مقاله کشف عوامل بیولوژیک با استفاده از نانوفتونیک

بخشی از مقاله

چکیده

نانوفوتونیک بطور گسترده اثرات تحقیقات زیست پزشکی و فناوری برای مطالعه و کشف عوامل بیولوژیک، اصول تعامل و پویایی در سطح سلول / تک مولکول، و همچنین برای کاربردهای درمانی نور هدایت شده و فعال شده با استفاده از نانوپزشکی می باشد. نانوپزشکی یک زمینه در حال ظهور است که با سودمندی نانوذرات در توسعه روش های جدید تشخیص با حداقل تهاجم برای تشخیص زود هنگام بیماری ها، همچنین برای تسهیل دارورسانی هدفمند ، اثربخشی درمان، و نظارت بر زمان واقعی از عمل دارو سر و کار دارد.

نانوفوتونیک فرد را قادر به استفاده از تکنیک های نوری برای ردیابی مصرف دارو، روشن شدن مسیر سلولی آن و نظارت بر تعاملات درون سلولی متعاقب آن می کند. برای این هدف، مطالعات bioimaging، biosensing با استفاده از پروب های نوری، می توانند بسیار ارزشمند باشند. نانوذرات حاوی پروب نوری، عوامل درمانی نور فعال شده، و گروه های حامل ویژه که می توانند نانوذرات را به سلول یا بافت بیمار شده هدایت کنند و دارورسانی هدفمند را به یک فرصت برای نظارت بر زمان واقعی از اثربخشی دارو فراهم کنند.

.1 مقدمه

نانوفوتونیک به بررسیهای برهم کنش های بین نور و ماده در مقیاس نانو گفته میشود. در این شاخه به کاربردهای کریستالهای فوتونیکی در کشف عوامل بیولوژیک پرداخته میشود. مفهوم نانوفوتونیک تلفیقی از دو حوزه تشکیل دهنده آن یعنی علم فوتونیک و فناوری نانو میباشد. فناوری نانو طبق تعریف عبارت است از دستکاری ماده در سطح مولکولی و اتمی به منظور ایجاد ساختارهای مهندسی شده برای کاربردهای معین میباشد. اپتیک، لیزر، الکترونیک نوری، حسگرهای نوری، و مخابرات نوری از گونه های اصلی این علم هستند. کاربردهای نانوفوتونیک را میتوان به هفت دسته کلیدی شامل نمایشگرها، دیودهای نورافشان، سلول های خورشیدی، حسگرها و جفتگرهای نوری، لیزرهای دیودی، لیتوگرافی با لیزر، و فیبرهای ویژه تقسیم بندی کرد.

در طول سال ها، نانوفوتونیک از توسعه مواد در نیمه رساناها و مفاهیم توسعه در فیزیک اتمی و خود سامانی در علوم شیمی سود برده است و این مسئله منجر به این شده است که بازه وسیعی از مفاهیم و کاربردها زیر چتر نانوفوتونیک قرار گرفته و راهی را به سوی فوتونیک مولکولی باز کرده اند که چشم انداز فوق العاده ای را به ما مینمایاند .اگر چه هنوز اپتیک و لیزر ابزارهای مقدماتی در تجارت نانو هستند، ولی جالب است ذکر کنیم که در حالی که فوتونیک بیشتر شامل تجهیزات سامانه ها و زیرسامانه ها است، نانوفوتونیک بیشتر به کاربردهای فناوریهای اپتیکی موجودبرای ساخت، دستکاری و تصویربرداری از اشیاء در قطع های نانوئی و مولکولی میپردازد. در حقیقت یکی از کاربردهای اصلی نانومقیاس در فناوریهای نوری تعیین مشخصات است، که در کاربرد فلوئورسانس و طیف نمائی نوری و تکنیک های مرتبط در تحقیقات برای تعیین مشخصات بهتر با ابزاری مانند مواد نانولوله ای و فرآیندهای مولکولی شاخص ترین موارد هستند.

