ננו-חיישן

ננו-חיישן הוא גלאי זעיר אשר משמש לחיווי מידע אודות הננו-סביבה אל העולם המקרוסקופי. ננו-חיישנים משמשים בין היתר למטרות רפואיות ולשם בניית ננו-מכשירים אחרים, כגון ננו-רובוטים ושבבים המבוססים על מבנים ננומטריים. כיום קיימות מספר שיטות לייצור ננו-חיישנים, ביניהן פוטוליתוגרפיה בשיטת "מעלה-מטה", הרכבה ננומטרית בשיטת "מטה-מעלה" והרכבה מולקולרית עצמית. פוטוליתוגרפיה היא האופן שבו מיוצרים רוב המעגלים המשולבים. בתהליך זה, מוקרן אור דרך מסיכה על מצע רגיש לאור (פוטורזיסט) ובסדרה של תהליכים כימיים יוצרים את התבנית הרצויה על החומר שמתחת למצע. שיטה זו המכונה גם "מעלה-מטה", מאפשרת כיום בנייה בסדר גודל ננומטרי. דרך אחרת לייצור ננו-חיישנים היא באמצעות שיטת "מטה-מעלה", אשר מערבת הרכבה של החיישנים מאבני בניין זעירות עוד יותר, כגון אטומים או מולקולות. בשיטה זו ייעשה סידור של אבני בניין מסוימות אחת אחרי השנייה למיקומם הייעודי. אף על פי ששיטת סידור אטומים זו זכתה להצלחה במבחני מעבדה, היא מאוד מורכבת ויקרה. הרכבה עצמית היא הדרך השלישית והמהירה ביותר לייצור ננו-חיישנים המבוססת על היווצרות ספונטנית של ננו-מבנים ייחודיים מאבני הבניין שלהם. בהרכבה עצמית היכולת ליצור את המבנה הסופי הרצוי טמונה במבנן ובקבוצות הפונקציונליות של המולקולות המרכיבות את המבנה, כך שהוא ייווצר באופן ספונטני. ננו חיישנים פועלים על עקרונות פיזיקליים, כימיים וביולוגיים. ננו חיישן פיזיקלי אשר מהווה את אחת הדוגמאות היישומיות הראשונות לננו-חיישן, נבנה על ידי חוקרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה ב-1999. לצורך כך הוצמד חלקיק בודד לקצה ננו-צינורית פחמן ונמדד ההבדל המתקבל בתהודה (התדירות התנודתית) של הננו-צינורית עם וללא החלקיק. אי-ההתאמה בין שני התדרים אפשרה לחוקרים לחשב את מסת החלקיק שהוצמד. ננו-חיישן פיזיקלי, הנמצא בשלבי פיתוח, מתריע בפני מזהמים אורגניים במים בזמן אמת. החלק הפעיל של החיישן מורכב מרשת של ננו-חלקיקים מוליכים למחצה. בנוכחות המזהם במים המערכת תשנה את ההתנגדות החשמלית עקב הלכידה של מולקולות המזהם ברשת. השינוי בהתנגדות החשמלית מהווה את אות החישה למולקולות המזהם במקורות המים. ננו-צינוריות מטיטניום: שימשו כחיישנים כימיים לריכוז מימן באטמוספירה. חיישנים כימיים אלה מתבססים על גלאים מולקולריים שבהם יש כעין "כיס" המהווה אתר הכרה עבור הגורם הנבדק היכול להיות מולקולה או אטום. ה"כיס" בננו חיישן מותאם באופן ספציפי וסלקטיבי למולקולה מסוימת או לאטום מסוים אותם המתכננים מעוניינים לחוש. כאשר אותה מולקולה ספציפית או אטום ספציפי, נכלא באתר ההכרה אשר בננו-חיישן הוא משנה את התכונות האופטיות של המבנה המולקולרי השלם. שינוי זה ניתן לניטור ומהווה את אות החישה. ננו-חיישן כימי כגון זה הנמצא בשלבי פיתוח, מסוגל לאתר את חומר הנפץ PETN. עד היום, תרכובת חומר נפץ זה ניתנה לגילוי רק באמצעות איסוף דגימה ובדיקתה בספקטרומטר. הננו-חיישן יכול לאתר מולקולה יחידה של החומר PETN מתוך עשרות מיליארד מולקולות אוויר. מנגנון פעילותו של החיישן: כאשר מולקולת ה-PETN נכנסת לננו-הצינורית של החיישן, קבוצות הניטרו האופייניות למולקולה נקשרות לפני השטח של הצינורית ומשנות את המוליכות החשמלית שלה, ושינוי זה ניתן לגילוי באמצעות מכשור אלקטרוני פשוט. ננו-ביוחיישן המסוגל לזהות כמויות זעירות של חלבונים באמצעות אותות אלקטרוכימיים: חוקרים פתחו גלאי הבנוי מצבר של ננו-צינוריות פחמן המצופה בשכבה דקיקה של