–29

4.1 مبانی عملکرد منابع توان پالسی پلاسما
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
1.2.4.1 بانک خازنی
2.2.4.1 مولد مارکس
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس (PEN)
5.4.1 خط انتقال بلوملین (BLUMLEIN)
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
6.1 نتیجه گیری
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده درپلاسما
1.2 مقدمه
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc - dc
1.2.2.2 مبدل باک (Buck)
2.2.2.2 مبدل بوست (Boost)
فهرست مطالب
عنوان 3.2.2.2 مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
4.2.2.2 مبدل کاک (Cuk)
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
3.2 روش های کنترلی مورد استفاده در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3.2روش کنترلی منبع ولتاژ
2.3.2روش کنترلی منبع جریان
4.3.2 روش کنترلی پسماند
4.2 نتیجه گیری
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3 مقدمه
2.3 طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت
1.2.3 آرایش مداری توپولوژی پیشنهادی
2.2.3 حالت های کلید زنی توپولوژی پیشنهادی
3.2.3 تحلیل مداری توپولوژی پیشنهادی
4.2.3 محاسبه مقدارdv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
3.1.3 محاسبه مقادیر المان های منابع توان پالسی پلاسما
2.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی پلاسما
3.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده در حالت استفاده از خازن اضافی در منابع توان پالسی پلاسما
فهرست مطالب
عنوان 4.3 طراحی استراتژی کنترلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
1.4.3 تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
2.4.3 طراحی و تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
5.3 نتیجه گیری
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.4 مقدمه
2.4 روند شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی برای منبع توان پالسی پلاسما
1.2.4 تعیین مقادیر المان و مولفه های اصلی منابع توان پالسی پلاسما
2.2.4 روش مدل سازی بار در توپولوژی پیشنهادی
3.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
4.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
3.4 تخمین انرژی ذخیره شده در منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
4.4 شبیه سازی dv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
5.4 نتیجه گیری
فصل پنجم - بحث و نتیجه گیری
- نتیجه گیری
- مراجع
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
شکل(1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شکل (1-3) نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
شکل (1-10) آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ شکل(2-2)مبدل باک (Buck) شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-4)مبدل بوست (Boost)
شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-6)مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
شکل(2-7) شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت ( Positive Buck-Boost )
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-9) مبدل کاک (Cuk)
شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
شکل (2-14) توپولوژی های کنترلی مورد استفاده در یک منبع توان پالسی پلاسما
شکل (2-15)روش کنترلی منبع ولتاژ در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-16)روش کنترلی منبع جریان مورد استفاده در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-17)روش کنترلی حلقه جریان پسماند برای کنترل جریان سلفی در منابع توان پالسی پلاسما
شکل (2-18) روش کنترلی پسماند برای منابع توان پالسی پلاسما
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(3-1) شمای کلی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت منبع توان پالسی
شکل (3-2) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با یک مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-3) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با دو مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-4) مدل سازی توپولوژی پیشنهادی جهت تحلیل حالات کلیدزنی در منبع توان پالسی
شکل(3-5) حالت کلیدزنی شارژ شدن سلف در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-6) حالت کلیدزنی عبور جریان سلفی در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-7) حالت کلیدزنی شارژ همزمان خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-8) حالت تامین بار در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-9) حالت کلید زنی شارژ جداگانه خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل (3-10) فلوچارت کنترلی پیشنهادی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع
توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (4-1) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – یک طبقه
شکل(4-2) شبیه سازی روش کنترلی منبع ولتاژ در توپولوژی پیشنهادی
شکل(4-3) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه: (الف) کلید Ss (ب) کلید S1
شکل(4-4) مولفه جریان کلید بارSL توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
شکل (4-5) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – دو طبقه
شکل(4-6) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی همزمان: (الف) خازنC1 یا کلید S1 (ب) خازنC2 یا کلید S2 (ج) کلید SL
شکل(4-7) مولفه های اصلی توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی جداگانه: (الف) ولتاژ خروجی (ب) جریان سلفی (ج) جریان خروجی(بار) IL (د) ولتاژ ورودی
شکل (4-8) شبیه سازی پیشنهادی جهت تخمین میزان انرژی ذخیره شده
شکل(4-9) تخمین انرژی ذخیره شده در توپولوژی پیشنهادی: (الف)انرژی ذخیره شده در سلف (ب) انرژی ذخیره شده درخازن (ج) انرژی ذخیره شده در بار
شکل(4-10) جریان خازنی در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
فهرست جدول ها
عنوان صفحه ه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ - جریان حالت dc پلاسما
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
جدول(1-3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول( 3-1) شاخص های کلیدی توپولوژی های مورد استفاه در منایع توان پالسی پلاسما
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول (4-1) مقادیرمولفه و المان های اصلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-2) مقادیر dv/dt تولید شده در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-3) خلاصه ای از مقایسه بین دو آرایش مختلف توپولوژی پیشنهادی منبع توان پالسی پلاسما
2
2
3
5
5
6
8
10
11
14
15
17
18
18
19
20
20
20
22
22
23
25
صفحه
26
28
30
32
34
35
35
36
37
39
40
41
42
42
44
48
51
51
52
53
54
صفحه
55
55
56
58
59
60
61
61
62
62
63
65
67
69
70
72
73
76
3
4
6
8
8
9
9
10
11
16
17
22
23
24
25
26
27
28
28
29
29
30
31
34
35
36
37
38
38
42
43
43
44
45
46
47
47
48
57
63
64
64
65
65
66
67
68
69
70
4
6
7
13
13
15
32
32
41
62
70
71
لیست علایم و اختصارات
AC ) Alternating Current جریان متناوب (
BJT ) Bipolar Junction Transistorترانزیستور پیوند دو قطبی (
CCM ) Continuous-Conduction-Modeحالت هدایت پیوسته (
CDVM ( Capacitor-Diode Voltage Multiplier)تقویت کننده ولتاژ دیود و خازن
CSR ) Converter Series Resonanمبدل تشدید سری (
DC ) Direct Currentجریان مستقیم (
EMI ) Electromagnetic Interferenceتداخلات الکترومغناطیسی (
EMC ) Electromagnetic Compatibilityسازگاری الکترومغناطیسی (
HV ) High Voltageولتاژ بالا (
IGBT ) Insulated Gate Bipolar Transistorترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده (
MBL )Multistage Blumlein Linesخطوط بلوملین چند طبقه ای (
MFC ) Magnetic Flux Compressorکمپرسور شار مغناطیسی (
MG ) Marx Generatorمولد مارکس (
MOSEFET ) Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistorترانزیستورنیمه هادی اکسید فلزی با اثر میدان(
MPC )Magnetic Pulse Compressorکمپرسور پالس مغناطیسی (
MVM ) Multilevel Voltage تقویت کننده ولتاژ چند سطحی (
PEF ( Pulsed Electric Fieldمیدان الکتریکی پالسی (
PFC ) Power Factor Correctorsتنظیم کننده های ضریب قدرت (
PFN ) Pulse Forming Networkشبکه شکل دهی پالس (
SMPS (Switched-Mode Power Supply)روش کلید زنی منابع توان پالسی
ZCS )Zero Current Switchingکلید زنی جریان صفر (
ZVS ) Zero Voltage Switchingکلید زنی ولتاژ صفر (
فصل اول

آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.1مقدمه
اساس فناوری سیستم توان پالسی بر پایه ذخیره انرژی زیاد در زمان نسبتا طولانی و آزاد کردن خیلی سریع آن می باشد که هدف از فرآیند آزاد سازی انرژی، افزایش توان لحظه ای آن است. از مشخصه های کلیدی منابع توان پالسی می توان به سطح ولتاژ و مدت زمان افزایش آن که بر مبنای مشخصات بار مورد نیاز تعیین می شود، اشاره کرد]1[. روش های سازگاری منابع توان پالسی با بارهای متفاوت توسط تکنولوژی موجود، یکی از بحث های کلیدی فناوری سیستم توان پالسی مورد استفاده در پلاسما می باشد. استفاده از دانش پیشرفته و رویکردهای اخیر در الکترونیک قدرت و نیمه هادی ها به حساب سطح نیازمندی صنعتی و علمی آن است که باعث پیشرفت سریع منابع توان پالسی در دهه اخیر شده است.از ویژگی های بارز منابع توان پالسی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان آن، پیچیدگی ها و ریزه کاری آن است]2[. کنترل بهینه روند تولید توان در منابع تولید توان پالسی یک روش مهم و حیاتی برای افزایش راندمان می باشد. از سوی دیگر استفاده از منابع توان پالسی با ولتاژ بالا نیازمند کلیدهای قدرت بالا می باشد که ولتاژ شکست و زمان کلید زنی آن محدودی است.
2.1 آشنایی با پلاسما
واژه "پلاسما" برای اولین بار در سال 1927 توسط ایروین لانگمویر برای یک توده خنثی از ذرات باردار به کار رفت]3[. پلاسما را می توان با ایجاد یک اختلاف پتانسیل بین دو الکترود در یک محیط گازی بوجود آورد. میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترودهای آند و کاتد، باعث یونیزاسیون ذرات گاز خنثی و ایجاد مسیر هدایت می شود. در شکل(1-1) نمونه ای از الکترودها را نشان داده شده است. ساده ترین حالت، خطوط میدان الکتریکی بین آند و کاتد که در آن میدان الکتریکی تقریبا یکنواخت است، به اندازه و شکل الکترودها(دو الکترود مسطح با یک شکاف کوچک در میان شان است) بستگی دارد]4[.

شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
1.2.1 منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان پلاسما
شکل (1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان الکترودها را در حالت dc نشان می دهد]5[. این منحنی دارای چند ناحیه می باشد که نام نواحی در جدول (1-1) به صورت خلاصه بیان شده است. ناحیه دشارژ تاریک پلاسما، که در آن دشارژ شروع می شود. هر چند که برای ایجاد حالت شکست، این دشارژ به صورت کافی ذرات را تحریک نمی کند. به این دشارژ تاریک می گویند زیرا که در این حالت دشارژ هیچ گونه انتقال انرژی به الکترون ها صورت نمی گیرد تا منجر به انتشار نور مرئی شود. در دشارژ تاریک با یونیزاسیون، یون ها والکترون ها به تنهایی اشعه های کیهانی و اشکال دیگری از آن (مانند اشعه یونیزه کننده طبیعی) که با افزایش ولتاژ همراه است، تولید می کند. در حالت اشباع با یونیزاسیون، تمام ذرات باردار حذف و الکترون ها به علت یونیزاسیون انرژی کافی ندارند. در حالت تاونزند با شروع یونیزاسیون، میدان الکتریکی ایجاد و جریان و ولتاژ به صورت نمایی افزایش می یابد]6[. بین حالت تاونزند و شکست در پلاسما، ممکن است تخلیه کرونا صورت گیرد که در نتیجه میدان الکتریکی بر روی لبه های تیز الکترود متمرکز می شود. تخلیه کرونا می تواند به صورت مرئی یا تیره باشد که به میزان جریان عبوری از آن بستگی دارد. ناحیه دشارژ تابشی با حالت شکست شروع می شود و با تشکیل قوس الکتریکی به پایان می رسد. به طور عمده فرآیندهایی که منجر به شکل گیری حالت شکست و دشارژ تابشی می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: (الف) فرآیندهای گازی پلاسما، که در آن یونیزاسیون از برخورد الکترون و یون صورت می گیرد. (ب) فرآیندهای کاتدی پلاسما، که در آن الکترون ها از کاتد آزاد می شوند. به این فرآیند، به علت ایجاد الکترون در آن، فرآیند ثانویه نیز می گویند]7[. با مطالعه مقالات منتشر شده در این مورد می توان دریافت که جنس کاتد تاثیر زیادی درایجاد حالت شکست دارد. توسط فرآیند ثانویه می توان انواع انرژی تابشی را بصورت فتوالکتریک که در آن انرژی نوری باعث آزاد شدن الکترون ها می شود انتشار داد. در این مورد می توان به حالت گرما یونی در پلاسما نیز اشاره کرد، که در آن انرژی حرارتی باعث ایجاد الکترون و منجر به تولید میدان الکتریکی می شود. جرقه های ناشی از دشارژ در این حالت بسیار شدید است و دارای درخشندگی و چگالی جریان زیادی می باشد. قوس های ناشی از دشارژ را می توان معادل چگالی جریان زیاد در حد کیلو آمپر در سانتیمتر مربع در نظر گرفت. هرچند که شدت طبیعی قوس می تواند عامل فرسایش سریع تر الکترودها شود]9،8[.

