در راستای برنامه سخنرانی‌های علمی عمومی که معاونت پژوهشی پردیس علوم دانشگاه تهران در ایام کرونا به‌صورت مجازی برگزار می‌کند؛ دوم تیرماه 1400 دکترفرنوش فریدبد، دانشیار دانشکده شیمی پردیس علوم درباره «حسگرها و بیوحسگرها در زندگی مدرن امروزه» سخنرانی کرد.

در ادامه خلاصه این سخنرانی دردسترس مخاطبان قرار گرفته است:    

دکتر فریدبد در ابتدا از لزوم وجود چنین ابزارهایی (حسگرها و بیوحسگرها) در زندگی مدرن و صنعتی امروزه و نحوه طراحی و ساخت حسگرها مطالب علمی را بیان کرد.

امروزه با صنعتی شدن جوامع، زندگی بشر دستخوش تغییر و تحولات فراوانی شده است که این تغییرات بر سلامتی و کیفیت زندگی انسان ها تاثیرات مثبت و منفی بسیاری گذاشته است. کاهش میزان تحرک، افزایش پشت میزنشینی و روی آوردن به مصرف غذاهای آماده (فست فود)، کاهش میزان مصرف میوه و سبزیجات تازه، استرس و مشغله‌های کاری، خواب ناکافی یا نامناسب، همگی منجر به شیوع بیماری‌های غیر واگیردار

(non-Communicable Diseases; NCDs) در جوامع شهرنشینی شده است که از آن‌ها به‌عنوان قاتل‌های خاموش یاد می‌شود.

از بین این بیماری‌ها، بیماری‌های قلبی و عروقی و سکته‌های قلبی، بیماری‌های دستگاه تنفسی، دیابت و سرطان‌ها جزو چهار گروه اصلی این بیماری‌ها هستند که با این سبک از زندگی شهرنشینی و صنعتی نه تنها شیوع آنها بلکه سن ابتلاء به این بیماری‌ها هم کاهش یافته است.

براساس اطلاعات سازمان جهانی بهداشت سالانه حدود 71 درصد از مرگ و میرها در دنیا براثر ابتلا به این بیماری‌ها اعلام شده است. این در حالی‌ است که در گذشته، بیماری‌های واگیردار با عامل ویروس، باکتری و ... علت اصلی مرگ و میر در دنیا بودند اما به کمک واکسیناسیون و مراقبت‌های بهداشتی تا حد زیادی کنترل شدند. براساس اطلاعات موجود، در ایران با جمعیت  حدود 80 میلیونی، 82 درصد مرگ و میرها ناشی از بیماری‌های غیرواگیردار بوده است. به همین منظور، سازمان بهداشت جهانی برای کاهش 25 درصدی میزان مرگ و میر ناشی از آن تا سال 2025 ، برنامه عملیاتی گستردهای را تدوین کرده است.

یکی از عوامل مهم و موثر در این برنامه عملیاتی، در دسترس بودن خدمات پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی و تشخیص زودهنگام این بیماری‌هاست. امروزه غربالگری بیماران و خودمراقبتی افراد جامعه موردتوجه قرارگرفته است. با تشخیص و درمان به موقع، این دسته از بیماری‌ها و مدیریت صحیح آن تا حد زیادی می‌توان جلوی پیشرفت بیماری و عوارض ناشی از آن را گرفت. برای تشخیص زودهنگام این بیماری‌ها و غربالگری می‌توان از دو رویکرد استفاده کرد. بکارگیری آزمایشات و اسکن‌های متنوع (معاینات فیزیکی) یا استفاده از ابزارهای ساده و تست‌های سریع.  رویکرد اول بدلیل هزینه بالا، زمان بر بودن و بعضا فرایند‌های دردناک عملا برای غربالگری راه چندان به‌صرفه و عملی به‌نظر نمی‌رسد ولی در عوض استفاده از تست‌های سریع (رپید تست) و گجت‌ها و ابزراهای پزشکی می‌تواند جایگزین مناسبی برای رویکرد اول باشند. این قبیل تست‌ها قابلیت استفاده در منازل و توسط شخص غیرمتخصص را نیز دارند.

از طرفی دیگر ظهور ویروس‌های ناشناخته جدید و ایجاد شرایط پاندمی در زندگی عصر جدید، نیاز به داشتن ابزارهایی برای تشخیص سریع و غربالگری را بیش از پیش پر رنگ می‌کند.

جدا از موضوعات پزشکی در بحث سنجش آلودگی‌های هوا، آب، مواد غذایی، سموم در محیط زیست و صنایع غذایی، یا سایر صنایع دارویی، دفاعی، هوافضا، در اکتشافات زمین‌شناسی، محیط زیستی، گمرک، شناسایی مواردی چون دوپینگ در مسابقات ورزشی، تشخیص خون در صحنه جرم و ... همگی از جمله مواردی هستند که نیازمند اندازه‌گیری‌های سریع، ارزن و آسان هستند.

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

در زندگی روزمره اصطلاح «سنسور» که به «حسگر» ترجمه شده است را بارها شنیده‌اید؛ از قبیل انواع سنسورهای کار گذاشته شده در ساختمان‌ها و خودروها، رطوبت‌سنج‌ها و دماسنج‌ها و ...
این سنسورها تغییری را از محیط دریافت و به‌صورت سیگنال منتقل می‌کنند در واقع توسط مبد‌ل‌هایی که دارند صورتی از انرژی را به صورت دیگر تبدیل می‌کنند. این ها حسگرهای فیزیکی هستند که حتی در زمینه پزشکی هم کاربرد پیدا کرده‌اند؛ برای مثال آن دسته از حسگرهای فیزیکی را می‌توان نام برد که حرکات دیافراگم و شش را  به کمک امواج اولتراسوند مانیتور می‌کنند.

 دسته دیگر از حسگرها که زیست‌حسگرها نیز زیرشاخه آنها هستند، حسگرهای شیمیایی هستند که در آنها یک ماده حس‌کننده یا گیرنده بر روی یک مبدل فیزیکی قرار می‌گیرد و نسبت به برهم کنش با یک آنالیت پاسخ نشان می‌دهند. این حسگرها همچنین می‌توانند همراه با عملگرها (Actuators) استفاده شوند بدین ترتیب که آنها کار حس کردن را انجام بدهند سیگنال حاصله پردازش شود و بعد سیگنال به یک عملگر منتقل شود و یک خروجی فیزیکی داشته باشد.

پمپ‌های تزریق انسولین که یک بیوحسگر برای اندازه‌گیری مقدار گلوکز دارد و سپس انسولین تزریق می‌کند، از جمله این سیستم‌ها است. در طراحی حسگرها، گاهی پس از تبدیل سیگنال توسط مبدل نیاز است تا سیگنال در یک پردازشگر یا (پروسسورها) تقویت یا پردازش ‌شود. در این بخش نویزها حذف و داده‌ روشن و قابل فهم برای کاربر می‌شود. این بخش از حسگرها امکان همکاری در زمینه‌های میان‌رشته‌ای ریاضیات و کامپیوتر را فراهم می‌کند.

یکی از قدیمی‌ترین زیست‌حسگرهایی که بشراستفاده می‌کرد و کارگران معدن از آن بهره می‌بردند، پرنده محبوس در قفس بوده است که در معدن‌های زغال سنگ گازهای مختلفی از جمله متان و مونوکسید کربن و ... آزاد می‌شد که پرنده در قفس داخل معدن 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.

در یکی دو دهه اخیر نانوفناوری و نانومواد در عرصه طراحی و ساخت حسگرها انقلابی ایجاد کردند. نانومتریال‌های مختلف می‌توانند برای تثبیت گیرنده‌ها، کاتالیست کردن فرآیندهای برهمکنش و تقویت سیگنال نسبت به نویز بطور وسیعی مورد استفاده قرار گیرند.

تقسیم‌بندی حسگرها براساس نوع مبدل و یا براساس نوع ماده حس‌کننده آنها است. مبدل‌های الکتریکی، الکتروشیمیایی، گرمایی و جرمی از انواع مبدل‌های مورد استفاده در حسگرها هستند.

خلاصه دستاوردهای محققین پردیس علوم در حوزه حسگر ها و بیوحسگرها:

حوزه تخصصی حسگرها و زیست‌حسگرها یک زمینه فعالیت میان‌رشته‌ای است که بسیاری از افراد با تخصص‌های متنوع می‌توانند ورود پیدا کنند و از همکاری مشترک باهم می‌توانند محصولات ارزشمندی را به بازار معرفی کنند. بطور مثال  به برخی از فعالیت‌هایی که در گروه تحقیقاتی حسگر/ بیوحسگر/ نانوحسگر در موسسه الکتروشیمی پردیس علوم انجام شده یا در حال انجام است می‌توان اشاره کرد:

• یکی از پروژه‌های در حال اجرا که در کارگروه «تشخیص و زیست‌حسگرهای دانشگاه تهران» پردیس علوم مصوب شده، طراحی و ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی مناسب برای تشخیص کووید 19 و بیومارکرهای آن است. در فاز اول و دوم این طرح پلت‌فرم مورد نیاز برای بیوحسگرهای چند منظوره طراحی و ساخته شده است و درتست‌های اولیه پاسخ قابل قبولی حاصل شده و در انتظار تهیه برخی از بیومارکرها توسط تیم های تحقیقاتی همکار که موازی با هم در کارگروه فعال هستند، می باشد تا بتواند روش تشخیصی مناسبی برای ویروس ها بوجود آورند.
•  برخی از حسگرها و بیوحسگرهایی که با همکاری دانشجویان پردیس در قالب پایان‌نامه انجام شده است؛ می‌توان به ساخت حسگر/ زیست‌حسگرهایی است که برای اندازه‌گیری تعداد زیادی از داروها، سموم، آلوده‌کننده‌ها و فلزات سنگین، باکتری‌ها، توالی‌های ژنی، بیومارکرهای سرطانی، گلوکز، فروکتوز، دوپامین، سایتوکروم، هورمون ها و ... اشار کرد که هریک می‌توانند در حوزه‌های پزشکی، داروسازی، محیط زیست، کشاورزی و ... مورد استفاده قرار گیرند.
• طراحی و ساخت حسگرهای ویژه اندازه‌گیری همزمان آنالیت‌ها با کمک علم کمومتری (استفاده از ریاضیات، آمار و علوم کامپیوتر در تحلیل نتایج) زمینه کاری جدید دیگری است. 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 ابزراهایی با آرایه‌ای از تعداد زیادی از حسگرها طراحی و ساخته شده است ‌که در صنایع داروسازی و نوشیدنی‌ها برای تشخیص طعم‌ها استفاده می‌شوند. یک نمونه از این ابزار برای شناسایی و تشخیص آب‌های مختلف از جمله آب آشامیدنی، معدنی، پساب و ... در گروه تحقیقاتی حسگرها/ بیوحسگرها ساخته شده است.
• یکی دیگر از کارهای اخیر ساخت یک کیتی برای تشخیص زعفران تقلبی از اصل است که از نانومواد و تکنولوژی قالب‌گیری مولکولی استفاده شده است.
•  در پروژه اخیری که با همکاری دانشگاه علوم پزشکی تهران انجام شده است به اندازه‌گیری میزان سروتونین در ماهی‌های زبرا به‌عنوان مارکر جدیدی برای بیماران دیابتی انجام شد.
• سایر فناوری‌ها و دستاوردهای پژوهشی محققین موسسه الکتروشیمی پردیس علوم دانشگاه تهران که با همکاری محققین پژوهشگاه علوم غدد دانشگاه علوم پزشکی تهران انجام شده است، کاربرد حسگرها برای اندازه‌گیری سریع با هدف تصمیم‌گیری سریع به‌عنوان جایگزینی برای دستگاه‌ها و تجهیزات مجهز آزمایشگاهی است. 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 طراحی و ساخته شده است که قادر است در مدت زمان بیست دقیقه حضور سولفونیل اوره را در ادرار بیمار تشخیص دهد.
• اندازه‌گیری قند خون از طریق بزاق از دیگر موفقیت‌های پژوهشگران پردیس علوم دانشگاه تهران و پژوهشگاه علوم غدد دانشگاه تهران است. پروتوتایپ دستگاه ساخته شده است و مراحل اولیه کارآزمایی‌های بالینی را پشت سر گذاشته است. 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.
• دستاورد دیگر، طراحی و ساخت حسگرهای دارویی هستند که می توانند غلظت داروها را پس از رهایش دارو از فرمولاسیون به‌طور آنلاین اندازه‌گیری کنند.

آنچه درحسگرها و زیست‌حسگرها حایز اهمیت است بازار(مارکت) آنهاست. سال 2015 میلادی در ایالات متحده آمریکا، گردش مالی زیست‌حسگرها 14.8 میلیارد دلار بوده است و پیش‌بینی شده است تا سال 2024 سالانه 8 درصد به این میزان افزوده شود.

اغلب تجارت جهانی در حسگرها و بیوحسگرها مربوط به کاربردهای پزشکی است و صنایع غذایی، محیط زیست و کشاورزی در رتبه‌بندی‌های بعدی قراردارند. از همین‌رو تعداد حسگرهایی که روز به روز از آزمایشگاه وارد قفسه مارکت (بازار) می‌شوند رو به افزایش است و در این حوزه رقابت شدیدی میان کمپانی‌ها در جریان است. هر روز کمپانی‌های مختلفی برای آنالیت‌های متعدد حسگرهای مختلفی را به بازارعرضه می‌کنند.

حسگرها به طراحی یا دیزاین نیاز دارند و آشنایی بیشتر با خواص شیمیایی مواد و نانومواد مورد استفاده، لازمه یک طراحی خوب است؛ این‌که چه موادی را چه طور انتخاب کنند و چگونه آنها را در کنار هم اسمبل کنند بسیار اهمیت دارد. 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.

برای مثال نتایج مطالعات نشان داده است که در مراحل اولیه سرطان مثانه، ماده‌ پروتئینی در ادرار ترشح می‌شود، این ماده می‌تواند نشانه 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.

در دنیای علم امروز، هر روز مارکرهای جدید و مبدل های جدید و به‌دنبال آن حسگرها و زیست‌حسگرهای جدید در حال معرفی و ورد به بازارهستند که با این سرعت رشد پیش‌بینی می‌شود آینده آنالیز را بطور جدی دستخوش تغییرات بزرگی خواهند کرد. از حسگرهایی که به‌صورت (تتو) 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 به‌عنوان حسگرهای پوشیدنی از آنها یاد می‌شود، کیفیت زندگی بشر امروز را تحت تاثیر قرار خواهند داد. در حال حاضر حسگرها بسیار قدرتمند‌تر از قبل شده‌اند ولی 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!  

در پایان باید گفت که رقابت در این حوزه در دنیا فراوان است، خوشبختانه کشور ما از نظر دانش فنی ساخت و تولید این ابزارها بسیار غنی است و برای راه‌یابی این ابزارها به بازار جهانی، نیاز به حمایت، سرمایه‌گذاری و مدیریت مناسب بیش از گذشته احساس می‌شود.