פולימר בעל התנגדות חשמלית. הננו-ביוחיישן מזהה חלבון ברמת רגישות של פחות מפיקוגרם לליטר (10–12 גרם לליטר). החישה מתבצעת לאחר תהליך מקדים של הטבעת המולקולות של החלבון הנבדק בתוככי הציפוי הפולימרי של הננו צינוריות. ההטבעה יוצרת אתר הכרה בתבנית החלבון הנבדק. בתהליך החישה מולקולת החלבון "צונחת" לתוככי תבנית המראה שלה שבפולימר היא ממלאת אותה וגורמת לננו-הצינורית לשנות באופן משמעותי את ההתנגדות, המהווה מחוון כמותי לנוכחות חלבון. ביו ננו-חיישן המבוסס על ננו-צינורית הוכיח את יכולתו לאתר את החלבון פריטין, שהוא החלבון העיקרי בתאים לאחסון ברזל, וגם את החלבון E7 שמקורו בנגיף הפפילומה האנושי. בניסויים נוספים עם החלבון קושר סידן קלמודולין, הראו כי החיישן מסוגל להבדיל אפילו בין הצורות השונות של החלבון. ננו-חיישן המבוסס על שילוב של העקרונות הפיזיקליים, הכימיים והביולוגיים הוא הננו-שוער. ננו-שוער הוא נקב זעיר ביותר, היכול להיווצר על ידי חלבוני שוער או על ידי נקב בחומר סינתטי כגון סיליקון או גרפן. ננו-שוער המצוי בממברנה מבודדת חשמלית יכול לשמש כגלאי של מולקולות בודדות, הן כתעלה חלבונית ביולוגית בדו-שכבה ליפידית בעלת התנגדות חשמלית גבוהה, הן כשוער בממברנה מוצקה, והן כשילוב בין השניים - תעלה חלבונית בממברנה סינתטית. עיקרון החישה מבוסס על מעקב אחר הזרם היוני העובר דרך השוער כאשר מחילים מתח חשמלי מצידי הממברנה. כאשר הננו-שוער הוא בממדים מולקולריים, מעבר של מולקולות, כגון דנ"א, גורם להפרעות ברמת הזרם "הפתוח" ובכך מהווה סיגנל. המעבר של מולקולת רנ"א או דנ"א חד-גדילי דרך תעלת אלפא-המוליזין ממברנלית שקוטרה ננומטר וחצי, לדוגמה, מוביל לחסימה של כ-90% מהזרם (נמדד בתמיסת אשלגן כלורי בריכוז 1M). ריצוף מבוסס ננו-שוער הוא דוגמה לשימוש בננו חיישן זה. ההבחנה כי מעבר גדיל דנ"א המכיל בסיסים חנקניים שונים מוביל לרמות חסימה שונות, הוליד את היפותזת הריצוף הננו-שוערי. ב-2009 דווח בפרסום מדעי על זיהוי של נוקלאוטידים בודדים, כולל ציסטאין ממותל, בעודם עוברים דרך תעלת המוליזין. ריצוף שכזה, אם יצליח, יוכל לשנות את פני תחום הגנומיקה, מאחר שהריצוף ייעשה פשוט ומדויק יותר, ובעל פוטנציאל לשיפורים משמעותיים מבחינת עוצמה ועלויות לעומת שיטות הריצוף כיום המשתמשות בפלואורסצנציה/לומינסנציה ומכשור אופטי כדי להבחין בסיגנל פוטוני. פרט לריצוף דנ"א, יישומים אחרים כוללים הפרדה בין דנ"א חד-גדילי ודו-גדילי בתמיסה, וקביעת אורכם של פולימרים. בשלב זה, ננו-שוערים תורמים להבנת הביופיזיקה של פולימרים, כמו גם לאנליזת מולקולה-בודדת של אינטראקציות דנ"א-חלבון. תשומת לב רבה בעולם הרפואה מוקדשת לזיהוי מדויק של תאים ספציפיים בתוך הגוף לצורכי אבחון וטיפול. לביו-ננו-חיישנים פוטנציאל גדול בתחום זה היות שיש להם את היכולת לברור בין תאים שונים ואף לזהותם בגוף באופן ספציפי. דוגמה לכך היא זיהוי תאים סרטניים בסדרי גודל מולקולריים במטרה לשמש כאמצעי למעקב אחר התפתחותם במקומות שונים בגוף ובהמשך אף לשם שיגור תרופה לאותם האתרים. באמצעות מדידת שינויים ברמת התא נבדקים פרמטרים שונים כמו נפח, ריכוז, כוחות גרביטציה, מהירות, כוחות מגנטיים וחשמליים, ואף לחץ וטמפרטורה. יישומים פוטנציאליים נוספים בתחום הרפואה הם זיהוי דנ"א ספציפי במטרה לגלות פגמים גנטיים ברורים, במיוחד אצל פרטים בקבוצות סיכון, חיישנים שמסוגלים לזהות רמות גלוקוז אצל חולי סוכרת בצורה פשוטה בהרבה מהשיטות הקיימות היום. כמו כן נמצאים בשלבי פיתוח ננו-חיישנים לזיהוי גידולים סרטניים בשלבים מוקדמים, לטיפול ספציפי בתאי סרטן, לפיזור יעיל של חמצן בדם בזמן התקף לב, לחישה של מגוון מולקולות כימיות בו זמנית, ואפילו לניטור המצב הבקטריאלי בפה. דוגמה לפוטנציאל של ננו-חיישן בזיהוי מוקדם של גידול סרטני היא שימוש בתכונות הפלואורסצנציה של הנקודות הקוונטיות קדמיום סלנייד (CdSe). זריחתם החזקה של הנקודות הקוונטית תאפשר לזהות גידולים ממאירים על ידי הזרקה פשוטה שלהם לגוף. בשל רעילותו הגבוהה של קדמיום סלנייד לגוף החל החיפוש אחר ננו-חלקיק חלופי אשר יהיה פחות רעיל אך ישמר את אותה תכונת הפלואורסצנציה בעוצמה גבוהה. הנקודה הקוונטית הכי קרובה שנמצאה היא האבץ סולפיד ZnS אשר מספק פלואורסצנציה חלשה יותר אמנם אך כמעט ואינו רעיל לגוף ובהיקשרו לתא המטרה עוצמת הזריחה שלו גדלה. בתחום איכות הסביבה, יעילות הזיהוי של מולקולות כימיות מסוכנות באוויר או במים וזיהוי דליפה של דלקים יהיה יעיל בהרבה באמצעות ננו-חיישנים הן בשל רגישותם והן בשל גודלם המזערי המאפשר פריסה רחבה של נקודות החישה. בתחום המזון ננו-חיישנים יוכלו לנטר את איכות המזון על ידי זיהוי מדויק של מרכיביו. תוצר אפשרי נוסף הוא פתוח ננו חיישנים לבניית מעגלים משולבים קטנים יותר, כמו גם הטמעתם בתוצרי ננוטכנולוגיה אחרים לשימוש במגוון תחומים, ביניהם צבא, תחבורה, תקשורת, שיפור ביציבות מבנית, רובוטיקה וננורובוטיקה. ננו-חיישנים אף יוכלו אולי, לשמש כמוניטורים מדויקים ביותר במערכות חכמות בהם יש צורך בהיזון חוזר כאשר גודל ומשקל החיישנים מוגבלים, כגון מכשור לוויינים ואווירונאוטיקה. ננוטכנולוגיה ביוננוטכנולוגיה ביוסנסור אף מלאכותי ביו שבב Nanosensor Probes Single Living Cells, באתר OakRidge National Laboratory Quantum Dot Sensors, באתר Western Michigan University Weighing the Very Small: ‘Nanobalance’ Based on Carbon Nanotubes Shows New Application for Nanomechanics, באתר Georgia Tech Research News. Nanosensors News, באתר International Frequency Sensor Association Overview of Nanosensors, באתר UnderstandingNano Website Emerging Technologies and the Environment, באתר Center for Responsible Nanotechnology Nanotechnology and Societal Transformation, באתר International Nanotechnology and Society Network Nanotechnology, Privacy and Shifting Social Conventions, באתר University of Alberta - Health Law Institute Nanotechnology and Surveillance,(הקישור אינו פעיל) באתר Foresight Institute Online lecture on Nanobiotechnology and Biosensors, באתר nanoHub.org Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA. (1999). "Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes". Science. 283: 1513–1516. Oomman K. Varghese et al. (2003). "Hydrogen sensing using titania nanotubes". Sensors and Actuators B: Chemical 93: 338–344. Mario Boehme et al. (2011). "Low cost chemical sensor device for supersensitive pentaerythritol tetranitrate (PETN) explosives detection based on titanium dioxide nanotubes". Sensors and Actuators B: Chemical 158: 286–291. Dong Cai et al. (2010). "A molecular imprint nanosensor for ultrasensitive detection of proteins". Nature Nanotechnology 8: 597–601. Xu Hou, Wei Guo and Lei Jiang (2011). "Biomimetic smart nanopores and nanochannels". Chemical Society Reviews 40: 2385-2401.