شکل(1-2)منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شماره 1 2 3 4 5 6 7 8 9
نواحی دشارژ تاریک دشارژ تابشی حالت جرقه ای حالت یونیزاسیون حالت اشباع حالت کرونا حالت تاونزند حالت شکست حالت تابشی
شماره 10 11 12 13
نواحی حالت تابشی غیر عادی حالت انتقالی از تابشی به جرقه حالت حرارتی حالت حرارتی با جرقه
3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
اولین کاربرد منابع توان پالسی در دهه 1960 در نیرو گاه های هسته ای و تسلیحات هسته ای برای تولید پالس های با ولتاژ مگاولت و توان های تراوات (1 تراوات، 1000 گیگاوات است) و عرض پالس های چند ده نانو ثانیه تا چند صد نانو ثانیه برای تحریک شتاب دهنده های الکترونی پلاسما بوده است]10[. محدودیت عناصر ذخیره کننده انرژی و نبود تکنولوژی کلیدزنی پالس قدرت، مانع از گسترش آن در حوزه های عمومی تر شده بود. اما هم اکنون با توسعه این منابع و بهبود تکنولوژی ساخت خازن ها، اندوکتانس ها و کلیدها، بسیاری از مشکلات در تولید پالس های قدرت، با انرژی بالا و قیمت مناسب برطرف شده است. اخیرا یکی از اهداف اصلی و کلیدی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی ،استفاده مکرر از مولدهای توان پالسی باحداکثر توان در صنایع از جمله : صنعت مواد غذایی، معالجات پزشکی، آب و فاضلاب (تصفیه آب و...)، تولیدگازهای ازن ،بازیافت بتن ، سیستم احتراق ماشین بخار و کاشت یون در پلاسما می باشد]11[. رایج ترین موارد استفاده از منابع توان پالسی می توان به : مولد مارکس ، کمپرسورهای پالسی الکترومغناطیسی ، عایق کاری ، خطوط انتقال و شکل دهی پالس اشاره کرد. هر چندکه مولدهای توان پالسی نیز با حداکثر توان به صورت وسیعی در مصارف نظامی و گداخت هسته ای مورد بهره برداری قرار می گیرد. هم چنین میدان های الکتریکی پالسی کاربردهای مستقیم و غیر مستقیم بسیاری در صنعت دارند و اخیرا کاربرد این میدان ها در استریلیزه کردن مواد غذایی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است]12[. خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی مورد نیاز برای کاربردهای متفاوت در جدول(1-2) شرح داده است.
4.1مبانی عملکرد منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
اصول فناوری توان پالسی، از ذخیره سازی انرژی بیش از یک مدت زمان طولانی (معمولا ثانیه یا دقیقه) و سپس فرآیند تخلیه انرژی الکتریکی را در طول کوتاه تر از زمان ذخیره انرژی (معمولا میکروثانیه یا نانوثانیه)انجام پذیرد.
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
ردیف کاربردها انرژی الکتریکی طول پالس حداکثرتوان پالس توان متوسط
1 فیزیک پلاسما با چگالی انرژی بالا 20 مگا ژول 10 نانو ثانیه کمتر از ده ترا وات 5 گیگا وات
2 رادیو گرافی با پرتو الکترونی قوی 200 کیلو ژول 70 نانو ثانیه بیشتر از یک ترا وات 10 گیگا وات
3 مایکروویو توان بالا (باندباریک) 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 100 گیگا وات 100 کیلو وات
4 مایکروویو توان بالا (باندخیلی پهن) 10 ژول 1 نانو ثانیه 10 گیگا وات 10 کیلو وات
5 تبدیل مواد با پرتو الکترونی 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 30 گیگا وات اندک
6 بیو الکتریک 1 میلی ژول 100 نانو ثانیه 10 کیلو وات تا 100 مگا وات چند میلی وات تا چند وات

ساده ترین شکل سیستم های توان پالسی با توجه به شکل(1-3) شامل: یک منبع انرژی الکتریکی، ذخیره ساز میانی انرژی و بار است که مرحله تشکیل پالس بین آنها قرار دارد. سیستم توان پالسی در مرحله تشکیل پالس دارای یک کلید قدرت بالا است که می تواند انرژی ذخیره شده را به بار یا یک سیستم پیچیده تر (شامل شبکه ای از کلید های قدرت بالا) انتقال دهد.
بار
شکل دهنده پالس
ذخیره ساز میانی
منبع انرژی
کلیدکلید

شکل (1-3)نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
با بررسی مطالعاتی درباره تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما، می توان با توجه به عملکرد و کارایی، آنها را در 5 بخش اصلی خلاصه کرد که به شرح ذیل می باشد:
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
همان طور که می دانید هر سیستم توان پالسی متشکل از یک منبع، شبکه ذخیره کننده انرژی، تجهیزات شکل دهنده پالس، کلید و بار الکتریکی است. منبع انرژی را در برخی از کاربردها می توان باتری در نظر گرفت که به شبکه ذخیره کننده انرژی متصل و سپس در ارتباط با تجهیزات شکل دهنده پالس قرار می گیرد و پس از کلید زنی به صورت پالس ولتاژ بالا بر روی بار تخلیه می گردد]13[. با توجه به سطوح مختلف توان الکتریکی مورد نیاز، فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالس های کم قدرت و قدرت بالا تقسیم می شود. پالس های قدرت بالا مرتبط با پالس هایی است که توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر دارند که محدوده کمیت های فیزیکی این گونه پالس ها در جدول (1-3) به اختصار بیان شده است. تولید و کنترل پالس های قدرت بالا، نوعی فناوری پیشرفته و پیچیده به شمار می رود و به ابزارها و تکنیک های خاصی جهت انجام آزمایش ها نیازمند است. در سیستم های توان پالسی انرژی به صورت الکتریکی ذخیره و به بار درطی یک پالس و یا پالس های کوتاه با نرخ تکرار کنترل شده ای تخلیه می گردد. مقدار قدرت میدان الکتریکی، شکل پالس، مدت پالس و تعداد پالس ها و... بیشترین تاثیر را بر راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی دارد.
جدول(1- 3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
ردیف کمیت فیزیکی محدوده کمیت فیزیکی
1 انرژی (ژول) 101 -107
2 توان (وات) 106 -1014
3 ولتاژ(ولت) 103 -107
4 جریان (آمپر) 103 -107
5 چگالی جریان (آمپر برمترمربع) 106 -1011
6 عرض پالس(ثانیه) 5-10 -10-10
با بالا و پایین رفتن شکل موج ولتاژ، طول مدت پالس بین چند نانوثانیه و یا چند میکرو ثانیه اندازه گرفته می شود. به عنوان نمونه در شکل (1-4) منحنی یک پالس قدرت بالا را نشان داده شده است. زمان صعودی پالس، مدت زمان لازم برای رسیدن ولتاژ از10% به 90% ( مقدار ماکزیمم) تعریف می شود و می توان زمان نزولی را به روشی مشابه تعریف کرد.که هر دو زمان (صعودی و نزولی) یک پالس قدرت بالا به امپدانس بار بستگی دارد]14[.
در چند دهه اخیر فناوری تولید پالس های ولتاژ بالا توسط کمپرسورهای پالس مغناطیسی با توجه به کاربردهای گوناگون آن در حوزه منابع توان پالسی بسیار حائز اهمیت است . شکل (1-5) یک نمونه رایج از این نوع کمپرسورها را نشان می دهد.

شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
توپولوژی های مختلفی می توان برای منابع توان پالسی با توجه به ادوات الکترونیک قدرت، مولدهای پالسی و کمپرسورهای پالس مغناطیسی در نظر گرفت . که از جمله می توان به طراحی یک منبع توان پالسی مبتنی بر کمپرسور جریان مغناطیسی خطی و شبکه شکل دهی پالس بلوملین برای ادوات الکتریکی نظامی (از جمله : شوک دهنده ها) اشاره کرد]15[.

شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
انرژی مورد نیاز منابع توان پالسی عموما از منابع انرژی کم توان جمع آوری و به مرور ذخیره می شود. متناسب با کاربردها و احتیاجات، ذخیره انرژی به شکل خازنی ، سلفی یا ترکیبی از این دو است. ذخیره سازی انرژی خازنی، معمولا توسط تعدادی از خازن های ولتاژ بالا که اتصال آنها به صورت موازی یا سری است ، تشکیل می شود. حالت اول را بانک خازنی که در شکل (1-6) و حالت بعدی را مولد مارکس می نامند.که در شکل (1-7) نمونه ای از مولد مارکس را نشان داده است]16[.

شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
در هر دو حالت، خازن ها به صورت موازی شارژ می شوند و معمولا به عنوان منبع جریان استفاده می شوند. مولدهای مارکس، ولتاژ و جریان بالا را فراهم می سازند بنابراین در منابع توان بالای پالسی پلاسما به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
برای ذخیره سازی اندوکتیو انرژی از القاگرهای مغناطیسی استفاده می شود. بر خلاف حالت ذخیره سازی خازنی که انرژی مستقیما با بستن کلید به بار منتقل می شود در این حالت نخست انرژی از ذخیره ساز القایی (که در این حالت می تواند یک سیم پیچ باشد) عبور کرده و سپس به بار منتقل می شود. برای تحویل انرژی ذخیره شده سلفی به بار، با باز کردن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و با بار اتصال موازی دارد ، نیاز است. برای تحویل انرژی ذخیره شده خازنی به بار، با بستن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و اتصال سری با بار دارد ، نیاز است . شکل (1-8) مدارهای اصلی این دو حالت را نشان می دهد. برای بهبود پالس تولید شده می توان از این دو حالت به صورت ترکیبی در شرایط گوناگون با توجه به مشخصات بار مورد نیاز استفاده کرد.

شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
1.2.4.1 بانک خازنی
در بانک های خازنی برای تولید پالس های سریع، مطلوب است که میزان اندوکتانس مدار در وضعیت حداقل قرار گیرد. چندین راه برای کاهش اندوکتانس سیستم توان پالسی وجود دارد: برای مثال، می توان به استفاده از خازن های با ظرفیت کم، انتخاب ابعاد مناسب برای خطوط انتقال و سیم های رابط، استفاده از کلیدهای موازی چند کاناله و... اشاره کرد. مزیت استفاده از کلید چند کاناله این است که جریان عبوری از هر کلید به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و در نتیجه طول عمر کلید افزایش خواهد یافت لیکن هزینه ها افزایش می یابد. در این حالت، عملکرد هم زمان کلیدهای قدرت بالا سیستم توان پالسی پلاسما که به صورت موازی با هم اتصال دارند، ضروری است و در غیر این صورت ، سیستم به خوبی کار نخواهد کرد.برای حل این مشکل می توان از مدارکنترلی خارجی استفاده کرد به گونه ای که هریک از کلیدها از خارج سیستم فعال شوند که در شکل (1-9) نشان داده است.
به منظور دست یابی به ولتاژهای خروجی بالاتردر سیستم های توان پالسی پلاسما، بانک های خازنی اغلب به صورت دوقطبی شارژ می شوند که در آن نصف خازن ها به طور مثبت و نصف دیگر به صورت منفی شارژ و سپس به صورت متوالی دشارژ می شوند. در نتیجه ولتاژی بدست می آید که دو برابر ولتاژ ورودی سیستم است. در حالت شارژ دو قطبی، می توان از آرایش تک کلیدی یا چند کلیدی استفاده نمود. اما استفاده از آرایش چند کلیدی در شرایطی که عملکرد مکرر سیستم توان پالسی به صورت پیوسته مورد نیاز است، مفیدتر است.زیرا که در عملکرد مکرر سیستم اگر تمام جریان از یک کلید عبور کند ، خرابی الکترودهای آن مشکل آفرین خواهد بود]17[.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
2.2.4.1 مولد مارکس
در حوزه پالس های قدرت بالا، تقاضا برای مولدهای مارکس زیاد است. این نوع ژنراتورها باید قادر به تامین ولتاژهای بالا و جریان های زیاد باشند. هم چنین شاخصه های کلیدی اجزای آن دارای قابلیت اطمینان و طول عمر بالا و در عین حال به صورت فشرده می باشد به گونه ای که بتوان مجموعه ای از مولدهای مارکس را بدون استفاده از فضای زیاد مورد استفاده قرار داد. در مولد مارکس مانند بانک های خازنی از خازن ها برای ذخیره سازی انرژی استفاده می گردد، اما در این حالت تمام خازن ها هنگام دشارژ به طور لحظه ای اتصال سری پیدا می کنند. بنابراین از مولد مارکس نه فقط به عنوان یک ذخیره ساز انرژی ، بلکه به صورت یک تقویت کننده ولتاژ نیز مورد استفاده قرار می گیرد]18[. اگر مولد مارکس متشکل از N طبقه باشد در این حالت ولتاژ خروجی N برابر ولتاژ ورودی می گردد. حال اگر تعداد زیادی طبقات برای افزایش ولتاژ استفاده شود، قابلیت اطمینان سیستم توان پالسی کاهش می یابد. هم چنین برای افزایش جریان ، از خازن های بزرگ نیز استفاده می شود، با توجه به فشردگی سیستم و طول عمر کلیدها با مشکلاتی در این زمینه روبرو خواهیم شد. تکنیک شارژ دوقطبی یک روش عملی است که امکان استفاده از طبقات زیاد را در شرایط کم حجم بودن سیستم فراهم می سازد. یک راه حلی که می توان برای افزایش قابلیت اطمینان مولد مارکس توان پالسی با توجه به تعداد زیاد طبقات آن ارائه داد، عبارت است از انتخاب α و β با توجه به رابطه (1-1)، به گونه ای که هر دو مقدار افزایش یابند و هم چنین استفاده از پالس کنترلی قدرتمند برای راه اندازی مدارات کنترلی هر یک از کلیدهای سیستم توان پالسی نیز موثر است.
(1-1)
*که در رابطه فوق ، Vsb : ولتاژشکست ، Vch : ولتاژشارژ، Vtr : ولتاژپالس کنترلی است.
انواع متفاوتی از مولدهای مارکس برای کاربردهای خاصی طراحی می شوند. یکی از آنها، مولدمارکس نواری است که برای ایجاد پالس های ولتاژ پایین طراحی می شود. در این نوع مولدهای مارکس، از خطوط انتقال نواری شکل به جای خازن های ذخیره ساز انرژی استفاده می گردد. یعنی خطوط انتقال نواری به صورت موازی شارژ و به صورت متوالی دشارژ می شوند. بنابراین هر خط انتقال برای تولید پالس های ولتاژی پله ای شکل می باشد و از این رو اتصال سری آنها به عنوان یک مولد پالس سریع عمل می کند. قابلیت تولید پالس سریع ، یکی از مزیت های اصلی این نوع مولدها به شمار می رود. اشکال عمده مولدهای مارکس نواری، ابعاد نسبتا بزرگ آنها است و به دلیل ساختار هندسی خاص، امکان فشرده سازی برای این نوع مولدها امکان پذیر نیست. در جدول (1-4) مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری به اختصار بیان شده است]19[.
نوع دیگری از مولد مارکس که قادر به تولید پالس سریع است، مولد مارکس قطعه ای نامیده می شود. که از تعدادی قطعات یکسان تشکیل گردیده است که به راحتی به یکدیگر متصل یا از هم جدا می شوند.
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
ردیف مشخصات مدلI مدلII
1 تعداد طبقات 50 100
2 ولتاژ پیک پالس(کیلوولت) 400 1000
3 جریان پیک پالس (کیلو آمپر) 4 4
4 پهنای پالس (نانو ثانیه) 40 40
5 امپدانس منبع(اهم) 125 250
این ویژگی امکان تنظیم تعداد طبقات مورد نیاز را برای کاربر فراهم می سازد. هر طبقه متشکل از تعدادی خازن سرامیکی است که به صورت موازی با یکدیگر اتصال پیدا می کنند تا اندوکتانس سیستم توان پالسی کاهش یابد. با توجه به ظرفیت کم خازن های سرامیکی، معمولا چنین مولدهایی به عنوان منابع جریان زیاد در سیستم توان پالسی عمل می کنند، اما امکان تنظیم ولتاژ خروجی را نیز فراهم می سازند. جدول (1-5) مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733 نشان داده است. ویژگی های اصلی مولد مارکس قطعه ای عبارت است از:
الف ) خازن ها در مرحله ذخیره سازی همگی به صورت موازی اتصال دارند به گونه ای که اندوکتانس در به حداقل می رسد.
ب) یک کلید خلا قدرت بالا با زمان کلیدزنی سریع برای کنترل پهنای پالس مورد استفاده قرار می گیرد ]20[.
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
ردیف مشخصات مدل A 43733
1 تعداد طبقات مستقل 12
2 ولتاژ شارژ(کیلوولت) 25
3 ولتاژ خروجی(کیلوولت) 300
4 جریان خروجی (کیلو آمپر) 5
5 پهنای پالس (نانو ثانیه) 30
6 راندمان ولتاژ (درصد) %50
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
در کاربردهای توان پالسی قدرت بالا به کلیدهایی نیاز است که توانایی تحمل توان تا حد تراوات و زمان شکست الکتریکی آن در گستره نانو ثانیه واقع شود. کلیدهای معمولی از قبیل نمونه هایی که در کاربردهای عادی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند جهت برآورده کردن این نیازها مناسب نیستند. بنابراین توسعه انواع جدید کلیدها بر مبنای تکنولوژی انتقال انرژی در پلاسما اجتناب ناپذیر است. کلیدهای قدرت بالا به دو گروه کلیدهای باز و بسته تقسیم می شوند.
همان طور که در مقدمه ذکر شد، در سیستم های توان پالسی پلاسما مهم ترین المان در قسمت شکل گیری پالس، کلید قدرت بالا هستند. هم چنین برای انتقال مقادیر زیادی از انرژی ذخیره شده با دامنه بالا و طول پالس کوتاه به سر بار نیز استفاده می شود، بنابراین با توجه به مشخصات بار، این کلیدها باید دارای ویژگی کار با ولتاژ وجریان زیاد (با سطح ولتاژی بین 10 کیلوولت تا چند مگاولت) و دامنه زمان صعودی کوتاه( درحد نانو ثانیه تا چند میکرو ثانیه) را داشته باشند. برای چندین دهه است که کلیدهای پلاسمایی را با مشخصه انتقال انرژی خوب و قابلیت تحمل بالای ولتاژ آن می شناسند. از کلیدهای پلاسمایی نوع بسته را می توان به اسپارک گپ های گازی، ایگنترون ها،تایترون ها و... اشاره کرد که برای بررسی جزئیات بیشتر می توان به منابع مراجعه کرد]21,22[
استفاده از کلیدهای حالت جامد پلاسمایی به صورت کمپکت با تجهیزات جانبی(مدارات کنترلی و ...) با توجه به کارایی مطلوب آن در بازه زمانی طولانی ، دامنه کاری وسیع آن و عمر مفید بالای کلیدها با توجه به نرخ خرابی کم در این کلیدها که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی می شود، روبه افزایش است. با این حال قابلیت های فعلی این کلیدها از جمله : ولتاژ شکست و حداکثر جریان عبوری، هنوز هم قادر به تحمل پارامترهای کلیدی سیستم های توان پالسی بزرگ و پیچیده مورد استفاده در پلاسما نمی باشند. جدول (1-6) به طور خلاصه به برخی از پارامتر های اصلی کلیدهای گازی نوع بسته پلاسمایی مانند اسپارک گپ ها و ... هم چنین برای کلیدهای حالت جامد مانند تریستور، IGBT و ماسفت اشاره می شود.
ردیف
نوع کلید حداکثر جریان (کیلو آمپر) ولتاژ شکست
(کیلو ولت) افت ولتاژ مجاز
(ولت)
1 اسپارک گپ 1000-10 100 20
2 ایگنترون 10-1 30 150
3 تایترون 100-5 35 200
4 تریستور 50-1 5-1 2
5 IGBT 1 1 3
6 ماسفت 0.1 1 1
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی با حالت گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
در سیستم های توان پالسی بستن کلیدهای پلاسمایی که در حالت عادی باز هستند، برای تحریک مدار به کار می رود. شکل کلی این نوع کلیدها به صورت دو الکترود با یک عایق در میان آن می باشد. به طور کلی تحریک کلیدها با افزایش بار حامل عایق های میانی آن به نوع کلید و ساختار گوناگون آن بستگی دارد. با توجه عملکرد بار حامل در این کلیدها، حالت شکست یا عمل بسته شدن کلید انجام می پذیرد.
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس
در سیستم توان پالسی پلاسما دو هادی الکتریکی که بین آنها ولتاژ اعمال شود و بتواند جریان الکتریکی را انتقال دهد، به عنوان خط انتقال در نظر گرفته می شود. در بسیاری موارد هیچ تمایز مشخصی بین خط انتقال و یک مدار الکتریکی عادی وجود ندارد. که در این حالت دو عامل طول هادی ها و طول موج ولتاژ اعمالی تعیین کننده است. اگر طول موج ولتاژ اعمال شده در مقایسه با طول هادی ها بسیار بلند باشد می توان دو هادی را به عنوان یک مدار الکتریکی در نظر گرفت در غیر این صورت باید آنها را در قالب خط انتقال مورد تحلیل قرار داد. خطوط استاندارد انتقال در سیستم های توان پالسی، که به صورت تجاری تولید می شوند و معمولا از نوع هم محور هستند، دارای امپدانس 50 اهم هستند. البته دست یابی به دیگر امپدانس ها با ایجاد خطوط شکل دهی پالس نواری امکان پذیر است. اگر این خطوط در ولتاژ های بالایی قرارگیرند این روش، هزینه بر و مشکل است. مشکل دیگر مربوط به سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خطوط انتقال است. می دانیم که سرعت انتشار متناسب با نفوذپذیری نسبی یا ثابت دی الکتریک ماده ای است که برای عایق کاری بین دو رسانای سازنده خط به کار برده می شود. ماده ای که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد، نوعی پلاستیک پلیمر مانند پلی پروپیلن است که ثابت دی الکتریک آن تقریبا کوچک است. از این رو سرعت انتشار موج بر روی این خط در حدود 108*2 متر در ثانیه و معادل 20 سانتیمتر در هر نانو ثانیه است. بنابراین برای ایجاد یک پالس به طول یک میکرو ثانیه با استفاده از یک خط شکل دهنده پالس، به خط انتقالی معادل 100 متر نیاز خواهد بود. برای تولید پالس های طولانی استفاده از این روش امکان پذیر نیست مگر آن که از خط های نواری که با موادی با ثابت دی الکتریک بالا عایق بندی شده اند، استفاده گردد.
یکی از روش های تحلیل و بررسی شبکه های شکل دهی پالس، شبیه سازی خط با استفاده از شبکه نردبانی متشکل از سلف و خازن ها است که در شکل (1-10) نشان داده است. انرژی آزاد شده از این خط که ناشی از پالس های مربعی است معمولا در خازن های شبکه نردبانی ذخیره می شوند.این شبکه به عنوان یک شبکه تغذیه کننده ولتاژ نیز شناخته می شود. با توجه به امکان ذخیره سازی مغناطیسی انرژی در القاگر های شبکه، در این حالت به آن شبکه تغذیه کننده جریان نیز می گویند. اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات امپدانسی، معادلات تبدیل و ویژگی های انتشار و... در یک شبکه نردبانی LC را می توان درمرجع ]23[ مشاهده کرد.

شکل (1-10)آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
5.4.1 خط انتقال بلوملین
یک ایراد مهم شبکه های شکل دهی پالس در سیستم توان پالسی پلاسما آن است که در شرایط تطبیق امپدانس ، دامنه پالس روی بار الکتریکی برابر با نصف دامنه ولتاژ شارژ کننده است. این مشکل را می توان با استفاده از خط شکل دهنده پالس بلوملین برطرف کرد. یک خط انتقال بلوملین از دو خط انتقال ساده که به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل می گردد. این دو خط به صورت موازی باردار و به صورت سری تخلیه می شوند. در صورت صحت اتصالات در ورودی و بار ، دامنه ولتاژ خروجی در آنها تا دو برابر سطح ولتاژ خروجی یک خط انتقال خواهد رسید. خط بلوملین را می توان به صورت استوانه ای یا به شکل صحفه ای موازی ساخت. در بیشتر کاربردهای پالس های قدرت بالا، فضای بین استوانه ها با نوعی دی الکتریک مایع ، نظیر روغن یا آب پر می شود. یک کلید در بین استوانه های میانی و داخلی برای کنترل ولتاژ خط وجود داردکه در شکل(1-11) نشان داده شده است. شعاع استوانه ها را به گونه ای انتخاب می شوند که امپدانس مشخصه در تمام طول خط یکنواخت باشد و ولتاژ مورد نیاز تامین گردد. معمولا بار الکتریکی بین استوانه های داخلی و خارجی متصل می شود و تغذیه ولتاژ ورودی از طریق استوانه میانی صورت می گیرد. به طور ایده آل خط بلوملین را به گونه ای طراحی می کنیم که دارای ولتاژ و جریان خروجی زیاد ،با راندمان انتقال انرژی وتوان نزدیک به یک باشدکه در نتیجه باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ابعاد آن می شود.

شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
بهبود قابلیت اطمینان و راندمان در منابع توان پالسی با توجه به کاربرد آن در پلاسما ارتباط اساسی با مشخصات سیستم های توان پالسی دارد. اخیرا با توجه به استفاده متعدد از منابع توان پالسی در حوزه های صنعتی و هسته ای ، تحقیقات و بررسی زیادی در مورد استفاده بهینه فناوری توان پالسی صورت گرفته است. با توجه به مطالعات صورت گرفته در این زمینه ، این پایان نامه، یک توپولوژی جدید مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت را پیشنهاد می کند که می توان با مدل کردن یک منبع جریان در منابع توان پالسی، امکان کنترل شدت جریان را در حالت تغذیه بارداشته باشیم. بخش اصلی در این آرایش استفاده از کلید های نیمه هادی با ولتاژ کاری مناسب برای تولید ولتاژ های بالا می باشد. در خروجی این توپولوژی تعداد مشخصی از کلید – دیود – خازن به منظور تبادل انرژی منبع جریان با توجه به نوع ولتاژ و تولید توان پالسی کافی با مقدار ولتاژی مناسب طراحی شده است. با شبیه سازی در محیط نرم افزاری MATLAB/SIMULINK، کارایی و قابلیت اجرا بودن این توپولوژی به اثبات رسیده است که بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منبع توان پالسی از مزایای کاربردی و مهم آن است
6.1 نتیجه گیری
در این فصل ابتدا به بررسی فناوری سیستم های توان پالسی و حوزه های کابردی آن پرداخته شد و سپس جهت آشنایی با محیط پلاسما منحنی ولتاژ- جریان مورد تحلیل قرار گرفت و در انتها تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما با توجه به آرایش ساختاری شان ارائه شد. با توجه به اهمیت بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی ، در فصل بعدی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد و توپولوژی پیشنهادی با توجه به تاثیر آن در افزایش قابلیت اطمینان و راندمان انتخاب می شود.

فصل دوم

بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.2 مقدمه
استفاده از منابع توان پالسی در فرآیندهای مختلف پلاسما با توجه به ارتباط برقرار شده بین آنها رو به افزایش است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده در این مورد، طراحی منابع توان پالسی با هدف کاهش تلفات و افزایش راندمان می تواند تاثیرات کلیدی درکاربردهای پلاسما (از جمله تصفیه سازی مایعات و...) بگذارد. برای درک بهتر از ماهیت منابع توان پالسی و اثرات متقابل آن برحوزه های توسعه یافته پلاسما، با طراحی یک منبع توان پالسی که متشکل از المان های الکترونیک قدرت می باشد می توان روند استفاده از منابع توان پالسی در پلاسما را ارتقا داد.
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
تکنولوژی کلیدهای قدرت بالا با توجه به نوع کاربرد آن در منابع توان پالسی پلاسما و نسبت به تغییر و تحولات صورت گرفته در عرصه فناوری قطعات نیمه هادی الکترونیک قدرت، متفاوت و گوناگون هستند. تریستور IGBT,،ماسفت و ... نمونه ای از کلیدهای قدرتی هستند که به عنوان کلیدهای نیمه هادی حالت جامد شناخته می شوند. در منابع توان پالسی پلاسما برای داشتن dv/dt بالا، نیاز به کلید زنی سریع (کلیدزنی آن حالت گذرای کوچکی داشته باشد) است و این مشخصه ، نقش کلیدی در شکل گیری توپولوژی منابع توان پالسی پلاسما دارد. درکلیدهای قدرت بالا مورد استفاده در سیستم های توان پالسی، بازه زمانی کلید زنی با حالت گذرا و روند جابجایی و انتقال سیگنال عبوری آن از نانو ثانیه تا میکرو ثانیه است. کلیدزنی گذرا مستقیما برروی کارایی و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی تاثیر می گذارد و از هدایت الکتریکی ادوات نیمه رسانا سیستم جلوگیری می کند. اکثر منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مشخصات مقاومتی – خازنی دارند. بنابراین در توپولوژی پیشنهادی یک منبع جریان برای تامین بارها ضروری است. در این فصل به بررسی توپولوژی های موجود و روش های کنترلی آن می پردازیم :
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
معمولا ازکلیدهای گازی اسپارک گپ مغناطیسی در کلید زنی منابع توان پالسی پلاسما مورد استفاده قرار می گرفت اما اخیرا با توجه به استفاده گسترده از تکنولوژی حالت جامد در مولدهای مارکس توان پالسی، عملکرد سیستم را از لحاظ راندمان و قابلیت اطمینان بهبود بخشیده است. شکل (2-1) نمونه ای از مولد مارکس را در در حالت شارژ و دشارژ نشان داده است. برای آشنایی با کارایی این توپولوژی در پلاسما به چند مورد از کاربردهای آن با شرح توضیحات اشاره می شود. از مولد مارکس در این توپولوژی می توان به عنوان منبع تحریک در پلاسما استفاده کرد. مدار ارائه شده در این حالت از دو مولد مارکس حالت جامد با اتصال موازی با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی به عنوان کلید بسته استفاده می شود. در این توپولوژی زمان بازدهی ترانزیستورهای دوقطبی در حالت شکست بهمنی به صورت سریع افزایش می یابد. در این طراحی با توجه به پلارتیه مثبت و منفی پالس ها به راحتی می توان تغییراتی از جمله : افزایش مقدار بازدهی یا کاهش مقدار ولتاژ خروجی را داشته باشیم. در مطالعه دیگری، توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، شامل یک مدولاتور مارکس متشکل از IGBT های مجزا و مدار تشدید پالس مغناطیسی است که برای فشرده سازی پالس خروجی مارکس و کاهش تاثیر نسبتا تدریجی فعالیت IGBT در مدولاتور مارکس است. استفاده از این توپولوژی درسطح ولتاژی مختلف برای منابع توان پالسی پلاسما دارای شاخصه های کلیدی است که به طور خلاصه می توان به آن اشاره کرد: در ولتاژ 1.3 کیلوولت، استفاده از یک تقویت کننده ولتاژ بالا به همراه مولد مارکس متشکل ازکلیدهای ماسفت الزامی است. در ولتاژ 2000 ولت، نیاز به مولد مارکس 20 طبقه است که در هر طبقه آن شامل مجموعه ای از IGBT و دیود و خازن است.
فناوری مولدهای مارکس را می توان با جایگزین کردن کلیدهای حالت جامد مانند IGBT ها و مجموعه های دیود و خازن متصل به آن ، به جای کلید های گازی اسپارک گپ در سیستم های توان پالسی پلاسما ارتقا بخشید که در نتیجه سیستم های توان پالسی ارائه شده دارای ویژگی هایی از قبیل سادگی و فشردگی ابعاد، قابلیت اطمینان بالا و عمر مفید طولانی می باشد. با توجه به مزایای زیاد استفاده از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ، می توان بسیاری از کاربردهای ولتاژ بالای پلاسما را به این توپولوژی اختصاص داده شود]24[.

شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ،ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های Dc - Dc
در میان تمام توپولوژی های مورد استفاده در سیستم های توان پالسی پلاسما توسط ادوات الکترونیک قدرت، توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تغییرات سطح ولتاژی مناسب یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از کاربردهای منابع توان پالسی پلاسما می باشد. برای بسیاری از دستگاه ها و مدارات کنترلی سیستم توان پالسی پلاسما یک ترانسفورماتور که عهده دار تبدیل ولتاژ سیستم می باشد، مورد نیاز است. استفاده از ترانسفورماتورها به همراه مبدل های dc-dc را می توان به عنوان یک روش عملی و موثر برای افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی پلاسما ارائه کرد. حالت های کلید زنی منابع توان پالسی به عنوان یک روش کاربردی برای بارهای غیر خطی پلاسما شناخته شده است. از مبدل های dc-dc نیز می توان به عنوان رگولاتور در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی استفاده کرد تا یک ولتاژ dc که معمولا به صورت تنظیم نشده است را به یک ولتاژ خروجیdc تنظیم شده تبدیل کند. عمل رگولاتوری درحالت کلیدزنی، توسط فناوری مدولاسیون پهنای پالس(PWM) در یک فرکانس ثابت انجام می شود و المان های کلیدزنی معمولا یک ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت است. حالت کلیدزنی گذرا، اثرات زیان باری بر کیفیت توان و راندمان منابع توان پالسی دارد. برای سنجش کیفیت توان منابع توان پالسی که به یک شبکه توزیع شده پلاسما متصل است باید هارمونیک تزریقی جریان و توان راکتیو سیستم را درنظر گرفت. برای افزایش کیفیت توان و کاهش اثرات هارمونیک های جریان سیستم توان پالسی، می توان از تنظیم کننده های ضریب قدرت در انواع مختلف (اکتیو و راکتیو) استفاده نمود.
توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc در منابع توان پالسی پلاسما، شامل مبدل های: باک، بوست، باک- بوست و کاک است که می تواند به صورت تک کاناله یا چند کاناله مورد استفاده قرار گیرد]25[. مشخصات این مبدل ها به صورت خلاصه به شرح ذیل می باشد:
1.2.2.2 مبدل باک
در یک مبدل باک، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. شکل(2-2) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی طراحی و بررسی می شود.

شکل(2-2)مبدل باک
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از داخل سلف (L) و خازن(C) و مقاومت بار (R) به جریان می افتد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. دیود هرزگرد(D) به دلیل انرژی ذخیره شده در سلف همچنان هدایت می کند و جریان سلفی از سلف، خازن، بار و دیود هرزگرد(D) می گذرد. با کاهش جریان سلفی، ترانزیستور SW مجددا در سیکل بعدی وصل می شود.
مبدل باک ساده بوده زیرا فقط به یک ترانزیستور احتیاج دارد و راندمان بالایی دارد. مقدار di/dt جریان بار توسط سلف (L) محدود می شود. اما جریان ورودی متغیر بوده و معمولا به یک فیلتر ورودی بالانس کننده احتیاج است. این فیلتر یک پلارتیه برای ولتاژ خروجی و جریان خروجی یکسو شده فراهم می کند. در وضعیتی که احتمال اتصال کوتاه شدن مسیر دیود وجود داشته باشد مدار حفاظت نیز لازم است. مدار معادل وضعیت مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-3) نشان داده شده است

شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
2.2.2.2 مبدل بوست
در یک مبدل بوست، ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است. شکل(2-4) مدار معادل آن را نشان می دهد.عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است.

شکل(2-4)مبدل بوست
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی شروع به زیاد شدن کرده و از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شودکه ترانزیستور SW درt=t1 قطع می شود. جریانی که تاکنون از ترانزیستور SW عبور می کرد، حال از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. با کاهش جریان سلفی در سیکل بعدی ترانزیستور SW مجددا وصل می شود و انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود. مدار معادل وضعیت مبدل افزاینده در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-5) نشان داده شده است.
مبدل بوست می تواند ولتاژ خروجی را بدون کمک ترانسفورماتور افزایش دهد و چون در آن فقط یک ترانزیستور وجود دارد، راندمان بالایی دارد. جریان ورودی ، پیوسته است اما پیک جریان گذرنده از ترانزیستور قدرت، مقدار بزرگی دارد. ولتاژ خروجی نیز حساسیت زیادی نسبت به تغییرات سیکل کاری مبدل دارد و از این رو ممکن است پایدار ساختن مبدل، دشوار باشد. هم چنین ترانزیستور با بار موازی شده است ، حفاظت کردن از آن در هنگام اتصال کوتاه مشکلاتی دارد.
در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی پلاسما، می توان از یک مبدل بوست بین پل یکسوساز و خازن های ورودی مدار استفاده کرد. این مبدل سعی می کند تا ولتاژ خروجیdc سیستم ثابت باشد، تا زمانی که فرکانس با ولتاژ خط متناسب است، جریان عبوری نیز پیوسته است.

شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
در حالت دیگر، ارایه ولتاژ خروجی مطلوب با توجه به ولتاژ dc سیستم می باشد که این روش نیاز به افزودن کلیدهای نیمه هادی با روش های کنترلی مطلوب است که المان های آن در ابعاد کوچکتر و کمپکت ارائه می شود.
3.2.2.2 مبدل باک - بوست
مبدل باک – بوست، ولتاژ خروجی تولید می کند که می تواند کوچکتر یا بزرگتر از ولتاژ ورودی باشد. پلارتیه ولتاژ خروجی، مخالف پلارتیه ولتاژ ورودی می باشد. هم چنین این مبدل، به مبدل وارون ساز یا تغذیه معکوسنیز معروف است]26[.که شکل (2-6) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل(2-6)مبدل باک - بوست
مرحله اول : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW وصل بوده و دیود هرزگرد(D) بایاس معکوس است. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW قطع است. جریانی که از ترانزیستورSWعبور می کرد، اکنون از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. اکنون انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد تا این که ترانزیستور SWدر سیکل بعد مجددا وصل شود. مدار معادل وضعیت مبدل باک - بوست در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان - ولتاژ آن در شکل (2-7) نشان داده شده است.
مبدل باک – بوست این امکان را می دهد که بدون در اختیار داشتن ترانسفورماتور، پلارتیه ولتاژخروجی معکوس شود، راندمان بالایی دارد و حفاظت خروجی در مقابل اتصال کوتاه نیز به سادگی امکان پذیر است اما جریان ورودی متغیر بوده و مقدار جریان عبوری از ترانزیستور مدار نیز مقدار بزرگی است. بر خلاف مبدل های باک و بوست ، این مبدل هنگامی که بدون ایزولاسیون مورد استفاده قرار گیرد در خروجی مبدل ولتاژی با پلارتیه منفی قرار می گیرد.
البته می توان یک توپولوژی جدید بر اساس مبدل باک – بوست با پلارتیه ولتاژی مثبت در خروجی را مطرح کرد. در شکل (2-8) مدار معادل مبدل باک – بوست مثبت نشان داده است. یک مبدل باک - بوست مثبت می تواند به صورت تک خروجی یا چند خروجی باشد که آرایش آن شامل مبدل های باک و بوست با اتصال طبقاتی است.

شکل(2-7)شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید کلیدقطع

شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت
4.2.2.2 مبدل کاک
آرایشی که شامل ترکیب مبدل باک– بوست با اتصال سری، که ولتاژ خروجی بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی است و پلارتیه ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است، به نام مبدل کاک شناخته می شود. که به نام مخترع خود از انیستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا نام گذاری شده است]27[. شکل (2-9) مدار معادل آن را نشان داده است. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل (2-9)مبدل کاک (Cuk)
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان عبوری از سلف (L1) افزایش می یابد در همان موقع ولتاژ خازن (C1)، دیود هرزگرد(D) را در حالت بایاس معکوس قرار داده و آن را قطع می کند. بنابراین انرژی خازن(C1) به مداری که توسط خازن (C2)، سلف (L2) و بار تشکیل شده تحویل داده می شود.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. خازن (C1) از منبع ورودی شارژ شده و انرژی ذخیره شده در سلف (L2)، به بار منتقل می شود. دیود هرزگرد(D) در حالت بایاس مستقیم قرار می گیرد و همزمان با ترانزیستور SW در آن کلید زنی صورت می گیرد. شکل (2-10)مدار معادل حالت کلید زنی مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
مبدل کاک بر اساس خاصیت انتقال انرژی خازنی ساخته شده، درنتیجه جریان ورودی پیوسته می باشد. تلفات کلیدزنی کم و راندمان زیادی دارد. درحالتی که کلید وصل است جریان هر دو سلف از آن عبور می کند که پیک جریان کلید را افزایش می دهد. شکل (2-11)، شکل موج های جریان – ولتاژ مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
یک دسته جدید از مبدل های dc-dc درحوزه الکترونیک قدرت با نام مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم شناخته شده اند. کلیدزنی نرم بدین معنی است که در یک یا چند کلید به کار رفته در مبدلdc-dc، تلفات کلیدزنی در حالت قطع و وصل شدن کلید حذف شده است. نوع دیگری از کلیدزنی که مطرح می شود، کلیدزنی سخت است که در آن هم حالت قطع و وصل کلیدهای قدرت در سطوح ولتاژ و جریان بالا انجام می شود. بسیاری از تکنیک های کلیدزنی نرم برای اصلاح رفتار کلیدزنی مبدل های تشدیدی dc-dc وجود دارد. دو تکنیک مهم برای رسیدن به کلیدزنی نرم وجود دارد: کلید زنی جریان صفر و کلید زنی ولتاژ صفر.
در ساختار مبدل تشدیدی با کلید زنی نرم، یک شبکه تشدیدLC اضافه می گردد تا شکل موج جریان یا ولتاژ ادوات کلیدزنی را به صورت یک موج نیمه سینوسی شکل دهد تا یک شرط ولتاژ صفر یا جریان صفر را در مدار ایجاد کند. یک روش ایجاد نمودن یک پدیده تشدید کامل در این مبدل ها، استفاده از ترکیبات سری یا موازی عناصر تشدید می باشدکه برای dc-dc کردن آن از طریق یک طبقه اضافی یعنی طبقه تشدید، که در آن سیگنال dc به سیگنال ac فرکانس بالا تبدیل می گردد، انجام می گیرد. از نظر مداری، یک مبدل تشدید dc-dc را می توان با سه بلوک مداری شرح داد.که شکل(2-12) نشان داده است.
ولتاژ خروجی dc
ولتاژ ورودی dc
یکسوساز ac-dc
حالت تشدید
وارون ساز dc-ac

شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
نوع وارون ساز در مبدل های تشدیدی با کلید زنی نرم، از انواع مختلف ساختار های شبکه کلیدزنی به دست می آید. حالت تشدید،که به عنوان یک بلوک میانی بین ورودی و خروجی مبدل به کار گرفته می شود، معمولا با یک شبکه دارای فیلتر فرکانس، ترکیب می گردد. علت استفاده از این شبکه، تنظیم نمودن جریان شبکه از منبع به بار است. از مبدل های تشدید با کلیدزنی نرم می توان در مشعل های پلاسما با سطح توانی بالاتر از 30 کیلووات، استفاده کرد. از مبدل های تشدید سری با کلیدزنی ولتاژ صفر نیز می توان در منابع توان پالسی ولتاژ بالا استفاده کرد. مزیت توپولوژی مبتنی بر مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم ، شامل کموتاسیون طبیعی کلیدهای قدرت پلاسمایی می باشد که منجر به کاهش تلفات قدرت کلیدزنی، افزایش راندمان و فرکانس کلیدزنی سیستم های توان پالسی می شود و در نتیجه کاهش اندازه ، وزن سیستم و کاهش احتمالی تداخلات الکترومغناطیسی را به دنبال دارد. عیب مهم تکنیک های کلید زنی ولتاژ یا جریان صفر در مبدل های تشدید آن است که برای تنظیم خروجی، نیاز به کنترل فرکانس متغیر است. که به واسطه آن مدار کنترلی پیچیده تر می شود و هارمونیک های ناشی از تداخلات الکترومغناطیسی ناخواسته که در تغییرات زیاد بار تولید می شود بسیار نامطلوب است.
با بررسی مقالات منتشر شده در مورد توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc-dc توسط ادوات الکترونیک قدرت با توجه به انواع مبدل ها، در کاربردهای مختلف منابع توان پالسی پلاسما، می توان به نتایج جامعی در این باره دست یافت که چکیده آن در جدول های مقایسه ای (2-1) و (2-2) آمده است]28[.
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
ردیف نوع مبدل
مبدل
باک
مبدل بوست
مبدل
باک- بوست
مبدل
باک- بوست مثبت مبدل
کاک
شاخصه ها 1 سطح ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ ورودی هر دو حالت
هردو حالت هر دو حالت
2 پلارتیه خروجی موافق ورودی موافق ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی
3 سطح عایقی کم کم زیاد زیاد کم
5 کنترل اضافه جریان وجود ندارد وجود ندارد وجود دارد وجود دارد وجود دارد
6 قابلیت اطمینان کم متوسط متوسط بالا متوسط
7 راندمان متوسط متوسط بالا بالا متوسط
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
ردیف شاخصه ها حالت کلیدزنی اولیه حالت کلیدزنی ثانویه سطح ولتاژ خروجی راندمان
نوع مبدل وصل قطع وصل قطع کم زیاد کم باری بار کامل
1 مبدل تشدید NV ZVS ZVS ZVS di/dt- زیاد ___ * کم بالا
2 مبدل تشدید نیم پل ZVS ZVS ZVS ZCS ___ * متوسط بالا
3 مبدل تشدید دو برابر کننده جریان نیم پل سخت
ZCS ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ متوسط بالا
4
مبدل تشدید دو برابر کننده جریان تمام پل ZVS
سخت
ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ کم بالا
5 مبدل تشدیدی ترکیبی ZVZC با ترانسفورماتور پالسی ZVS
ZVS/ZCS ZVS ZCS __ * کم بالا
6 مبدل تشدید ZCS ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * بالا کم
7 مبدل شبه تشدید ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * کم بالا
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
اجزای اصلی توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ، خازن و دیود هستند. این توپولوژی با
کوک کرافت – والتون نقش قابل توجهی در افزایش ولتاژ درکاربردهای پلاسما و ارتباطات از قبیل: میکرو الکترونیک، دستگاه های گیرنده فرکانس های رادیویی و منابع توان پالسی و... دارد. شکل (2-13) نمونه ای از یک تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون را نشان داده است. از مشخصات مهم توپولوژی تقویت کننده ولتاژ که برای طراحی منابع توان پالسی پلاسما می توان در نظر گرفت، این است که سادگی وکاربردی بودن مدار تقویت کننده ولتاژ یکی از فاکتورهای کلیدی استفاده گسترده آن است. اجزای اصلی هر طبقه شامل تعدادی از خازن و دیود است که کوپل شده اند و این عمل باعث افزایش ولتاژ می شود. عملکرد هر طبقه از این تقویت کننده می تواند به عنوان روند تکمیلی و تحلیلی برای این توپولوژی باشد که افزایش ولتاژ خروجی را در پی دارد. بنابراین در این توپولوژی نیازی به استفاده از گیت قطع و وصل کلیدها و ترانزیستورها که همراه با مدارات کنترلی جانبی است، نمی باشد. روشن است این مدارات کنترلی، تنظیمات را سنگین تر، پیچیده تر و گران تر می کند و در نتیجه قابلیت اطمینان و راندمان سیستم کم می شود. از سوی دیگر، ورودی مدار توپولوژی قابلیت تغذیه از هر نوع شکل موج ورودی به جز شکل پالسی را دارد. بنابراین هیچ الزامی وجود ندارد که فقط شکل موج ورودی، سینوسی باشد. در این توپولوژی می توان ولتاژ را به مقدار زیادی با هرنوع شکل موج متناوبی از جمله سینوسی، ذوزنقه ای یا سینوسی هارمونیک دار که در ورودی داشته باشیم، افزایش داد. هم چنین شوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده که در ورودی این مدار وجود دارد را می توان با کنترل جریان نشتی عبوری از خازن ها کنترل کرد.
از مزایای عمده استفاده از تقویت کننده ولتاژ در پلاسما، دارای ابعاد کوچک و وزن کم هستند که راندمان وقابلیت اطمینان بالایی دارند. معایب اصلی آن نیز عبارتنداز: تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی مدار، که مقدار آن بزرگ می باشد. بنابراین به ظرفیت مناسب خازنی نیاز است. این مقدار را می توان در محدوده قابل قبولی با افزایش فرکانس کاری تقویت کننده ها که از مبدل های AC-DC-AC در ورودی آن استفاده شود ، کاهش داد .

شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
به منظورافزایش کنترل پالس های ولتاژ خروجی، می توان از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) با بیش از یک سطح ولتاژی استفاده کرد. این عمل توسط اینورترهای دو سطحی دو یا چند سطحی مدرن ایجاد می شود. با توجه به توسعه این توپولوژی در پلاسما، با این حال استفاده از اینورترها و مشکلات احتمالی آن در این زمینه به ندرت در نظر گرفته می شود. با بررسی در این زمینه در می یابیم که کمتر اینورتر به عنوان ماژول های جانبی در ساختار منبع توان پالسی پلاسما استفاده می شود. با توجه به این که تولید پالس دوقطبی برای سیستم های پلاسما نیاز به مهارت زیادی دارد. معایب اصلی توپولوژی هایی که از اینورترهای 2 سطحی استفاده می کنند به شرح ذیل می باشد:
الف) مقدارشوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده در دو سر بار قابل توجه است که منجر به ایجاد نویز الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد در سیستم می شود.

–413

1-3-2-1-ایمنی همورال25
1-3-2-1-1-ایمنوگلوبولین M (IgM)25
1-3-2-2-ایمنی با واسطه ی سلولی 25
1-4-اهمیت مطالعات خون شناسی در ماهیان26
1-4-1-شاخص های خونی26
1-4-1-1-گلبول های سفید (لکوسیت26
1-4-1-2-گلبول های قرمز (اریتروسیت ، هموسیت )26
1-4-1-3-شاخص های گلبول قرمز یا اندیس های خونی27
1-4-1-4-هماتوکریت27
1-4-1-5-هموگلوبین27
1-5-شاخص های بیوشیمیایی27
1-5-1-پروتئین کل پلاسما و آلبومین27
1-5-2-گلوکز28
1-5-3-گلوتامیک پیرویک ترانس آمیناز28
1-6-رابطه عوامل محیطی و میکروفلور دستگاه گوارش28
1-7-باکتری های اسید لاکتیک (LAB)29
1-7-1-رده بندی علمی30
فصل دوم: سابقه ی تحقیق
2- سابقه ی تحقیق32
فصل سوم: مواد و روش ها
3-1-مکان و زمان انجام تحقیق41
3-2-مکان پرورش42
3-3-ذخیره سازی ، سازگاری و تقسیم بچه ماهیان43
3-4-پروبیوتیک مورد آزمایشLactobacillus plantarum44
3-5-نحوه ی آماده سازی جیره غذایی44
3-6-زیست سنجی45
3-7-نحوه ی غذادهی45
3-8-بررسی عوامل فیزیکی و شیمیایی آب46
3-9-بررسی پارامترهای خون شناسی46
3-9-1-خون گیری و تهیه سرم46
3-9-2-شاخص های خونی47
3-9-2-1-شمارش گلبول های قرمز و سفید47
3-9-2-2-اندازه گیری هماتوکریت48
3-9-2-3-اندازه گیری هموگلوبین49
3-9-2-4-شاخص های گلبول قرمز49
3-9-2-5-تشخیص افتراقی گلبول های سفید50
3-10-فاکتورهای ایمنی51
3-10-1-شاخص های بیوشیمیایی ایمنی اختصاصی51
3-10-1-1-اندازه گیری ایمنو گلوبولینM (IgM)51
3-10-2-شاخص های بیوشیمیایی ایمنی غیر اختصاصی51
3-10-2-1-اندازه گیری فعلیت لیزوزیم51
3-10-2-2-پروتئین کل سرم52
3-11-روش انجام آزمایشات فلور باکتریایی روده در آزمایشگاه52
3-11-1-روش آماده سازی محیط های کشت52
3-11-2-روش آماده سازی رقت های محلول روده و کشت اولیه53
3-11-3-روش شمارش کلنی ها و تقسیم بندی آنها54
3-12-روش محاسبه شاخص های رشد54
3-12-1-اندازه گیری طول و وزن54
3-12-2-شاخص وضعیت55
3-12-3-درصد افزایش وزن55
3-12-4-ضریب تبدیل غذایی55
3-12-5-ضریب رشد ویژه55
3-12-6-میانگین رشد روزانه55
3-12-7-شاخص کبدی56
3-13-آماده سازی لاشه جهت تجزیه شیمیایی 56
3-14-تجزیه و تحلیل آماری56
فصل چهارم: نتایج
4-نتایج58
4-1-نتایج حاصل از اندازه گیری عوامل محیطی58
4-1-1-دمای آب58
4-1-2-اکسیژن محلول آب58
4-1-3-pH آب محیط پرورش58
4-2-نتایج حاصل از عملکرد رشد بچه ماهیان قزل آلا تحت تاثیر سطوح مختلف پروبیوتیک59
4-2-1-اثر بر وزن نهایی59
4-2-2-اثر بر طول نهایی59
4-2-3-اثر بر ضریب تبدیل غذایی60
4-2-4-ضریب رشد ویژه60
4-2-5-درصد افزایش وزن61
4-2-6-میانگین رشد روزانه61
4-2-7-میزان ضریب چاقی62
4-3-فلور باکتریایی روده ماهیان تیمار و شاهد62
4-3-1-میزان باکتریL.p در فلور روده قزل آلا در محیط کشت MRS62
4-3-2-توتال کانت باکتریایی روده ماهی قزل آلای رنگین کمان در محیط کشتTSA 62
4-4-نتایج حاصل از فاکتورهای خونی63
4-4-1-تعداد گلبول های سفید خون63
4-4-2-تعداد گلبول های قرمز خون64
4-4-3-غلظت هموگلوبین خون64
4-4-4-درصد هماتوکریت خون65
4-4-5-متوسط حجم گلبول قرمز65
4-4-6-متوسط غلظت هموگلوبین سلولی66
4-4-7-متوسط هموگلوبین گلبول قرمز66
4-4-8-درصد لنفوسیت67
4-4-9-مقادیر نوتروفیل67

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

4-4-10-درصد منوسیت68
4-4-11-درصد ائوزینوفیل68
4-5-نتایج فاکتورهای سرم68
4-5-1-میزان توتال ایمنوگلوبولین سرم خون69
4-5-2-میزان IgM69
4-5-3-میزان لیزوزیم سرم خون70
4-6-نتایج آنالیز لاشه70
4-6-1-درصد رطوبت لاشه70
4-6-2-درصد پروتئین لاشه71
4-6-3-درصد چربی لاشه71
4-6-4-درصد خاکستر لاشه72
فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
5-بحث74
5-1-عملکرد رشد74
5-2-فلور باکتریایی روده77
5-3-شاخص های خونی78
5-4-شاخص های ایمنی خون81
5-4-1-لیزوزیم81
5-4-2-ایمنوگلوبین IgM83
5-5-آنالیز لاشه84
5-6-جمع بندی86
پیشنهادات 87
منابع88
پیوست107
چکیده انگلیسی121
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 3-1: آنالیز تقریبی خوراک استفاده شده در تغذیه بچه ماهیان مورد آزمون44
جدول4-1: میانگین دما، اکسیژن محلول و pH آب در مقاطع زمانی مشخص در طول دوره بررسی58
جدول 4-2- میانگین وزن نهایی (گرم) در بچه ماهیان قزل آلا در تیمارهای مختلف59
جدول 4-3- میانگین طول نهایی (سانتیمتر) در بچه ماهیان قزل آلا در تیمارهای مختلف59
جدول 4-4- میانگین ضریب تبدیل غذایی بچه ماهیان قزلآلا در تیمارهای مختلف60
جدول4-5- میانگین ضریب رشد ویژه بچه ماهیان قزلآلا در تیمارهای مختلف60
جدول4-6- میانگین درصد افزایش وزن بچه ماهیان قزلآلا در تیمارهای مختلف61
جدول 4-7- میانگین رشد روزانه بچه ماهیان قزلآلا درتیمارهای مختلف61
جدول 4-8- میانگین میزان ضریب چاقی بچه ماهیان قزلآلا درتیمارهای مختلف62
جدول 4-9-میزان پروبیوتیک (لاکتوباسیلوس) در روده ماهیان قزل آلا در محیط کشت MRS62
جدول4-10-شمارش کلی فلور باکتریایی در روده ماهیان قزل آلا در محیط کشت TSA63
جدول 4-11-تعدادگلبول های سفید خونی قزل آلا در تیمارهای شاهد وآزمایشی در پایان60روز63
جدول 4-12-تعدادگلبول های قرمز خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان60روز64
جدول 4-13- غلظت هموگلوبین g/dl)) خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان60
روز64
جدول 4-14- درصد هماتوکریت % خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز65
جدول 4-15- متوسط حجم گلبول قرمز خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60
روز65
جدول 4-16- متوسط غلظت هموگلوبین سلولی خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان
60 روز66
جدول 4-17- متوسط هموگلوبین گلبول قرمز خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان
60 روز66
جدول4-18- درصد لنفوسیت خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز67
جدول4-19-درصد نوتروفیل خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز67
جدول4-20-درصد منوسیت خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز68
جدول4-21-درصد ائوزینوفیل خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز68
جدول4-22-توتال ایمنوگلوبولین سرم خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60
روز69
جدول4-23-میزان IgM سرم خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز69
جدول4-24-میزان لیزوزیم سرم خون قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز70
جدول4-25-درصد رطوبت لاشه قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز70
جدول4-26-درصد پروتئین لاشه قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز71
جدول4-27-درصد چربی لاشه قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز71
جدول4-28-درصد خاکستر لاشه قزل آلا در تیمارهای شاهد و آزمایشی در پایان 60 روز72
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل( 1-1) ماهی قزل آلای رنگین کمان " Oncorhynchus mykiss"13
شکل (1-2) رابطه عوامل محیطی و میکروفلور دستگاه گوارش29
شکل (3-1) موقعیت جغرافیایی گارگاه پرورش ماهی سردابی(قزل آلا) اشکرآب سیاهکل41
شکل (3-2) نمایی از کارگاه پرورش ماهی سردابی اشکراب سیاهکل42
شکل (3-3) نمایی از کانال های بتونی پرورش و تیمار و تکرارها43
شکل(3-4) پودر اولیه حاوی1011-101244
شکل(3-5) رقت های مختلف از106-101044
شکل(3-6) غذای آماده و غنی شده با پروبیوتیک45
شکل (3-7) غذادهی روزانه بر اساس محاسبات روزانه46
شکل (3-8) خونگیری از سیاهرگ در محل ساقه دمی46
شکل (3-9) دستگاه سانتریفوژ و نحوه ی جداسازی سرم خون47
شکل (3-10) دستگاه سانتریفیوژ هماتوکریت48
شکل (3-11) دستگاه اسپکتروفتو متر نور مرئی و UV49
شکل(3-12): دستگاه اسپکتروفتومتر مدل 2100-VIS شرکت Unico آمریکا51
شکل(3-13)دستگاه Auto Analyzer مدلBT- 150052
شکل (3-14) نحوه ی آماده سازی محیط کشت TSA و MRS آگار53
شکل (3-15) برداشت روده و تهیه رقت های مختلف و کشت در پلت های TSAو MRS54
شکل (3-16) نگهداری پلت ها در انکوباتور و شمارش باکتری ها54
شکل (3-17) آماده سازی لاشه جهت تجزیه شیمیایی56
چکیده
تحقیق حاضر به منظور ارزیابی تاثیر باکتری اسید لاکتیک Lactobacillu plantarum (KC426951) جداسازی شده از روده قزل آلای رنگین کمان بر فاکتورهای رشد ، فلور باکتریایی روده ،فاکتورهای خونی و ایمنی بچه ماهیان قزل آلای رنگین کمان (Oncorhynchus mykiss) در بهار و تابستان سال 1392انجام شد. بچه ماهیان قزل آلای رنگین کمان با میانگین وزن 24/2±56/3 به مدت 2 هفته با شرایط پرورشی محیطی در یک مرکز پرورش خصوصی ماهیان سردآبی (اشکرآب سیاهکل) در استان گیلان قبل از شروع آزمایش سازگار شدند . ماهیان در قالب یک طرح کاملا تصادفی به شش گروه شامل 540 قطعه بچه ماهی تقسیم شدند . پارامترهای کیفی آب شامل درجه حرارت ، مقدار اکسیژن محلول و pH به ترتیب 3/0±3/17 درجه سانتی گراد ،43/0±5/8 میلی گرم و 26/0±4/7 اندازه گیری شد .پنج گروه از ماهیان ( هر گروه شامل 90 ماهی) با جیره حاوی 106 (تیمار1) ، 107 (تیمار2) ، 108 (تیمار3) ، 109 (تیمار4) و1010 (تیمار5) cfu g-1 لاکتو باسیلوس پلانتاروم و گروه کنترل (شاهد) بدون جیره حاوی پروبیوتیک به مدت 60 روز تغذیه شدند . تغذیه ماهیان بر اساس 3 درصد بیوماس وزن بدن بصورت روزانه و برابر صورت پذیرفت. نتایج نشان داد که میزان وزن نهایی ، طول نهایی، ضریب رشد ، درصد افزایش وزن و میانگین رشد روزانه در تیمار 2 بیشترین و در تیمار 5 کمترین مقدار و میزان ضریب تبدیل غذایی در تیمار 2 کمترین و در تیمار 5 بیشترین را به خود اختصاص داده بودند(05/0> P). همچنین بالاترین میزان توتال لاکتیک اسید روده ماهیان قزل آلا در تیمار4 و در حالیکه کمترین مقدار مربوط به تیمار شاهد و بالاترین توتال کانت مربوط به تیمار 2 و کمترین تیمار 5 بدست آمد(05/0> P). فاکتورهای خونی: بالاترین سطوح گلبول های قرمز در تیمار 5 (3/10408±3/898333) ، گلبولهای سفید در تیمار4 (4/702±3/10833) ، حجم گلبول های قرمز در تیمار 1(8/3±7/508) ، غلظت هموگلوبین در تیمار 5 (15/0±2/11) ، هماتوکریت در تیمار 5 (2±42) ،فراوانی لنفوسیت ها در گروه شاهد (53/1±67/69) ، فراوانی نوتروفیل ها در تیمار 5 (1±39) ، بدست آمد (05/0> P).
فاکتورهای ایمنی: بالاترین سطوح توتال ایمنوگلوبولین در تیمار 4 (15/1±33/20) ، IgM در تیمار4 (65/2±39) و لیزوزیم در تیمار4(08/2±67/40) حاصل گردید(05/0> P) .حداکثر رطوبت لاشه مربوط به تیمار 3 ، درصد پروتئین مربوط به تیمار 4 ، و کمترین درصد چربی مربوط به تیمار شاهد می باشد (05/0> P). با توجه به نتایج بدست آمده در خصوص بکارگیری Lactobacillus plantarum می توان از آن به عنوان یک فاکتور مثبت جهت بهبود فلور باکتریایی روده ، عملکرد رشد ، شاخص های خونی ، ایمنی و ترکیب لاشه استفاده نمود.
کلمات کلیدی: قزل آلای رنگین کمان،باکتری اسید لاکتیک ، Lactobacillus plantarum ، رشد ، فلور باکتریایی، شاخص خونی، ایمنی ، لاشه
فصل اول
کلیات

مقدمه
رشد فزاینده و روز افزون جمعیت جهان، تامین غذا و دستیابی به منابع جدید غذایی را به یکی از مهمترین دغدغه های دولت ها مبدل ساخته و موجب شده است تا تاًمین مواد پروتئینی به سمت سایر منابع از جمله آبزیان سوق یابد. در این میان ارزش بالای پروتئین آبزیان باعث گردید که صنعت ماهیگیری و آبزی پروری به صنعتی مهم و شایان توجه تبدیل شود. پرورش آبزیان یک فعالیت با گستره جهانی است که در بهبود تغذیه و کمک به توسعه اقتصادی کشورها موثر است.
صنعت آبزی پروری علیرغم این رشد قابل توجه، همواره با مشکلاتی روبرو بوده است که از عمده مشکلات را می توان ابتلا به بیماری های مختلف ذکر نمود . بیماریها در آبزیان به سه سه عامل مهم بستگی دارد وضعیت ماهی (میزبان) از نظر سلامت و تناسب اندام ظاهری و دارا بودن صفات مقاومتی و ایمنی در مقابل اجرام بیماریزا ، عوامل محیطی اهم از شرایط فیزیکی و شیمیایی نظیر اوضاع جوی ، تغییرات حرارتی ، تابش خورشید ، بارندگی و ... و عوامل پاتوژن یا بیماریزا را می توان نام برد ( آذری تاکامی، 1376). اغلب آبزیان پرورشی تحت تأثیر عفونت های باکتریایی قرار می گیرند که سیستم ایمنی شان توسط شرایط استرس زا به خطر می افتد. یکی از معمول ترین روش های درمان این عفونت ها، استفاده از آنتی بیوتیک ها می باشد این در حالی است که استفاده بیش از حد از این داروها باعث بروز مقاومت باکتریایی در این حیوانات می شود (Teuber, 2001). لذا بکارگیری آنتی بیوتیک ها جهت درمان بیماری های آبزیان پرورشی به طور گسترده مورد انتقاد قرار گرفته است، که دلائل آن علاوه بر افزودن هزینه ها عبارتند از: افزایش توانایی مقاومت باکتری ها در برابر آنتی بیوتیک ها، از بین بردن فلور میکروبی محیط زیست، هزینه بالای این داروها و عوارض جانبی این داروها بر ماهی و میگومی باشد . ثابت شده که برخی از آنتی بیوتیک ها سیستم ایمنی را سرکوب می کنند و موجودات آبزی را بیشتر مستعد پذیرش بیماری های باکتریایی ، ویروسی و انگلی می نمایند.افزایش نگرانی های ناشی از بکارگیری آنتی بیوتیک ها منجر به کاهش استفاده از آنها در صنعت آبزی پروری آمریکا و اروپا گردیده است.
آنتی بیوتیکها به تعادل باکتریهای موجود در روده آسیب وارد می کنند و اکثر باکتریهای مفید را از بین برده و منجر به پیدایش باکتریهای مقاوم به دارو می گردند و همچنین فقط 20 تا 30 درصد آنتی بیوتیک ها بوسیله ماهی هضم می شوند و بقیه وارد محیط زیست می شوند.
مصرف بی رویه داروها و مواد شیمیایی علاوه بر ایجاد مقاومت در میکرو ارگانیسمها سبب نفوذ این مواد به خاک و آب گردیده و محیط زیست مجاور مزارع پرورش آبزیان را به شدت آلوده نموده است تثبیت داروها و مواد شیمیایی در بافتهای ماهی و آبزیان بهداشت انسانی را نیز به خاطر ایجاد حساسیتهای مختلف، مقاومت باکتریایی و عوارض کلیوی و کبدی به مخاطره می اندازد(آذری تاکامی، 1376).
در حال حاضر، استفاده از پروبیوتیک ها و سین بیوتیک ها به عنوان جایگزین استفاده از آنتی بیوتیکها در پرورش آبزیان مطرح هستند. آبزیان در مراحل اولیه تکثیر و پرورش از سطح ایمنی کافی برخوردار نبوده و نیازمند تدابیر لازم در خصوص پیشگیری و درمان می باشند و بهره گیری از پروبیوتیک ها نیز می تواند به عنوان یکی از ابزارهای موثر در پیشگیری از بیماریها و همچنین محرک رشد مد نظر قرار گیرد.
استفاده از پروبیوتیک ها بعنوان جایگزینی برای روشهای سابق به نظر می رسد می تواند بسیاری از مشکلات را مرتفع سازد. استفاده از پروبیوتیک ها در واقع تکنولوژی جدید آبزی پروری همگام با محیط زیست به شمار می رود. با استفاده از این مواد هم می توان تولید را افزایش داد، هم کیفیت آب را اصلاح کرد و هم اینکه آنها را به عنوان مبارزه بیولوژیک مد نظر قرار داد (حسینی فر، 1386).
تأثیر پروبیوتیک ها در تغذیه، مقاومت در برابر بیماریها و دیگر فعالیت های مفید به اثبات رسیده که از
جمله اثرات مفیدی که بر سلامتی دارند تأثیر بر روی سیستم ایمنی و تحریک سیستم ایمنی است(کامکار، 1390).
استفاده از زیست یارهای حیاتی (پروبیوتیک ها) به عنوان یک مکمل غذایی که قادر به بهبود دفاع و ایجاد
مقاومت در برابر عوامل بیماری زا در زمان بروز استرس های متفاوت طی دوره پرورش ماهی باشند، مورد
توجه هستند.پروبیوتیک ها بطور سودمندی با بهبود تعادل فلور میکروبی روده به میزبان سود می رسانند Fuller,1989)).پروبیوتیک ها نه تنها اثرات منفی آنتی بیوتیک ها را ندارند بلکه نقش مهمی در افزایش بهره وری ، تولید و کاهش درصد تلفات ماهی و میگو دارا می باشند.
تا کنون سویه های زیادی جهت استفاده در تغذیّه دام، طیور و آبزیان به عنوان پروبیوتیک معرفی شده است و با بهره گیری از مهندسی ژنتیک و دانش بیوتکنولوژی، سویه های مؤثرتر و بهتری نیز تولید خواهد شد. ولی به طور کلی پروبیوتیک ها از لحاظ نوع سویه میکروبی مؤثرشان به سه گروه تقسیم می شوند، پروبیوتیکهای 1- باکتریایی2- قارچی 3- مخمری.
پروبیوتیکهای باکتریایی عمده ترین پروبیوتیک هایی هستند که تاکنون در آبزی پروری استفاده شده اند. استفاده از پروبیوتیکهای حاوی باکتریهای اسید لاکتیک به افزایش میزان زنده مانی میزبان در مواجه با عوامل بیماریزا منجر میشوند که این عملکرد از طرق زیر صورت میگیرد ( Gatesoupe, 1999)
آثار آنتاگونیستی بر ضد عوامل بیماریزا از طریق ترشح مواد باکتری ُکش همانند باکتریوسینها
محدود کردن عوامل بیماریزا از طریق افزایش محل اتصال یا استفاده از ماده و انرژی در دسترس
افزایش سد دفاعی بدن از طریق افزایش سطوح ایمنی
همچنین مشاهده شده است برخی پروبیوتیکها اشتها را افزایش می دهند، سلامتی را بهبود می بخشند و افزایشی کلی را در وزن به وجود می آورند که احتما ً لا به دلیل افزایش قابلیت هضم مواد غذایی است (Gatesoupe and Ringo,1998)
توانایی باکتریهای اسید لاکتیک در تقویت ایمنی غیر اختصاصی ماهی قزل آلای رنگین کمان توسط مطالعات برخی از محققین ثابت شده است. به خصوص تجویز خوراکی بعضی از سویه های باکتری اسید
لاکتیک موجب افزایش پاسخ ایمنی سلولی مثل فعالیت فاگوسیتوز، انفجار تنفسی فاگوسیت ها، تکثیر لنفوسیتها و سنتز سیتوکنین ها می شود. (Austin &Irianto, 2002; Nikoskelainen et al., 2001; Balcazar et al., 2006; Panigrahi et al., 2010)
دفتر مواد غذایی و مطالعه دارویی آمریکا و انجمن رسمی کنترل مواد غذایی، برای متمایز نمودن میکرو ارگانیسم های مفید و مضر، لیست گونه هایی از میکرو ارگانیسم را ارائه نموده است که می توان آنها را با مواد غذایی مصرف نمود. از جمله این مواد می توان به لاکتوباسیلوس پلانتاروم Lactobacillus plantarum اشاره نمود.
در این تحقیق باکتری توسط دکترشناور ماسوله در سال 1391 از فلور باکتریایی روده برداشت و با روش مولکول 16S rRNA مورد شناسایی و در NCBI مورد ثبت قرار گرفت (KC426951) و برای اولین بار در ایران جهت تغذیه بچه ماهی قزل آلا بصورت in vivo مورد مصرف قرار گرفت.
تحقیقات و استفاده های گسترده ای از باکتری های اسید لاکتیک شده است که از آنها می توان به لاکتو باسیلوس اشاره کرد (Kesarcodi-Watson . et al .,2008)
در خصوص تاثیر انواع پروبیوتیکها بر رشد و بازماندگی ماهیان تحقیقات فراوانی بعمل آمده است ولی در زمینه اثرات ایمنی زایی آن در ماهیان اطلاعات بسیار محدودی در دسترس می باشد. لذا در این مطالعه بررسی ایمنی زایی این ترکیب در ماهی قزل آلای رنگین کمان مدنظر می باشد
قزل آلای رنگین کمان نخستین گونه از خانواده آزادماهیان است که به عنوان غذای اصلی انسان اهلی و پرورش یافت. این ماهی از اواخر قرن نوزدهم میلادی به صورت قابل مصرف و قابل عرضه به بازار پرورش داده شده است. در حال حاضر، ماهی قزل آلا اساس صنعتی را تشکیل می دهد که در حال توسعه است و اهمیت آن بویژه در کشورهایی که قادر به تدارک شرایط و مهیا کردن محیط آب شیرین یا شور برای پرورش آن هستند در حال افزایش است.
لذا با توجه به مطالب ذکر شده در نوشتار بالا که بیانگر نقش و اهمیت بسیار زیاد پرورش گونه قزل آلا
در تامین پروتئین جامعه می باشد و مشکلات پیش رو حاصل از تغییر شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط پرورش این گونه با ارزش که منجر به انواع بیماریها و تلفات قابل توجه و در نهایت از دست رفتن سرمایه پرورش دهندگان می گردد و با هدف کاهش مصرف بی رویه داروها و مواد شیمیایی در مبارزه با بیماریها ی این آبزی که در نهایت به نحوی وارد چرخه مواد بدن انسان و اثرات سو می شود مطالعه جایگزینی مناسب نظیر پروبیوتیک ها از جمله باکتری لاکتو باسیلوس پلانتاروم بعنوان اولین زیست یار حیاتی ضروری به نظر میرسد لذا مطالعه ای در خصوص تاثیر مقادیر مختلف زیست یار حیاتیباکتری لاکتوباسیلوس پلانتاروم در جیره غذایی قزل آلای رنگین کمان بر رشد ، فلورباکتریایی روده، شاخصهای خونی و ایمنی این گونه مورد مطالعه قرار گرفت که به ضرورت انجام این تحقیق ، فرضیات و اهداف آن در ذیل اشاره شده است.
تاکنون در زمینه افزودن باکتری لاکتوباسیلوس پلانتاروم به جیره غذایی قزل آلا، بویژه در سن رشد (بچه ماهی) جهت پرورش آنها در مزارع پرورش، مطالعه علمی و عملی و نیز بررسی اثر غذای حاوی باکتری لاکتوباسیلوس پلانتاروم روی فلور باکتریایی روده، عوامل خونی و ایمنی خون قزل آلای رنگین کمان به انجام نرسیده است. هرگونه تغییر در شرایط زیستی، تغذیه ای و ... می تواند روی فلور باکتریایی، شاخص های خونی و ایمنی اثر گذار باشد. برآورد این تغییرات جهت دست یابی به وضعیت ایمنی ماهیان تغذیه شده با پروبیوتیک مذکور از روی شاخص های خونی و بیوشیمیایی، از بررسی های علمی نوین در ایران می باشد.
تحقیق حاضر جهت بررسی سطوح مختلف باکتری Lactobacillus plantarum در جیره غذایی روی برخی فاکتورهای خونی ، ایمنی ماهی و فلور باکتریایی و رشد قزل آلای رنگین کمان (Oncorhynchus mykiss) طی60 روز مورد بررسی قرار گرفت. از آنجا که پرورش ماهی قزل آلای رنگین کمان در جهان بسیار رونق دارد، نتایج این تحقیق می تواند در سطوح بین المللی نیز حایز اهمیت بوده و مورد بهره برداری کارگاهها و مراکز دولتی و خصوصی پرورش ماهیان سرد آبی قرار گیرد.
