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) ۱‏ 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 ۱۹۷۰، 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 ۲، دستكاری۳، تحلیل یا ساخت ذرات ۴ 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 اصلاح۵ 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"۶ و سیستم‌های تحلیل تمام میكرو‏TAS ) ‎‏ ‏‎µ‎‏ یا ‏‎(micro-TAS ‎‏ ۷ نیز شناخته می‌شود.
● اصول مورد استفاده
BioMEM ‏ و وسایل مربوط می‌تواند با سه دسته از مواد ساخته شود كه می‌توان آنها را به‌صورت زیر طبقه‌بندی كرد:
▪ میكرو الكترونیك و MEM‏‌ها، ‏
▪ مواد پلاستیكی و پلیمری مانند Poly dimethylsiloxane (PDMS)‎‏ و ... و ‏
▪ 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 ۸ به خاطر سازگار پذیری زیستی زیاد و ساخت آسان ، كم هزینه و پیش نمونه سازی سریع۹ 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 مرز۱۰جدیدی 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 هیبرید۱۱، طیف وسیعی از امكانات و فرصت‌ها را ارائه می‌كند. كاربردهایی مانند توسعه آرایه‌های بر پایه سلول ۱۲، 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 تحلیلی۱۳ 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 :
▪ مكانیكی
▪ الكتریكی
▪ نوری
●‏BioMEM ‎‏ و تشخیص مكانیكی‏
اخیرا از سنسورهای كانتیلور۱۴ با ابعاد نانو و میكرو روی یك چیپ برای تشخیص مكانیكی واكنش‌ها و ذرات بیوشیمیائی استفاده شده است.این سنسورها ( كه ساختار شبیه تخته پرش شنا دارند) را می‌توان در دو مود به نامهای 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 سطح۱۵ باعث تغییر درفشار سطح می‌شود، كه یك خمش قابل اندازه گیری در سنسور ایجاد می‌كند. بنابراین تشخیص بدون برچسب۱۶ 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.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/ml‏۲/۰ تشخیص داده شده است.
●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 :
▪ بیوسنسورهای آمپرومتریك كه جریان الكتریكی مربوط به الكترونهای درگیر در فرآیندهای اكسایش را شامل می‌شود.
▪ بیوسنسورهای پتانسیومتری كه تغییر پتانسیل در الكترودها به خاطر یونها یا واكنش‌های شیمیائی در یك الكترود را اندازه می‌گیرد.
▪ بیوسنسورهای هدایت‌سنج۱۷ 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،۱۸ 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 ۱۹اصلاح 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 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 ۲۰ برای ارائه اینگونه ساختارهای با ابعاد نانو استفاده شده‌اند.
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 حجیم۲۱ 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 میكرو۲۲ 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 ۲۳ 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.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 ۲۴مختلف، استفاده می‌شود. مزیت این وسایل یكجا كردن جابجایی، دستكاری و آماده‌سازی، تركیب كردن، جداسازی، تجزیه سلولی به روش لیزین۲۵ 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. 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.

نویسنده: مهندس فاطمه یاوری‏
۱‏ ‏Biomedical or Biological Micro-Electro-Mechanical Systems
۲‏ ‏delivery
۳‏ ‏manipulation
۴‏ ‏entity
۵‏ ‏modification
۶‏ ‏lab-on-a-chip
۷ ‏soft lithography
۸ ‏rapid prototyping
۹‏frontier
۱۰ ‏hybrid devices
۱۱‏ ‏cell-based
۱۲‏ ‏analytical
۱۳‏ ‏cantilever
۱۴‏surface free energy
۱۵‏ ‏lable free
۱۶‏ ‏condactometric
۱۷‏ ‏enzyme-catalyzed redox reaction
۱۸‏ ‏Poly Vinyl Chloride
۱۹ ‏top-down fabrication
۲۰ ‏bulk region
۲۱‏ ‏micro-fabricated
۲۲‏ ‏strength
۲۳‏ ‏fanctionality
۲۴ ‏lysing

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی