خلاصه پایان نامه طراحی و ارزیابی نانو حسگر زیستی فیبر نوری جهت شناسایی مواد زیستی
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته:برق
گرایش:الکترونیک
فصل اول
مبانی و کلیات
1-1مقدمه
امروزه در زمینه‌های مختلفی از جمله پزشکی،صنایع شیمیایی،صنایع غذایی،زیست محیطی وتولیدمحصولات دارویی- بهداشتی از حسگرهای زیستی[1] استفاده می‌شود. در محیط‌های کلینیکی و پزشکی، وجود ابزارهایی جهت تشخیص بیماریها، امری بسیار ضروری می‌باشد. توسعه‌ی سیستم‌هایی که دارای بانک کاملی از مشخصات انواع بیماریها بوده و محیطی آسان و مطلوب را جهت استفاده‌ی کاربران خود فراهم کنند، موضوعی است که محققان علوم مختلفی را همچون علم پزشکی و شاخه‌های علمی مرتبط، به سمت خود جذب نموده است. یکی از روش‌های معمول تشخیص بیماری، نمونه برداری می‌باشد که عمدتاً از طریق خون یا ادرار صورت می‌پذیرد. این روش دارای مشکلات متعددی نیز می‌باشد. محدودیت‌های دسترسی لحظه به لحظه به بیمار، طولانی بودن مدت تشخیص بیماری از روی نمونه‌ها، تغییر غلظت نمونه‌ها با گذشت زمان و قابل توجه بودن حجم نمونه‌ها از جمله‌ی این مشکلات می‌باشد. استفاده از روش‌های تشخیص سریع و یا ترکیبی از این روش‌ها که به کمترین حجم از نمونه‌ها نیاز داشته باشد، باعث کاهش زمان، هزینه و احتمال بروز خطا به هنگام تشخیص بیماری می‌گردد. یکی از راه‌های دست‌یابی به این هدف، استفاده از حسگرهای زیستی می‌باشد.
حسگرها گونه‌ای مبدل هستند. بعضی از حسگرها به تنهایی قابل استفاده اند و برای خواندن آنهااحتیاجی به وسایل جانبی دیگری نیست، مانند دماسنج جیوه ای.دسته ی دیگر برای استفاده باید با وسایل دیگری همراه باشند مثل ترموکوپل.بیشتر حسگرها الکتریکی یا الکترونیکی هستند که انواع الکتریکی از دقت پایین تری برخوردارند. البته انواع دیگری نیز موجود است. حسگرها در زندگی روزمره ما به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرند، مواردی که شامل خودرو، ماشین‌های صنعتی، تجهیزات فضائی و حتی دارویی می‌شود. پیشرفت فنی باعث شده تا انواع مختلف و گوناگونی از حسگرها با فناوری ام‌ای‌ام‌اس (MEMS) تولید شود. در اکثر موارد این کار باعث بدست آمدن حساسیت بالا شده است.
با به وجود آمدن راه‌های مختلف برای نمایش اثر انرژیها، حسگرها بر اساس انرژی مورد آزمون، که حسگر آن را دریافت می‌کند، طبقه بندی می‌شوند.
حسگر های دمائی
دماسنج (thermometer)
ترموکوپل (thermocouple)
مقاومت‌های حساس به گرما (thermistors and resistance temperature detectors)
بولومتر (bolometer)
گرماسنج (calorimeter)
حسگرهای مقاومت الکتریکی
الکتروسکوپ (electroscope)
ولت‌سنج (voltmeter)
اما چرا از حسگرها استفاده می کنیم ؟ همانطور که در ابتدای این گفتار اشاره شد حسگرها اطلاعات مورد نیاز را در یافت و کمیتهای فیزیکی یا شیمیایی موردنظر را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می کنند.مزایای سیگنالهای الکتریکی را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد:
– پردازش راحتتر و ارزانتر
– انتقال آسان
– دقت بالا
– سرعت بالا
– و...
1-2-1حسگر های زیستی
حسگرها در پزشکی وبهداشت، صنایع شیمیایی، صنایع دفاعی وصنعت خودرو کاربردهای فراوانی دارند. درقسمت قبل به شرح نانو حسگرها پرداختیم. دراین قسمت به معرفی حسگرهای زیستی می پردازیم.
