ساخت بیوحسگر محرک سیستم عصبی توسط محققان کشور

سه‌شنبه ۱۲ دی ۱۳۹۱ - ۱۰:۰۲

محققان دانشگاه صنعتی شریف از طریق نانولوله‌های کربنی موفق به ساخت بیوحسگر گلوتامات با استفاده از روش فوتولیتوگرافی شده و اثر تراکم نانولوله‌های کربنی در ساختار آرایه الکترودی تهیه شده را بر عملکرد آن مورد ارزیابی قرار دادند.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، این روش ساخت الکترود، جایگزین ارزان و ساده‌ای برای روش لیتوگرافی بیم الکترونی بوده که می‌تواند چندین بار مورد استفاده قرار گیرد.

نیاز به دستگاه‌های اندازه‌گیری قابل حمل درون بدن با حساسیت بالا که قادر به اندازه‌گیری غلظت‌های اندک گونه‌های آنالیت در حجم‌های بسیار کوچک باشد، انگیزه مهمی در تغییر اندازه الکترودها از ماکرو به میکرو بوده است.

مزایای استفاده از میکروالکترودها در مقایسه با ماکروالکترودها تا حد زیادی به شکل گیری سریع انتقال جرم نفوذی در یک هندسه شعاعی (سه بعدی) و کاهش عوارض مقاومت و در نتیجه افزایش سرعت انتقال جرم، چگالی جریان و نسبت سیگنال به نویز است.

این اثرات در گذار از میکروالکترودها به نانوالکترودها برجسته‌تر خواهد شد. یک نانوالکترود منفرد، یک جریان کوچک تولید می‌کند که تشخیص آن با دستگاه‌های الکتروشیمیایی معمولی دشوار است. ساخت آرایه یا گروهی از نانوالکترودها با ساختار واحد سبب تقویت جریان اندازه‌گیری شده‌ که منجر به افزایش قابل توجه در نسبت سیگنال به نویز می‌شود.

ساخت نانوالکترودها عمدتاً بر اساس روش‌های توسعه یافته با استفاده از صنعت نیمه‌هادی با کمک فناوری فیلم نازک صورت می‌گیرد. انتخاب مواد الکترود برای ساخت آرایه نانوالکترودها به طور کلی تعیین کننده خواص سنجشی دستگاه است. نانوالیاف کربن و نانولوله‌ها، با استفاده از ابزار لیتوگرافی پرتو الکترونی الگودار، نتایج امیدوار کننده‌ای برای تحقق کوچک کردن بیوحسگرهای نانوالکترودی نشان داده‌اند.

این مواد دارای هر دو مزیت استفاده از آرایه کوچکتر از میکروالکترود و خواص منحصر به فرد الکترو شیمیایی نانولوله‌های کربنی از جمله بهبود حساسیت در بیوحسگرهای الکتروشیمیایی هستند.

به دلیل فعالیت ذاتی الکتروکاتالیستی این الکترودها نسبت به اکسایش H2O2 و NADH و تقویت سیگنال‌های الکتروشیمیایی، این الکترودها را می‌توان به عنوان بیوحسگرهای آنزیمی استفاده کرد. به خصوص نانولوله‌های کربنی با آرایش عمودی با از میان برداشتن مشکلات پراکندگی و انتقال نانولوله‌ها و ارائه اتصال خوب و تماس الکتریکی بدون استفاده از چسباننده، از نظر کاربردی دارای اهمیت بسیار بالایی هستند. آنها همچنین از تخریب آنزیم در سطح الکترود جلوگیری می‌کنند.

محققان این طرح، یک بیوسنسور گلوتامات بر پایه نانولوله‌های کربنی با آرایش عمودی با استفاده از فوتولیتوگرافی همراه با حکاکی توسط یون فعال «RIE: Reactive Ion Etchin g» به عنوان یک مرحله پس پردازش برای جایگزینی لیتوگرافی پرتو الکترونی ساختند و عملکرد آن را با بیوحسگر ساخته شده قبلی توسط همین گروه مورد مقایسه قرار دادند.

طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و ولتامتری چرخه‌ای برای بررسی عملکرد آرایه‌ها با توجه به رژیم‌های نفوذ مختلف انجام شد. نتایج حاکی از آن بوده است که آرایه‌ی ساخته شده‌، ولتاموگرام چرخه‌ای سیگمود (Sigmoid) با جریان حالت پایا تحت کنترل نفوذ شعاعی نشان می‌دهد.

آرایه عمودی نانوالکترود نانوله کربنی و نیز آرایه عمودی نانولوله کربنی با تراکم بالا به عنوان بیوحسگرهای الکتروشیمیایی گلوتامات که یک اسید آمینه مهم در متابولیسم‌های حیاتی بوده و به عنوان یک انتقال دهنده عصبی تحریک در سیستم عصبی مرکزی عمل می‌کند، به کار برده شدند.

این محققان همچنین اثر چگالی نانولوله‌های کربنی را بر اساس تشخیص ولتامتری گلوتامات، بررسی کردند. دهیدروژناز گلوتامات با پیوند کووالان به نوک نانولوله‌های کربنی متصل می‌شود. به دلیل افزایش اثرات نفوذ شعاعی به نفوذ مسطح در سطح الکترود، حتی تغییرات کوچک در غلظت گلوتامات می‌تواند تغییر قابل توجهی در پاسخ الکترود ایجاد کند.

آرایه نانوالکترودهای نانولوله کربنی با آرایش عمودی ساخته شده از طریق روش ساده فوتولیتوگرافی ترکیب شده با تکنیک RIE، جایگزین ارزان و ساده‌ای در مقایسه با روش لیتوگرافی پرتو الکترونی برای دستیابی به الکترودی در محدوده مساحت μm2 200 x 200 ارائه می‌دهد.

سطح الکترود را بعد از هر اندازه‌گیری می‌توان با روش الکتروشیمیایی تجدید کرده و برای چندین بار مورد استفاده قرار داد. آرایه به دست آمده ولتاموگرام سیگمودی قویتر و طیف امپدانس بهتری را نشان می‌دهد که می‌تواند توسط مکانیسم نفوذ شعاعی به آرایه نانوالکترودی توضیح داده شود.

با استفاده از این الکترود، حد تشخیص بسیار عالی پایین‌تر از 10 نانومتر برای گلوتامات به دست آمد. این نتایج امیدوارکننده، الکترود پیشنهادی را انتخاب مناسبی برای تشخیص طیف گسترده‌ای از نشانگرهای زیستی می‌سازد.

با پیشرفت سریع علم، نیاز بالا برای سیستم‌های کوچک اندازه‌گیری در زمینه‌های مختلف علوم زندگی مدرن وجود دارد که آرایه نانوالکترودها در حال حاضر کاندیدای مناسبی بعنوان تکنولوژی کوچک سازی سیستم‌های آنالیز هستند.

نتایج این کار تحقیقاتی که توسط سعید شاهرخیان، اعظم قلی‌زاده و تیم همراه صورت گرفته است، در مجله Analytical Chemistry (جلد 84، ژوئن سال 2012 ) منتشر شده است.