- فناوری نانو
بهطورکلی فناوری نانو شامل تمامی مسائل مرتبط با ساخت، دستکاری و شناسایی ترکیبات با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر است که بهعنوان یک فناوری پیشرو در بسیاری از حوزههای کاربردی شناخته میشود. فناوری نانو، با ایجاد بستر سختافزاری در کوچکترین مقیاس ممکن، فناوریها و علوم دیگر را نیز توانمند میسازد.
از اصلیترین مزایای استفاده از این فناوری این است که میتوان ساختار مواد را در ابعاد نانو و برای دستیابی به خواصی ویژه، کنترل و بهینهسازی کرد. یکی از جنبههای کاربردی فناوری نانو، استفاده از آن جهت تشخیص و اندازهگیری ترکیبات مختلف، بهویژه مولکولها، ترکیبات و گونههای زیستی مختلف است که در توسعه حسگرهای زیستی مبتنی بر فناوری نانو یا نانوزیستحسگرها[1] متبلور میشود.
تصویر صرفاً جهت استفاده گرافیست
- مولکولهای زیستی
بدن موجودات از انواع مختلفی مولکولها و ترکیبات شیمیایی تشکیل شده است که تحت عنوان مولکولهای زیستی[2] شناخته میشوند. این مولکولها و ترکیبات بزرگ و کوچک، عمدتاً از عناصر کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و فسفر شکل یافتهاند و هرکدام نقش بسیار مهم و منحصربهفردی در حیات موجودات زنده و همچنین تنوع زیستی بر کره زمین ایفا میکنند. مولکولهای زیستی بهطورکلی در چهار دسته اصلی طبقهبندی میشوند [۱-۳]:
- پروتئینها[3]: عمدهترین مولکولهای زیستی حاضر در یک سلول، پروتئینها هستند که از تنوع بسیار گستردهای برخوردار هستند. پروتئینها عمدتاً مولکولهای بسیار بزرگی (ماکرومولکول[4]) هستند که خود از ترکیبات کوچکتری به نام آمینواسیدها[5] ساخته شدهاند. در اصل این پروتئینها هستند که مسئولیت ایجاد عملکردهای آنزیمی[6] در سلول را بر عهده داشته و بدین ترتیب نقش بسیار مهمی در ساختار سلولها ایفا میکنند.
- کربوهیدراتها[7]: این دسته از مولکولهای زیستی که در زبان عامه به قندها نیز مشهور هستند، وظیفه تأمین انرژی سلولها را بر عهده دارند؛ به عبارت دیگر سوختوساز و ادامه حیات سلولها بهشدت وابسته به این نوع ترکیبات است.
- نوکلئیک اسیدها[8]: این دسته از مولکولهای زیستی که شناختهشدهترین انواع آنها DNA و RNA هستند، در اصل منشاء تمام اطلاعات ژنتیکی سلولها بهحساب میآیند. این دسته از مولکولهای زیستی نیز بهنوبه خود از واحدهای کوچکتری به نام نوکلئوتیدها[9] ساخته میشوند.
- لیپیدها[10]: این مولکولها که به زبان ساده تحت عنوان چربی نیز شناخته میشوند، در اصل ترکیباتی با زنجیره هیدروکربنی بلند هستند. لیپیدها مقادیر بسیار زیادی انرژی را در خود نگه میدارند و ازاینرو بهعنوان مولکولهای ذخیرهکننده انرژی[11] نیز شناخته میشوند. لیپیدها (بهویژه ترکیباتی مانند کلسترول[12]) به دلیل خواص شیمیایی و بیوشیمیایی ویژهای که دارند، عمدهترین اجزای سازنده غشای سلولها را تشکیل میدهند.
تصویر صرفاً جهت استفاده گرافیست
- تشخیص و اندازهگیری مولکولهای زیستی
همانگونه که پیشتر اشاره شد، هر دسته از مولکولهای زیستی از تنوع و گستردگی بسیار زیادی برخوردار هستند و هرکدام نیز به نوبه خود دارای خواص فیزیکی، شیمیایی، زیستی و بیوشیمیایی مختلف و منحصربهفردی هستند. از این رو، روشها و فناوریهای مختلفی برای تشخیص و اندازهگیری هریک از آنها توسعه یافته است. از جمله این روشها میتوان به روشهای تجزیه دستگاهی همچون الکتروشیمی[13]، کروماتوگرافی[14]، طیفسنجی[15]، وزنسنجی[16]، حرارتسنجی[17] و غیره اشاره کرد که هریک از آنها نیز دارای زیرمجموعههای متعددی هستند و بسته به نوع و شرایط نمونه مورداستفاده قرار میگیرند. نکته قابلتأمل در رابطه با این روشها این است که پایه و اساس تشخیص و اندازهگیری توسط هریک از این روشها به حسگرهای بهکاررفته در ساختار دستگاه تجزیهگر آنها بستگی دارد. این حسگرها را میتوان به حسگرهای متداول و معمولی، نانوحسگرها[18]، زیستحسگرها[19]، نانوزیستحسگرها[20] و غیره تقسیمبندی کرد[۴].
تصویر صرفاً جهت استفاده گرافیست
- نانوزیستحسگرها
زیستحسگرها یا حسگرهای زیستی در سالهای ابتدایی ظهورشان، بهعنوان ادواتی تعریف میشدند که به گونههای شیمیایی موجود در نمونههای زیستی پاسخ میدهند؛ اما با گذشت زمان حسگرهای زیستی تحت عنوان ادوات تجزیهای تعریف شدند که از یک عنصر تشخیص زیستی[21] یا گیرنده زیستی[22] تشکیلشده و از طریق یک رابط[23] با یک مبدل[24] در تعامل هستند و هر دو با هم (عنصر زیستی و مبدل) غلظت گونه یا گونههای هدف (یا به عبارتی آنالیتها) را به یک سیگنال قابلاندازهگیری تبدیل میکنند (شکل ۱). در چند دهه اخیر، توسعه فراگیر مباحث مرتبط با فناوری نانو و کاربردهای آن منجر به پیدایش دسته جدیدی از حسگرهای زیستی شده است که تحت عنوان نانوحسگرهای زیستی، نانوزیستحسگرها یا زیستحسگرهای نانویی شناخته میشوند.
شکل ۱. طرح شماتیک از یک زیستحسگر نوعی و نحوه عملکرد آن [۵].
نانوحسگریِ زیستی[25] در اصل به معنای تشخیص، تعیین و تجزیهوتحلیل مولکولهای زیستی با استفاده از ادوات تشخیصی نانومقیاس و به صورت گزینشی[26] و با حساسیت[27] و حد تشخیص[28] بسیار بالا است. بدیهی است که تحقق این امر نیازمند اکتشاف، مهندسی، ساخت و استفاده از نانوموادی است که قابلیت استفاده در سیستمهای زیستی را داشته باشند. بر این اساس، میتوان این دسته از محصولات فناورانه را زیرمجموعه بزرگی از نانوزیستفناوری دانست.
توسعه نانوزیستحسگرها بیشک حاصل پیشرفتهای شگرف در حوزه علوم و فناوریهای مختلف در رشتههایی همچون شیمی، زیست، مواد و غیره بوده است. بهنحویکه امروزه نانوزیستحسگرها در بخشهای مختلفی از جمله پزشکی، محیطزیست، غذا و دارو، انرژی و امنیت کاربرد گستردهای پیدا کردهاند؛ بنابراین، دور از انتظار نیست که این حوزه کاربردی بهعنوان یک مبحث بینرشتهای و یک نقطه همگرایی[29] شاخص در میان علوم و فناوریهای مختلف شناخته شود [۴].
- انواع نانوزیستحسگرها
نانوزیستحسگرها را میتوان بر چندین اساس، طبقهبندی کرد. بنیان این طبقهبندیها عموماً تنها بر مبنای یکی از عناصر سازنده نانوزیستحسگرها قرار میگیرد. بر این اساس، میتوان طبقهبندیهای زیر را برای این نانوزیستحسگرها متصور شد [۴, ۶-۱۰]:
- طبقهبندی براساس نوع عنصر زیستی استفادهشده؛ مثل نانوزیستحسگرهای آنزیمی، پروتئینی، DNA.
- طبقهبندی براساس نوع نانومواد استفادهشده؛ مثل نانوزیستحسگرهای بر پایه نانومواد کربنی، فلزی.
- طبقهبندی براساس حوزه کاربردی، مثل نانوزیستحسگرهای مورداستفاده در پزشکی، صنایع غذایی.
- طبقهبندی براساس نوع مبدل استفادهشده؛ مثل نانوزیستحسگرهای الکتروشیمیایی، نوری.
در این میان، طبقهبندی نانوزیستحسگرها بر مبنای نوع مبدل مورداستفادهشده در ساختار آنها را میتوان بهعنوان متداولترین نوع طبقهبندی دانست. بر این اساس، نانوزیستحسگرها به انواع مختلفی همچون الکتروشیمیایی، نوری، مغناطیسی، مکانیکی، حرارتی و غیره تقسیمبندی میشوند.
- بررسی وضعیت بازار جهانی
براساس گزارشات ارائهشده توسط مؤسسات و شرکتهای ارزیابی بازار، بازار جهانی زیستحسگرها در سال ۲۰۰۹ در حدود ۸ میلیارد دلار بوده است که این رقم در سالهای ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷ به ترتیب برابر به ۱۵.96 و ۱۶.9 میلیارد دلار رسیده است. همچنین پیشبینیها حاکی از این است که این بازار تا سال ۲۰۲۰ به ۲۱.2 میلیارد دلار و تا سال ۲۰۲۲ به رقمی در حدود ۲۷ میلیارد دلار خواهد رسید. شکل ۲ وضعیت بازار جهانی زیستحسگرها را در بازه زمانی ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۷ و همچنین پیشبینی حجم این بازار تا سال ۲۰۲۲ را به نمایش میگذارد. در این میان گزارشات جهانی حاکی از این است که بازار جهانی نانوزیستحسگرهای مورداستفاده جهت تشخیص و اندازهگیری مولکولهای زیستی از ۴۲۵ میلیون دلار در سال ۲۰۱۷ به ۶۲۹ میلیون دلار در سال ۲۰۲۵ خواهد رسید [۶-۱۴].
شکل ۲. وضعیت بازار جهانی زیستحسگرها [۶-۱۴].
- معرفی برخی از شرکتهای فعال خارجی
شرکت آمریکایی Abaxis از شرکتهای فعال در حوزه ساخت ادوات پایش بهداشت و سلامتی است که یکی از محصولات این شرکت با نام تجاری Piccolo Express برای اندازهگیری برخی پارامترهای مرتبط با خون و ترکیباتی همچون لیپیدها، آنزیمها، پروتئینها و غیره طراحی و تولید شده است. اساس کار این دستگاه، استفاده از یک سری ادوات میکروسیالی[30] دوار[31] بهعنوان محفظه نمونه (شکل ۳) است که سطوح آن با یک سری نانوذرات خاص پوشش داده شده است. پس از تزریق نمونه به این ادوات میکروسیالی، آن را به دستگاه وارد میکنند و دستگاه پس از چرخاندن محفظه نمونه، براساس الگوریتمهای از پیش طراحی شده اقدام به بررسی نمونه کرده و نتایج حاصل را در اختیار کاربر قرار میدهد [۱۵].
شکل ۳. دستگاه تجاری Piccolo Express ساخت شرکت Abaxis جهت اندازهگیری برخی مولکولهای زیستی [۱۵].
شرکت آمریکایی Affymetrix از جمله شرکتهایی است که زیستحسگرها و نانوزیستحسگرهایی مبتنی بر آرایههای DNA، پروتئین، ژن و برخی گونههای دیگر را برای تشخیص مولکولها و گونههای زیستی مختلف و همچنین فرآیندهای بیان ژن توسعه داده و آنها را به صورت تجاری به بازار عرضه کرده است [۱۶].
شکل ۴. نانوزیستحسگر مبتنی بر آرایه DNA ساخت شرکت Affymetrix برای اندازهگیری گونههای زیستی مختلف [۱۶].
شرکت آمریکایی Vista Therapeutics از جمله دیگر شرکتهای فعال در حوزه ساخت نانوزیستحسگرها جهت تشخیص و اندازهگیری مولکولها و پارامترهای زیستی بهشمار میآید. این شرکت چندین محصول در این حوزه عرضه کرده است که یک نمونه از آنها که مبتنی بر روشهای الکتروشیمیایی است، در شکل ۵ قابلمشاهده است [۱۷].
شکل ۵. نانوزیستحسگر قابلحمل تولید شده توسط شرکت Vista Therapeutics [۱۷].
شرکت انگلیسی Bio Nano Consulting (BNC) که در توسعه و تجاریسازی ادوات مبتنی بر فناوری زیستی فعالیت دارد، یکی دیگر از شرکتهایی است که به ساخت نانوزیستحسگرهای تشخیص مولکولهای زیستی روی آورده است. یکی از محصولات این شرکت که با قیمت ۱۵ دلار به بازار عرضه میشود و دارای کاربری بسیار آسان است، با نام تجاری QELFA شناخته میشود (شکل ۶). این محصول در اصل از تلفیق فناوری نانو با ادوات تست بارداری ساخته شده است و در کنار تشخیص پروتیئنهای مربوط به بارداری در نمونههای ادرار، قادر به تشخیص برخی مولکولهای زیستی دیگر است که مشخصکننده بروز بیماریها یا نارساییهای کلیوی در افراد است [۱۸].
شکل ۶. نانوزیستحسگر تجاری QELFA برای تشخیص بارداری و نارسایی کلیه [۱۸].
- شرکتهای داخلی
با توجه به پیشرفتهای اخیر فناوری نانو در کشور، اقدامات موثری نیز در حوزه تولید نانوزیستحسگرهای مختلف برای تشخیص و اندازهگیری مولکولهای زیستی صورت پذیرفته است. از جمله محصولات تجاری شده در این حوزه میتوان به کیت مبتنی بر تشدید پلاسمون سطح به صورت موضعی یا LSPR[32] حاوی نانوذرات طلا جهت تشخیص مولکولهای زیستی اشاره کرد که توسط شرکت نانومبنا ایرانیان توسعهیافته و به بازار ارائه شده است. این محصول در اصل براساس فرآیند تشدید پلاسمون سطح نانوذرات طلا طراحی شده است و قابلیت تشخیص مقادیر کم از مولکولهای زیستی را دارد [۱۹, ۲۰].
یکی دیگر از محصولات تجاریشده در بازار داخل کشور که در حوزه نانوزیستحسگرهای تشخیص مولکولهای زیستی قرار میگیرد، کیت تشخیص بارداری با نام تجاری ریما است که توسط شرکت زیست ابزار پژوهان طراحی و تولید شده است (شکل ۷). این کیت تشخیصی که حاوی نانوذرات طلا است، بر مبنای اتصالات آنتیبادی-آنتیژن طراحی شده است و قادر به تشخیص سریع بارداری از نمونه ادرار است [۱۹, ۲۱].
شکل ۷. کیت تشخیص بارداری ریما ساخت شرکت زیست ابزار پژوهان [۲۱].