ویژگی های مهم نانو حسگرها انتخاب گری بالاتر،حساسیت زیادتر،ابعاد کوچکتر وارزان تر هستند. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچکتر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. وهمان طور که گفتیم این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شده آنها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد.
در بخش نظامی و امنیت ملی احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان‌دهنده سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنه هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.
در صنایع اتومبیل میتوان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران‌قیمت میتوان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدی میتوان از آن در فناوری اطلاعات به منظور ترغیب در فراگیرشدن سیستمهای محاسبه‌گر رایانه‌های همراه همیشه روشن استفاده کرد. همچنین میتوان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌های هوشمندی که برای ارتباطات ثابت بین سایر تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های همراه از آنها استفاده می‌شود، به کار برد!
1-2-2 اصول و کاربردهای حسگر های زیستی
حسگر زیستی یا بیوسنسور نامِ گروهی از حسگرها است. این حسگرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا تنها با یک ماده‌ی خاص واکنش نشان دهند. نتیجه‌ی این واکنش به صورتِ پیام‌هایی در می‌آید که یک ریزپردازنده، می‌تواند آنها را تحلیل کند. این حسگرها از سه بخش تشکیل شده‌اند.
پذیرنده‌ی زیستی یا بیورسپتور: یک عنصر زیستی (پادتنها، اسید نوکلئیکها، آنزیم‌ها، سلول‌ها و دیگر ماده‌هایِ زیستی) که می‌تواند به صورتِ انتخابی تنها با ماده‌ی خاصی واکنش نشان دهد.
بیورسپتور هایی که در حسگرهای زیستی مورد استفاده قرار می گیرند به شرح ذیل می باشند:
1. آنزیم
2. آنتی بادی
3. گیرنده های سلولی
4. اسیدهای نوکلئیک DNA یا RNA
5. میکرو ارگانیسم یا سلول کامل
6. بافت
7. گیرنده های سنتتیک
آشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌ای خاص با پذیرنده‌هایِ زیستی، وارد عمل می‌شوند و می‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هایِ مختلفِ فیزیکی-شیمایی کرده (مثلاً با بررسیِ تغییرهایِ الکتروشیمیایی، نوری، جرمی یا حرارتیِ قبل و بعد از واکنش) و به وسیله‌ی سیگنال‌هایِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.
1-2-3انواع متداول مبدل های مورد استفاده در بیوسنسور ها شامل:
سنسورهای الکتروشیمیایی
مبدل های الکتروشیمیایی به سه دسته پتانسیومتری تقسیم می شوند (این روش مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل یک پیل در جریان صفر است). این پتانسیل با لگاریتم غلظت ماده مورد سنجش متناسب است، (ولتامتری) یک پتانسیل به پیل اعمال می شود تا اکسایش (یا کاهش) ماده مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش یا کاهش در جریان پیل ایجاد شود. این روش به آمپرمتری معروف است و رسانایی سنجی محلول های حاوی یون هادی الکترون هستند. بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می یابد.رابطه بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.
سنسور های نوری( لومینسانس، جذب و تشدید پلاسمون سطح )
روش های مورد استفاده در بیوسنسورهای نوری شامل طیف سنجی جذب، طیف سنجی فلورسانس، طیف سنجی انعکاس داخلی، پراش نور است.
این سنسورها دارای دو نوع حساس به تغییر جرم و حرارتی می باشند.
تمام فرایندهای شیمیایی با تولید یا جذب انرژی همراه هستند. این حرارت را می توان با یک ترمیستور حساس اندازه گیری کرد و آن را به میزان واکنش نسبت داد.
پردازنده های سیگنال که عمدتا مسئول برای نمایش نتایج و انجام محاسبات حسگر هستند.
حسگرهای زیستی طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. حسگرهای زیستی 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 می شود.
