بکارگیری نانوحسگرها در آزمایشات بیوشیمیایی خون

نانوفناوری، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با كنترل در سطوح ملكولي و بهره برداری از خواص و پدیده‌های این بعد می باشد. شواهد نشان می دهد که درصد بسیار بالایی از محصولات آینده متکی بر فناوری نانو خواهد بود. فناوری نانو کاربردهایی را به منصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است. این فناوری می تواند کیفیت زندگی انسان را تا حدود زیادی بهبود بخشد.

• حسگر

حسگر در حقیقت، ابزار و یا ماده ای است که بتوان با آن یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی خاص را  بر اساس ایجاد یک سیگنال ویژه تشخیص داد. در حسگرهای شیمیایی معمولا می توان به حضور و یا عدم حضور یک گونه (با نام تخصصی آنالیت[1] شناخته می شود) و یا به غلظت آن پی برد. تاکنون، پیشرفتهای چشم گیری در زمینه حسگرها صورت گرفته است و  عملکرد حسگرها از روش های  بسیار متنوعی برای تشخیص آنالیت ها پیروی می کنند. درکنار تلاش ها برای دستیابی به حسگرهای دقیق و حساستر، دو هدفی که در رشد و بهبود حسگر ها مورد توجه است، الف) بهبود قابلیت گزینش پذیری[2] ، ب) ایجاد توانایی در حسگر جهت اندازه گیری هم زمان چند گونه [3] می باشد. گزینش پذیری بالاتر به معنی تشخیص انتخابی گونه مورد نظر و بی تفاوتی حسگر نسبت به سایر گونه های مزاحم است. امروزه  به نقش فناوری نانو در پیشبرد اهداف حسگرها به خوبی پی برده شده است. به نظر می رسد، توسعه و سرمایه گذاری در صعنت نانوحسگرها در حوزه پزشکی و سلامت به دلیل کاربرد گسترده خود، بیش از دیگر حوزه ها باشد. استفاد از نانوحسگرها در حوزه پزشکی می تواند در تولید سیستمهای تشخیصی ارزان قیمت و چند کاناله[4] با قابلیت پردازش و تحلیل داده ها، موثر واقع شود.

• اهمیت نانو حسگرها جهت آزمایشات بیوشیمایی خون

نانو حسگر های تشخیصی خون به دلیل کوچک بودن ، قابل حمل بودن و سریع بودن آزمایشات ، تحولی عظیم را در حوزه سلامت به وجود خواهد آورد. چرا که این نوع از حسگر ها می توانند چندین نوع از ترکیبات شیمیایی خون و یا عوامل بیماری زا را به راحتی شناسایی کنند. این نوع از حسگرها این قابلیت را دارند که در مطب پزشک و یا در خانه به راحتی مورد استفاده قرار گیرند و نیازی به استفاده از آزمایشگاه های گران قیمت پزشکی نباشد. همچنین برخی از این حسگر ها می توانند در زیر پوست قرار گیرند و نتایج حاصل از آنالیز ترکیبات شیمیایی مهم ( مثل قند خون بیماران دیابتی ) را به یک سیستم الکترونیکی مثل گوشی همراه انتقال دهند.

————————————

[1] Analyte

[2] Selectivity

[3] Simultaneous sensing

[4] Multichannel

 

 

• حسگر های تشخیصی خون

آزمایش های خون عادی معمولا بین 6 تا 150 دلار هزینه خواهد داشت که وابسته به نوع آنالیز می باشد. یکی از بزرگترین چالش ها در آزمایشگاه های خون، آماده سازی و حذف مزاحمت ها برای بررسی یک گونه است. این کار، آزمایش را زمان بر خواهد کرد که گاهی مواقع به چندین روز می انجامد. در مقایسه، نانو حسگرها این امکان را می دهند که غلظت آنالیت را در زمان بسیار کمتری اندازه گیری کنیم و نیاز کمتری به آماده سازی نمونه باشد. عملکرد نانو حسگر ها می تواند بر مبنای نانو ذرات عامل دار شده فلزات نجیب[1]، نانوذرات مغناطیسی، مواد لومینیسانس[2] و یا فلوئورسانس[3] باشد. همچنین نانو پلیمر های زیست سازگار نیز در ساختار این حسگرها به کار رفته اند و به طور بسیار گزینش پذیر عمل می کنند. همچنین می توان بازده و حساسیت بسیاری از دستگاه های آزمایشگاه تست خون را توسط فناوری نانو بهبود داد. برای مثال می توان از الکترود های اصلاح شده با نانو ذرات و یا ستون های کروماتوگرافی محتوی نانو ذرات نام برد. اندازه گیری همزمان گونه ها بر روی یک تراشه کوچک و استفاده از مقادیر بسیار کم خون یکی دیگر از اهداف نانوحسگرهای تشخیصی می باشد که مورد توجه سرمایه گذاران این حوزه قرار گرفته است. به این سامانه ها آزمایشگاه روی تراشه[4] می گویند ( شکل 1). این نوع از حسگرها در آزمایشگاه ها و بیمارستانها و حتی مطب پزشکان بسیار کاربردی خواهند بود و حالت های اتوماتیک آن نیز وارد بازار خواهد شد. روشهای نوین لیتوگرافی[5] این امکان را می دهد که الگوهایی در ابعاد نانو و با جایگاه های فعال بیشتری بر روی تراشه قرار گیرد. همچنین استفاده از نانو لوله کربنی[6] به عنوان انتقال دهنده سیگنال، در این تراشه ها مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

شکل 1 : یک آزمایشگاه روی تراشه برای اندازه گیری هم زمان چند آنالیت در خون.

 

————————————

[1] Functionalized noble metal nanoparticles

[2]  luminescent

[3] Fluorescent

[4]  Labs-On-a-Chip

[5] Lithography

[6] Carbon nano tube

 

• نانو حسگرها در جهت کمک به بیماران دیابتی

بیماری دیابت به تنهایی در آمریکا، زندگی نزدیک به 24 میلیون نفر را درگیر کرده است. آمار بالای بیماران دیابتی به دلیل سبک زندگی مدرن، با سرعت بسیار بالا و هشدار دهنده ای رو به افزایش است. از این رو خلل وجود سامانه های پیشگیرانه اندازه گیری قند خون کاملا احساس می شود. آزمایشات قند خون در موارد خاص، به دلیل هزینه بالا و وقت گیر بودن معمولا با فواصل زمانی زیاد انجام می گیرد. بنابراین هنوز فناوری هایی که بتواند به عنوان سامانه پیشگیرانه کنترل خانگی عمل کند به مرحله تولید انبوه نرسیده است. در حال حاضر، حسگرهای تشخیصی گلوکز خون میتوانند با سوراخ کردن نوک انگشتان دست، مقدار گلوکز را تعیین کنند اما مشکل در این خواهد بود که هزینه این نوع سنسور ها بالا است، با درد همراه خواهد بود و بیمار باید سوراخ کردن نوک انگشتان را روزانه دو تا چهار بار انجام دهد. انتظار میرود که شدت سیگنال در نانو مواد به دلیل افزایش سطح و درنتیجه آن افزایش تماس کاتالیزور های آنزیمی بیشتر شود و بتوان نانوحسگرهای تشخیص قند خون بسیار کوچکتری را تولید کرد. این امکان وجود دارد که نانو حسگر های تشخیصی قند خون به راحتی در بدن قرار گیرند و زمانی که قند خون به مرحله هشدار دهنده ای می رسد ( حتی در مواقعی که بیمار خواب است) به رایانه درمانگاه و یا تلفن همراه بیمار گزارش دهد. در حال حاضر، گرافن[1] و نانو لوله کربنی به دلیل قابلیت در ساخت نانوحسگر های الکترونیکی با اندازه بسیار کوچک و بازده بالا بسیار مورد توجه هستند. همچنین می توان با استفاده از خالکوبی های هوشمند[2]، وضعیت قند خون بیمار را به صورت تغییر رنگ نمایش داد (شکل 2 ). جدول 1 انواع حسگرهای  قند خون اصلاح شده با نانو مواد را نشان می دهد.

شکل2 : خالکوبی نانو حسگر های رنگی و آنالیز داده ها از طریق دستگاه عکس برداری (شکل بالا). تزریق نانو حسگرهای فلوئورسانس کننده به پوست موش دیابتی تا در هنگام هشدار، بدرخشد ( شکل پایین).

