طراحی و ساخت سنسورهای الکتروشیمیایی ویژه کووید 19

به گزارش ایسنا، دکتر فرنوش فریدبد، در سخنرانی علمی خود با عنوان «حسگرها و بیوحسگرهای در زندگی مدرن امروزه» اظهار کرد: در فاز اول و دوم این طرح پلتفرم مورد نیاز برای بیوحسگرها چند منظوره طراحی و ساخته شده است و در تست‌های اولیه پاسخ قابل قبولی حاصل شده و در انتظار تهیه برخی بیومارکرها توسط تیم‌های تحقیقاتی همکار هستند تا موازی با هم در کارگروه فعال باشند.

وی هم‌چنین به برخی حسگرها و بیوحسگرهای تهیه شده با همکاری دانشجویان پردیس علوم اشاره کرد و افزود: از آن جمله می‌توان به حسگرهای مختلفی برای اندازه‌گیری تعداد زیادی از داروها، سموم، آلوده‌کننده‌ها و فلزات سنگین، باکتری‌ها، توالی‌های ژنی، بیومارکرهای سرطانی، گلوکز، فروکتوز، دوپامین، سایتوکروم، هورمون‌ها و... اشاره کرد که هر یک می‌توانند در حوزه‌های پزشکی، داروسازی، محیط زیست، کشاورزی و... مورد استفاده قرار گیرند.

وی در ادامه با اشاره به طراحی و ساخت حسگرهای دیگری برای اندازه‌گیری هم‌زمان افزود: در شیمی تجزیه و استفاده از علم کمومتری (استفاده از ریاضیات، آمار و علوم کامپیوتر در تحلیل نتایج) ابزارهای قدرتمندی ساخته شده است.

این عضو بنیاد علمی نخبگان خاطرنشان کرد: به‌عنوان مثال می‌توان به زبان و بینی الکترونیکی اشاره کرد. همان طور که در زبان یا بینی، گیرنده‌های فراوانی وجود دارد که مغز سیگنال‌های دریافت شده توسط این گیرنده‌ها را پردازش می‌کند بر این اساس هم ابزارهایی با آرایه‌ای از تعداد زیادی از حسگرها طراحی و ساخته شده است که در صنایع داروسازی و نوشیدنی‌ها برای تشخیص طعم‌ها استفاده می‌شوند.

کاربرد زبان الکترونیکی در شناسایی و تشخیص آب‌های مختلف

فریدبد در ادامه تصریح کرد: یک نمونه از این ابزار برای شناسایی و تشخیص آب‌های مختلف از جمله آب آشامیدنی، معدنی، پساب و... در گروه تحقیقاتی ساخته شده است.

وی گفت: یکی دیگر از کارهای اخیر ساخت کیت‌هایی برای تشخیص زعفران تقلبی از اصل است و در پروژه دیگر با همکاری دانشگاه علوم پزشکی تهران میزان سروتونین در ماهی‌های زبرا فیش اندازه‌گیری شد.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران با اشاره به سایر فناوری‌ها و دستاوردهای پژوهشی موسسه الکتروشیمی پردیس علوم دانشگاه تهران با همکاری دانشگاه علوم پزشکی تهران گفت: کاربرد حسگرها برای اندازه‌گیری سریع با هدف تصمیم‌گیری سریع است و به عنوان جایگزینی برای دستگاه‌ها و تجهیزات مجهز آزمایشگاهی است.

فریدبد افزود: در این راستا دستگاهی کاملا اتوماتیک برپایه حسگرهای هوشمند برای تشخیص افتراقی بین بیماری انسولینما و سوء مصرف داروهای گروه سولفونیل اوره در بیماران دیابتی برای اولین بار در دنیا توسط محققین موسسه الکتروشیمی و محققان پژوهشگاه علوم غدد دانشگاه علوم پزشکی تهران طراحی و ساخته شده است که قادر است ظرف 20 دقیقه حضور سولفونیل اوره را در ادرار بیمار تشخیص دهد.