.2 تصویربرداری زیستی میدان نزدیک

کلیه مقالات کامل توسط داوران کنفرانس مورد ارزیابی قرار میگیرند. میکروسکوپ میدان نزدیک اجازه می دهد که به بررسی و کاووش تصویربرداری از ساختارهای بیولوژیکی که به میزان قابل توجهی کوچکتر از طول موج نور هستند بپردازیم. نمونه هایی از چنین ساختارهایی، کروموزوم ها و ویروس ها می باشد. حتی برخی از باکتری ها نیز اندازه های زیر میکرونی دارند. این ساختارها برای تشخیص با استفاده از میکروسکوپ منظم دشوار هستند. اما میکروسکوپ میدان نزدیک اجازه می دهد که به آسانی این ابعاد را تشخیص دهیم، به دلیل رزولوشن های 100 نانومتر یا کمتر به آسانی قابل حصول می باشد.

NSOM همچنین برای تصویربرداری از ساختار های زیر سلولی بیومولکولی گوناگون استفاده شده است.[3] کروموزوم ها ساختارهای سوپر کویل حاوی DNA هستند و اجزای تشکیل دهنده اصلی از هسته یک سلول می باشند که تنها چند میکرون طول دارند. NSOM برای بدست آوردن تصویر توپوگرافی با رزولوشن بالا از کروموزوم ها استفاده شده است. حتی مولکول های DNA منفرد که توسط یک رنگ فلورسنت خاص DNA به نام YOYO-1 رنگ شده بودند با استفاده از NSOM تصویر برداری شده بودند

.3 نانوذرات برای تشخیص های نوری و درمان هدفمند

حداکثر تعداد نانوذرات با ابعاد کوچکتر از 50 نانومتر، بطور قابل توجهی کوچکتر از اندازه منافذ در اطراف غشای سلولی یک سلول بیولوژیکی، تعدادی از مزایا برای تشخیص ها و درمان هدفمند را از درون سلول پیشنهاد می دهند. این نانوساختارها می تواند پلیمری، سرامیک، سیلیکا، دندریتیک، و یا ساختارهای مبتنی بر لیپوزوم باشند. نانوذرات مبتنی بر پلیمر، سرامیک و سیلیکا خیلی سخت و سفت هستند. ساختارهای لیپوزومی یا دندریتیک نانوساختارهای نرمتری هستند که همچنین انعطاف پذیری ساختاری برای ترکیب چند عملکردی را ارائه می دهند. رویکرد نانوذره مزایای زیر را ارائه می دهد:

·    نانوذرات غیر ایمنی زا هستند.

·    نانوذرات می توانند با ترکیباتی که مقاوم به حمله میکروبی هستند - از قبیل سیلیکا یا سیلیکای تغییر یافته بطور ارگانیکی - طراحی شده باشند.

·    نانوذرات سه پلت فرم ساختاری متفاوت را برای درمان و تشخیص فراهم می آورند:

- 1  یک حجم داخلی که در آن پروب های مختلف و عوامل درمانی می توانند کپسوله و محصور باشند.

- 2 یک سطح که گروه های هدف می توانند به آن متصل باشند برای حمل نانوذرات به سلول ها یا سایت های بیولوژیکی بیان کننده گیرنده های مناسب

- 3 منافذ در نانو ذرات، که می توانند طراحی شده باشند تا اندازه های خاصی داشته باشند برای اجازه مصرف انتخابی یا انتشار مولکول های فعال بیولوژیکی یا عوامل درمانی فعال.

·    نانوذرات، با سطح مناسب عاملدار و اندازه کوچکتر از 50 نانومتر، می توانند بوسیله فرآیند آندوسیتوز از منافذ غشای سلول نفوذ کنند. و این یک مکانیزم مناسب برای تشخیص و درمان داخل سلولی را فراهم می کند.

·    نانوذرات، از قبیل نانو حباب های مبتنی بر سیلیکا - پوسته نازک - ، از لحاظ نوری بسیار شفاف هستند. بنابراین، فعال سازی نور و پروب نوری به آسانی می تواند انجام شود.

·    نانو ذرات برای تصویربرداری زیستی و زیست حسکرها استفاده شده اند. آنها نشان داده اند که می توانند برای درمان هدفمند - نانوپزشکی - مفید باشند که می تواند نور هدایت شده، نور فعال شده و یا هردو باشد.[3]

.4کوانتوم دات های نیمه رسانا برای تصویربرداری زیستی

در صورت نیاز انتخاب مناسب مواد نیمه رسانا و اندازه نانویی شان به پوشش دادن طیف وسیعی برای تصویربرداری زیستی اجازه می دهد. همچنین ویژگی مفید دیگری هست که بسیاری از این نقاط کوانتومی می توانند در طول موج مشابه تهییج شده باشند. حتی اگر انتشارشان در طول موج های متفاوت وسیعی باشد. عرض خط معمولی انتشار باندها 20-30 نانومتر می باشد، بنابراین نسبتا باریک است که اگر کسی بخواهد از کوانتوم دات ها برای تصویر برداری چند طیفی استفاده کند کمک می کند. در مقایسه با فلوروفورهای ارگانیک، بعضی از مزایای عمده پیشنهاد شده توسط کوانتوم دات ها برای تصویر برداری زیستی شامل :[6]

·    انتشار نقطه کوانتومی، بطور قابل توجهی نسبت به فلوئوروفورهای ارگانیک که انتشارهای وسیع نشان می دهند باریک تر است.

·    طول عمر انتشارشان نسبت به فلئور فورهای ارگانیک طولانی تر است - - hundreds of nanoseconds، در نتیجه به استفاده تشخیص محصور به زمان - - time-gated detection برای سرکوب autofluorescence هایی که طول عمر بطور قابل توجه کوتاهتر دارند اجازه می دهد.

·    کوانتوم دات ها به آسانی نور سفید را عبور نمی دهند. - - do not readily photobleach

5.    برای تصویربرداری زیستی UP-CONVERTING نانوذرات

گروه دیگری از نانوذرات برای تصویر برداری زیستی مفید هستند که از خاکی کمیاب یون آلاییده نانوذرات اکسید بدست می آیند .[7] این نانوذرات up-converting همچنین برای فعال سازی نور درمانی - - photodynamic therapy مفید هستند. فرایند های up-conversion در یونهای خاکی کمیاب یک نیروی قوی وابسته به تحریک شدید را به نمایش می گذارند - به عنوان مثال، درجه دوم برای یک فرآیند دو فوتون - . بنابراین، آنها تفکیک مکانی بهتر را فراهم می آورند، از آنجایی که انتشار کارآمد تنها در نزدیکی تمرکز پرتو که در آن شدت تحریک بالاترین است تولید شده است. بنابراین تصویربرداری زیستی با استفاده از این up-converting nanophores ها تشخیص بدون پس زمینه - practially no autofluorescence - را فراهم می کند، به دلیل اینکه منبع تحریک در منطقه نزدیک IR است . - generally 975-nm laser diodes - فلورسانس ذاتی - - Autofluorescence تشکیلات بیولوژیکی اغلب یک مشکل عمده را در تصویربرداری زیستی مطرح می کند

.6 زیست حسی - - biosensing

بیوسنسورها یا زیست حسگرها انواع مختلفی دارند که در زیر به برخی از آنها که در نانوفتونیک کاربرد دارند اشاره می شود.

:Plasmonic Biosensors  -1

نانوساختارهای فلزی هستند که برای زیست حسی - - biosensing استفاده شده اند. یک روش زیست حسی که بطور گسترده ای با بهره گیری SPR - رزونانس پلاسمون سطحی - در یک Kretchmann geometry استفاده شده است. این نوع از سنسورهای پلاسمون سطحی در حال حاضر در بازار موجود می باشند. بیشتر فعالیت های اخیر روی نانوذرات فلزی و پوسته های فلزی متمرکز شده است