 

 

 

 

جدول 1: انواع حسگرهای نوین تشخیص قند خون با کمک فناوری نانو

مزایا و فرصت ها	طراحی	نوع حسگر قند خون
نیازی به گرفتن خون بیمار نیست و در همه حالات همراه بیمار خواهد بود . همچنین برای مهندسی ورزش می تواند بسیار مفید باشد.	نانو موادی که مانند خالکوبی در زیر پوست قرار می گیرند و میتوان تغییرات رنگ را توسط گوشی همراه آنالیز کرد.	خالکوبی هوشمند
می تواند از طریق بی سیم به دستگاه هایی مانند تلفن همراه وصل شده و عملکرد روزانه و هفتگی را آنالیز و تحلیل کند.	حسگری که می تواند در زیر پوست قرار گیرد و دارای نانو پتانسیل سنج و تراشه نانو فرستنده باشد.	زیست حسگرهای بسیار کوچک ( نیم میلی متری)
مناسب برای کودکان و یا افراد مسن که سوراخ کردن پوست و یا ایجاد درد ، برایشان راحت نیست و لازم است بدون هیچ زحمتی قند خون را تشخیص داد.	میله نازکی که با قرار گیری در مایعاتی به غیر از خون مثل بزاق، اشک و یا ادرار، میزان گلوکز را تعیین کند.	میله و سوزن شناساگر قند خون بیماران دیابتی
این دم سنج مقادیر بسیار کم استون را درحالت عادی تنفس انسان اندازه گیری کرده و می توان برای کنترل مداوم قند خون در بیمارستانها از طریق لوله تنفسی استفاده کرد.	با آنالیز مستقیم استون از طریق تنفس، میتوان به صورت غیر مستقیم به میزان گلوکز خون پی برد.	فناوری دم سنج

 

• چشم انداز نانو حسگرها در زمینه آزمایشات خون

گسترده ترین بازار مربوط به نانو حسگرهای حوزه سلامت و پزشکی خواهد بود که بخش عمده آن را نانوحسگرهای تشخیصی خون تشکیل می دهند. بر اساس ارزیابیها، برای بازار نانو حسگرهای تشخیصی خون بالغ بر 97/157 میلیون دلار در سالهای اخیر برآورد شده و همچنین سهم بازار نانو حسگرها در حوزه تشخیص قند خون بیماران دیابتی به تنهایی، از 02/0 درصد در سال 2014 به 5/1 درصد در سالهای اخیر برآورد شده که معادل 1/457 میلیون دلار تخمین زده میشود.

————————————

 

[1] Graphene

[2] Smart tattoo

 

 

 

• فعالیت و پژوهش های مربوط به نانوحسگرهای تشخیصی خون در ایران

هر چند که هنوز در ایران ، شرکتهایی که تولید کننده نانو حسگرهای تشخیصی آزمایشات بیوشیمایی خون باشند، معرفی نشده اند. اما در زمینه پژوهش نانو حسگرها، موفقیت های بسیاری در سراسر ایران صورت گرفته است. به عنوان مثال تحقیقات مربوط به اندازه گیری قند خون به روش غیر آنزیمی با استفاده از نانوحسگر ها توسط محققان ایرانی را میتوان یکی از روشهای ارزان قیمت جهت صنعتی شدن معرفی کرد. همچنین پژوهشهای مربوط به اندازه گیری هپارین خون توسط دانشگاه های شیراز و کرمانشاه بسیار مورد توجه موسسه[1]NanoMarket   قرارگرفته است.

 

• شرکت های فعال خارجی در حوزه نانوحسگرهای تشخیصی خون

شرکت های زیادی در زمینه تحقیقات مربوط به نانو حسگرهای تشخیصی خون سرمایه گذاری کرده اند اما تعداد معدودی از این شرکت ها محصول خود را نهایی کرده اند. برخی از شرکت ها نانو ذرات عامل دار شده ای تولید کرده اند که بتوان در محصولات دیگر شرکت ها و یا در روشهای آزمایشگاه تشخیصی مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان مثال شرکتهای Renishaw Diagnostics ، LamdaGen  Corporation و Ted  Pella نانو ذرات عامل دار شده بر مبنای خاصیت پلاسمونیک ذرات جهت آزمایشگاه های تشخیصی تولید می کنند. از جمله شرکت های موفق فعال در این حوزه را میتوان شرکت GlucoMon نام برد که در سال 2006 حسگرهای قند خون با توانایی ارتباط از طریق بی سیم به درمانگاه و بیمارستان را تولید و با نام تجاری  One-Touch Ultra BG روانه بازار کرده است. پژوهشکده IMS Fraunhofer درآلمان در زمینه زیست حسگرها و ریز تراشه های تشخیص قند خون فعالیت گسترده ای دارد. همچنین شرکت هلندی NovioSense با همکاری پژوهشکده IMS Fraunhofer موفق به تولید حسگرهای تشخیص  قند خون در ابعاد کوچک شده اند که با قرار گرفتن در در مجاورت اشک، میزان قند خون را اندازه گرفته واطلاعات را از طریق بی سیم به رایانه انتقال می دهد ( شکل 5).

شکل 5: حسگر تشخیصی قند خون بی سیم از طریق تماس با اشک

همچنین شرکت Google لنز چشمی تولید کرده که با کمک نانوحسگرها بتواند  گلوکز خون را اندازه گیری نماید ( شکل 6). کنترل لحظه به لحظه انسولین تزریق شده به خون نیز یکی از اهداف کاربردی نانوحسگرها می باشد . شرکت JOANNEUM RESEARCH  HEALTH پروژه ای تحت عنوان SPIDIMAN را با سرمایه گذاریی 6 میلیون یورویی توسط بنیاد تحقیقات و نوآوری اتحادیه اروپا به اجرا گذاشته است. در این پروژه، نانوحسگر، میزان قند خون بیمار دیابتی را تشخیص داده و به صورت بی سیم به پردازنده اطلاع می دهد و پردازشگر با توجه به شرایط بدنی بیمار، به پمپ متصل بر روی پوست بیمار اطلاع داده تا چه میزان انسولین را به بدن تزریق کند (شکل 7).  همچنین گروه تحقیقاتی پرفسور Joseph Wang از دانشگاه California San Diego اختراعات زیادی را در زمینه خالکوبی های تشخیصی مثل حسگرهای اسید لاکتیک را به ثبت رسانده است که مورد توجه بسیاری از سرمایه گذاران و شرکت های بزرگ تولیدی واقع شده است.

شکل 6 : لنز چشمی جهت تشخیص قند خون بیماران دیابتی

 

 

شکل 7 : سیستم کنترل تزریق انسولین

 

 ————————————————————————-

[1]  موسسه Nanomarket به ارائه گزارش های تحلیلی از بازار فناوری و صنایع مربوطه در زمینه مواد پیشرفته، تجهیزات انرژی و الکترونیک می پردازد (http://nanomarkets.net).

 

 

• جمع بندی

نانوحسگرها به دلیل خصوصیات منحصر بفرد خود نظیر کوچک بودن ، قابل حمل بودن و سریع بودن آزمایشات ، تحولی عظیم را در حوزه سلامت به خصوص برای بیمارانی نظیر مبتلایان به دیابت به وجود خواهد آورد. گسترده ترین بازار نانوحسگر در آینده مربوط به حسگرهای حوزه سلامت و پزشکی خواهد بود که بخش عمده آن را نانوحسگرهای تشخیصی خون تشکیل می دهند . احتمال می رود که بازار نانو حسگرهای تشخیصی خون در سال 2021 بالغ بر 97/157 میلیون دلار باشد. شرکت های زیادی در خارج از کشور بر این تجهیزات سرمایه گذاری کرده و دربرخی موارد محصولات خود را نیز تجاری سازی و عرضه نموده اند. در کشور ما تحقیقات بسیار خوب و مورد توجهی در این زمینه انجام می شود.

———————————-

• مراجع

NanoMarkets Report, Nanosensor Markets 2014, Nano-701.

Topics in Fluorescence Spectroscopy for Glucose Sensing. C.D.Geddes, J.R.Lakowicz, SpringerScience+BusinessMedia,Inc, V: 11 (2006).

Towards Smart Tattoos: Implantable Biosensors for Continuous Glucose Monitoring, Y. J. Heo, S. Takeuchi, Adv. Healthcare Mater. P: 43-56, V: 2 (2013).

Nanosensors and nanomaterials for monitoring glucose in diabetes, K. J. Cash , H. A. Clark, Trends in Molecular Medicine, P: 584-593 V: 16 (2010).

Electrochemical Tattoo Biosensors for Real-Time Noninvasive Lactate Monitoring in Human Perspiration, W. Jia, A. J. Bandodkar, G. V.-Ramírez, J. R. Windmiller, Z. Yang, J. Ramírez, G. Chan, J. Wang, Analytical chemistry, P: 6553–6560 V: 85 (2013).

http://nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1329&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1484&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&id=44392&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&id=46223&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&id=46223&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&id=46223&lang=1

http://nano.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&id=45121&lang=1

http://www.mendosa.com/blog/?p=108

http://noviosense.com/test-page-4/

http://www.spidiman.eu/2013-02-07-11-14-58/project-proposal.html

http://bigstory.ap.org/article/google-develops-contact-lens-glucose-monitor

http://joewang.ucsd.edu/index.php?option=com_content&task=view&id=17&Itemid=35

—————————————————

تهیه کنندگان

• احسان فریدی (کارشناس ارشد شیمی تجزیه)
• محسن سروری (دکتری شیمی تجزیه دانشگاه شیراز)

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)

همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================