اندازه‌گیری قند خون از طریق بزاق

وی اندازه‌گیری قند خون از طریق بزاق و تشخیص دیابت بدین شیوه را از دیگر موفقیت‌های پژوهشگران پردیس علوم دانشگاه تهران و پژوهشگاه علوم غدد دانشگاه تهران برشمرد و افزود: هم‌اکنون در دنیا به دنبال اندازه‌گیری قند خون از طریق روش‌های غیر تهاجمی از جمله اشک چشم، عرق، آب میان بافتی و بزاق به کمک گوشی‌های تلفن همراه (موبایل) هستند.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران با بیان این‌که هم‌اکنون زندگی بشر با صنعتی شدن دستخوش تغییر و تحولات فراوانی شده است، خاطرنشان کرد: صنعتی شدن و تغییر سبک زندگی، کاهش میزان تحرک، افزایش پشت میزنشینی و رو آوردن به غذاهای فست فودی و بسته‌بندی و حتی کاهش میزان مصرف میوه و سبزیجات تازه، همگی به شیوع بیماری‌های غیر واگیردار (non-Communicable Disease) منجر شده است که از آن‌ها به عنوان قاتل‌های خاموش یاد می‌شود.

دکتر فریدبد بیماری‌های تصلب‌شرائین و سکته‌های قلبی، بیماری‌های تنفسی، دیابت و سرطان‌ها را جزو چهار گروه اصلی این بیماری‌ها برشمرد و افزود: با این سبک از زندگی شهرنشینی و صنعتی نه تنها شیوع بلکه سن ابتلاء به این بیماری‌ها هم کاهش یافته است.

مرگ و میر سالانه 41 میلیون نفر در دنیا بر اثر ابتلا به بیماری‌های غیر واگیر

این عضو بنیاد علمی نخبگان گفت: بر اساس اطلاعات سازمان جهانی بهداشت سالانه حدود 41 میلیون نفر در دنیا براثر ابتلا به این بیماری‌ها دچار مرگ و میر می‌شوند، این در حالی است که پیش از این بیماری‌های واگیردار با عامل ویروس، باکتری و... علت اصلی مرگ و میر در دنیا بوده‌اند اما به کمک واکسیناسیون و مراقبت‌های بهداشتی تا حدی کنترل شدند.

فریدبد با بیان این‌که براساس اطلاعات موجود، در ایران با جمعیت 80 میلیونی 82 درصد مرگ و میرها ناشی از NCD است، در ادامه تصریح کرد: براساس برنامه عملیاتی ترسیم شده در سازمان بهداشت جهانی باید ابتلا به این بیماری‌ها و مرگ ناشی از آن‌ها تا سال 2025، 25 درصد کاهش یابد.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران با بیان این‌که علاوه‌بر تغییر سبک زندگی، ژنتیک هم در شیوع این بیماری دخیل است، گفت: البته در دنیا به این نتیجه رسیده‌اند برای کاهش ابتلا و مرگ ناشی از آن باید خدمات پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی افزایش یابد که در این راستا مواردی چون تشخیص زودهنگام و غربالگری و خود مراقبتی بسیار حایزاهمیت می‌شوند.

جایگزین‌هایی برای روش‌های تشخیصی فیزیکی بیماری

فریدبد افزود: با تشخیص و درمان به موقع این دسته از بیماری‌ها و مدیریت صحیح آن‌ها تا حد زیادی می‌توان جلوی پیشرفت بیماری و عوارض ناشی از آن را گرفت.

وی در ادامه خاطرنشان کرد: برای تشخیص این بیماری‌ها و غربالگری می‌توان از دو رویکرد استفاده کرد یا از دستگاه‌های فیزیکال (معاینات فیزیکی) استفاده شود یا ابزارها و تست‌های کمیکال بکارگرفته شوند.

این عضو بنیاد علمی نخبگان تصریح کرد: رویکرد اول بدلیل هزینه بالا، زمان‌بر بودن و بعضا فرآیندهای دردناک عملا برای غربالگری راه چندان عملی و به صرفه‌ای نیستند. اما در عوض استفاده از تست‌های سریع (رپید تست) و گجت‌ها و ابزارهای پزشکی می‌تواند جایگزین مناسبی برای آن روش‌ها باشند. این قبیل تست‌ها قابلیت استفاده در منازل و توسط شخص غیرمتخصص را دارند.

فریدبد خاطرنشان کرد: جدا از مباحث پزشکی بحث آلودگی‌ها اعم از آلودگی آب، هوا و مواد غذایی، ورود سموم به محیط زیست و حتی در صنایع غذایی، دارویی، دفاعی، هوا فضا نیز که نیازمند اندازه‌گیری مواد شیمیایی و سموم در آب، هوا، غذا و... می‌توانیم از این ابزارها استفاده کنیم.

وی ادامه داد: هم‌چنین در اکتشافات زمین‌شناسی، محیط زیستی، شناسایی مواردی چون دوپینگ در مسابقات ورزشی، شناسایی خون در صحنه جرم و... همگی از جمله مواردی است که تشخیص با حسگرها و بیوحسگرها امکان‌پذیر است.

این دانشمند پراستناد با بیان این‌که شیمی تجزیه به دنبال آن است که بداند چه ماده‌ای به چه میزان در یک نمونه وجود دارد، گفت: بر این اساس دستگاه‌های مختلف پیشرفته‌ای طراحی شده است اما بشر برای غربالگری‌های سریع به فکر تهیه ابزارهایی افتاد تا نیازها را به سرعت پاسخ دهد که حسگرها با زیرمجموعه نانوحسگرها، بیوحسگرها از آن جمله هستند.

فریدبد با اشاره به وجود سنسورهای فراوانی از قبیل سنسورهای فیزیکی نظیر چشمی کار گذاشته شده در ساختمان‌ها و خودروها، رطوبت‌سنج‌ها و دماسنج‌ها و... افزود: این سنسورها تغییری را از محیط دریافت و به صورت سیگنال منتقل می‌کنند. به عنوان مثال در سنسور در اتومات؛ با جرم‌ها و ابعاد مختلف در باز می‌شود، در این مورد پدیده فیزیکی به سیگنال تبدیل و منتقل می‌شود.

وی از دیگر موارد سنسورهای فیزیکی را مانیتور حرکات دیافراگم و شش به کمک امواج اولتراسوند دانست و گفت: در دسته دیگر این حسگرها که حسگرهای شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند، یک ماده حس‌کننده یا گیرنده بر روی یک مبدل فیزیکی قرار می‌گیرد و نسبت به برهم کنش با یک آنالیت پاسخ نشان می‌دهد که این سیگنال توسط مبدل به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل می‌شود.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران خاطرنشان کرد: این حسگرها همچنین می‌توانند همراه با عملگرها Actuator استفاده شوند بدین ترتیب که آن‌ها کار حس کردن را انجام بدهند سیگنال پردازش شود و سپس سیگنال به عملگر منتقل و یک خروجی فیزیکی داشته باشد. پمپ‌های انسولین نمونه‌ای از این سیستم‌ها هستند.

فریدبد با بیان این‌که نانوفناوری و نانومواد در عرصه طراحی و ساخت حسگرها، انقلابی ایجاد کردند، گفت: نانومتریال‌های مختلف می‌توانند برای تثبیت گیرنده‌ها، کاتالیست کردن فرآیندهای برهمکنش و تقویت سیگنال نسبت به نویز بطور وسیعی مورد استفاده قرار گیرند.

وی در ادامه تصریح کرد: گاهی پس از تبدیل سیگنال توسط مبدل نیاز است سیگنال در یک پردازشگر یا پروسسورها تقویت یا پردازش شود. در این بخش نویزها حذف و داده روشن و قابل فهم برای کاربر می‌شود.

پرندگان محبوس در قفس از قدیمی‌ترین زیست حسگرهای به کار گرفته شده در معادن

این عضو بنیاد علمی نخبگان توضیح داد: از قدیمی‌ترین زیست حسگرهایی که بشر استفاده می‌کرد می‌توان از پرندگان محبوس در قفس نام برد که کارگران معدن از آن‌ها استفاده می‌کردند. چون بر اثر کار در معدن گازهای مختلفی از جمله متان و مونوکسیدکربن و... آزاد می‌شد پرندگان محبوس شده در قفس را در معدن قرار می‌دادند که به علت ظرفیت ریوی محدود زودتر در برابر این گازها واکنش نشان می‌دادند و بدین ترتیب کارگران متوجه وجود این گازهای سمی شده و محل را ترک می‌کردند.

وی در ادامه حسگرهای آنزیماتیک، حسگرهای الکتریکی، الکتروشیمیایی، گرمایی و جرمی را از انواع مبدل‌های مورد استفاده در حسگرها دانست.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران تصریح کرد: آنچه در حسگرها و زیست حسگرها حایز اهمیت است بازار (مارکت) آن‌هاست. در سال 2015 میلادی در ایالات متحده آمریکا 14.8 میلیارد دلار گردش مالی زیست حسگرها بوده و پیش‌بینی شده است تا سال 2024 سالانه 8 درصد به این میزان افزوده شود.

فریدبد با بیان این‌که تجارت جهانی بر پایه «های تک» و دانش انجام می‌شود، گفت: اغلب تجارت جهانی در حوزه پزشکی مربوط به زیست حسگرهاست و سپس صنایع غذایی و محیط زیست و کشاورزی در رتبه‌بندی‌های بعدی قرار دارند.

وی خاطرنشان کرد: از همین‌رو تعداد حسگرهایی که روز به روز از بنچ آزمایشگاه وارد قفسه مارکت (بازار) می‌شوند هر روز رو به افزایش است و در این‌باره رقابت شدیدی میان کمپانی‌ها در جریان است.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران افزود: همین موضوع سبب شده تا روزانه 1000 تا 2000 حسگر مختلف در جهان معرفی شود اما از این تعداد شاید تنها یک تا دو عدد از آن‌ها شانس ورود به بازار را پیدا کنند.

این عضو بنیاد علمی نخبگان طراحی اولیه را در تهیه حسگرها بسیار مهم دانست و گفت: کمپانی‌های دنیا در صنایع مختلفی برای آنالیت‌های متعدد حسگرهای مختلفی را عرضه می‌کنند.

فریدبد تصریح کرد: به‌عنوان مثال در مورد حسگرهایی که سنجش کیفیت آب از نظر وجود مواد سمی یا فلزات سنگین جیوه، نقره، مس و... را انجام می‌دهند، در گذشته باید از آب دریاچه و یا رودخانه نمونه‌برداری‌هایی انجام می‌شد که با آمدن حسگرها و امکان تست در محل این کار آسان‌تر شده است.

کاربرد سنسورها در اندازه‌گیری آلودگی هوا، تست الکل برای رانندگان و...

وی با اشاره به حسگرهای آلودگی هوا برای اندازه‌گیری SO2، ازن و... افزود: در مشاغلی چون پلیس می‌توان از سنسورهای تست الکل و یا مواد مخدر و یا در گمرک‌ها برای تست کیفیت مواد مورد خرید و فروش از حسگرها استفاده کرد.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران با بیان این‌که حسگرها به طراحی یا دیزاین نیاز دارند، افزود: لازمه یک طراحی خوب آشنایی هرچه بیشتر با خواص شیمیایی مواد و نانومواد مورد استفاده است. این‌که چه موادی را در کجا قرار دهند و چه طور تثبیت کنند. مواد باید با هوشمندی و دقت خاص استفاده شوند و بعد از آن بحث اسمبل کردن این مواد در کنار هم است.

