سخنران: فرنوش فریدبد، دانشیار دانشکده شیمی

زمان سخنرانی: دوم تیرماه 1400 ساعت 14:00

لینک حضور در جلسه سخنرانی: Skyroom.online/ch/sci-ut/pm
 

خلاصه سخنرانی:

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 فست فودی و بسته‌بندی و کاهش میزان مصرف میوه و سبزیجات تازه، استرس و مشغله های کاری، خواب ناکفی یا نا مناسب، همگی منجر به شیوع بیماری‌های غیر واگیردار(non-Communicable Diseases; NCDs) در جوامع شهر نشینی شده است که از آن‌ها به عنوان قاتل های خاموش یاد می‌شود.

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

بر اساس اطلاعات سازمان جهانی بهداشت سالانه حدود 71 درصد از مرگ و میرها در دنیا براثر ابتلا به این بیماری‌ها می باشد. این در حالی است که پیش از این 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 بیماری های غیرواگیردار بوده است. بدین منظور، سازمان  بهداشت جهانی برای کاهش 25 درصدی میزان مرگ و میر ناشی از آن‌ها تا سال 2025 ، برنامه عملیاتی گسترده ای را تدوین کرده است.

یکی از عوامل اصلی و موثر در این برنامه عملیاتی در دسترس بودن خدمات پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی و تشخیص زودهنگام این بیماری هاست. غربالگری بیماران و خود مراقبتی افراد جامعه  بسیار موردتوجه قرارگرفته است. با تشخیص و درمان به موقع این دسته از بیماری‌ها و مدیریت صحیح آن ها تا حد زیادی می توان جلوی پیشرفت بیماری و عوارض ناشی از آن را گرفت. برای تشخیص زودهنگام این بیماری‌ها و غربالگری می توان از دو رویکرد استفاده کرد. بکارگیری آزمایشات و اسکن های متنوع (معاینات فیزیکی) یا استفاده از ابزارهای ساده و تست های سریع.  رویکرد اول بدلیل هزینه بالا، زمان بر بودن و بعضا فرایند های دردناک عملا برای غربالگری راه چندان به صرفه و عملی بنظر نمی رسد ولی در عوض استفاده از تست‌های سریع (رپید تست) و گجت‌ها و ابزراهای پزشکی می تواند جایگزین مناسبی برای رویکرد اول باشند. این قبیل تست ها قابلیت استفاده در منازل و توسط شخص غیرمتخصص را دارند.

از طرفی دیگر ظهور ویروس های 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 می کند.

جدا از مباحث 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 اندازه‌گیری های سریع، ارزن و آسان می باشند.

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 لفظ "سنسور" که به "حسگر" ترجمه شده است بارها و بارها شنیده اید. از قبیل انواع سنسورهای کار گذاشته شده در ساختمان‌ها و خودروها، رطوبت‌سنج‌ها و دماسنج‌ها و ...
این سنسورها تغییری را از محیط دریافت و به صورت سیگنال منتقل می‌کنند در وقع توسط مبدل هایی که دارند صورتی از انرژی را به صورت دیگر تبدیل می کنند. این ها حسگرهای فیزیکی هستند که حتی در زمینه پزشکی هم کاربرد پیدا کرده اند برای مثال حسگرهای فیزیکی که حرکات دیافراگم و شش به کمک امواج اولتراسوند مانیتور می کنند.

 دسته دیگر از حسگرها که زیست حسگرها نیز زیرشاخه آنها هستند، حسگرهای شیمیایی هستند که در آنها یک ماده حس کننده یا گیرنده بر روی یک مبدل فیزیکی قرار می‌گیرد و نسبت به برهم کنش با یک آنالیت پاسخ نشان می‌دهند. این حسگرها همچنین می توانند 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 بیوحسگری جهت اندازه گیری مقدار گلوکز دارد و سپس انسولین تزریق می کند از جمله این سیستم ها می باشد. 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 زمینه های میان رشته ای ریاضیات و کامپیوتر را فراهم می کند.

یکی از قدیمی‌ترین زیست حسگرهایی که بشراستفاده می کرد پرنده محبوس در قفس بوده است که کارگران معدن. از آن بهره می بردند. در معدن های 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 گازها ی 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 می توانند برای تثبیت گیرنده ها، کاتالیست کردن فرآیندهای برهمکنش و تقویت سیگنال نسبت به نویز بطور وسیعی مورد استفاده قرار گیرند.

تقسیم بندی حسگرها یا براساس نوع مبدل آنهاست یا براساس نوع ماده حس کننده. مبدل های الکتریکی، الکتروشیمیایی، گرمایی و جرمی از انواع مبدل های مورد استفاده در حسگرها هستند.

