تبدیل پایان نامه به کتاب
عنوان:
آزمايشگاه بر روی ديسکت
نویسنده:
سليمه رئيسی، دکتر احمد مولايی راد، دکتر حميده روحانی نژاد
در سالهاي اخیر با توجه به گسترش روز افزون هزینه هاي شناسایی و درمان بیماري ها و با
توجه به اهمیت شناخت سریع و تسریع در درمان آنها، این حوزه ذهن پژوهشگران بسیاري را به
خود مشغول نموده است. به طوري که با یکسان سازي شناسایی بیماري ها در تمامی نقاط اعم
از جوامع پیشرفته و جوامع در حال توسعه و همچنین تشخیص در شرایط اضطراري و اورژانس
این موضوع اهمیتی چندین برابر یافته است؛ تا جایی که محققان به منظور کشف و توسعه روش
ها و ابزارهاي جدید براي مرتفع نمودن این خواسته ها تلاش هاي بسیاري نموده اند. مجموعه
اخیر به منظور بررسی تفضیلی موضوع جدیدي تحت عنوان آزمایشگاه بر روي دیسک؛ از تئوري
تا کاربرد، تهیه گردیده است. در این بررسی سعی شده است تا مروري بر ساختار ابزارهاي
الکترونیکی مبتنی بر دیسک هاي نوري به عنوان یک ماتریکس نگهدارنده و کاربرد آنها ارائه
شود. کتاب حاضر مشتمل بر هفت فصل می باشد؛ در فصل اول مقدمه اي از بحث و آنچه که
خواننده را با اهمیت موضوع آشنا می نماید، ارائه شده است. در فصل دوم با توجه به کاربرد
دیسک هاي نوري در ابزارهاي تشخیص پزشکی، فناوري این دیسک ها مطرح گردیده است. در
فصل سوم به بررسی ویژگی هاي شیمی سطح پلی کربنات و فعالسازي آن براي تهیه سنجش
هاي زیستی مبتنی بر دیسک و در فصل چهارم به سیر تکاملی بیوسنسورها پرداخته شده است.
در فصل پنجم و ششم نمونه هایی از کاربردهاي دیسک هاي…
پیشگفتار
در سالهاي اخیر با توجه به گسترش روز افزون هزینه هاي شناسایی و درمان بیماري ها و با
توجه به اهمیت شناخت سریع و تسریع در درمان آنها، این حوزه ذهن پژوهشگران بسیاري را به
خود مشغول نموده است. به طوري که با یکسان سازي شناسایی بیماري ها در تمامی نقاط اعم
از جوامع پیشرفته و جوامع در حال توسعه و همچنین تشخیص در شرایط اضطراري و اورژانس
این موضوع اهمیتی چندین برابر یافته است؛ تا جایی که محققان به منظور کشف و توسعه روش
ها و ابزارهاي جدید براي مرتفع نمودن این خواسته ها تلاش هاي بسیاري نموده اند. مجموعه
اخیر به منظور بررسی تفضیلی موضوع جدیدي تحت عنوان آزمایشگاه بر روي دیسک؛ از تئوري
تا کاربرد، تهیه گردیده است. در این بررسی سعی شده است تا مروري بر ساختار ابزارهاي
الکترونیکی مبتنی بر دیسک هاي نوري به عنوان یک ماتریکس نگهدارنده و کاربرد آنها ارائه
شود. کتاب حاضر مشتمل بر هفت فصل می باشد؛ در فصل اول مقدمه اي از بحث و آنچه که
خواننده را با اهمیت موضوع آشنا می نماید، ارائه شده است. در فصل دوم با توجه به کاربرد
دیسک هاي نوري در ابزارهاي تشخیص پزشکی، فناوري این دیسک ها مطرح گردیده است. در
فصل سوم به بررسی ویژگی هاي شیمی سطح پلی کربنات و فعالسازي آن براي تهیه سنجش
هاي زیستی مبتنی بر دیسک و در فصل چهارم به سیر تکاملی بیوسنسورها پرداخته شده است.
در فصل پنجم و ششم نمونه هایی از کاربردهاي دیسک هاي نوري بیولوژیکی و سیستم هاي
بازخوانی این دیسک ها آورده شده است. نهایتا در فصل هفتم نمونه هاي تجاري دیسک هاي
نوري بیولوژیکی که طی سالهاي اخیر به تولید رسیده اند، معرفی گردیده اند. با توجه به اهمیت
تشخیص در حوزه پزشکی، امید است این کتاب بتواند خوانندگان گرامی را با جنبه هاي بنیادي
و کاربردي ابزارهاي تشخیصی مبتنی بر دیسک آشنا نماید.
