساخت این ترانزیستور مولکولی روی یک لایه اکسید آلومینیوم، رشته‌های طلای با روکش بنزن (یک مولکول آلی) را قرار دادند. سپس با ایجاد میکروشکاف‌هایی این رشته‌های طلا را شکستند. به این ترتیب موفق شدند میکروترانزیستوری را بسازند که در انتهای هر طرف رشته‌های طلای آن دو الکترود وجود داشت. همچنین اکسید آلومینیوم الکترود سوم را تشکیل داد. به این ترتیب، مولکول بنزن به یک جعبه تقسیم الکتریکی میان الکترودهای یک میکروترانزیستور تبدیل شد و روند ساخت اولین نانوبیوسنسور به کمک تکنولوژی نانوسیم‌ها هموار گشت.

 

شکل 1: ساختار مولکولي نانوسيم LiMo3Se3 (آبي: ليتيم، خاکستري: موليبدن، نارنجي: سلينيوم) قطر يک نانوسيم 0/6 نانومتر است

(برگرفته شده از سایت انجمن  علمی شیمی دانشگاه اراک)

 

کربن نانوتیوب‌ها (نانولوله‌های کربنی) (Carbon nanotubes)

کربن در طبیعت دارای ساختارهای مختلف می‌باشد(شکل2). نانولوله‌های کربنی‌ که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده‌است در سال ۱۹۹۱ توسط سومیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.

امروزه محققان در دانشگاه‌های آمریکا با استفاده از تکنولوژی نانوتیوپ‌های کربنی و ترکیب آنها با بیوسنسورها، موفق به ساخت نانوبیوسنسورهایی شده‌اند که دو برابر بیوسنسورهای معمولی سریع‌تر پروتئین‌های هدف را شناسایی می‌کنند. این کلاس نانوبیوسنسورها می‌تواند وسعت آزمون‌های آزمایشگاهی را افزایش و حجم وسایل مورد استفاده در آنها را به شدت کاهش دهد. پیش‌بینی می‌شود که در آینده تمام یک آزمایشگاه تشخیص طبی، به اندازه‌ای کوچک شود که توسط خود پزشک در مطب قابل انجام باشد.

همچنین نانولوله‌های کربنی به دلیل سهولت در ساخت و تولید به صرفه قیمتی، بهترین گزینه در ساخت نانوبیوسنسورها هستند.

نانولوله‌های کربنی (نانوتیوپ‌های کربنی)،  با ساختار استوانه‌ای، توخالی، نسبت بالای سطح به حجم و هدایت الکتریکی دقیقی دارند، طیف وسیعی از ویژگی‌های نوری، مکانیکی و الکتریکی مفید را نشان می‌دهند(شکل3). همانطور که در گزارش‌های آزمایشگاه روی یک تراشه منتشر شده است، وقتی پروتئین‌های خاصی بر روی سطح بیوسنسور به نانوتیوب کربنی متصل شود، مقاومت الکتریکی آن‌ها دچار تغییرات می‌گردد. تغییرات در مقاومت به دلیل پروتئین‌های مختلف و منحصر به فرد روی می‌دهد.

پس به این ترتیب احتمال می‌رود برای هر بیوسنسور در مناطق مختلف، چندین نشانگر زیستی شناسایی شود. لیکن تجاری شدن این محصول هنوز هم هدفی دور از دسترس است و به منظور بهبود و بهینه‌سازی، انتخاب پروتئین مورد نظر و عوامل دیگر موجود در پیوند بایستی مورد بررسی اولیه قرار گیرد.  دکتر Minot استاد دانشگاه کالیفرنیا آمریکا در این‌باره خوشبین است و می گوید: “این روش باید همان کار یک سنسور معمولی را انجام دهد و هزینه‌های نمونه آزمایشگاهی موجود را می‌توان از ۵۰ دلار تا حدود ۱ دلار کاهش داد.”

شکل 2: ساختارهای مختلف کربن موجود در طبیعت

شکل 3- کاربردهای مختلف نانولوله های کربنی

نانوغشا (Nanomembranes)

فرآيندهاي غشايي از روش‌هاي نوين جداسازي هستند كه بدون استفاده از تغييرفاز، اجزاء مورد نظر را از سيال جدا مي‌نمايند. این جداسازی بوسیله اندازه متفاوت منافذ، طول، شکل و تراکم منافد برای تفکیک مبتنی بر اندازه انجام می‌شود. عدم تغيير فاز در طول فرآيند جداسازي موجب مي‌شود كه جداسازي با صرف انرژي كمتري صورت گيرد. دو خصيصه اصلي غشاها يعني توانايي قابل توجه در انجام انواع جداسازي‌ها و حداقل مصرف انرژي، عوامل گسترش روز افزون فرآيندهاي غشائي مي‌باشد.  بی‌حرکتی این غشا و فعل و انفعالاتی که با تجزیه و تحلیل مواد عبوری از غشا ایجاد می‌شود در اینجا منبع ایده ساخت بیوسنسورها با استفاده نانوغشاها می‌باشد.

حساسیت کلی آنها، وابسته به انتقال سیگنال و  اثر انتقالی جرم از آنها دارد. این غشاها می‌تواند سیگنال را به نویز تبدیل کرده و یک مزیت ذاتی برای انتقال سیگنال باشد. گروه ویتمن در آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی، واشنگتن دی سی گزارش داده است که توانسته‌اند به تکنولوژی آشکارسازی نویز بوجود آمده از انتقال سیگنال از نانوغشاها دسترسی پیدا نمایند. آنها سنسورهایی در مقیاس نانو ساخته‌اند که به غلظت شیمیایی پیکومولار مواد حساس بوده و می‌تواند نویزی قابل ترجمه دریافت کنند.

آشکارساز این نانوغشا مجموع جریان منتقل شده به سنسور را مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار می‌دهد. این عمل با رسم توابع هندسه سنسور و محاسبه جریان حجمی، افزایش جرم و کاهش نرخ جریان انچام می‌شود. آنها همچنین به تازگی طرحی را شروع کرده‌اند که امید دارند با بهینه‌سازی نانوغشا و ایجاد تخلخل افزایش یافته در آن، حساسیت سنسور را افزایش دهند. هدف این طرح ساخت حسگرهای میکروفلوئیدی پایدار بر اساس افزایش میزان جریان کل می‌باشد.

شکل 4: شکل شماتیکی از نانوغشا و عملکرد آن

در قسمت بعد می‌خوانیم:

نانوبیوسنسورهای طبیعی، پارامترهای نشان دهنده عملکردهای نانوبیوسنسور، استفاده از نانوبیوتکنولوژی در ساخت بیوچیپ و در نهایت مسیر سالهای آینده نانوبیوسنسورها در پزشکی از تشخیص تا درمان

تشخیص سریع عوامل میکروبی با بیوسنسورها

https://medlabnews.ir/%d8%aa%d8%b4%d8%ae%db%8c%d8%b5-%d8%b3%d8%b1%db%8c%d8%b9-%d9%85%db%8c%da%a9%d8%b1%d9%88%d8%a8%db%8c-%d8%a8%db%8c%d9%88%d8%b3%d9%86%d8%b3%d9%88%d8%b1%d9%87%d8%a7/

https://www.britannica.com/science/carbon-nanotube

 

 

برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید