Transcript מצגת ננוביוסנסור 127.5 Kb

‫ביוסנסור‪-‬חיישן ביולוגי‬
‫• מודד תופעה כימית או פיסקלית המלווה תגובה‬
‫בין מולקולה ביולוגית ואנליט‪.‬‬
‫• שילוב יכולת זיהוי ספציפית של מרכיב‬
‫הבילולוגי עם יכולת ההגברה של הרכיב‬
‫אלקטרוני‬
‫מבנה הביוסנסור‬
‫• הביוסנסור מורכב משתי‬
‫יחידות‪:‬‬
‫• ‪ . 1‬ביורצפטור ‪:‬יחידת‬
‫האיבחון הביולוגית‪.‬‬
‫• ‪ 2‬המתמר‪:‬ממיר את‬
‫השינוי המתקבל מן‬
‫התגובה הביולוגית‪,‬לאות‬
‫הניתן למדידה‪.‬‬
‫הביורצפטור (יחידת האבחון)‬
‫והמתמר‬
‫• יחידת האבחון‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫אנזים‬
‫נוגדן‬
‫מיקרואורגניזם‬
‫תא‬
‫• המתמר‬
‫• מעבר אלקטרונים‪ :‬אלקטרוד‬
‫• שינוי ‪ pH : p H‬מטר‬
‫• פליטת אור‪:‬מונה פוטונים‬
‫תחומי השימוש בביוסנסור‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫הבחנה קלינית‪.‬‬
‫בקרה ושליטה בתהליכי תסיסה‪.‬‬
‫אנליזות בתעשיות המזון והמשקאות‪.‬‬
‫זיהוי חיידקים ונגיפים‪.‬‬
‫אנליזה של תרופות‪.‬‬
‫איכות הסביבה ‪-‬זיהוי וכימות מזהמים‪.‬‬
‫קשיים בעבודה עם ביוסנסור‬
‫• רגישות המרכיב הבילוגי לתנאי סביבה ‪:‬‬
‫טמפרטורה‪,pH .‬‬
‫• זמן מחצית החיים של המולקולות הבילוגיות‬
‫קצר יחסית‪.‬‬
‫• הצורך להחליף את המרכיב הביולוגי מידי פעם‬
‫‪.‬‬
‫יתרונות הביוסנסור בהשוואה‬
‫לשיטות אבחון אחרות‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ספציפיות גבוהה ‪,‬בהשפעת המרכיב הביולוגי‪.‬‬
‫מתאימים גם למדידת מרכיבים בלתי קוטביים‪.‬‬
‫תוצאות המדידה מידיות ‪.‬‬
‫המדידות יכולות להיעשות בתהליך רציף לאורך‬
‫זמן‪.‬‬
‫עלות הכנה נמוכה יחסית‪.‬‬
‫ביוסנסור לקביעת גלוקוז‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫יחידת האבחון‪ :‬מבוססת על האנזים גלוקוז‬
‫אוקסידז‬
‫המתמר ‪:‬‬
‫אלקטרוד לקביעת כמות החמצן הנדרש‬
‫בתהליך‪.‬‬
‫אלקטרוד לחמצון מי החמצן הנוצרים‬
‫בתהליך ‪.‬‬
‫קביעת מספר האלקטרונים העוברים בתהליך‬
‫העברתם לאלקטרוד חמצון חיזור דרך‬
‫ע ”י‬
‫מתווך‪.‬‬
‫ביסנסורים להבחנה קלינית‬
‫• ביוסנסור המפענח‬
‫בדיקות דם‬
‫• שבב ביולוגי בעל יכולת‬
‫תקשורת המפענח תוך‬
‫זמן קצר בדיקת דם‬
‫ומשגר את התוצאות דרך‬
‫האינטרנט לרופא‪.‬‬
‫• בנוסף לבדיקות דם‬
‫מתאים לבדיקות שתן‬
‫‪,‬חלב‪ ,‬זיהוי מחלות‬
‫גנטיות וחסרים‬
‫בהורמונים‪.‬‬
‫• ביוסנסור לזיהוי‬
‫חיידקים פטוגנים‬
‫• חשיבות זיהוי מהיר של‬
‫חיידקים פטוגנים‪.‬‬
‫• פיתוח של חברת‬
‫‪ORNAL‬ביוסנסור‬
‫המכיל נוגדן ספציפי‬
‫לחיידק פטוגני‪ .‬תגובה‬
‫בין הנוגדן לחיידק מלווה‬
‫בפליטת אור פלורוסנטי‪.‬‬
‫ביוסנסור לקביעת מתכות רעילות‬
‫• המטרה ‪ :‬קביעת רמת זיהום מתכתי בעיקר‬
‫זיהום תעשייתי‪.‬‬
‫• המרכיב הביולוגי ‪:‬חיידק מהונדס הזורח כתגובה‬
‫לזיהוי מתכות רעילות כדוגמת ארסן אנטימון‬
‫וכספית‪.‬‬
‫• המתמר‪ :‬סיב אופטי הקולט ומעביר את הזריחה‬
‫הנפלטת ‪ ,‬למכשיר אופטי ‪ ,‬המכמת את עוצמת‬
‫ביוסנסור אלקטרוכימי לקביעת‬
‫חיידקי ‪ E.Coli‬במים (אלעד גילאון‪,‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫פרוייקט גמר‪ ,‬הנדסאי ביוטכנולוגיה ‪ ,‬עמל ב’‬
‫פ”ת)‬
‫הביוסנסור מבוסס על פאג’מיד מהונדס‪,‬‬
‫פאג’מיד ‪:‬פלסמיד הארוז במעטפת בקטריופאז‪’.‬‬
‫הבקטריפאז ‪’ M13‬תוקף חיידקי ‪E.Coli‬‬
‫ומתרבה בתוכם‪.‬הפלסמיד ‪ ,‬מכיל את הגן‬
‫המקודד לאנזים אלקלין פוספטאז‪ ,‬המשמש‬
‫במדידות האלקטרוכימיות‪.‬‬
‫המדידה מתבצעת ‪ ,‬תוך שמירה על מתח קבוע‬
‫בין אלקטרודת העבודה ואלקטרודת הייחוס‬
‫)‪(Ag/AgCl‬ומדידת הזרם המתקבל מן התגובה‬
‫מזעור הביוסנסור‬
‫ננוביסנסור‬
‫גודלם של הביוסנסורים שהוזכרו נע בין‬
‫מקרונים אחדים למספר מ”מ‬
‫המטרה ‪ :‬פיתוח ביוסנסורים בתחום הננו‬
‫(עד ‪ 100‬ננומטר‪).‬‬
‫יתרונות‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫הננוביוסנסור( לעומת‬
‫הביוסנסור)‬
‫עבודה בכמויות קטנות יותר של חומר‪.‬‬
‫המרחק בין הרכיבים קטן יותר ולכן מעבר‬
‫האותות מהיר יותר‪.‬‬
‫ההתקן צורך פחות אנרגיה‪.‬‬
‫כניסה לתחומי פיתוח חדשים ‪,‬כמו ננורובוטים‬
‫שינועו בין התאים ו‪/‬או יחדרו לתוכם ‪.‬‬
‫ננוביוסנסורים“ עתידיים”‬
‫• “ננובוט‪”-‬ננורובוט שינוע בגוף ‪,‬יאתר ליקויים‬
‫ויבצע פעולות ריפוי ע”י הזלפת תרופות‪.‬אב‬
‫טיפוס פותח במכון הטכנולוגי של מנצ’סטר‬
‫ונוסה בהצלחה על בעלי חיים‪.‬‬
‫• “רספרוסיט” ‪-‬כדורית דם מלאכותית ‪ ,‬בתוכה ‪9‬‬
‫מיליארד מולקולות חמצן ופחמן דו חמצני ועל‬
‫פניה חיישנים לקביעת ריכוז הגזים בדם‪.‬‬
‫• מבחן דמוי עפרון לקביעת פטוגנים בגרון(יחליף‬
‫את המקל לבדיקת גרון) ‪.‬המבחן יכיל מיליארדי‬
