کتاب نانوزیست حسگرها در تشخیص بیماری ها

فصل 1 9
مقدمه 9
تشخیص در بیماری 10
حسگرهای الکتروشیمیایی 14
مقاومت شیمیایی 15
حسگرهای پیزوالکتریک 17
بینی های الکترونیکی 18
سطح تغییر از حسگرها 19
نانوتکنولوژی و نانوبیوسنسورها برای تشخیص دیابت 21
نانوبیوسنسورها برای تشخیص سرطان 23
اصل و عمل از نانوبیوسنسورها 32
گرافیکی کربن مبتنی بر نیترید نانوبیوسنسورها 33
فصل 2 37
تشخیص آلزایمر و بیماری پارکینسون 37
تشخیص اسکلروزیس چندگانه 38
نانوبیوسنسورها مبتنی بر نقطه کوانتومی 41
نانوبیوسنسور بر پایه پلیمر 43
تاو پروتئین ها 47
حسگر زیستی فن آوری 47
حسگرهای زیستی توسعه یافته برای شناسایی تاو پروتئین 49
حسگرهای زیستی دیگر 51
فصل 3 53
نقش حسگر ها در ویروس ها 53
تکنیک سنتی و تشخیص جاری استراتژی ها 56
تکنیک سنتی 56
تشخیص تکنیک جاری 59
نانوبیوسنسورها برای تشخیص SARS-CoV-2 60
نانوبیوسنسورها بر پایه اکسیدهای فلز 60
نانوبیوسنسور بر پایه کربن 66
منابع و مآخذ 71

نانوبیوسنسورها برای تشخیص سرطان

تشخیص سرطان ریه

سرطان ریه (LC) در میان سرطان ها، مسئول میلیون ها نفر مرگ و میر از سراسر جهان است. این نوع سرطان که به دلیل علائم آن (یا به طور کلی فقدان آنها) تشخیص در مراحل بعدی اتفاق می افتد و درمانش یک چالش است. در نتیجه، ابزارهای رایج تشخیصی شامل اشعه ایکس قفسه سینه، توموگرافی کامپیوتری با دوز پایین (CT)، تجزیه و تحلیل از طریق خلط سیتولوژی، برونکوسکوپی، و سایر نمونه‌برداری‌های ندول یا بافت توده‌های مشکوک یک روش تشخیصی سریع و دقیق مورد نیاز است. علاوه بر این، پرسنل متخصص ملزم به انجام آنها هستند. برخی از امضاهای زیستی مرتبط با بافت توابع به موازات روش های ذکر شده نشانگرهای ژنتیکی (RASSF1A، جهش یافته K-ras، p53 جهش یافته، و غیره) و (مارکرهای پروتئینی VEGF، CD59، و غیره)، برای اطمینان تشخیص داده می شوند. اما گاهی اوقات نتایج غیر قابل اعتماد به مشکلات در تشخیص LC کمک می کند. بنابراین، روش‌های تشخیصی جایگزین بسیار پیشنهاد می‌شوند و EBA بسیار است امیدوار کننده انتخاب در میان را اصلی مزایای از EBA برای LC تشخیص هستند را ذیل:

(الف) سادگی نمونه تنفس؛ (ب) فرآیند جمع آوری نمونه؛ (ج) تولید کم هزینه؛ (د) قابلیت حمل حسگرهای EBA و (ه) روش غیر تهاجمی.