به طور کلی میتوان گفت حسگر های زیستی یک گروه از سیستمهای اندازه گیری می باشند و طراحی آنها بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیتها بر اساس اجزا بیولوژیک وآشکارسازهای فیزیکی و شیمیایی صورت می پذیرد
از آنجا که حسگر های زیستی ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول های زیستی می باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می گیرند.در واقع این حسگرها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکولهای زیستی می باشند. حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می پردازد و یا سیستم ایمنی بدن که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می کند، نمونه هایی از حسگرهای زیستی طبیعی می باشند. بیشترین کاربرد حسگرهای زیستی در تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر بیوسنسور های گلوکز از موفق ترین بیوسنسور های موجود در بازار بوده که برای اندازه گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می شود.
در پانکراس بیماران دیابتی به میزان کافی انسولین تولید نمی‌شود. در این گونه موارد برای تنظیم مصرف انسولین، سنجش مداوم میزان گلوکز خون ضروری است. این ابزار به بیماران مبتلا به دیابت کمک می کند تا در طول روز به سنجش سطح گلوکز خون خود پرداخته و در زمان های مورد نیاز انسولین تزریق کنند.
کاربردهای مختلفی برای حسگرهای زیستی در پزشکی و بالین متصور است که در ذیل اشاره می شود:
**تشخیص ودرمان بیماریها ( سرطان، دیابت و ......)
** تشخیص بیماریها در سطح ژن( سرطان، دیابت و ......)
**تشخیص عوامل بیماریزا
**اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها
** ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک
** تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.
1-3نانوحسگرهای زیستی
با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس بسیار کوچک، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و کاربردشان در محیط های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازهء نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلول ها حساس شده اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه ها در سیستم های بیولوژیک استفاده می شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول ها از دیواره یا غشای سلولی است.
در طی دههء گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش های پزشکی و بیولوژیک نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده اند و به دو دستهء شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیهء گونهء داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویهء مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.
1-3-1تولید نانوحسگرهای زیستی نوری
برای تهیهء این فیبر به عنوان نوک حسگر، می توانیم از دستگاه های مورد استفاده برای کشش فیبرهای نوری استفاده نماییم.
در این دستگاه از لیزر دی اکسید کربن برای گرم کردن فیبر و از وسیله ای برای کشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می شود. محققان موفق شده اند با تغییر دما و میزان نیروی کششیِ اعمال شده به فیبر، نوک هایی برای حسگرهای زیستی بسازند که قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است. این تکنیک سرعت بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده ای دارد.
حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند اما مستقل از نوعشان همگی دارای سازو کاری مشترک اند. هر حسگر زیستی شامل دو بخش اصلی است: ۱/ عنصر تشخیص دهنده (recognition element) که برقراری پیوند شیمیایی با هدف را توسط ligand میسر می‌سازد، ۲/ انتقال دهنده (transducer) که وظیفه تبدیل سیگنال‌ها را بر عهده دارد.
حسگرهای زیستی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌شوند. در حسگرهای زیستی مستقیم هدف بدون هیچ واسطه‌ای با لیگاند پیوند برقرار کرده و شناسایی می‌شود. اما در حسگر غیرمستقیم این کار توسط یک عنصر واسطه انجام می‌گیرد.
در انتخاب حسگر مناسب باید دقت داشت که سرعت و سادگی حسگرهای مستقیم نسبت به غیرمستقیم بیشتر بوده و هم چنین قابلیت استفاده در حالت غیر مستقیم را نیز دارد و می توان برای اندازه گیری تغییرات فیزیکی (خواص اپتیکی، الکتریکی و شیمیایی) از آن استفاده کرد
فهرست پایان نامه طراحی و ارزیابی نانو حسگر زیستی فیبر نوری جهت شناسایی مواد زیستی
فهرست:
ندارد.
منبع:
[1] L. Xia, L. Li, W. Li, T. Kou, D. Liu, “Novel Optical Fiber Humidity Sensor Based on a no-core Fiber Structure”, Sensors and Actuators A, Vol 190 , No 1 , pp.1– 5, 2013.
[2] S.H. Singh, A. Srivastava , H.M. Oh, C.Y. Ahn, G.G. Choi, R.K. Asthana, “Recent Trends in Development of Biosensors for Detection of Microcystin”, Toxicon, Vol. 60, No. 5, pp. 878–894, Oct. 2012.