د
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول- مقدمه 1
1 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………… 2 -1
فصل دوم- سیستم دیسک هاي نوري 5
-1-2 ساختار دیسک فشرده ………………………………………………………………………………. 6
-2-2 ساختار دیسک چندکاره دیجیتال …………………………………………………………….. 10
-3-2 ساختار بلوري ……………………………………………………………………………………………. 13
-4-2 بازیابی داده ها …………………………………………………………………………………………… 15
-5-2 سلسله مراتب داده در دیسک فشرده و دیسک چندکاره دیجیتال ………….. 21
-1-5 داده ها و رمزگذاري ………………………………………………………………… 21 -2
-2-5 مدولاسیون هشت به چهارده ………………………………………………….. 22 -2
-3-5 بیت هاي اتصال ……………………………………………………………………….. 24 -2
-4-5 الگوي همزمانی ……………………………………………………………………….. 25 -2
-5-5 ساختار و سلسله مراتب داده ها ………………………………………………. 26 -2
30 ………………………………………… CRIC -6-5 تشخیص و تصحیح خطا و -2
33 ……………………………………………… (Subcode) -7-5 داده هاي کنترلی -2
فصل سوم- بررسی ویژگی هاي شیمی سطح پلی کربنات و فعالسازي آن
براي ایجاد سنجش هاي زیستی مبتنی بر دیسک
35
-1-3 کاربرد پلیمرها در سنجش هاي زیستی به عنوان بستر …………………………… 36
-2-3 شیمی دیسک هاي نوري ………………………………………………………………………….. 38
-3-3 فعال سازي سطح پلی کربنات به منظور تثبیت بیومولکول ها بر روي
سطح آن ………………………………………………………………………………………………………
44
53 POC فصل چهارم- از بیوسنسور تا ابزارهاي
54 …………………….. (CD trodes) -1-4 کاربردهاي آنالیتیکال دیسک هاي فشرده
-2-4 بیوسنسورها ……………………………………………………………………………………………….. 56
58 ……………………………………………………………………… Point Of Care -3-4 ابزارهاي
-4-4 میکروآرایه هاي مبتنی بر دیسک …………………………………………………………….. 58
-5-4 آزمایشگاه بر روي یک دیسک فشرده ………………………………………………………. 66
ه
-1-5 از سنجش هاي زیستی ماکرو تا میکرو …………………………………… 71 -4
-2-5 بررسی ویژگی هاي ساختاري ابزارهاي میکروفلوئیدیک به -4
عنوان یک ابزار آزمایشگاه بر روي دیسک فشرده …………………….
84
فصل پنجم- کاربردهاي دیسک هاي نوري بیولوژیکی 93
-1-5 نمونه هایی از پژوهش هاي انجام شده بر روي دیسک فشرده بیولوژیکی 94
-2-5 نمونه هایی از پژوهش هاي انجام شده بر روي دیسک چندکاره دیجیتال
بیولوژیکی ………………………………………………………………………………………………..