VOCهای بازدم شده از بیماران مبتلا به انواع مختلف بیماری سرطان هستند. خوشبختانه، در برخی موارد، گازهای خاصی شناسایی می شوند که این امکان را فراهم می کند تشخیص هر نوع سرطان به ویژه، فرآیندهای متابولیک تخصصی که ظاهر شد در موارد LC محصولات منحصر به فردی منتشر شود که ممکن است به عنوان تشخیص دقیق LC شاخص های قوی در نظر گرفته شود. در میان محصولات متابولیک، ترکیبات فرار یا مولکول ها که هستند نامحلول به خون می توان در رفتن از طریق نفس كشيدن و می توان بودن مورد بهره برداری به عنوان نشانگرهای زیستی قرار گرفت. آلدهیدها، مشتقات معطر، هیدروکربن ها و الکل ها رایج ترین ترکیبات در موارد LC هستند. به ویژه، آلدئیدهای ناشی از متابولیک روند از آنها متناظر الکل ها هستند پشتیبانی از جانب ADH و ALDH آنزیم ها و به عنوان نشانگرهای سرطان زایی در نظر گرفته می شوند. هگزانال و استالدئید با فشار اکسیداتیو و DNA خسارت، به ترتیب بنزن، تولوئن، و 2،5-دی متیل فوران مربوط به سیگار کشیدن است و به عنوان اجزای تنباکو در بیماران LC یافت می شود. نوسان قابل توجه ایی که در الکل غلظت ها است که در موارد LC ریه سرطان سلول ها است معمولا هگزانول و اتیل تولید کردند. مقداری از را اکثر مشخصه نشانگرها از LC هستند. فراوانی از حسگرها برای LC تشخیص را حسگرها که دقت بالاتر و حساسیت را نشان می دهد. برای شروع، سنسورها باید چند منظوره باشند، متشکل از آرایه های جداگانه هر یک از آنها باید به گونه ای طراحی شوند که با گروه خاصی از ترکیبات بازدمی انتخابی باشند. شناسایی نمادها یا الگوها نیاز به تشخیص همزمان VOC های مختلف دارد. بنابراین، ساختار آنها بسیار پیچیده است با توجه به محاسبه لازم بردارهای مختلف ترکیب آرایه های منتهی به نهایی نتیجه، ولی آنها تأثیر است قابل توجه

نانومواد نقش مهمی در این نوع حسگرها ایفا می کنند، زیرا استفاده از آنها در توسعه از نانوحسگرها می توان تشخیص رشته از EBA را بهبود داد. به دلیل خواص منحصر به فرد نانوذرات، آنها می توانند عملکرد حس را از نظر دقت، حساسیت، حد تشخیص و گزینش پذیری هفت مطالعات قدیمی که کاربردی ترکیبی از آرایه ها و آنالیت ها بهبود بخشند.

مطالعه بینسون و همکاران مشخصه این بود که آنها از یک دستگاه تشخیص متشکل از پنج حسگر (TGS 822، TGS 826، TGS 2600، TGS 2610، و TGS 2620) را مورد بررسی قار دادند. به طور مشخص، TGS 2600 میتوانست تشخیص اتانول، متان، ایزوبوتان، و CO (100-1 پی پی ام)، در حالی که TGS 2610 قادر به تشخیص اتانول، پروپان، متان و ایزوبوتان (300-10000 ppm). TGS 2620 هدف قرار گرفته است.  CO، اتانول، ایزوبوتان، و متان (50-5000 ppm) در حالی که TGS 822 میتوانست تشخیص استون، بنزن، اتانول، و متان (50-5000 ppm) و TGS 826 و اتانول، آمونیاک، ایزوبوتان، و هیدروژن (30-300 ppm) شناسایی شده است. این سیستم e-nose فرکانس نمونه برداری 8 هرتز را ارائه می دهد.

دونگ مین کیم و همکاران یک سنسور آمپرومتریک مبتنی بر دندریمر/AuNP- توسعه داده است. الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده (GSE). AuNP ها در یک لایه میانی بین الکترود و دندریمر کمک کرد به را بیشترین هدایت برای را موفقیت آمیز تکیه از دو مهم پروتئین نشانگرها، انکسین II و MUC5AC، برای را زود تشخیص از LC. بنابراین، این دستگاه به طور غیر مستقیم تشخیص LC را ارائه کرد. علاوه بر این، CNT ها و نقاط کوانتومی می توانند به تشخیص غیر مستقیم کمک کند. مازون ایجاد شده یک بازدم نفس LC امضای زیستی، اعمال کردن رنگ سنجی آرایه حسگر مجهز به رنگ های واکنش پذیر شیمیایی کرد. آنها نشان دادند که تشخیص دقت (81.1٪) هنگامی که بافت شناسی خاص ارزیابی شده با در نظر گرفتن وجود دارد عوامل خطر بالینی افزایش می یابد. علاوه بر این، یک ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکونی اصلاح شده (SiNW FET) که دقت بالایی برای تشخیص LC و تبعیض از طریق نشان داد کم- و درجه بالا سرطان ها بود توسعه یافته است.

متالوپورفیرین ها 81 درصد حساسیت و تقریباً 100 درصد ویژگی را با تشخیص LC از طریق بررسی کامل نشان داده اند. حتی اگر دقت، حساسیت، و ویژگی بالا (> 85٪) بود، نمونه آزمایش شده کوچک بود. بنابراین، مطالعات بیشتر باید برای تأیید این یافته ها انجام شود. علاوه بر این، متالوپورفیرین ها، مشتقات پورفیرین و NaFluo بود بررسی شده، نشان می دهد خوب حساسیت NaFluO بود ثابت شده است. برخی از نتایج مشخصه، به دست آمده توسط چندین مطالعات تمرکز کردن بر LC تشخیص از طریق EBA، هستند نشان داده شده است.

سرطان سر و گردن (HNC) هشتمین بدخیمی شایع در سراسر جهان است. HNC یکی از علل شایع مرگ و میر است. به طور خاص، کارسینوم سلول سنگفرشی شامل بیش از 90٪ از تمام HNC ها می شود و به طور معمول در پوشش مخاطی حفره دهان، اوروفارنکس، نازوفارنکس، هیپوفارنکس، سینوازال تراکت و حنجره ایجاد می شود.

شکل 1-1. مناطق سرطان در سر و گردن

به دلیل پیچیدگی و تداخل با عملکردهایی مانند تنفس، غذا خوردن و گفتار، تشخیص کارسینوم سلول سنگفرشی نیاز به معاینه بالینی کامل دارد. علاوه بر این از توموگرافی مغناطیسی رزونانس تصویربرداری (CT/MRI) و بیوپسی محاسبه شده است. احتمال تشخیص تومورهای دستگاه گوارش فوقانی از طریق تجزیه و تحلیل نفس بالا است، زیرا VOC های مرتبط آنها از متابولیک های مختلف تولید می شوند و مسیرهای سلولی، به ویژه در مراحل اولیه، قابل تشخیص است. به گفته گروبر به طور قابل ملاحظه سنگفرشی سلول سرطان (HNSCC) بیماران و سالم اشخاص حقیقی، چنین مانند نیتریل ها به عنوان مثال، پروپانیتریل و غیره ، الکل ها به عنوان مثال، اتانول، و غیره و آلکان ها به عنوان مثال، undecane، و غیره متمایز بین سر و گردن هستند.

تشخیص HNSCC در مراحل اولیه از طریق بالینی ماکروسکوپی تقریبا غیرممکن است علائم تا زمانی که بیماران علائم شدیدتری را تجربه نکنند درمان به آنها ارجاع داده نمی شود. به علاوه ارزیابی این دلیل، شامل یک تست نفس خلاقانه بود. HNSCC توانست با حساسیت 80 درصد و ویژگی 86 درصد تشخیص دهد. این پروتکل ممکن کمک کند که در را تشخیص از HNSCC، مانند یک ابزار اضافی ولی به علاوه پژوهش برای بهبود دقت تشخیصی آن برای مراحل اولیه مورد نیاز است. لونیس و همکاران با  بینی الکترونیکی و با90٪ حساسیت و 80٪ ویژگی بیماران HNSCC را از افراد  بدخیمی متمایز کرد. بنابراین، بینی الکترونیکی ممکن است یک ابزار تشخیصی بالقوه برای HNSCC بینی الکترونیکی مبتنی بر پلیمر (سیرانوز 320) استفاده شد توسط آنزیوینو و همکاران در یک گروه 45 نفری (15 نفر مبتلا به HNC، 15 نفر با رینیت آلرژیک و 15 کنترل) و قادر به تشخیص 93.3٪ حساسیت بود. نمونه ها از بیماران با HNC از جانب کنترل ها و از جانب آن ها با حساسیتی رینیت است.

در یک مطالعه امکان سنجی، Van de Goor و همکاران، با استفاده از بینی الکترونیکی (aeoNose)، توانستند تمایز بین 40 بیمار (20 مورد HNSCC بدون هیچ شواهدی از بیماری و 20 بیمار پیگیری با HNSCC عودکننده موضعی یا دوم/سوم HNSCC اولیه، با حساسیت 85٪ و ویژگی 80٪. دقت تشخیصی این مطالعه امکان استفاده از نانو دستگاه‌های بینی الکترونیکی را برای تشخیص عود یا عود نشان می‌دهد HNSCC اولیه پس از درمان، و نویسندگان معتقدند که این رویکرد روش استاندارد برای تشخیص دقیق بیماران پیگیری با HNSCC و تشخیص آنها از جانب آن ها بدون بدخیم بیماری کمک خواهد کرد.

مستقر بر را طرح از  مقیاس نانو ساختگی بینی (NA-Nose) از جانب Tisch و هیک حکیم و همکاران از یک NA-NOSE سفارشی استفاده کرد که بر اساس آرایه ای از واکنش متقاطع بود. حسگرهای گاز شامل از کروی طلا نانو ذرات که می توان متمایز کردن بین ناهمسان بو، تشکیل یک سیستم بویایی مصنوعی و حساسیت نسبت به گیج کننده عوامل (مثلا سن، جنسیت، محیط، عادات سیگار کشیدن) حداقل بود.

نانوبیوسنسورها دستگاه‌هایی هستند که از یک کاوشگر بسیار کوچک و هر شکلی از فناوری الکتریکی، نوری یا مغناطیسی برای شناسایی و تجزیه و تحلیل یک فرآیند بیوشیمیایی یا بیولوژیکی استفاده می‌کنند. امروزه با افزایش جمعیت، نانوبیوسنسورها به طور گسترده ابزارهایی الکترو تحلیلی برای تشخیص به موقع بسیاری از بیماری های عفونی (دنگی، هپاتیت، سل، لوسمی و غیره)استفاده می شود و بیماری های غیره کشنده مانند سرطان پروستات، سرطان سینه و غیره در مراحل اولیه خود هستند. در مقایسه با کلاسیک یا روش‌های تحلیلی سنتی، نانوبیوسنسورها مزایای قابل‌توجهی دارند، از جمله محدودیت در تشخیص کم، انتخاب‌پذیری و حساسیت بالا، مدت زمان تجزیه و تحلیل کوتاه‌تر، قابلیت حمل آسان‌تر، زیست سازگاری و سهولت کوچک‌سازی. برای نظارت در محل نانوبیوسنسورها بسیار شبیه به حسگرهای زیستی هستند. به روش های متعددی طبقه بندی می شوند یا بسته به مولکول های بیولوژیکی، مانند آنزیم ها، آنتی بادی ها، و آپتامر، یا با اصول کار، مانند نوری و الکتروشیمیایی. نانوبیوسنسورهای مختلفی مانند ولتامتری سیکلی، آمپرومتریک، امپدیمتری و غیره برای پایش به موقع بیماری‌های عفونی و کشنده در مراحل اولیه مورد بحث قرار گرفته‌اند. عملکرد و کارایی نانوبیوسنسورها را می توان با استفاده از انواع نانوساختارهای مهندسی شده، که شامل نانولوله ها، نانوذرات، نانوحفره ها، تک لایه های خود چسب، نانوسیم ها و نانوکامپوزیت ها می شود، افزایش داد. در اینجا، این بررسی کوچک، کاربرد مواد دو بعدی (2 بعدی)، به ویژه نیترید کربن گرافیتی (gC ₃ N ₄ )، اکسید گرافن، فسفر سیاه و MXenes را برای ساخت نانوبیوسنسورها و کاربرد آنها برای تشخیص بیماری های عفونی مختلف در مراحل اولیه است.

حسگرهای زیستی دستگاه‌هایی هستند که برای استفاده از یک عنصر شناسایی بیولوژیکی، به عنوان مثال آنتی‌بادی‌ها، آنزیم‌ها یا الیگونوکلئوتیدها طراحی شده‌اند و پاسخ بیوشیمیایی حاصل از برهمکنش این عنصر با آنالیت مورد نظر را به یک فیزیکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند. مبدل، گیرنده زیستی و آشکارساز هستند. سه اساسی قطعات از حسگر زیستی برای شناسایی متابولیت های اصلی مختلف، ترکیبات ایمنی و سایر مواد استفاده شده است. محبوبیت حسگرهای زیستی مبتنی بر تمایل از این واقعیت ناشی می‌شود که می‌توانند تغییرات را در یک سطح محصور تشخیص دهند و اهداف سنجش را در محلول آسان‌تر کنند. حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی، زیست گزینش پذیری ذاتی جزء بیولوژیکی را با حساسیت تکنیک های الکتروتحلیلی ترکیب می کنند. این بیولوژیکی نانوبیوسنسور آنالیت آن (شکل زیر) را تشخیص می دهد. ، منتهی شدن به یک رویداد اتصال یا کاتالیزوری که در  نهایت یک سیگنال الکتریکی اندازه‌گیری شده توسط یک مبدل که متناسب با غلظت آنالیت تولید می‌کند.

