1. نانو زیست حسگرها (2) تکنیک­های الکتروشیمی
نویسندگان : شبنم هاشم زاده 2-اسماعیل میرزایی

2. کاربردهای فناوری نانو
نانو پزشکی
چهل و پنجم

3. مقدمه
زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی زیرشاخه مهمی از حسگرهای شیمیایی هستند که در آنها از الکترود به عنوان مبدل استفاده می­شود که اطلاعات بیولوژیک را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می­کند.
زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی دسته­ای از حسگرهای الکتروشیمیایی هستند که جزء تشخیص دهنده (گیرنده) آنها عنصر زیستی بوده و قادر به در آمیختن توانمندی تجزیه­ای تکنیک­های الکتروشیمیایی با عملکرد اختصاصی عنصر زیستی است.
گیرنده زیستی بر روی الکترود مناسب تثبیت می­شود و برهمکنش آنالیت (ماده مورد اندازه­گیری) با گیرنده زیستی به تولید علامت الکتریکی (پاسخ آمپرومتری، پتانسیومتری و ...) منجر می­شود که با غلظت آنالیت متناسب است.

4. طبقه­بندی زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی
زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی کاتالیزی (آنزیمی) آنزیم، سلول یا بافت
مزایا: کارایی و گزینش­پذیری بالایی
معایب: پایداری محدود آنزیم­های مجزا، گران بودن برخی آنزیم­ها و گاهاً تخلیص دشوار آنها
رخدادهای سطح یک نوع الکترود آنزیمی گلوکز. تبدیل گلوکز به گلوکونیک اسید با تبدیل فرم اکسید گلوکز اکسیداز ((GOx)ox) به فرم احیای((GOx)red) آن همراه می شود. اکسایش مجدد گلوکزاکسیداز با از دست دادن الکترون همراه است. این الکترون از طریق ماده حدواسط (mediator) به سطح الکترود منتقل شده و ایجاد جریان می کند.
جزء زیستی

5. طبقه­بندی زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی
زیست­حسگرهای تمایلی، که پادتن­ها، گیرنده­های غشایی و یا اسیدهای نوکلئیک بر روی الکترود تثبیت شده اند.
مزایا: حسگرهای بسیار حساس و انتخابی، بسیار مفید برای شناسایی و اندازه­گیری پروتئین­ها
مدلی از یک زیست حسگر ایمنی. E=آنزیم، S=سوبسترا و P=محصول. تصویر بیانگر شناسایی آنتی­ژن توسط بیوسنسور است. آنتی­بادی متصل به آنزیم با فراهم کردن شرایط ساندویچ اختصاصیت شناسایی را افزایش می­دهد و آنزیم با پیشبرد واکنش اکسیداسیون-احیا در سطح الکترود سیگنال الکتروشیمیایی ایجاد می­کند که با میزان برهمکنش آنتی­ژن-آنتی­بادی (حضور آنتی­ژن در نمونه) متناسب است.

6. طبقه­بندی زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی
زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر هیبریداسیون DNA
تلفیق توانایی تشخیصی نوکلئیک­اسیدها (براساس جفت شدن دو رشته مکمل) با انتقال دهنده­های الکتروشیمیایی
مناسب برای تشخیص مولکول­های کوچک نظیر داروها یا مواد سرطان­زا که با DNA دو رشته برهمکنش اختصاصی دارند.
استفاده از زیست­حسگر الکتروشیمیایی DNA برای شناسایی مولکول کوچک دارو. Fc (فروسن) به عنوان برچسب الکتروشیمیایی بکار می رود. حضور مولکول دارویی در نمونه و برهمکنش آن با دو رشته DNA سبب مجاورت Fc به الکتررود و مبادله راحت تر الکترون و پیدایش جریان می گردد.

7. روش­های اندازه­گیری در بیوسنسورهای الکتروشیمیایی
استاتیک (با جریان صفر)
پتانسیومتری مستقیم
تیتراسیون پتانسیومتری
دینامیک (همراه با عبور جریان)
تانسیوستاتیک (با پتانسیل کنترل شده)
ولتامتری
پولاروگرافی
آمپرومتری
گالوانواستاتیک (با جریان کنترل شده)
ایمپدیمتری (سنجش امپدانس)
ترانزیستور اثر میدان