۸. نتیجهگیری
بدن گونههای زنده روی کره زمین از یک سری ترکیبات و مولکولها تشکیل شده که عناصر سازنده سلولهای مختلف را تشکیل میدهند. این مولکولها که شامل پروتئینها، لیپیدها، نوکلئیک اسیدها و کربوهیدراتها هستند تحت عنوان مولکولهای زیستی شناخته میشوند. با توجه به نقش این مولکولها در ادامه حیات، تشخیص و اندازهگیری گونههای زنده، بررسی برهمکنشها و واکنشهای آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است. تاکنون روشها و ابزارهای متعددی برای این امر ساختهشده و به بازار عرضه شدهاند. با این حال پیشرفتهای فناورانه در حوزههای مختلف منجر به پیدایش نسلهای جدیدی از ادوات تشخیص و اندازهگیری مولکولهای زیستی شده است. شاید مهمترین ادوات را بتوان نانوحسگرها و نانوزیستحسگرها دانست. امروزه انواع مختلفی از این ادوات به صورت تجاری در بازارهای جهانی در دسترس قرار دارند. همگام با سایر کشورهای فعال در این حوزه، در سالهای اخیر، اقدامات و پیشرفتهای بسیار موثری نیز در داخل کشور صورت پذیرفته است که منجر به تجاریسازی چندین محصول در این حوزه شده است.
- مراجع
- Marshall, W.J., et al., Clinical Biochemistry E-Book: Metabolic and Clinical Aspects. 2014: Elsevier Health Sciences.
- Voet, D. J.G. Voet, and C.W. Pratt, Fundamentals of biochemistry: life at the molecular level. 2016: Wiley New York.
- http://www.biologydiscussion.com/biomolecules/biomolecules-top-4-classes-of-biomolecules/11169.
- Mun’delanji, C.V. et al. Nanobiosensors and Nanobioanalyses. 2015: Springer.
- Suvarnaphaet, P. and S. Pechprasarn, Graphene-Based Materials for Biosensors: A Review. Sensors, 2017. 17(10): p. 2161.
- http://www.abnewswire.com/pressreleases/global-nano-biosensors-market-size-share-trends-growth-regional-outlook-and-forecast-2025-acute-market-reports_157007.html.
- https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/biosensors-market-798.html.
- https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/biosensors.asp.
- https://www.prnewswire.com/news-releases/biosensors-market-size-worth-usd-212-billion-by-2020–cagr-79-grand-view-research-inc-677602163.html.
- https://www.prnewswire.com/news-releases/global-25-billion-biosensors-market-2022-300539839.html.
- https://www.sensorsmag.com/components/strong-growth-predicted-for-biosensors-market.
- https://www.marketresearch.com/9Dimen-Research-v4004/Global-Nano-Biosensors-Research-10936226/.
- https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/global-nano-biosensors-market-industry.
- http://www.acutemarketreports.com/report/nano-biosensors-market-report.
- https://www.abaxis.com/.
- https://www.affymetrix.com/site/mainPage.affx.
- http://www.vistatherapeutics.org/.
- http://www.bio-nano-consulting.com/.
- ستاد ویژه توسعه فناوری نانو؛ کتاب محصولات فناوری نانو ساخت ایران؛ ویراست چهارم؛ پاییز 1396؛ قابل دسترسی در: http://nano.ir/page/1/2371.
- http://www.nanomabna.com/.
- http://zistabzar.com/.
[1] Nanobiosensors
[2] Biomolecules
[3] Proteins
[4] Macromolecules
[5] Amino Acids
[6] Enzymatic Functions
[7] Carbohydrates
[8] Nucleic Acids
[9] Nucleotides
[10] Lipids
[11] Energy Storage Molecules
[12] Cholesterol
[13] Electrochemistry
[14] Chromatography
[15] Spectroscopy
[16] Gravimetry
[17] Thermography
[18] Nanosensors
[19] Biosensors
[20] Nanobiosensors
[21] Biological Recognition
[22] Bioreceptor
[23] Interface
[24] Transducer
[25] Nanobiosensing
[26] Selective
[27] Sensitivity
[28] Detection Limit
[29] Convergence Point
[30] Microfluidic Devices
[31] Rotary
[32] Localized Surface Plasmon Resonance
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- گروه تخصصی کیمیافناور
کارگزار حوزه آب، محیطزیست و پزشکی ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[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 دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