شکل 1-2. شماتیک یک حسگر نانوبی با الکتروشیمیایی مبدل و سایر ترکیبات

شکل بالا شماتیکی که یک حسگر نانوبی با الکتروشیمیایی مبدل و سایر ترکیبات را نشان می دهد. نانوبیوسنسور یک حسگر زیستی است که در مقیاس نانو است. هر دستگاه نانومقیاس با ویژگی هایی مانند تعیین کمیت و به طور خاص تشخیص مقدار نسبتاً کم یک ماده یا زوج تنها ذره نانوبیوسنسور یا که در به عبارت دیگر ، نانوحسگرهای شیمیایی یا فیزیکی هستند که از جانب مقیاس نانو اجزاء (اغلب میکروسکوپی یا زیر میکروسکوپی که در اندازه ساخته شده است). این رشته در زمینه های علمی، شامل مواد علوم پایه، فیزیک، علم شیمی، بیوشیمی و مهندسی از نانوبیوسنسورها است. ویژگی های فیزیکوشیمیایی متمایز نانومواد (NMs) برای دستیابی به حساسیت بالا ، دقت درست و قابل اعتماد بودن از نانوبیوسنسورها ، به ویژه برای کاربردهای مرتبط با پزشکی، مانند نظارت و تشخیص شروع یک بیماری نشان می دهد. این از یک مبدل سیگنال و اجزای تشخیص تشکیل شده است. معمول اجزاء از حسگر زیستی هستند که در شکل زیر نشان داده شده است. بیولوژیکی به رسمیت شناختن مولکول است مکررا نصب شده است بر سطح علامت مبدل که در نانوبیوسنسورها ناشی از به ماهیت ناهمگن تعامل بین عنصر شناسایی زیستی و هدف، عملکرد نانوبیوسنسور به ساخت و ساخت رابط زیست حسگر وابسته است. برای تشخیص مولکولی نشانگرهای زیستی مرتبط با تشخیص بیماری، نانوبیوسنسورها اغلب استفاده می‌شوند. استفاده از نانومواد جدید در حسگرهای زیستی تأثیر قابل توجهی بر آن زمینه مطالعاتی دارد. حساسیت بالاتر و زمان واکنش سریعتر دارند بوده به نانوبیوسنسورها توسط سطح بزرگ حوزه نانو مواد دست آورد. این کتاب به تشریح پیشرفت‌ها در تشخیص بیماری، به‌ویژه از طریق استفاده از نانوبیوسنسورها به تشخیص مولکولی نشانگرهای زیستی، چنین مانند پروتئین ها و هسته ای اسیدها می‌پردازد.

ترکیبات مصنوعی متعدد، مانند آنتی بادی ها، اسیدهای نوکلئیک، آنزیم ها، آپتامرها (که مولکول های اولیگونوکلئوتیدی یا پپتیدی هستند) و سایرین، نمونه هایی از عناصر شناسایی هستند. تشخیص پزشکی، به ویژه، از نانوذرات با خواص عالی برای اتصال اسید نوکلئیک یا پپتید شیمیایی استفاده می کند، در نتیجه حساسیت تشخیص را افزایش می دهد. پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانوبیوسنسورها، استفاده از آنها را برای تشخیص بالینی و تجزیه و تحلیل‌های بیوشیمیایی ساده کرده است. سه روش شناخته شده برای به دست آوردن مواد در مقیاس نانو عبارتند از: مونتاژ از پایین به بالا، لیتوگرافی از بالا به پایین و مولکولی. بنابراین، چندین بررسی ها و مطالعات تمرکز کردن بر را پیشرفت از حسگرهای زیستی مستقر بر نانو مواد دارند بوده منتشر شده که در این مرور، سعی شد انواع مختلفی از مواد نانو، عمدتاً مواد دو بعدی (2 بعدی) مانند نیترید کربن گرافیتی (gC ₃ N ₄ )، اکسید گرافن، فسفر سیاه و MXen ها را پوشش دهد. که برای ساخت نانوبیوسنسورهای الکتروشیمیایی استفاده شده است. برای تشخیص و تشخیص بیماری های عفونی به کار گرفته شده اند. در مقایسه با سایر مواد، مواد دوبعدی به دلیل باز بودن اصلاح مکانیکی، الکترونیکی، نوری و مغناطیسی خواص مواد در سیستم‌های دوبعدی آسان‌تر از انبوه ذاتی و کنترل دستگاه در تعامل با محرک های بیرونی بسیار موثر هستند.