در اين مقاله به تعريف اصول انتقال و سپس تعريف انواع بيوحسگرها پرداخته شده است. همچنين در اينجا به حامل هاي پيزورزيستوي اشاره شده است- در قسمتي از مقاله به خصوصيات كوچك سازي و توليد انبوره در مورد وسايل الكترونيكي و Icها اشاره شده است.كارشناسان سيستمهاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) چگونه زيست شناسان مولكولي را در مطالعه هيبريديزاسيون DNA پشتيباني مي كنند؟ ابزارهاي مبتني بر حامل مثالي هستند از اين كه چگونه يك حسگر ساده را مي توان با تكنيك ساخت ميكرومتري ايجاد كرد، تا كارايي حير ت آوري را بدست دهد. آزمايشهاي جالبي را بررسي مي كنيم كه از اصول انتقال مكانيكي متفاوتي براي كشف و آناليز كميتهاي كوچك مواد استفاده مي كنند. اصول اين آزمايشها به زيست شناسان اجازه مطالعه و بررسي بيوشيمي سطحي را در مقياس نانومتري مي دهد و فرصت هاي جالب و منحصر به فردي را براي پيشرفت در سيستمهاي آناليز مهندسي پزشكي و ميكروسكوپي به وجود مي آورد. حسگرهاي حامل بر اصول ساده و مشهور انتقال استوار است و مورد علاقه بسياري از محققان مي باشد و به دليل تركيب تكنيكهاي ساخت ميكرومتري سيليكوني و بيوشيمي، ايجاد گروههاي عامل روي سطح به همراه پيشرفت روش هاي حسگري چندحاملي، فرصت هاي جديدي را براي حسگرهاي فيزيكي و بيوشيمي ايجاد مي كند. حامل هاي ايجاد شده به روشهاي توليد ميكرومتري از زمان پيشرفت ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) در سال 1986[1] بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند.AFM و تكنيك هاي ميكروسكوپي پروب پيمايشگر (SPM) باعث اندازه گيري مستقيم عكس العمل هاي ويژه بين سطوح در مقياس مولكولي مي شوند. AFM نيروهاي بسيار كوچك در نوك يك تيرك ميكروسكوپي كه در انتهاي ديگر روي يك پايه (حامل) ثابت شده است را اندازه گيري مي كند. حامل مانند يك مبدل نيرو بر اثر نيروي واقع در نوك ميله خم مي شود(شكل2- الف). شكل 1) حامل هاي سيليكون، اكسيد سيليكون يا نيتريد سيليكون به صورت تجاري در اشكال، ابعاد و حساسيت به نيروي متفاوت وجود دارند. تصاويـر ميكروسكوپ الكتروني پيمايشگر (SEM) از ميكروحامل هاي سيليكوني به كار رفته به عنوان پروبهاي AFM با هندسه و اندازه هاي متفاوت:الف) حامل مستطيلي تجاري به همراه تيرك (Nanosensors GmbH & Co)ب ) حامل مثلثي تجاري (به منظور به حداقل رساندن خمش هاي پيچشي) به همراه تيركارائه شده توسط ماناليس گسترش كاربرد SPM هم در آزمايشگاههاي تحقيقاتي و هم در صنعت، به سهولت كار، هزينه كم و تكرارپذيري اين پروبها مربوط مي شود. با كوچك سازي ساختار حاملها تا اندازة ميكروسكوپي مي توان هم به ثابت فنر كوچك (يعني حساسيت بالا براي نيروها يا تنش هاي بكار رفته) و هم فركانس تشديد بالا براي زمان هاي پاسخ سريع و مصونيت بالا در برابر نويزهاي مكانيكي بيروني دست يافت. كوچك سازي و توليد انبوه، با بهره گيري از مزاياي تكنيكهاي ميكرو ماشين كاري سيليكوني غيرپيوسته كه براي فرآيند مدارهاي يكپارچه (IC ) توسعه يافته است حاصل مي شود[2,3]. حاملهاي سيليكون، اكسيد سيليكون يا نيتريد سيليكون از لحاظ تجاري با اشكال، ابعاد و حساسيتهاي نيرويي مختلف در دسترس مي باشند (شكل1). اندازه گيري نيز در مبناي (در سطح جفتهاي بيومولكولي منفرد) امكان پذير است[4-10]. در طول دهة اخير SPM و خصوصيات ميكروحاملها در موارد ديگري همچون آشكارسازي تغييرات درجه حرارت، تنش سطحي، جرم و خاصيت مغناطيسي مواد در اندازة نانوگرم استفاده شده است. سيگنالهاي چنين كميت هاي كوچكي، اغلب به كمك تكنيك هاي ماكروسكوپي قابل دسترسي نيست و به ابزارهاي تحليلي پيچيده اي نيازمند است. استفاده از تكنيك هاي حسگري ميكروحامل در مقايسه با ساير ابزارهاي تحليلي ماكروسكوپي در بسياري از آزمايشگاهها با صرفه و قابل ساخت است.
اصول انتقال
يك حامل تشكيل شده از ساندويچي از مواد با ضريب انبساط حرارتي متفاوت به صورت تابعي از درجة حرارت محيط خم مي شود (شكل 2- ب). اين اصل انتقال دو فلزي ، تغييرات دما را تا 10-5K اندازه گيري مي كند [11]. چنين حسگر هايي براي اندازه گيري هاي فتوحرارتي با استفاده از نوعي جاذب نوري خاص[12-15] يا به عنوان يك ميكروكالريمتر براي بررسي تحول گرمايي در واكنشهاي شيميايي در لايه واكنشي كه در رأس حسگر جاي داده شده است، به كار گرفته مي شوند[11]. تغييرات انتالپي در حد 500 پيكوژول در سطوح بين فازي با فقط چند پيكوگرم ماده متصل به نوك حسگر به طور مطمئن قابل تجزيه و تحليل است[16,17]. ميكروحاملهاي دو فلزي مي توانند طيف فتوحرارتي فيلمهاي نازك[18] را با حساسيت 150 فمتوژول و تحليل زماني كمتر از ميلي ثانيه نشان دهند[17]. تخمين هاي تئوري نشان مي دهد كه اين حسگر ها قادرند تغييرات گرمايي را با حساسيت آتوژول مشخص نمايند[11,19]. همچنين حاملها مي توانند با اندازه گيري خصوصيات ارتعاشي در مد نوساني به عنوان ترازوهاي دقيق (شكل2- ج) بكار روند. جرم اضافي كه به رأس يك حسگر حامل افزوده مي شود، ميزان فركانس تشديد آن را كاهش مي دهد(معادله 1). همچنين تغييرات ويسكوزيته يا چگالي محيط بر خصوصيات ارتعاشي حسگرها مؤثر است. در شكل (2-د) مبناي عمل ويسكومتر نشان داده شده كه توسط محققين زيادي[20-22] پيشنهاد شده است. هنگام عمل در مد نوساني نياز است بدانيم كه آيا در طول فرآيندهاي دفع و جذب سطحي، مواد جذب شده مي توانند خواص مكانيكي حامل را (به عنوان مثال سختي آن را) تغيير دهند يا نه.
شكل 2 ـ نماي شماتيك انواع مبدلهاي ممكن
الف) حسگر نيرو به همراه تيرك براي AFM ب) حسگر دو فلزي دما و حرارت ج) حسگر بار جرمي د) حسگر ويسكوالاستيسيته محيط هـ) حسگر ترموگراويمتريك و) حسگر تنش جذب سطحي آب روي يك حامل با پوشش ژلاتين -برخلاف اثر افزايش جرم (معادله 1)- باعث افزايش فركانس تشديد مي گردد[23-25]. در صورتي كه لاية حسگر در انتهاي آزاد حامل متمركز شود، مي توان اين رابطه معكوس بين تغييرات جرم و سختي را از رابطة اصلي تفكيك كرد (شكل 2- ج). در اين حالت تغيير در فركانس طنين دار مي تواند مستقيماً طبق فرمول زير به تغييرات در جرم مربوط شود: (معادله 1) كه K ثابت فنري حامل و f0 وf1 فركانس هاي تشديد قبل و بعد از جذب سطحي مي باشند. با اين حال تنها با جذب سطحي در رأس تيرك، از جذب سطحي و به تبع آن حساسيت كاسته مي شود. با استفاده از ماده متخلخلي مثل زئوليت به عنوان يك اسفنج حسگر مي توان حساسيت را بالا برد[26]. برگر و همكارانش[27] با استفاده از حامل پيزورزيستيو نوسانگر گرم شده در گاز هليم، آناليز ترموگراويمتريك را بررسي كردند (شكل 2- هـ) [28]. تخمينهاي تئوري مبتني بر حاملهايي كه از لحاظ اقتصادي در دسترس هستند، حداقل چگالي جرمي آشكارپذير ng/cm-2 67/0 را نشان مي دهد كه با حسگرهاي صوتي نظير نوسانگرهاي موج صوتي سطحي (SAW) و ميكروبالانس هاي كريستال كوارتز (QCM) قابل مقايسه مي باشد. با محاسبه مساحت فعال ساختار، حداقل جرم آشكار پذير مقدار 10-15g بدست مي آيد[29].
بيوحسگر چيست ؟
يك بيوحسگر را ـ مثل هر وسيله حسگري ديگر ـ مي توان به سه جزء اصلي تقسيم كرد : آشكارسازي كه سيگنال مورد نظر را شناسايي مي كند، يك مبدل كه سيگنال را به يك خروجي مفيد (معمولاً يك سيگنال الكترونيكي) تبديل مي كند و يك سيستم خواندن [1] كه سيگنال هاي منتقل شده را فيلتر، تقويت، نمايش، ثبت يا انتقال مي دهد. يك بيوحسگر يك آشكارساز زيستي يا بيوشيميايي را به كار مي گيرد، كه مي تواند دامنه اي از پروتئين ها و آنزيم هاي منفرد تا ميكروارگانيسم ها و سلولهاي كامل داشته باشد. بيوحسگرها را مي توان براساس نوع آشكارساز (مثلاً ايمونوحسگرها يا حسگرهاي آنزيمي)، مبناي مبدل (مثلاً آمپرومتريك، پيزوالكتريك يا ميكرومكانيكي) و كاربرد (مثلاً حسگرهاي كلينيكي يا زيست محيطي) تقسيم بندي كرد. در مورد بيوحسگرهاي حاملي، پديده مورد شناسايي از سطحي که با گيرنده پوشيده شده است، توسط حامل به يك پاسخ مكانيكي تبديل مي شود كه قابل آشكارسازي با روشهاي گوناگون است.بيوحسگر چيست ؟ يك بيوحسگر را ـ مثل هر وسيله حسگري ديگر ـ ميتوان به سه جزء اصلي تقسيم كرد : آشكارسازي كه سيگنال مورد نظر را شناسايي ميكند، يك مبدل كه سيگنال را به يك خروجي مفيد (معمولاً يك سيگنال الكترونيكي) تبديل ميكند و يك سيستم خواندن كه سيگنالهاي منتقل شده را فيلتر، تقويت، نمايش، ثبت يا انتقال ميدهد. يك بيوحسگر يك آشكارساز زيستي يا بيوشيميايي را به كار ميگيرد، كه ميتواند دامنهاي از پروتئينها و آنزيمهاي منفرد تا ميكروارگانيسمها و سلولهاي كامل داشته باشد. بيوحسگرها را ميتوان براساس نوع آشكارساز (مثلاً ايمونوحسگرها يا حسگرهاي آنزيمي)، مبناي مبدل (مثلاً آمپرومتريك، پيزوالكتريك يا ميكرومكانيكي) و كاربرد (مثلاً حسگرهاي كلينيكي يا زيست محيطي) تقسيمبندي كرد. در مورد بيوحسگرهاي حاملي، پديده مورد شناسايي از سطحي که با گيرنده پوشيده شده است، توسط حامل به يك پاسخ مكانيكي تبديل ميشود كه قابل آشكارسازي با روشهاي گوناگون است. متأسفانه وقتي حسگري در حال نوسان در مايعي كار مي كند، هم پيك تشديد و هم فاكتور كيفي آن (Q)، در اثر رطوبت کاهش مي يابد[30]. اين امر بر حسب ميزان تغييرحداقل جرم آشكار پذير، دقت حاصله را به طور قابل ملاحظه اي كاهش مي دهد. مهتا[31] و تامايو[32] روش هايي را براي بالا بردن فاكتور Q حاملها و به تبع آن قدرت تفكيك آنها در مايعات پيشنهاد كرده اند. در مايعات (محيط طبيعي واكنش هاي بيوشيميايي) خمشي كه باعث فقط چند نانومتر خم استاتيكي شود، به سادگي قابل تشخيص است. بنابراين حاملها در اين وضعيت اغلب به عنوان حسگرهاي تنش سطحي عمل مي كنند (شكل 2- و). تنش سطحي يكنواخت روي مواد ايزوتروپ باعث افزايش (تنش فشاري) يا كاهش (تنش كششي) مساحت سطحي مي شود. در صورتي كه اين اثر با يك تنش معادل در وجه مخالف ميله يا ورق نازك جبران نشود، خمش دائمي در كل سازه ايجاد مي شود (شكل 3). چندين سال قبل، استوني[33] خمش متاثر از رسوب گذاري روي ميله ها را در محيط الكتروشيميايي اندازه گرفت و تغيير تنش سطحي ديفرانسيلي بين وجوه مخالف يك ميله نازك را به شعاع انحنا مربوط كرد. با اندازه گيري ميزان خم، اختلاف بين تنش هاي سطحي دو وجه، قابل محاسبه است. مي دانيم که جذب مولكولها به روي سطح منجر به تغيير تنش سطحي مي شود.ايباخ تغيير تنش سطحي روي حاملهاي بلورين به واسطه جذب يك اتم منفرد را به طريق تجربي[37,38] و آناليز اجزاي محدود [39] مطالعه كرد. هنگام مواجهه با مولكولهاي پيچيده مثل پروتئين ها، ممكن است چند منبع تنش ديگر نيز وجود داشته باشد. تعامل الكترواستاتيك بين مواد جذب سطحي شده مجاور، تغييرات در آب گريزي سطح و چرخشهاي پياپي مولكولهاي جذب شده، همگي مي توانند تنش هايي را القا كنند كه با هم جمع شده و منجر به تغييراتي شوند كه مستقيماً به انرژي پيوندي گيرنده-ليگاند يا نيروي گسيختگي آنها مربوط نيست. به عنوان مثال، وو [40] اخيراً مشاهده كرده است كه چگونه جذب سطحي تك رشتة مكمل DNA بر سطح حامل مي تواند بسته به قدرت يوني محلولي و بافري كه هيبريديزاسيون در آن رخ مي دهد، تنش كششي يا فشاري ايجاد كند. آنها اين رفتار را به تعامل بين دو نيرو محركه مخالف، مرتبط مي دانند: كاهش در آنتروپي چرخش پياپيDNA جذب سطحي شده، تنش فشاري را پس از هيبريديزاسيون كم مي كند، در حالي كه دافعه الكترواستاتيك بين مولكولي در DNA جذب شده، تنش را افزايش مي دهد.
تشخيص خمش حامل
چند روش تشخيص خم براي استفاده در AFM وجود دارند كه خمش ميكروحاملها را با دقت كمتر از آنگستروم اندازه گيري مي كنند. روش هاي نوري و الكتريكي كه در روش هاي مبتني بر بيوحسگر به كار مي روند نيز كاربرد دارند. متداول ترين روش AFM تكنيك «بازتاب پرتو» يا «اهرم نوري» است: نور مرئي از يك ديود ليزري با قدرت كم بر نوك آويزان حامل، كه به عنوان آينه عمل مي كند متمركز مي شود. حاملهاي AFM تجاري ممكن است براي افزايش قابليت انعكاس با لايه نازكي از طلا پوشش داده شوند. پرتو منعكس شده به يك موقعيت سنج يا به يك آشكار ساز نوري
شكل 3 ـ نماي جانبي از يك بازوي نازك با ضخامت
t كه در معرض تغييرات تنش سطحي فشاري 1?? و2?? قرار مي گيرد. بازو حول يك صفحه خنثي با شعاع انحناي ثابت R خم مي شود. چندتكه برخورد مي كند (شكل4). هنگامي كه حامل خم مي شود نور ليزر منعكس شده، روي صفحه آشكارساز حركت مي كند، كه اين فاصله طي شده متناسب با ميزان خم شدن ميله است. روش آشكارسازي ديگر براساس تداخل بين پرتو ليزر مبنا و پرتو انعكاس يافته از حامل است. روش تداخل سنجي به شدت حساس است و موجب اندازه گيري مستقيم و مطلق جابجايي مي شود، اما فقط براي خمهاي كوچك خوب عمل مي كند (خم تنها در يك طول موج تعريف مي شود) و نيازمندي فني خاصي دارد (نور بايد به نزديكي حامل آورده شود تا انعكاس حاصل شود). روگار [41]براي اين منظور، انتهاي شكاف دار يك فيبر نوري را در چند ميكروني انتهاي آزاد حامل قرار داده است. شكل 5 ـ الف) تصوير SEM يك آرايه شامل هشت ميكروحامل سيليكوني ساخته شده در گروه ميكرو و نانو مكانيك آزمايشگاههاي تحقيقاتي IBM در زوريخ. حامل ها ?m1 ضخامت، ?m500 درازا، ?m100 پهنا، ?m250 فاصله با هم و N/M 02/0 ثابت فنري دارند. ب) ميكروگراف نوري آرايه IBM از يك شبكه از مجراهاي ميكروسيالاتي با فاصله برابر?m250در روش ديگر، از حاملهاي ميان رقومي به عنوان يك توري پراش نوري استفاده مي شود. نور ليزر منعكس شده يك الگوي پراش را تشكيل مي دهد كه شدت آن متناسب با خم حامل است. اين روش در [42,43]AFM، به عنوان حسگر فيزيكي در شتاب سنج ها[44] و براي تصوير برداري مادون قرمز[45] كاربرد داشته، به عنوان حسگر شيميايي[46] نيز پيشنهاد شده است. حسگرهاي خازني، جابجايي را با تغيير ظرفيت صفحات خازن اندازه مي گيرند. بلانك[47] حسگرهاي خازني بسيار كوچكي را براي AFM گزارش كرده است كه حامل آن، يكي از صفحات خازن است. اين روش بسيار حساس است و مي تواند جابجايي دقيق را اندازه گيري كند اما براي اندازه گيريهاي بزرگ مناسب نيست و در محلولهاي الكتروليت به واسطه جريانهاي فارادي بين صفحات خازن، درست كار نمي كند؛ بنابراين كاربرد آن در بيوحسگرها محدود است. در يك روش جالب تر، از حاملهاي پيزورزيستيو استفاده مي شود. هنگامي كه يك ماده پيزورزيستيو مثل سيليكون آلاييده تحت كرنش قرار مي گيرد، (ضريب) هدايت الكتريكي آن تغيير مي كند. بنابراين حسگرهاي پيزورزيستيو براي اندازه گيري تنش بسيار مناسب هستند. چنين حسگرهاي تنشي مي توانند با اندازه گيري مقاومت (توسط يك پل وتستون ساده) روي ساختمان حامل اضافه گردند[48,49]. پيشرفت هاي اخير امكان ساخت مقاومت هاي نازك و غيرفعال شده[50,51] را برروي حامل مي دهد،كه مي توانند با پرهيز از جريان هاي فارادي در محلولهاي الكتروليت به كار روند. براي جبران انباشتگي دمايي، يك آرايش متقارن در نظر گرفته مي شود تا سيگنال خروجي بيانگر اختلاف خم بين حاملهاي مبنا و حسگر باشد[50,51]. حاملهاي پيزورزيستيو در مقايسه با روش هاي استاندارد نوري، چند امتياز دارند: به هيچ نوع قطعه اپتيكي يا دستگاه ليزري نيازي ندارند؛ اجزاي الكترونيكي مخصوص خواندن اطلاعات مي توانند با فناوري CMOS روي تراشه واحدي جمع شوند؛ تغييرات خواص نوري محيط اطراف حامل (مثلاً تغيير در ضريب شكست هنگام تغيير دو محلول مختلف) تأثيري روي آنها ندارد؛ و در محلولهاي غيرشفاف نيز كار مي كنند. حاملهاي پيزورزيستيو، همچنين مي توانند با افزايش شار جريان الكتريكي در لايه مقاومت، دماي سطح را نيز تغيير دهند. اين مسأله مي تواند ابزاري براي شكست پيوند حسگر_ليگاند و در نتيجه فعالسازي مجدد لايه حسگر در كاربردهاي بيوحسگري باشد.
ايجاد گروههاي عاملي روي سطح حامل
لايه حسگر رسوب دهي شده روي سطح حامل، بر انتخاب پذيري، تكرارپذيري و دقت حسگر، تأثيرمي گذارد. ممكن است لازم باشد يك لاية نازك (براي جلوگيري از تغيير خواص مكانيكي حامل)، يكنواخت (براي ايجاد تنش يكنواخت) و فشرده (براي جلوگيري از تعامل با سطح زيرين) از مولكولهاي گيرنده روي حامل كار گذاشته شود- كه بايد با لنگر شدن گيرنده ها به سطح با پيوندهاي كووالانسي ، پايدار و قوي بوده و در عين حال آزادي كافي براي تعامل با ليگاند خود را داشته باشند. اگر لازم باشد که چندين بار از حسگر استفاده شود، فعاليت آن بايد در طول زمان پايستار باشد و در برابر فعالسازي مجدد، لايه حسگر خود را حفظ كند. اكثر اين موارد براي ساير بيوحسگرها نيز لازم است. در واقع تكنيك هاي پوشش دهي پيشنهاد شده با اصول ساير مبدلها مشترك است. فلزات جديد اغلب يا به صورت زير لايه رسوب داده مي شوند تا لايه هاي بعدي را بر روي خود نگاه دارند، و يا به صورت كاتاليست براي جذب گاز سطحي بكار مي روند. تبخير و پاشش اجازه كنترل دقيق ضخامت و توزيع لايه را مي دهد. يك روش ساده متداول براي ايجاد تك لايه هاي مرتب، استفاده از تك لايه هاي خودآرا است؛ مانند مولكولهاي زنجيره آلكاني با گروههاي تيول بر روي طلا [53,54] يا سيلان ها روي زيرلايه سيليكون.[55,56] SAMs بطور آني تك لايه هايي يكنواخت، بشدت فشرده و محكم (با پيوند كووالانسي) شكل مي دهد، كه مي تواند از زنجيره هايي با طولهاي مختلف زنجيره اي و گروههاي انتهايي با خواص شيميايي ويژه سنتز شوند. بنابراين به عنوان اتصال دهنده هاي عرضي براي محكم كردن مولكولهاي چسبنده به زيرلايه، بسيار مناسبند. براي تشكيل يك تك لايه تيول روي يك وجه حامل، بايد طلا به صورت بخار روي سطح نشانده شود و تمام حامل در محلول تيول يا در معرض بخار آن قرار گيرد. برگر[57] آشكارسازي تغييرات تنش سطحي را در طي تشكيل تك لايه هاي آلكان تيول بر حاملهاي پوشش داده شده با طلا گزارش كرده است. شستشوي حامل، تيول هايي را كه بطور ناخواسته روي وجه مخالف حامل جذب شده اند، از بين مي برد. رايتري[58] روندي چند مرحله اي را ارائه داده است كه امكان مي دهد هر وجه با تك لايه هاي تيول مختلف، پوشش داده شود. روش ديگر براي اضافه كردن گروههاي عاملي خاص به يك سطح، اتصال (پيوندزني) پليمرهاي داراي يك ساختار مناسب است. براي بهبود رسوب گذاري پليمر روي سطح با تعداد مكانهاي فعال سطحي اندك، مي توان از فرآورش پلاسما استفاده كرد[59]. بتس[60] لايه هاي نازك (nm 150) از پليمرهاي مختلف را با پوشش دهي اسپيني رسوب داد. وي از آسياب پرتو يوني متمركز براي حذف پوشش هاي پليمري ناخواسته از وجه مخالف استفاده كرد.
لطفا منتظر باشید ...
