نانوحسگرهای مبتنی بر نانوسیم‌ها

تشخیص گونه‌های شیمیایی و زیستی از اساسی‌ترین فعالیت‌ها در عرصه‌های علوم‌زیستی و پزشكی می‌باشد. از این رو، توسعه ابزار جدیدی كه قادر به آنالیز مستقیم، حساس و سریع این گونه‌ها باشد، می‌تواند جهشی در روش‌های تشخیص ایجاد كند. ادوات مبتنی بر نانوسیم‌ها دسته‌ای قوی و عمومی از حسگرهای الكتریكی و بسیار حساس می‌باشند، كه می‌توانند گونه‌های شیمیایی و زیستی را به طور مستقیم شناسایی كنند.
این مقاله به معرفی نمونه‌های از تشخیص پروتئین‌ها، DNA، مولكول‌های دارو و ویروس‌های با اندازه یك تك مولكول به کمک این نانوحسگرها، می‌پردازد.
●مقدمه
نانوساختارهایی مانند نانوسیم‌ها و نانوبلورها، فرصت‌های بی‌نظیر و جدیدی را در این عرصه بین رشته‌ای ارائه می‌كنند. اندازه این نانوساختارها در حد گونه‌های شیمیایی و زیستی می‌باشند و در نتیجه می‌توانند پیام‌هایی عالی برای تشخیص ایجاد كنند، كه این كارها توسط ابزار ماكروسكوپی غیرممكن می‌باشد. نانوسیم‌ها و نانوبلورهای معدنی به علت ویژگی‌های الكتریكی و نوری بی‌نظیرشان، می‌توانند در حسگری به كار روند. میزان رنگ قابل تنظیم نانوبلورهای نیمه‌رسانا به همراه نشر قوی و گسترده این مواد، باعث ایجاد فرصت‌های جدید برای برچسب زنی و شناسایی نوری گونه‌های زیستی خواهد شد. ویژگی‌های كلیدزنی نوری نانوسیم‌های نیمه‌رسانا، باعث ایجاد نوعی حسگری مستقیم می‌شود.
نانوابزارهای الكترونیكی می‌توانند به سرعت با سیستم‌های كوچك یكپارچه شده، با برچسب‌زنی شیمیایی، با سرعت بیشتری كار شناسایی مستقیم را انجام دهند. این ویژگی‌ها به همراه حساسیت بسیار بالا، باعث می‌شود ابزار مبتنی بر نانوسیم‌ها كاربردهای اساسی در تشخیص‌های پزشكی، زیستی و حسگری داشته باشند.
اما چگونه می‌توان از نانوسیم‌ها به عنوان حسگر استفاده کرد؟
A- یك نیمه‌رسانا مانند سیلیكون نوع (P-Si) P به یك الکترود فلزی و یک الکترود خروجی وصل می‌شود.
B- نانوسیم‌های Si كه به صورت ساختارهای بلورهای منفرد با شعاع nm۳-۲ می‌باشند.
C- یك ترانزیستور نانوسیمی مبتنی بر اثر میدانی، که با اتصال یک گروه ویژه به سطح نانوسیم‌ها حاصل می‌شود.
D- ابزارهای حسگری مبتنی بر نانوسیم‌های بسیار انعطاف‌پذیر یكپارچه
●حسگرهای مبتنی بر اثرات میدانی نانوسیم‌ها
در این حسگرها از ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) مبتنی بر نانوسیم‌ها استفاده شده است، كه قابلیت‌ كلیدزنی آنها، كاربردهای فراوانی در صنایع میكروالكترونیك دارد. در نمونه استاندارد FET شرح داده شده در شكل(۱A ) ، یك نیمه‌رسانا مانند سیلیكون نوع ‌(PSi)P به یك الکترود فلزی و یک الکترود خروجی وصل می‌شود که به ترتیب جریان را تزریق و جمع‌آوری می‌كنند. یك الکترود گیت سوم كه به یك لایه نازك دی‌الكتریك متصل است، جریان نیمه‌رسانا را از طریق كلید زنی بین منبع و خروجی برقرا می‌کند. در مورد نیمه‌رساناهای نوع p، به كار بردن ولتاژ گیت مثبت، حامل را تخلیه و باعث كاهش رسانایی می‌شود؛ و هنگامی كه از ولتاژ گیت منفی استفاده می‌شود، با تجمع حامل، میزان رسانایی افزایش می‌یابد. وابستگی رسانایی به ولتاژ گیت، باعث انتخاب FETها برای حسگرهای مبتنی بر تغییرات الكتریسته می‌شود. میدان الكتریكی حاصل از اتصال گونه‌های باردار به گیت دی‌الكتریكی، مشابه به كار بردن ولتاژهای مورد استفاده در یك الكترود گیت می‌باشد. ایده استفاده از FETها برای حسگری در چند دهه قبل ارائه شده است، اگر چه حساسیت محدود این ابزار تاکنون باعث جلوگیری از تأثیرات بزرگ آنها شده است.