98
فصل ششم- کاربردهاي بازخوانی سیگنال (شناسایی و اندازه گیري
برهمکنش هاي بیومولکولی)
107
-1 نمونه هایی از پژوهش هاي انجام شده بر روي سیستم هاي سخت افزاري -6
خواندن دیسک فشرده بیولوژیکی و دیسک چندکاره دیجیتال بیولوژیکی
109
-1-1 بازخوانی سیگنال توسط درایو دیسک نوري تغییر یافته ………… 109 -6
-2-1 بازخوانی سیگنال توسط آزمایشگر درایو دیسک نوري …………… 129 -6
-3-1 بازخوانی سیگنال توسط اینترفرومتر ………………………………………. 136 -6
-2 نمونه هایی از پژوهش هاي انجام شده بر روي خواندن سنجش هاي -6
زیستی مبتنی بر دیسک با درایوهاي نوري استاندارد در کامپیوترهاي
متداول …………………………………………………………………………………………………………
137
فصل هفتم- نمونه هاي تجاري از دیسک هاي نوري بیولوژیکی 165
واژه نامه …………………………………………………………………………………………………. 175
منابع ……………………………………………………………………………………………………… 182
1
فصل اول- مقدمه
2
1-1 مقدمه
فرایندهاي بیولوژیکی در تمامی موجودات زنده توسط برهمکنش هاي بیومولکولی میان
ماکرومولکول هاي مختلف مانند پروتئین ها، نوکلئیک اسیدها، لیپیدها، کربوهیدرات ها و سایر
محصولات طبیعی انجام می شود. براي آنالیز این برهمکنش ها هم اکنون چندین روش براي
ردیابی بیومولکول ها بدون نشانه گذاري در شرایط طبیعی و یا پس از نشانه گذاري در دسترس
است. با این وجود که روش دوم حساسیت بالایی را در تثبیت و پایدارسازي فرمت خواندن ارائه
می کند، گاهی اوقات نشانه گذاري مولکول ها دشوار است، زیرا نشانه گذاري مولکول ممکن
است یک جایگاه اتصال مهم را اشغال کند و یا سبب ایجاد ممانعت فضایی شود که منجر به
اطلاعات اشتباه در رابطه با برهمکنش ها شود. برخی از این محدودیت ها در توسعه تکنولوژي
هاي جدید براي شناسایی بیومولکول ها در شکل طبیعی آنها بدون نشانه گذاري و بررسی
برهمکنش هاي مولکولی از جمله هیبریداسیون نوکلئیک اسیدها، برهمکنش هاي پروتئین-
پروتئین، دزوکسی ریبو نوکلئیک اسید 1-پروتئین و ریبونوکلئیک اسید 2-پروتئین داراي اهمیت
است. روش هایی که براي آنالیز بیومولکول هاي فاقد برچسب انتخاب می شود شامل رزونانس
پلاسمون سطحی 3، پراکنش رامان تقویت شده میکرو سطح 4، حفره هاي میکرو کره 5، نانو
کاوشگر کلوین 6، سنسورهاي کریستال مایع 7، آرایه هاي آنتالپی مورد استفاده براي کالوریمتري 8
و چندین روش تداخلی مانند پایه هاي سیستم میکرو الکترو مکانیکال 9، اسپکتروسکوپی تداخلی
متریک انعکاس 10 ، اینترفرومتري 11 و الیپسومتري 12 است. در میان سنسورهاي مختلف تمایلی
فاقد برچسب، پیش بینی شده است که سیستم هاي سنسور اینترفرومتریک داراي حساسیت
بالایی هستند. با این وجود این روش هاي اینترفرومتریک از پویش تکراري جلوگیري کرده و
بنابراین آنها فاقد توانایی هایی با سرعت بالا هستند. بنابراین توسعه بیوسنسورهاي چند آنالیتی
.[2 , با بازده بالا خصوصا در حوزه هاي ژنومیک و پروتئومیک ضروري است [ 1
1 DNA: Deoxyribonucleic acid
2 RNA: Ribonucleic acid
3 SPR: Surface Plasmon Resonance
4 Microsurface enhanced raman scattering
5 Microsphere cavities
6 Kelvin nanoprobe
7 Liquid crystal sensors
8 Calorimetry using enthalpy arrays
9 Microelectromechanical system cantilevers
10 Reflectometric interference spectroscopy
11 Interferometry
12 Ellipsometry
3
از طرفی استفاده و توسعه تکنولوژي سنجش ایمنی توجه زیادي را به علت انتخاب و
حساسیت بالا به خود جلب کرده است. به طور نمونه انجام سنجش جذب ایمنی متصل به آنزیم 1