[3] J. Pollet, F. Delport,K.P.F. Janssen, K. Jans, G.Maes,H. Pfeiffer, M.Weversd, J.Lammertyn, “Fiber optic SPR biosensing of DNA hybridization and DNA-protein interactions,” Biosens. Bioelectron. , Vol. 25, No. 4, pp. 864 – 69, 2009.
[3] X. Fan, I.M. White, S.I. Shopova, H. Zhu,J.D. Suter, Y. Sun,”Sensitive Optical Biosensors for Unlabeled Targets,” analytica chimica acta, Vol. 6 2 0, No. 1 , pp. 8–26, 2008.
[4] A.Sassolas, B.D. Leca-Bouvier,L.J. Blum, “DNA Biosensors and Microarrays,” Chem. Rev., Vol. 108, No. 1 , pp.109-139, Jan. 2008.
[5] P.Skottrup, S. Hearty, H. Frokiar, P. Leonard, J. Hejgaard, R.O’Kennedy, M. Nicolaisen, A.F. Justesen, “ Detection of fungal spores using a generic surface plasmon resonance immunoassay,” Biosensors and Bioelectronics, Vol. 22 No. 11, pp. 2724–2729, May 2007
.
[7] M.Espinosa Bosch,A.Jesus.R.sanchez,F.samches,Bosch ojeda , “ Recent Development inoptical Fiber Biosensors” ,Sensors,vol.1,No.7,pp.797-859,June2007
[8] Md.Sadidue,A.Patil ,”,Analysis,Designing and Working Princial of optical Fiber(OF)Biosensors, “ ,vol1,No.1 ,pp.52-57 ,Auge2012
[9] J. Gooding, “. Electrochemical DNA hybridization biosensors. Electroanalysis, “ ,vol1 ,NO. 14, pp.1149- 1156,June2002
.
[10]E.Paecek, F.Jelen, ,”Electrochemistry of nucleic acids and development of DNA sensors. Critical Review
of Analytical Chemistry, “ , vol1,.No. 3,pp. 261-270May2002
[11]J.M.Mcdonnell, , ,”Surface plasmon resonance:toward an understanding of the mechanisms of biological molecular recognition. Current Opinion in Chemical Biology , “, vol2,No. 5,pp. 572-577Auge2001
[12]T.A.Taton,C.A.Mirkin,R.L.Lestinger ,” Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes,”. vol.289,No.2 pp.1757-1760May2000.
[13]J.Wang,. ,” Portable electrochemical systems. Trends in Analytical Chemistry. ,”,vol2,No. 21,pp.226-232,May2002.
[14]J.Wang,G.D.Liu,A.Mrkoci., ” Electrochemical coding technology for simultaneous detection of multiple DNA targets,”. vol1, No. 125,pp.3214-3215,May2003
[15]J.Wang,A.N.Kawde,M.G.Musameh. ,” Dual enzyme electrochemical coding for detecting DNA hybridization. Analyst,”,vol1,No. 127,pp.1279-1282,June2002
[16]E.M.Boon,D.M.Ceres,T.G.Drummond,M.G.Hill,J.K.Barton ,” Mutation detection by electroanalysis at DNA-modified electrodes. Nature of Biotechnology,”, vol2, No.18,pp.1096-1100May2000.
[17]M.Ozsoz,A.Erdem,P.Krara,. ,” Electrochemical biosensors for the detection of interaction between arsenic trioxide and DNA based on guanine signal. Electroanalysis,”,vol2, Nol15,pp.613-619June2003.
[18]S.J.Park,T.A.Taton,C.A.Mirkin,” Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle probes,” ,vol1,No. 295,pp. 1503-1506,May2002
[19]T.L.Yeo,T.Sun,K.T.V.Gratan, ,”Fiber-Optic Sensor technologies for humidity and moisture measurement,”vol.1,No144,pp.280-295,2008
[20]Li.Xia,Li.Lecheng ,”Novel Optical fiber humidity sensor based nano-core fiber structure,”vol.2,No.190,pp.1-5,2013
[21]A.Kulkarini,N.Jeonggil,J.K.Young,B.Seunghyun,K.Taesung ,”Anevaluation of the optical fiber beam as a forse sensors,”vol.1,No.15,pp.131-135,2009
[22]L.Byoungho,R.Sookyoung,P.Junghun ,”Current Status of micro-and nano-structureced optical fiber sensors,”vol.2,No.15,pp.209-221,2009
[23]G.Brambilla,”Optical fiber nanotaper sensors,”vol.1,No.16,pp.331-342,2010
[24] A.Abdelghani, N.Jafferzic, ,” SPR fiber sensor sensitized by fluorosioxance polymers,”vol.1,No.24,pp.117-123,2001
[25]K.R.Kribich,R.Copperwhit,H.Barry,B.Kolodziejczyk,B.D.Maccraith, ,”Novel chemical sensor/biosensor platform on optical multimode interference coupler,”vol.2,No.14,pp.188-192,May2005
[26] J.Homola,S.Yee,G.Gauglit, ,”Surface Plasmon resonance sensor,”vol.1,No.54,pp.3-15,1999
[27]A.Kulkarni,Y.Jinkim,S.Baik,T.Kim, ,”An evaluation of the optical fiber beam as a force sensor,”vol.1,No.2,pp.131-135,2009
[28]S.Jinjun,Z..Yongfa,Z.Xinrong,R.G.Baeyens, ,”Recent developments in nanomaterial optical sensors,”vol.23,No.5,pp.351-359,2004
[29]T.Kumar,G.Padhyay ,”Prospects for fiber bragg gratings and fabry-perot interferometers infiber-optic vibration sensing,”vol.1,No.10,pp.20-38,May2004
[30]E.Peiner,D.Scholz,A.Schlachetzki,P.Hauptmann ,”Amicromachied vibration sensor based on the control of power transmitted between optical fibers,”vol.65,No.1,pp.23-29,June1998
[31]S.K.Shukla,G.K.Parashar,A.P.Mishra,B.C.Yadav,R.K.Shukla,L.M.Bali,G.C.Dubey,”Nano-lik magnesium oxide fhlms and its significance in optical fiber sensor,”vol.13,No.1,pp.5-11,May2004
[32]k.khijwania,L.K.Srinivasan,J.P.Singh,”An evanescent-wave optical fiber relative sensor with enhanced sensivity,”vol.4,No.1,pp.217-222,May2005
[33]A.APelsmeier , R.Gleixner,M.Mayer,M.Shamonin,B.Schmauss,”Intensity referencing an extrinsic optical temperature sensor,”vol.5,No.1,pp.1095-1098,2010
[34]R.S.Sethi,”Transduser aspects of biosensors,”vol.9,No.1,pp.,243-264,1994
[35]A.Potyrailo,G.M.Hieftje,”spatially resolved analyte mapping with time-of flight optical sensors,”vol.17,No.10,pp.593-604,1998
[36]T.K.Gangopadhyay,M.Majumder,A.K.Chakborty,A.K.Dikshit,D.K.Bhattacharya,”fiber bragg grating strain sensor and study of its packaging for use in critical analysis on steel structure,”vol.2,No.1,pp.78-86,2008
GUIDED WAVE Optics-PROPAGATION IN Optical FIBERS از صفحه 647-640 کتاب [37]
فاطمه فیروزی ،حسگر فیبر نوری مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی،پا یان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه آزاد اسلامی [38]
تهران1390
سنسور نوری گرد آورنده:محمد کاظم محمدی- سروش [39]
www.kAJ.Persianblog.ir
نانو بیو سنسور الکترو شیمیایی اصول و کاربرد، منصور مشرقی،شیما تولائی چهارمین همایش ملی بیو تکنولوژی [40]
جمهوری اسلامی ایران کرمان مرداد 1384
مرکز تحقیقات نانو تکنولوژی- دانشکده علوم پایه-دانشگاه فردوسی مشهد
مرکز تحقیقات ایمونوبیوشیمی-پژوهشکده بوعلی –دانشگاه علوم پزشکی مشهد