نانوسیم‌های نیمه‌رسانای سیلیکونی و مواد دیگر نیز می‌توانند به عنوان ابزار مبتنی بر FET به كار روند. یكی از بهترین موارد مطالعه شده نانوسیم‌های Si (شكل ۱B) می‌باشند، كه بلورهای منفرد با شعاع ۲۳ nm می‌باشند. از جمله ویژگی‌های جذاب این مواد می‌توان به قابلیت تکرار‌پذیری تولید آنها اشاره کرد زیرا می‌توان ویژگی‌های الکترونیکی آنها را در حین رشد کنترل کرد.
كلیدزنی با كارآیی بالا در نانوسیم‌های Si یك عامل مهم در حساسیت محسوب می‌شود. برای غلبه بر محدودیت‌های حساسیت در حسگرهای FET مسطح قدیمی، از یک نانوساختار یک‌بعدی استفاده می‌شود. اتصال این ساختار به سطوح نانوسیم‌ها باعث تخلیه و تجمع حامل‌ها در مواد توده‌ای شده، موجب افزایش حساسیت تشخیص مولكول‌های منفرد می‌گردد.
نانوسیم‌های Si با روكش‌هایی از اكسیدهای طبیعی، گیرنده‌هایی را ایجاد می‌كند كه اطلاعات زیادی را از تغییرات شیمیایی اكسید سیلیكون یا سطوح شیشه‌ای حسگرهای زیستی و شیمیایی دریافت می‌كند. هنگامی كه یك حسگر در معرض محلول حاوی ماكرومولكول‌‌ها قرار می‌گیرد، این مولکول‌ها به آن می‌چسبند و باعث افزایش بار مثبت سطحی و كاهش رسانایی ابزار نانوسیمی نوع ‌p می‌شوند.
A. طرحی از یک حسگر نانوسیمی با گروه‌های آمینی
B. تغییرات در هدایت نانوسیم با pH محلول
C. طرحی از یک حسگر نانوسیمی بدون گروه‌های آمینی
D. تغییرات در هدایت نانوسیم با pH محلول
●حسگرهای pH
در سال ۲۰۰۱ اولین نمونه برای نشان دادن قابلیت ابزارهای مبتنی بر اثر میدانی نانوسیم‌ها جهت شناسایی گونه‌های محلول ساخته شد. این ابزار یك نمونه از حسگرهای pH برای اندازه‌گیری غلظت یون‌های هیدروژن بود. گروه‌های آمینی و سیلانول از گیرنده‌های یون هیدروژن می‌باشند و این كار را با پروتونه شدن و حذف پروتون انجام داده، باعث تغییر بار سطحی نانوسیم‌ها می‌شوند. آنچنانكه در شكل (۲B) مشاهده می‌شود این ابزار نانوسیمی Si نوع P، افزایش تدریجی رسانایی را به عنوان pH محلول نشان می‌دهد. افزایش تقریباً خطی رسانایی با pH، از نقطه نظر حسگری که در اثر حضور دو گروه گیرنده، كه تحت شرایط pH متفاوت پروتونه و دپروتونه می‌شوند، پدیده جذاب و جالبی است.
گیرنده‌های سطحی در تعیین پاسخ حسگرهای نانوسیمی نقش مهمی ایفا می‌كنند. همچنان‌كه در شكل (۲C) نشان داده شده است فقط گروه‌های سیلانول می‌توانند به عنوان گیرنده‌های یون هیدروژن در این مورد عمل كنند.
اندازه‌گیری رسانایی به عنوان یك تابع pH، در شكل (۲D) دو ناحیه پاسخ متفاوت را نشان می‌دهد که بر خلاف سطوح نانوسیمی كه دارای دو گروه آمینو و سیلانول می‌باشند تغییرات رسانایی در pH پایین (۲ تا ۶) كوچك بوده اما در pH های بالا (۶ تا ۹) بزرگ‌تر می‌باشد.