8. پتانسیومتری پتانسیومتری
اندازه­گیری اختلاف پتانسیل بین دو الکترود شناور در یک محلول، وقتی تقریبا جریانی از مدار عبور نمی­کند.
اطلاعات (از نوع غلظت یا فعالیت) درباره ترکیب یک نمونه از طریق پتانسیلی که بین دو الکترود ظاهر می­شود، به دست می­آید.
تیتراسیون پتانسیومتری
تغییرات پتانسیل الکترود در جریان واکنش شیمیایی طی تیتراسیون، در جریان صفر یا ثابت، اندازه گیری می­شود. تغییر ناگهانی پتانسیل در نقطه تعادل پایان اندازه­گیری (نقطه اکی­والان) را مشخص می­کند.
انواع پتانسیومتری:
پتانسیومتری مستقیم
تیتراسیون های پتانسیومتری

9. کرونوپتانسیومتری
با اعمال جریان ثابت یا موج مربعی، پتانسیل به عنوان تابعی از زمان سنجیده می­شود. اساسی­ترین ویژگی کرونوپتانسیومتری، تغییر پتانسیل الکترود کار متناسب با زمان است.
کرونوپتانسیوگرام

10. آمپرومتری آمپرومتری کرونوآمپرومتری
اندازه گیری شدت جریان حاصل از برهمکنش اکسایش یا کاهش گونه الکتروفعال، در پتانسیل اعمال شده، طی واکنش الکتروشیمیایی
اساس آمپرومتری بر رابطه بین شدت جریان انتشار و غلظت ترکیب الکتروفعال استوار است.
الکترود کار (شناساگر) با جزء زیستی شناساگر پوشیده می­شود و نقش مبدل را دارد.
چون بیشتر آنالیت­ها الکتروفعال نیستند، از واسطه­های الکتروشیمی برای واکنش آنالیت در الکترود کار استفاده می­شود.
کرونوآمپرومتری
کرونوآمپرومتری یک تکنیک آمپرومتری است که در آن پله پتانسیل به الکترود کار اعمال شده و جریان به عنوان تابعی از زمان اندازه گیری می­شود.

11. ولتامتری
ولتامتری: مطالعه تغییرات جریان ناشی از واکنش، بین دو الکترود طی تغییرات کنترل شده پتانسیل
ولتامتری زیر مجموعه تکنیک آمپرومتری به شمار می­رود. نوع پتانسیل (DC یا AC) و نحوه اعمال آن (روبشی، پالسی و موج مربعی) انواع مختلف ولتامتری را به وجود می­آورد. ولتاژ بین الکترود شاهد و کار اعمال شده و جریان بین الکترود کار و کمکی اندازه گیری می­شود.

12. نمودار پتانسیل-زمان (چپ) و جریان-پتانسیل (راست) در ولتامتری پالس نرمال
در این روش پتانسیل به صورت پالس­هایی با دامنه فزاینده و فواصل زمانی ثابت به الکترود کار اعمال می­شود. جریان در انتهای هر پالس (که جریان زمینه حداقل است) اندازه­گیری شده و نمودار جریان برحسب پتانسیل رسم می­گردد.
نمودار پتانسیل-زمان (چپ) و جریان-پتانسیل (راست) در ولتامتری پالس نرمال

13. ولتامتری پالس تفاضلی
در ولتامتری پالس تفاضلی پتانسیل به صورت پالس­هایی با دامنه ثابت بر روی یک پتانسیل روبشی فزاینده اعمال می­شود. جریان برای هر پالس در دو مرحله، قبل از اعمال پتانسیل و در انتهای عمر پالس اعمال شده و نمودار حاصل به صورت پیک می­باشد. این روش به دلیل حذف جریان زمینه طی عمل تفاضل و پیک شکل بودن نمودار حد تشخیص پایین و حساسیت بالایی دارد.
نمودار پتانسیل-زمان (چپ) و جریان-پتانسیل (راست) در ولتامتری پالس تفاضلی

14. نمودار پتانسیل-زمان در ولتامتری موج مربعی
ولتامتری موج مربعی، تکنیک ولتامتری تفاضلی با دامنه بزرگ است. پالس­های با دامنه بزرگ و ثابت بر روی پتانسیل روبشی فزاینده سوار می­شوند. اختلاف جریان حاصل (جمع جبری جریان رفت و برگشت) بر حسب پتانسیل روبشی فزاینده رسم می­گردد.
نمودار پتانسیل-زمان در ولتامتری موج مربعی

15. نمودار امپدانس سیستم الکتروشیمیایی
اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی تکنیک موثری برای مطالعه سرعت انتقال الکترون و انتشار در واکنش­های الکتروشیمیایی است. ماهیت امپدانس، مقاومت پیچیده­ای است که به هنگام عبور جریان از مدار متشکل از مقاومت، خازن و القاگر به وجود می­آید. بخش نیمدایره­ای در فرکانس­های بالا به فرایند انتقال الکترون و قسمت خطی در فرکانس­های پایین به پدیده انتشار مربوط می­شود.
نمودار امپدانس سیستم الکتروشیمیایی

16. ترانزیستور اثر میدان (FET)
نوعی ترانزیستور است که از میدان الکتریکی برای کنترل هدایت کانال (ناحیه تهی از حامل­های بار) بین دو الکترود ((source and drain در ماده نیم­رسانا استفاده می­کند. کنترل هدایت الکتریکی: از طریق تغییر پتانسیل میدان الکتریکی الکترود سوم (gate) نسبت به الکترودها
مناسب برای موارد با سیگنال ضعیف یا امپدانس بالا
جایگزینی الکترود gate با سطح حساس بیوشیمیایی تبدیل FET به ابزار حسگری
همراهی تکنولوژی FET با حساسیت بالای نانوساختارهایی مانند نانوسیم و نانولوله­کربنی کاربردهای تجزیه­ای ارزشمندی یافته­اند.

17. ترانزیستور اثر میدان (FET)

18. ویژگیهای زیست حسگر شیمیایی مطلوب
عملکرد کاملا اختصاصی کاتالیزور زیستی بکار رفته در سنسور برای هدف تجزیه­ای مورد نظر پایداری خوب در شرایط طبیعی نگهداری
واکنش مستقل از تغییرات شرایط فیزیکی
دقت، صحت، تکرارپذیری، خطی بودن در محدوده غلظتی مورد نظر و تا حد ممکن فاقد نویز بودن پاسخ سنسور
پروب کوچک، زیست سازگار، بدون اثرات سمی و ایمنی زایی برای بیوسنسورهای بالینی که مستقیما و به صورت تهاجمی (invasive) استفاده می­شوند
امکان آنالیز سریع و در لحظه (Real time)
ارزان، کوچک، قابل حمل بوده و قابلیت استفاده از آن برای افراد غیرمتخصص

19. نانو بیو سنسور ها عوامل موثر برحساسیت نهایی سنسور
تکنیک­های اصلاح سطح، مکانیسم­های تبدیل الکتروشیمیایی مختلف و انتخاب مولکول­های رسپتور تشخیص دهنده
امکان تقویت هر چه بیشتر سیگنال با استفاده از دستاوردهای جدید مبتنی بر نانوتکنولوژی مثل کانال­های یونی طراحی شده در دولایه لیپیدی، کپسوله کردن آنزیم­ها در وزیکول، پلیمرزوم یا کپسول­های پلی الکترولیت
حسگر­های نانو-بیو مثال جالبی از همراهی علوم مهندسی، فیزیک، شیمی و زیست شناسی در مقیاس نانو هستند. تکمیل شکاف بین مبدل و لایه شناساگر زیستی توسط ساختارهای نانو به بهبود عملکرد بیوسنسورها منجر می­شود.

20. آنالیز همزمان چندین آنالیت حساسیت بالا تا حد تک مولکول
نانو بیو سنسور ها
مزایای نانو-بیو سنسورها
آنالیز همزمان چندین آنالیت
حساسیت بالا تا حد تک مولکول
کاهش هزینه
نیاز به مقدار کم نمونه

21. نتیجه گیری
در زیست­حسگرهای الکتروشیمیایی از تکنیک­های مختلف الکتروشیمی برای تبدیل برهمکنش شیمیایی و آشکارسازی آنالیت استفاده می­شود.
تکنیک­های رایج الکتروشیمی که در حسگری رایج می­باشند شامل پتانسیومتری، کرونوآمپرومتری، ولتامتری، سنجش امپدانس و FET است.
طراحی و مهندسی سطح الکترود نقش تعیین کننده­ای در کارایی تجزیه­ای سنسورها دارد.
تلفیق مزایای نانوساختارها با تکنیک­های الکتروشیمیایی در بیوسنسورها در سال­های اخیر موجب پیشرفت­های چشمگیر در حساسیت و قدرت آنالیزی این سیستم­ها شده است.

22. منابع
[1] Joseph Wang, “Analytical Electrochemistry”, third edition, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc,( 2006).
[2] Miroslav Pohanka, Petr Skládal, “Electrochemical biosensors – principles and applications”, J. Appl. Biomed, Vol.6, pp.57–64, (2008).
[3] سید مهدی گلابی، "مقدمه ای برالکتروشیمی تجزیه"، چاپ دوم، تبریز: انتشارات ستوده، (1382).
[4] Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos Voros and Erik Reimhult, “Electrochemical Biosensors - Sensor Principles and Architectures”, Sensors, Vol. 8, pp , (2008).