آنزیم 1 در یک صفحه میکروتیتر متداول ترین روش مورد استفاده در میان سنجش هاي ایمنی
مختلف است. که به طور گسترده براي شناسایی و کمی سازي عوامل بیولوژکی (پروتئین ها، پلی
پپتید ها و نوکلئیک اسیدها) در صنایع بیوتکنولوژي مورد استفاده واقع شده و در کاربردهاي
بالینی، ایمنی، غذایی و محیطی داراي اهمیت است. با این وجود انجام الایزا به صورت متداول
مستلزم پروتوکل هاي کاربر و خسته کننده است که اغلب منجر به خطاهاي گسترده و نتایج
متناقض می شود. این فرایند مستلزم مجموعه اي از مراحل ترکیب و شستشو (واکنش و
انکوباسیون) است. اغلب ساعات زیادي براي انجام یک سنجش به علت زمان طولانی انکوباسیون
در طول هر مرحله نیاز است. این زمان انکوباسیون طولانی به طور گسترده به انتقال جرم
ناکارآمد آنتی ژن/آنتی بادي از محلول نسبت به سطح، نسبت داده می شود، در حالی که واکنش
.[ هاي ایمنی به خودي خود یک فرایند سریع هستند [ 3
موضوع دیگري که بسیار مورد توجه قرار گرفته است، بحث کوچک سازي و کاهش
ابعاد و اندازه است. علت اصلی کوچک سازي سیستم هاي آنالیتیکال ناشی از دو علت عمده
است: مزیت هاي اقتصادي و افزایش عملکرد تکنیکی/تجزیه اي سنجش هاي انجام شده. با این
وجود هر دو علت وابسته به یکدیگر هستند؛ یک آنالیز بهبود یافته می تواند داراي اثرات
اقتصادي به علت آنالیز سریع تر، بازده بالاي نمونه، مصرف کمتر واکنشگر و . . . باشد. در زیر
.[6- مهمترین مفاهیم و جنبه هاي این موضوع لیست شده اند [ 4
بازده بالاي نمونه
تسهیم 2
تنظیم خودکار 3
یکپارچگی 4
Point Of Care آنالیز کننده هاي قابل حمل، آنالیز کننده هاي درجا و ابزارهاي
هزینه تولید
در دسترس بودن ابزار
مصرف انرژي پائین
1 ELISA: Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay
2 Multiplexing
3 Automation
4 Integration
4
جریان لایه اي سیال
افزایش بازده جداسازي
مسیرهاي انتشار کوتاه
افزایش نسبت سطح به حجم
اتلاف گرماي 1 سریع تر
بازده بالاي نمونه می تواند نتیجه اي از عملکرد جداسازي اصلاح شده باشد، تسهیم و یا
آنالیز سریع نیر به علت مسیرهاي کوتاه انتشار براي آنالیت ها و واکنشگرها باشد. واکنش ها
ممکن است به علت انتقال و یا اتلاف گرما سریع تر پیشرفت کنند، به طوري که این موضوع
نمونه اي از چرخه هاي گرم سازي/خنک سازي مورد نیاز براي انجام واکنش زنجیره پلیمراز 2
باشد. تسهیم می تواند با ایجاد خطوط آنالیز موازي که بر روي یک چیپ یکسان مجتمع شده
.[6- اند، بدست آید [ 4
بنابراین به نظر می رسد که، در مقایسه با ابزارهاي موجود در آزمایشگاه هاي بالینی،
ابزارهاي میکروفلوئیدیک مبتنی بر دیسک داراي مزیت هاي بسیاري هستند. باید خاطر نشان
داراي مزیت POC کرد که، در مقایسه با تشخیص هاي پزشکی متداول، روش ها و ابزارهاي
عملکرد آسان و تشخیص سریع هستند که براي بیماران به منظور افزایش شانس بهبود سریع و
و ابزارهایی POC درمان حیاتی است. تلاش هاي گسترده اي بر روي توسعه چنین روش هاي
براي کاربرد در تشخیص هاي زیست پزشکی یا شناسایی و کمی سازي آنالیت هاي مولکولی
مرتبط با پزشکی، در دو دهه اخیر متمرکز شده اند. سنجش هاي مبتنی بر تکنولوژي دیسک
جدید براي تنوعی از کاربردهاي عملی آنالیزهاي شیمیاي و POC فشرده به عنوان ابزارهاي
.[ تشخیص هاي پزشکی توسعه یافته اند [ 7
1 Heat dissipation
2 PCR: Polymerase Chain Reaction
5
فصل دوم- سیستم دیسک هاي نوري
6
-1-2 ساختار دیسک فشرده
دیسکهاي فشرده 1 ابتدا در سال 1980 مطرح شدند و اید ه ي ساخت آنها ظاهرا از
ها یکی از منابع ذخیر ه ي اطلاعات مانند فلاپی CD . صفحات گرامافون گرفته شده است