بنابراین تغییرات وابستگی pH به رسانایی، كاملاً موافق با اندازه‌گیری‌های پیشین وابستگی pH به دانستیه بار سطحی حاصل از سیلیكا می‌باشد. این مقایسه‌ها در آزمایش های اخیر به طور كاملاً واضح نشان می‌دهد كه مكانسیم حسگری در واقع نتیجه اثرات میدانی مشابه برای اعمال یك ولتاژ در الكترودهای گیت فیزیكی می‌باشد.
●شناسایی DNA و پروتئین‌ها
ماكرومولكول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها و DNA، نمونه‌ای از مولكول‌های باردار در محلول‌های آبی می‌باشند كه هنگامی كه گیرنده‌های این مولكول‌ها به سطوح فعال نانوسیم‌ها متصل می‌شوند، می‌توان آنها را به راحتی با حسگرهای مبتنی بر نانوسیم‌ها شناسایی كرد. اولین نمونه از كار شناسایی پروتئین‌ها در محلول با استفاده از ابزار نانوسیمی سیلیكونی نوع P انجام شده است. در این نمونه یك مولكول بیوتین با انتخابگری بالا به پروتئین استرپتاویدین و سطوح اكسیدی نانوسیم‌ها متصل می‌شود. هنگامی كه محلولی از پروتئین استرپتاویدین درون ابزار حسگری نانوسیمی دارای گیرنده‌های بیوتین قرار گرفت، مقدار رسانایی به سرعت تا حد یک ثابت افزایش یافت و پس از افزایش محلول خالصی از بافر همچنان ثابت باقی ماند.
نقش كلیدی گیرنده‌های سطحی بیوتین برای شناسایی ویژه استرپتاویدین در چند آزمایش شرح داده شده است. به عنوان مثال افزایش محلول استرپتاویدین به نانوسیم‌های سیلیكونی بدون گیرنده هیچ تغییری در رسانایی ایجاد نمی‌كند. تجمع واحدهای به هم چسبیده استرپتاویدین نیز باعث عدم پاسخ ابزار نانوسیمی Si دارای بیوتین خواهد شد. به علاوه این كارهای اولیه نشان می‌دهد كه شناسایی الكتریكی به موقع می‌تواند در غلظت‌های كمتر از حداقل ۱۰ PPm (کمتر از سطح شناسایی مورد نیاز برای تعدادی از پروتئین‌های نشان‌دار بیمار) انجام شود.
اخیراً از ابزارهای اثر میدانی نانوسیم‌های سیلیكونی برای تشخیص تك رشته‌های DNA استفاده شده است. در این ابزارها ماكرومولكول‌های پلی‌آنیونی باردار به سطوح نانوسیمی نوع P متصل شده و باعث افزایش رسانایی می‌شوند.
مولكول‌های PNA غیرقطبی كه مولكول‌های پایدارتر و گیرنده‌های قوی‌تری نسبت به DNA می‌باشند، به عنوان یك گیرنده برای شناسایی DNA به كار می‌روند.
افزایش رسانایی ابزار نانوسیمی سیلیکونی نوع P متناسب با افزایش دانسیته بار سطحی منفی در اثر اتصال DNA به سطح می‌باشد.
انواع دیگری از حسگرهای DNA نانوسیمی نیز وجود دارند که اولین سری این ابزار، تغییرات رسانایی را برای غلظت‌های مختلف گروه‌های هدف نشان می‌دهد.
به طور ویژه، تشخیص حد شناسایی جریان، بهتر از روش هایی مانند SPR، استفاده از نانوذرات افزوده شده به SPR و میكروبالانس بلوری كوارتز برای شناسایی DNA می‌باشد.
قابلیت ایجاد قطعه به قطعه نانوسیم‌های Si، یكی از ویژگی‌های مهم برای توسعه نانوحسگرها می‌باشد كه حساسیت بسیار بالایی برای تشخیص DNA در تشخیص ژنتیكی و تحقیقات زیستی دارا می‌باشند.
●بالا بردن حد حساسیت: تشخیص ویروس‌های منفرد
مطالبی كه در بخش‌های قبل مرور شد تعدادی از قابلیت‌‌های حسگرهای نانوسیمی را برای تشخیص گونه‌های شیمیایی و زیستی در محلول نشان می‌داد. پژوهشگران به منظور تعیین حساسیت نهایی حسگرهای نانو سیم، مطالعاتی را برای تشخیص ویروس‌ها كه از مهمترین عوامل بیماری‌های انسان به‌ شمار می‌روند با هدف دستیابی به توانایی تشخیص یك ویروس منفرد انجام داده اند.