‫קולטנים מולקולרים‪ ,‬הרגישים למבנה הכימי של‬
‫חיידקים שונים‪.‬‬
‫הרכבת ננוביוסנסור‬
‫• חיבור המרכיב הביולוגי עם הרכיב האלקטרוני ‪:‬‬
‫‪.1‬ע”י בנית כל אחד מן המרכיבים ולבסוף‬
‫ביניהם ‪ ,‬גישה הדורשת‬
‫חיבור‬
‫‪ .2‬בנית‬
‫יכולת קישור בין השנים ‪.‬‬
‫המרכיב הביולוגי על פני הרכיב האלקטרוני‪.‬‬
‫• קיים ציוד ומכשור המאפשר להסתכל לתוך‬
‫מבני ננו בתחום של עד ‪ 100‬ננומטר‪.‬‬
‫• שתי שיטות הרכבה ‪:‬‬
‫הרכבה מקומית ‪-‬בנית מולקולה על מולקולה‬
‫באמצעות מכשור מתאים ‪.‬‬
‫הרכבה עצמית שיטה המנצלת את הנטייה‬
‫הטבעית של מולקולות מסוימות להתחבר ביניהן‬
‫ננוביסנסור לקביעת גלוקוז‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫מבוסס על שילוב של אלקטרודה אנזימטית של‬
‫גלוקוז אוקסידז בצמוד לפרישן בלו )‪ (PB‬עם‬
‫אלקטרודת ייחוס ממוזערתׁ‪(Ag/AgCl) .‬‬
‫עשוי לשמש לקביעת גלוקוז בתוך הגוף ומחוץ‬
‫לגוף‪.‬‬
‫הראה פעילות בעלת רגישות וסלקטיביות‬
‫גבוהה יותר מהביוסנסור מהדור הנוכחי‪.‬‬
‫במתח נמוך של ‪ 0.1‬וולט ‪ ,‬הראה הננוסנסור‬
‫דיוק‪ ,‬בבדיקת דגימות בנפח של ננוליטר‪.‬‬
‫משך החיים של ננוביסנסור זה מעל לשבועיים‪.‬‬
‫ננוביוסנסור לקביעת רצפי‬
‫הנוקלאוטידים‬
‫ב ‪DNA‬‬
‫• אוליגונוקלאוטיד מקובע‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫על המיקרוקורה‬
‫הכלאת‬
‫אוליגונוקלאוטידים על‬
‫פני שטח הקורה‬
‫קביעת הרצף על פי‬
‫הסטת קרן הלייזר‬
‫א ‪ .‬הקרן פוגעת‬
‫במיקרוקורה‬
‫ב ‪ .‬הסטת הקרן‬
‫בהתאם לתנודות‬
‫קישור האוליגונוקלאוטידים‬
‫למיקרוקורות‪.‬‬
‫• קביעת שינוי ברצף‬
‫הנוקלאוטידים על פי‪:‬‬
‫• ‪. 1‬הסטת קרן הלייזר‬
‫• ‪. 2‬שינוי בתדירות‬
‫ננוסנסור לזיהוי מולקולות ביולוגית‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ננוביסנסור המבוסס על הזיקה הגבוהה של ביוטין‬
‫(ויטמין מקב )‪’B‬וסטרפטאבידין( גלוקופרןטאין‪).‬‬
‫בשיטת ליטוגרפיה מוטבעים חלקיקי כסף על פני‬
‫שכבה דקה‪.‬‬
‫אל המשטח נקשר ביוטין בקשר קו ולנטי דרך אתרי‬
‫קישור של קרבוקסילט‪.‬‬
‫הביוטין קושר מולקולות ביולוגיות כדוגמת נוגדן ‪,‬‬
‫חומצת גרעין או מעכב‪.‬‬
‫ריאקצית הקישור של סטרפטאבידין לביוטין‬
‫באפיניות גבוהה בריכוזים נמוכים של ‪ 10‬פיקומולר‪.‬‬
‫שיטת הדיטקציה ‪ :‬ספקטרופוטומטרית בתחום‬
‫האור הנראה או‪uv .‬‬