ها بسیار بیشتر می CD دیسکها می باشند با این تفاوت که ظرفیت ذخیره سازي اطلاعات در
ها در ابتدا در دست دو شرکت فیلیپ 2 و سونی 3 بود. ولی در آن زمان CD باشد. انحصار تولید
ها وجود نداشت. این مشکل نیز وجود داشت که هر CD استاندارد خاصی براي تولید این
ها استفاده نماید می بایست فقط از دیسکها و دیسک خوانهاي CD کسی می خواست از این
ها با استفاده از یک CD مربوط به یکی از این دو شرکت استفاده نماید. در حال حاظر تمامی
ها استفاده نمود و به CD استاندارد جهانی 4 ساخته می شوند و در هر جایی می توان از این
قادر به ذخیره سازي 74 CD ها در دسترس می باشند. یک CD راحتی در سرتاسر دنیا این
دقیقه موسیقی است. ظرفیت دیسک هاي فوق بر حسب بایت معادل 665600 بایت است. قطر
دیسک فشرده 120 میلی متر است و سوراخ مرکز آن 15 میلی متر قطر دارد، به طوري که
1). نواحی شروع 6 و – براي نگهداري دیسک در مکان دستگاه گرداننده دیسک 5 است (شکل 2
پایان 7 به ترتیب در شعاع 23 و 58 میلی متري قرار دارند، به طوري که این نواحی مکان هاي
شروع و پایان اطلاعات دیجیتال را به دستگاه خواننده دیسک 8 اطلاع می دهند . اطلاعات
دیجیتال واقعی در شعاع 25 میلی متر شروع و حداکثر در شعاع 58 میلی متر پایان می یابد
.[10-8]
1 CD: Compact Disc
2 Philip
3 SONY
4 ISO: International Standards Organization
5 Disc player
6 Lead in
7 Lead out
8 CD reader
7
.[ 1. مشخصات یک دیسک فشرده [ 8 – شکل 2
حافظه فقط ،CD وجود دارد. اساسی ترین ساختار CD چندین نوع مختلف از
خواندنی 1 است. سه لایه در چنین دیسکی وجود دارد. لایه اول از انتها یک لایه پلی کربنات است
1 میلی متر است. حفره 2 هایی روي سطح بالایی این لایه براي ذخیره / و داراي ضخامت 2
2). لایه بعدي یک لایه فلزي است که انعکاس را در زمانی – اطلاعات تعبیه شده است (شکل 2
نقره ،(Al) توسط لیزر خوانده می شود، فراهم می کند. این لایه معمولا از آلومینیوم CD که
ساخته شده است و داراي ضخامت 50 تا 100 نانومتر است. لایه بالایی، (Au) و یا طلا (Ag)
را از خراشیده شدن حمایت می کند و اندازه آن از 10 CD لایه پلیمري حمایت کننده است که
تا 30 میکرومتر است. معمولا یک برچسب 5 میکرومتري وجود دارد که افراد براي شناسایی
هاي قابل ثبت 3 یک لایه ساندویچی رنگ اضافی میان یک لایه انعکاسی CD چاپ می کنند. در
انعکاسی و لایه پلی کربنات وجود دارد که داراي یک ساختار پیش شیار مارپیچی است (شکل
3 ). ساختار پشت شیار در لایه پلی کربنات شعاع لیزر را در طول فرایندهاي نوشتن و خواندن -1
1 CD-ROM: Compact Disc-Read Only Memory
2 Pit
3 Compact Disc Recordable
8
راهنمایی می کند. لایه رنگ سیانین و یا فتالوسیانین با روش لایه نشانی چرخشی 1 بر روي سطح
سطح پلی کربنات قبل از اینکه فلز انعکاسی روي سطح پخش شود، قرار می گیرد. با توجه به
اینکه اطلاعات دیجیتال روي دیسک نوشته می شوند، لیزر سبب می شود که لایه رنگ شفاف،
.[11 ,10 , لایه انعکاسی را با تجزیه رنگ آشکار کند [ 8
.[8] (b) CD-R و (a) CD-ROM 2. ساختار کلی یک – شکل 2
در زمان تولید دیسک هاي فشرده، پلی کربنات که بستر پایه اي دیسک را تشکیل می
دهد، توسط ضربات میکروسکوپی به صورت حفره هایی نشانه گذاري شده و یک شیار مارپیچی
پیوسته ایجاد می شود. دیسک فشرده داراي یک شیار مارپیچی است که داده ها بر روي این
شیار مارپیچی نوشته می شوند. این شیار از قسمت داخل دیسک شروع و به سمت بیرون دیسک
ختم می شود. اگر داده هایی را که بر روي یک دیسک فشرده ذخیره می گردد،