هنگامی كه یك ویروس به یك گیرنده پادتن متصل به ابزار نانوسیمی متصل می‌شود، رسانایی این ابزار تغییر می‌كند و هنگامی كه ویروس جدا می‌شود، رسانایی به مقدار اولیه بر می‌گردد. اندازه‌گیری نوری و الكتریكی با استفاده از ویروس‌های نشان‌دار آنفلونزا (به طریق فلوئورسانت) تأیید می‌كند، كه تغییرات مشاهده شده در رسانایی این ابزار در نتیجه اتصال یا عدم اتصال ویروس منفرد می‌باشد. داده‌های الكتریكی و نوری نشان می‌دهد كه هنگامی كه یك ویروس به مجاورت حسگر نانوسیمی می‌رسد، رسانایی آن در حد پایه باقی می‌ماند و رسانایی فقط پس‌از اتصال به سطح نانوسیم افت می‌كند. همین كه ویروس از سطح نانوسیم دور شود، رسانایی سریعاً به حد اولیه خود باز می‌گردد. در واقع ویروس فقط زمانی یك پاسخ الكتریكی می‌دهد كه به نانوسیم متصل شده باشد. این پیشرفت ممكن است در آینده به توسعه ابزارهای بسیار متراكم نانوسیمی منجر شود. حد تشخیص این حسگرها به وسیله تمایل گیرنده به هدف تعیین نمی‌شود. تحلیل زمان‌های on/off ذرات مجزا، اطلاعات مفید و مستقیمی درباره سینتیك اتصال می‌دهد كه در درك برهمكنش گیرنده ویروس مؤثرند. حساسیت ذرات منفرد، تشخیص ساده ماكرومولكول‌ها را بر پایه بار الكتریكی آنها امكان‌پذیر می‌سازد.
●آرایه‌های یكپارچه و شناسایی چند جزئی
یكی از جنبه‌های بسیار جذاب حسگرهای FET مبتنی بر نانوسیم‌ها پتانسیل آنها برای یكپارچه شدن به صورت آرایه‌های حسگر می‌باشد كه به طریق الكتریكی قابل تحریك و فرمان دادن هستند. اخیراً راهکارهایی گزارش شده كه به هم پیوستن ابزار FET مبتنی بر نانوسیم‌ها را به صورت موازی و روی هم، باسطح وسیع و بدون نیاز به اتصال تك‌ به تك نانوسیم الكترود مقدور می‌سازد.
آرایه‌های حسگرهای نانو سیمی امكان تشخیص همزمان چندگونه شیمیایی و زیستی بدون برچسب را فراهم می‌كنند.
●●نتیجه‌گیری
ادوات حسگر مبتنی بر اثر نشر میدان نانوسیم‌هایی كه به وسیله گیرنده‌های سطحی ویژه اصلاح شده‌اند، توانایی خوبی در تشخیص و شناسایی محدوده وسیعی از گونه‌های شیمیایی و زیستی محلول را دارند. این حسگرهای نانوسیمی از چند جنبه مهم و جالب توجه‌اند.
هدایت سیگنال الكتریكی به طور مستقیم و بدون نشان‌دار كردن گونه‌ها، حساسیت بسیار بالا، انتخاب‌پذیری فوق‌العاده و قابلیت تجمع آرایه‌ها در مقیاس بزرگ كه آنها را از سایر فناوری‌های موجود در حسگرها جدا می‌كند.
مثال‌های ذكر شده در این مقاله قابلیت بی‌نظیر این ابزار را در تشخیص و شناسایی پروتئین‌ها، ویروس‌ها و DNA جهت آنالیز مولكول‌های آلی كوچك متصل به پروتئین‌ها نشان می‌دهند كه می‌توانند برای تشخیص بیماری‌ها، غربال كردن ژنتیكی، رهاسازی دارو و همچنین به عنوان ابزاری قدرتمند برای تحقیق در زمینه‌های مختلف زیست‌شناسی بكار روند.
در آینده نزدیك نشان داده می‌شود كه این پیشرفت می‌تواند در سطح تجاری‌ گسترش یافته و كاربرد روشن فناوری‌نانو را در منافع بشری معرفی كند. اعتقاد بر این است كه پیشرفت در قابلیت یكپارچه‌سازی بزرگتر و پیچیده‌تر آرایه‌های نانوسیم و الحاق آنها با اجزای الكترونیكی رایج و نانومقیاس منجر به قدرت فوق‌العاده سیستم‌های حسگر می‌شود كه می‌توانند رویاهای پزشكی امروز را تحقق بخشند.

منابع : Materialstoday

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو