نانوحسگرهای زیستی

نانوحسگرهای زیستی

در پزشکی و علوم بالینی برای تشخیص بیماری‌ها و پیگیری درمان آنها ضروری است از وضعیت گونه‌های مختلف مورد نظر در داخل بدن اطلاعات کمّی و کیفی داشته باشیم. روش تشخیص موجود که در آزمایشگاه‌های کلینیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، نمونه‌برداری (از خون، ادرار و...) است. این روش نمونه‌برداری و تجزیه و تحلیل، لحظه‌ای محسوب می‌شود و مسائل و مشکلات خاص خود را نیز به همراه دارد، زیرا در بسیاری از موارد، نیاز داریم از روند تغییرات غلظتِ گونة مورد نظر با گذشت زمان اطلاع داشته باشیم. 

نمونه‌برداری لحظه‌ای به معنی گزارش غلظتِ گونة مورد نظر در نمونه در یک زمان معین و ثابت است.

حسگرهای زیستی

با ظهور حسگرها و ورود آنها به عرصة تجزیة گونه‌های بیوشیمیایی، راهکار دیگری برای کنترل کیفیت درمان بیماران فراهم شد. این حسگرها که به طور الکتروشیمیایی کار می‌کنند و هنوز هم کاربردهای بسیاری دارند، به لحاظ ابعاد نسبتاً بزرگی که دارند عموماً در سنجش‌های خارج از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند و در اندازه‌گیری میزان چربی و رطوبت پوست، میزان تعریق بدن و... به کار می‌روند. با پیشرفت علوم و فناوری، بشر موفق به ساخت میکروحسگرهای زیستی شد. از این ابزار در واکنش‌های بیوشیمیایی انجام‌شده در سطح الکترود و ثبت میزان جریان یا دنبال کردن تغییرات پتانسیل بهره‌گیری می‌شود و این عوامل به غلظتِ گونة مورد نظر ارتباط داده می‌شوند. به عنوان نمونه‌ای از کارهای انجام‌شده در این سطح، می‌توان به سنجش میزان اپی‌نفرین توسط سلول آدرنال اشاره کرد که تصویر میکروسکوپی آن در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل دو الکترود رشتة کربنی را ملاحظه می‌کنیم که در مجاورت سلولِ مجزائی از غدة فوق کلیوی واقع شده است. همان‌طور که می‌دانیم، فعالیت ماهیچه‌های انسان این غده را تحریک می‌کند و در نتیجه هورمون اپی‌نفرین ترشح می‌شود. این هورمون که «آدرنالین» نیز نامیده می‌شود، قند را از سلول‌های ماهیچه‌ای آزاد می‌کند. همچنین اپی‌نفرین فشار خون را بالا می‌برد و بر ضربان قلب می‌افزاید که فاکتورهای مهمی از نظر کلینیکی محسوب می‌شوند. بنابراین، اندازه‌گیری میزان آزادسازی اپی‌نفرین توسط سلول آدرنال که به طریق الکتروشیمیایی فوق و با استفاده از میکروحسگر نشان داده شده است، می‌تواند بسیار سودمند باشد.

شکل 1: تصویری از دو الکترود رشتة کربنی که در مجاورت سلول آدرنال قرار گرفته‌اند
(هورمون اپی نفرین آزاد شده از این سلول به روش الکتروشیمیایی مورد اندازه گیری قرار می گیرد)

نانوحسگرهای 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 محیط‌های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازة نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم‌های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه‌های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه‌ها در سیستم‌های بیولوژیک استفاده می‌شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول‌ها از دیواره یا غشای سلولی است.

در طی دهة گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش‌های پزشکی و بیولوژیک نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه‌روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده‌اند و به دو دستة شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می‌شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیة گونة داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویة مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.

تولید نانوحسگرهای زیستی نوری

برای تهیة این فیبر به عنوان نوک حسگر، می‌توانیم از دستگاه‌های مورد استفاده برای کشش فیبرهای نوری استفاده نماییم (شکل 2).

شکل 2: الف ـ شیوة کشیدن فیبر برای ساخت نانوفیبرها از نمای بالا
ب ـ نمای جانبی از یک فیبر کشیده‌شده

در این دستگاه از لیزر دی‌اکسید کربن برای گرم کردن فیبر و از وسیله‌ای برای کشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغییر دما و میزان نیروی کششیِ اعمال‌شده به فیبر، نوک‌هایی برای حسگرهای زیستی بسازند که قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است (شکل 3). این تکنیک سرعت بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده‌ای دارد.

شکل3 ـ تصویر یک نانوفیبر تولیدشده به شیوة کشش لیزری

کاربرد حسگرهای زیستی

کاوشگر حسگرهای ساخته‌شده به این روش، می‌تواند بدون آسیب رساندن به غشای سلولی، به آن وارد شود و برای مطالعات بیوملکولی و بالینی مورد استفاده قرار گیرد (شکل 4). به طور کلی، مجموعة یک نانوحسگر زیستی، از یک ملکول گیرندة زیستی (مثل DNA یا پادتن) تشکیل شده که بر روی یک فیبر بسیار نازک نشانده شده است. از این مجموعه می‌توان به عنوان یک کاوشگر برای وارد کردن گونة خاصی به سلول استفاده کرد و با به‌کارگیری روش‌های متداولِ آمپرومتری به تجزیة گونه‌ها در داخل سلول پرداخت.

روش آمپرومتری یکی از روش‌های الکتروشیمیایی است که در آن حداقل یکی از گونه‌های اولیه یا محصولات واکنش در سطح میکروالکترود اکسیده ــ یا کاهیده می‌شود.

شکل 4 ـ عبور نوک حسگر از غشای سلولی

شایان ذکر است قبل از استفاده از فیبر به عنوان نوک حسگر، ایجاد یک پوشش بسیار نازک حدود 200 نانومتری بر روی فیبر، می‌تواند عملکرد نوری آن را به میزان بسیاری بهبود بخشد. همچنین به منظور ایجاد سایت‌های فعال بر روی نوک حسگر برای اتصال پادتن از فرایند سیلان‌دار کردن سطح فیبر استفاده می‌شود و به دنبال آن پادتن مورد نظر را از طریق پیوندهای کوالانسی به سطح فیبر متصل می‌کنند.

سیلان و فرایند سیلان‌دار کردن سیلیس(Si) یکی از عناصری است که در طبیعت به وفور یافت می‌شود و بخش عمده‌ای‌ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. این عنصر در گروه چهارم جدول تناوبی واقع شده است و از این رو می تواند با ایجاد چهار پیوند کوالانسی، ترکیبی به صورت SiH4 به نام سیلان را ایجاد نماید. از این ملکول ترکیبات مختلفی به دست می‌آید که از آن جمله می‌توان به تری «متیل کلرو سیلان» اشاره کرد. این ملکول می تواند طی یک واکنش حذفی با از دست دادن یک ملکول HCl به ملکولهای دیگر بچسبد و بدین صورت خواص سطحی آنها را تغییر دهد. برای مثال اگر یک زنجیر غیرقطبی کربنی در ملکول فوق داشته باشیم، با پیوند زدن آن به سطح یک نانوحسگر می‌توانیم نانوحسگر را نسبت به جذب ترکیبات غیرقطبی فعال کنیم.

لازم به ذکر است در فرایند سیلان‌دار کردن، از ترکیبات مختلف سیلیس استفاده می‌شود و به کمک آنها سطح مورد نظر را با یک گروه عاملی شیمیایی مناسب پیوند می‌زنند. حُسن کار در این است که امکان پیوند پادتن با گروه عاملی نشانده‌شده در سطح میسر می‌شود. ابزارهای ساخته‌شده به این روش، دارای قدرت انتخابگری بالایی هستند و «کاوشگرهای آنزیمی» نام گرفته‌اند. از این کاوشگرها در تعیین روزمرة گلوگز، لاکتوز، ساکاروز، گالاکتوز و کلسترول استفاده می‌شود، بدون اینکه از بیمار نمونه‌گیری خون صورت گیرد.

این تکنیک سودمند، استفاده‌های فراوان دیگری نیز دارد که از آن جمله می‌توان به مطالعة اثر داروها و چگونگی برهمکنش آنها با سلول‌ها و مطالعة چگونگی اثر پاتوژن‌ها (عوامل بیماری‌زا) بر سلول‌ها، و مطالعة سیستم‌های زیستی اشاره کرد. همچنین میزان غلظت داروها در خون در زمان‌های مختلف پس از مصرف و سرعت رسیدن به غلظت مادة مؤثر به حداکثر مقدار، از جمله فاکتورهایی هستند که در داروسازی و پزشکی اهمیت بسیاری دارند و نانوحسگرهای زیستی ابزاری سودمند و کارآمد در این زمینه محسوب می‌شوند.

نظر به اهمیت نانوحسگرهای زیستی در گسترش دانش پزشکی، از آن به عنوان فناوری دستیابی به اطلاعات زیستی سلول با استفاده از تجهیزات نانومتری (Nano-Bio-Info-Tech) یاد شده است. از جملة این پژوهش‌ها می‌توان به کار تیمی Vo-Dinhs در سال 2004 در شناسایی، تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی اشاره کرد.

کاربرد نانولوله های کربنی در بهسازی و ترمیم سازه های بتنی

کاربرد نانولوله های کربنی در بهسازی و ترمیم سازه های بتنی

سید محسن کالوندی.معاون پژوهشی قطب جنوب مرکز ملی مقاوم سازی ایران

[e-mail] تلفن:[phone] آدرس الکترونیکی:

  چکیده

  با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی ، عملی وفنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیار کمی به کاربرد این  پدیده در صنعت ساخت وساز شده است.

یکی از موضوعات مورد بحث در زمینه مقاوم سازی سازه های بتنی، بهسازی مصالح ،ترمیم ترک ها و بهینه سازی  سازه می باشد. بتنی مقاوم است که از نوع مصالح کامپوزیت وترکیبی  باشد و خاصیت و عملکرد این بتن بستگی به نانو ساختار مواد زمینه آن دارد.

آنچه در این مقاله مورد بررسی قرار می گیرد استفاده از نانو تیوپ های کربنی جهت ترمیم ، تقویت و بهسازی در طرح اختلاط بتن می باشد و ارزیابی راهکارهای مقاوم سازی سازه های بتنی بوسیله فناوری نانو  بررسی می شود. هم اکنون از الیاف و مواد افزودنی جهت بهسازی ومقاوم سازی ابنیه استفاده می شود. افزودن نانو لوله های کربنی به سیمان موجب افزایش استحکام کششی و فشاری بتن می شود. همچنین افزودن این مواد سبب افزایش مقاومت در برابر حملات شیمیائی می شود که این خود دوام و پایداری بتن را بدنبال دارد.از جهت دیگر نانو تیوپ های کربنی یکی از مستحکم ترین مواد بشمار می روند ومی توان در طرح پوشش بتن از این مواد استفاده کرد. در این مقاله نگارنده سعی دارد نتایج آزمایشاتی را که تاکنون صورت گرفته  بررسی و آزمایشات خود را به صورت نتایج و پیشنهاد ارائه نماید.وبا ارائه راهکارهای مناسب نحوه استفاده از این فناوری نوین ومفید را در بهسازی ومقاوم سازی ابنیه و پل های بتنی ارائه نماید.

کلید واژه ها: بتن – نانو- مقاوم سازی – نانو تیوپ – بهسازی  

نانو تکنولوژی چیست

عنوان : نانوتکنولوژی چیست؟ کلمات کلیدی: نانوتکنولوژی، اهمیت، منافع، محصولات

نانوتکنولوژی چیست؟

نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.