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

حوزه تخصصی حسگرها و زیست حسگرها یک زمینه فعالیت میان رشته ای است که بسیاری از افراد با تخصص های متنوع می توانند ورود پیدا کنند و از همکاری مشترک باهم می توانند محصولات ارزشمندی را به بازار معرفی نمایند. بطور مثال  به برخی از فعالیت هایی که در گروه تحقیقاتی حسگر/بیوحسگر/نانوحسگر در موسسه الکتروشیمی پردیس علوم انجام شده یا در حال انجام است می توان اشاره کرد:

• یکی از پروژه های در حال اجرا که در کارگروه «تشخیص و زیست حسگرهای دانشگاه تهران» پردیس علوم مصوب شده، طراحی و ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی مناسب برای تشخیص کووید 19 و بیومارکرهای آن می باشد. در فاز اول و دوم این طرح پلت فرم مورد نیاز برای بیوحسگرهای چند منظوره طراحی و ساخته شده است و درتست های 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 پایان نامه انجام شده است ساخت حسگر/زیست حسگرهایی است که برای اندازه گیری تعداد زیادی از داروها، سموم، آلوده کننده ها و فلزات سنگین، باکتری ها، توالی های ژنی، بیومارکرهای سرطانی، گلوکز، فروکتوز، دوپامین، سایتوکروم، هورمون ها و ... می توان اشاره کرد که هریک می توانند در حوزه های پزشکی، داروسازی، محیط زیست، کشاورزی و ... مورد استفاده قرار گیرند.
• طراحی و ساخت حسگرهای برای اندازه‌گیری همزمان آنالیت ها با کمک علم کمومتری (استفاده از ریاضیات، آمار و علوم کامپیوتر در تحلیل نتایج) زمینه کاری جدید دیگری است. به عنوان مثال می توان 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 آرایه ای از تعداد زیادی از حسگرها طراحی و ساخته شده است ‌که در صنایع داروسازی و نوشیدنی ها 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 کیتی برای تشخیص زعفران تقلبی از اصل است که از نانومواد و تکنولوژی قالب گیری مولکولی استفاده شده است.
•  در پروژه اخیری که با همکاری دانشگاه علوم پزشکی تهران انجام شده است به اندازه گیری میزان سروتونین در ماهی‌های زبرا بعنوان مارکر جدیدی برای بیماران دیابتی انجام شد.
• سایر فناوری ها 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 است به عنوان جایگزینی برای دستگاه‌ها و تجهیزات مجهز آزمایشگاهی می باشد. 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 ظرف 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 می باشد. پروتوتایپ دستگاه ساخته شده است و مراحل اولیه کارآزمایی های بالینی را پشت سر گذاشته است. هم‌اکنون در دنیا به دنبال اندازه‌گیری قند خون از طریق روش های 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 بطور آنلاین اندازه گیری نمایند.

آنچه درحسگرها 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 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 سپس صنایع غذایی و محیط زیست و کشاورزی در رتبه بندی های بعدی قرار دارند. از همین‌رو تعداد حسگرهایی که روز به روز از بنچ 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 که لازمه یک طراحی خوب آشنایی هرچه بیشتر با خواص شیمیایی مواد و نانومواد مورد استفاده است. این‌که چه موادی را چه طور انتخاب کنند و بعد 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 می تواند در نمونه های 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 می تواند 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.

در دنیای علم امروز هر روز مارکرهای جدید و مبدل های جدید و بدنبال آن حسگر ها و زیست حسگرهای جدید در حال معرفی و ورد به بازارهستند که با این سرعت رشد پیش بینی می شود آینده آنالیز را بطور جدی دستخوش تغییرات عظیمی خواهند کرد. از حسگرهایی که بصورت تتو روی پوست قرار می گیرند تا حسگرهایی که به عنوان برچسب و بارکد در صنایع بسته بندی مواد غذایی استفاده می شوند تا لنزهای چشمی یا عینک ها که همه به عنوان حسگرهای پوشیدنی از آنها یاد می شود همه و همه کیفیت زندگی بشر امروزه  را تحت تاثیر قرار خواهند داد. امروزه حسگرها بسیار قدرتمند تر از قبل شده اند ولی هنوز در مقابل آنچه که پروردگار علم در دل طبیعت قرارداده عاجز هستند. یک پشه کوچک حسگرهایی بسیار قوی دارد که می تواند 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 بسیار زیاد است، خوشبختانه کشور ما از نظر دانش فنی ساخت و تولید این ابزارها بسیار غنی می باشد و تنها حمایت، سرمایه گذاری و مدیریت مناسب لازم است تا این ابزارها بتوانند به بازار جهانی راه پیدا کنند.

فیلم سخنرانی