فریدبد گفت: برای طراحی یک حسگر در ابتدا باید یک گونه آنالیت انتخاب و بر آن اساس حسگر طراحی شود. این آنالیت‌ها می‌تواند در نمونه‌های مختلفی چون خون، ادرار، بزاق، اشک چشم، ناخن، مو و یا حتی آب، خاک و مواد غذایی باشد.

وی توضیح داد: شاید هدف، اندازه‌گیری گلوکز در پلاسمای خون یا بزاق باشد یا اصلا گلوکز چسبیده به هموگلوبین (HbA1C) هدف اندازه‌گیری باشد.

نصب گلوکومتر بر روی گوشی‌های هوشمند از پروژه بزرگترین کمپانی‌های دنیا

این عضو بنیاد علمی نخبگان افزود: هم‌اکنون یکی از بزرگترین کمپانی‌های دنیا در حال کار کردن بر روی نمونه‌ای از گلوکومترها است که بر روی گوشی هوشمند قرار می‌گیرد و از طریق غیر تهاجمی گلوکز را از بزاق یا آب میان بافتی اندازه‌گیری می‌کند.

فریدبد تصریح کرد: آنالیت در حوزه زیستی به بایومارکر معروف است. در انتخاب بایومارکرها باید به صرفه اقتصادی و در دسترس بودن آن بسیار توجه کرد. به عنوان مثال تهیه بایومارکر از مایع مغزی نخاعی شاید چندان منطقی بنظر نرسد.

تشخیص سرطان مثانه در مراحل اولیه به کمک حسگرهای موجود در بازار

وی یادآور شد: برای مثال نتایج مطالعات نشان داده است که در مراحل اولیه سرطان مثانه، ماده پروتئینی در ادرار ترشح می‌شود، این ماده می‌تواند مارکر خوبی برای غربالگری و تشخیص بدون درد و سریع این سرطان باشد که هم‌اکنون تست سریع تشخیصی آن طراحی و ساخته شده و در بازار موجود است.

این دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه تهران افزود: در دنیای امروز هر روز مارکرهای جدید و مبدل‌های جدید و متعاقب آن حسگرها و زیست حسگرهای جدید در حال معرفی و ورود به بازارهستند که پیش‌بینی می‌شود با این سرعت رشد، آینده آنالیز را بطور جدی دستخوش تغییرات عظیمی خواهند کرد.

ورود حسگرهای پوشیدنی از تتو تا لنزهای چشمی

فریدبد ادامه داد: از حسگرهایی که بصورت تتو بر روی پوست قرار می‌گیرند تا حسگرهایی که به عنوان برچسب و بارکد در صنایع بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شوند تا لنزهای چشمی یا عینک‌ها که همه به عنوان حسگرهای پوشیدنی از آن‌ها یاد می‌شود همه و همه کیفیت زندگی بشر امروزه را تحت‌تأثیر قرار داده‌اند.

وی تصریح کرد: حسگرها، بسیار قدرتمندتر از قبل شده‌اند اما هنوز در مقابل آنچه که پروردگار علم در دل طبیعت قرارداده عاجز هستند. یک پشه کوچک حسگرهایی بسیار قوی دارد که می‌تواند از فاصله 36 متری مواد شیمیایی فرار موجود در عرق انسان را تشخیص دهد.

این عضو بنیاد علمی نخبگان با اشاره به این‌که رقابت در این حوزه در دنیا بسیار زیاد است، یادآور شد: کشور ما از نظر دانش فنی ساخت و تولید این ابزارها بسیار غنی است و تنها حمایت، سرمایه‌گذاری و مدیریت مناسب لازم است تا این ابزارها بتوانند به بازار جهانی راه پیدا کنند.

فریدبد خاطرنشان کرد: حوزه تخصصی حسگرها و زیست حسگرها را یک زمینه فعالیت میان رشته‌ای دانست که بسیاری از افراد با تخصص‌های متنوع می‌توانند ورود پیدا کنند و از همکاری مشترک با هم می‌توانند محصولات ارزشمندی را به بازار معرفی کنند.

انتهای پیام