سوالات تحقیق
1-یا مقادیرمختلف باکتری Lactobacillus plantarum بر فاکتور رشد بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان تاثیر مثبت دارد؟
2- آیا مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum بر شاخص فلور باکتریایی روده بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان تاثیر مثبت دارد؟
3- آیا مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum بر شاخص خون و ایمنی بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان تاثیر مثبت دارد؟
فرضیه تحقیق
1-مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum بر فاکتورهای رشد بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان (Oncorhynchus mykiss) تاثیر مثبت ندارد.
2-مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum برفاکتورهای رشد و فلور باکتریایی روده بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان (Oncorhynchus mykiss) تاثیر مثبت دارد.
3-مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum ، شاخص خون و ایمنی بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان(Oncorhynchus mykiss) را بهبود می بخشد.
اهداف تحقیق
1-تعیین مقادیر مختلف باکتریLactobacillus plantarum یر فاکتورهای رشد بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان.
2-تعیین تاثیر مقادیر مختلف باکتریLactobacillus plantarum بر فلور باکتریایی روده ی بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان.
3-تعیین مقادیر مختلف باکتری Lactobacillus plantarum بر شاخص های خونی و ایمنی بچه ماهی قزل آلای رنگین کمان.
در مقایسه با تیمار شاهد.
1-1- مشخصات آزاد ماهیان (Salmonidae)
اکثر آزاد ماهیان گونه هایی با ارزش تجاری بالا هستند. هیچ یک از گونه های این خانواده کاملاً دریایی نیستند. یعنی به صورت آنادرموس ((Andromouse در دریا زندگی کرده و جهت تخم ریزی به آب شیرین مهاجرت می کنند. از مشخصات عمده این خانواده وجود باله چربی ( Fine Adipose) می باشد. این باله فاقد شعاع است و حد فاصل باله پشتی و دمی است. وجود دندان از مشخصات آزاد ماهیان است و در برخی گونه ها دندان ها در تمام محفظه دهان گسترش یافته است و وجه تمایز جنس های نر و ماده در زمان تخم ریزی می باشد. آزاد ماهیان گونه هایی گوشتخوار هستند (Maitland,2000).
به طور کلی آزادماهیان از نژادها و جمعیت های مختلفی برخوردار بوده و در نقاط مختلف جهان پراکنش گسترده ای دارند. این ماهیان در زمره ماهیان سردآبی قرار دارند و اغلب متعلق به مناطق سردسیری و معتدله جهان می باشند. در بین خانواده آزاد ماهیان، گونه های قزل آلای رنگین کمان، قزل آلای خال قرمز، آزاد ماهی دریای خزر و میزان محدودی ماهی آزاد زیبا و ماهی آزاد کتا در آب های ایران یافت میشود. این گونه ها از ارزش اقتصادی و زیستی بسیار بالایی برخوردارند و بایستی مورد توجه جدی تری قرار گیرند (فرزانفر، 1384)
1-1-1- رده بندی ماهی قزلآلا
این ماهیان از راسته آزادماهی شکلان(Salmoniforms) و مشتمل بر شش خانواده که عبارتند از: آزاد ماهیان (Salmonidae)، سفید ماهیان(Coregonidae)، بلند باله ماهیان(Thymalidae) ، نازک فلس ماهیان(Osmeridae) ، اردک ماهیان(Esocidae) و سگ ماهیان(Umberidae) که در این مجموعه تنها خانواده نخست، بطورمختصرتشریح می‌گردد.
از جنس‌های معروف این خانواده می‌توان به جنس Salmo، Hucho، Oncorhynchus ، Salmothymus ، Salvelinus و Stenodus اشاره نمود (فرزانفر، 1384).
در بین خانواده های راسته آزادماهی شکلان بجز خانواده های اردک ماهیان و سگ ماهیان مابقی دارای یک باله چربی کوچک هستند که در حدواسط بین باله پشتی و دمی آنها قرار دارد و فاقد شعاع های استخوانی سخت و نرم می باشند (وثوقی و مستجیر، 1379). در گذشته ماهی قزل آلای رنگین کمان را متعلق به جنس Salmo و Salvelinus قلمداد می کردند، در حالی که ماهی آزاد را مربوط به جنس Oncorhynchus می دانستند. اما در سال 1989 ماهی قزل آلای رنگین کمان را که قبلاً تحت عنوان علمی Salmo gairdneri معروف بود، جزو جنس Oncorhynchus طبقه بندی نمودند. امروزه قزل آلای رنگین کمان با نام علمی O. mykiss معروف است و از لحاظ علمی این ماهی جزو گونه های آزاد ماهیان محسوب می گردد (Stickney, 1991)
1-1-2- برخی ویژگی های مورفولوژیک و بیولوژیک ماهی قزل آلا ی رنگین کمان
این ماهی دارای یک نوار پهن بصورت رنگین کمان در هر طرف بدن بوده، بر روی سر، بدن، پشت، باله چربی و باله دمی آن لکه های تیره رنگی مشاهده می شود (شکل1-1). حداکثر طول این ماهی 70 سانتی متر و وزن آن به 7 کیلوگرم نیز بالغ می گردد. این ماهی را متعلق به گروه ماهیان رودرو((Anadromous Fishes ، میدانند. یعنی کلیه مهاجرت های تولید مثلی خود را درآب شیرین انجام می دهد (وثوقی و مستجیر،1379)این ماهی بطور طبیعی در ایران، در دریاچه های با آب سرد، نهرها و رودخانه های با بستر قلوه سنگی و سنگلاخی به سر می برد. زیستگاه این ماهی تا حدی مشابه قزل آلای خال قرمز (گونه بومی ایران) می باشد. در اغلب رودخانه های حوزه جنوبی دریای خزر بوسیله انسان معرفی شده است (نادری و عبدلی، 1383) این ماهی قابلیت بسیار خوبی برای پذیرش غذای دستی و پرورش مصنوعی را داشته، از سرعت رشد قابل قبولی برخوردار است.
1-1-2-1- دستگاه گوارش و اندام های مرتبط
آزاد ماهیان ، جانورانی گوشتخوار بوده ، دارای سیستم گوارشی کوتاهی می باشند ، دندان های این جانوران به شکلی بوده که قابلیت شکار را بخوبی برای آنها میسر می سازد. دهان در این ماهیان از قسمت های مختلفی مانند فک میانی ، فک فوقانی ، فک تحتانی ، استخوان تیغه ایی Vomer و زبان تشکیل شده است.
در این ماهیان علاوه بر فکین ، دندان ها بر روی سقف دهان و قاعده زبان نیز یافت می شوند (فرزانفر ، 1384). در محوطه معده واکنش های وابسته بع ترشح اسیدمعده ، آنزیم ها و همچنین حرکات معده می تواند موجب له شدن مواد غذایی شده، مراحلی از هضم صورت پذیرد.در بخش انتهایی معده و در محل اتصال به روده حدود 30 الی 80 زوائد انگشتی بنام زوائد باب المعده ای Pyloric caeca قرار گرفته اند که در هضم می توانندنقش موثری داشته باشند. مواد غذایی از سوی معده از طریق یک دریچه یک طرفه به نام پیلور وارد روده شده تا به کمک آنزیم های آن هضم بیشتری بر روی مواد غذایی انجام پذیرد. بعلاوه آب ، املاح و ویتامین ها نیز از طریق جداره روده جذب می گردند. بقیه مواد باقیمانده سپس بصورت مدفوع از مخرج ماهی دفع می شود(Ali,2000) .
غدد گوارشی مانند ، کبد ، کیسه صفرا و پانکراس نقش بسزایی در هضم مواد غذایی دارند. کبد بعلت داشتن اندازه بزرگ و همچنین بافتی نرم براحتی قابل شناسایی می باشد. رنگ این غده از قرمز تیره تا قهوه ایی روشن متفاوت است. در کنار کبد، کیسه صفرا قرار گرفته است که مایع سبز رنگی به نام صفرا را تولید می نماید. عمل اصلی این مایع ، تاثیر بر روی مواد چربی و شکستن مولکول های چربی می باشد. پانکراس در آزاد ماهیان بصورت غدد پراکنده در میان زوائد باب المعده ای ظاهر می گردد . پانکراس با تولید آنزیم های گوناگون به هضم مواد غذایی کمک کرده ، بعلاوه با ترشح هورمون انسولین در کنترل قند خون نقش موثری دارد (Pannell and barton , 1996) .
1-1-3- برخی ویژگی های ماهی قزلآلایرنگینکمان "Oncorhynchus mykiss"
قزل آلای رنگین کمان جز ماهیان پرورشی است که از اواخر قرن نوزدهم میلادی اهلی شد و به صورت قابل مصرف و قابل عرضه به بازار، پرورش داده شده است. اکنون ماهی قزل آلا اساس یک صنعت در حال توسعه را تشکیل می دهد و اهمیت آن بویژه در کشورهایی که قادر به تدارک شرایط و مهیا کردن محیط آب شیرین یا شور برای پرورش آن هستند، در حال افزایش است. این ماهی نخستین ماهی (گونه) از خانواده آزاد ماهیان است که به عنوان غذای اصلی انسان اهلی و پرورش داده شد. در حال حاضر، این ماهی سهم با ارزشی در تامین غذای انسان دارد. علت این امر فقط به دلیل ارزش غذایی بالای این ماهی و کمیاب و گران شدن ماهیان وحشی که از طبیعت صید می شوند، نیست. بلکه بخاطر وجود چربی های اشباع نشده ای هستند که در این ماهی یافت می شوند (فرزانفر، 1384).
جنسهای این خانواده در آب های سرد با اکسیژن فراوان زندگی می کنند که توسط انسان به اقصی نقاط
دنیا برده شد. به خاطر خاصیت سازگاری زیاد آن، هماکنون در بیشتر آب های شیرین که دارای دمای مناسب جهت رشد این گونه هستند، حضور دارد و گونه پرورشی بیشتر مزارع پرورش ماهیان سردآبی دنیا و تقریباً صددرصد مزارع پرورش ماهیان سردآبی ایران را به خود اختصاص میدهد (نفیسی بهابادی، 1385).
1-1-4- پراکنش ماهی قزل آلا در جهان و ایران
محدوده زیستگاه اصلی ماهی قزل آلای رنگین کمان شمال غرب آمریکاست و از رودخانه Kuskokwim در آلاسکا آغاز شده و به سمت جنوب ادامه می یابد و با عبور از بخش British Clombia به منطقه Baja در کالیفرنیا می رسد. در سواحل شرقی انشعاب اصلی در رودخانه Peace در ایالت British Clombia و Athabasca (در آلبرتا) نیز وجود دارد. جمعیتی از این ماهی نیز به صورت بومی در استان Chihuahua در کشور مکزیک وجود دارند. سرعت رشد نژاد مهاجر پولادسر (که به دریا مهاجرت میکند) بیشتر است. ماهیان نژاد مهاجر عموماً از نژاد غیر مهاجر که تمام دوره زندگی خود را در رودخانه سپری می کنند بزرگترند؛ اما بزرگترین ماهیان قزل آلای رنگین کمان را می توان در دریاچه های آب شیرین یافت (مشائی، 1386)این ماهی
در حوضه خزر، دجله ،کارون، نمک، کویر، زاینده رود، تجن (خراسان) و کرمان پراکنش دارد (هدایتی فرد،1382). همچنین در رودخانه پارک ملی گلستان در مناطقی با دمای کمتر از 20 درجه سانتی گراد مشاهده می گردد (عبدلی،1389).قدمت پرورش آن در ایران نیز به چند دهه قبل، یعنی سال 1338 هجری شمسی مربوط می شود (نفیسی بهابادی، 1385).
1-1-5- بررسی آماری تولیدات پرورشی ماهی قزل آلا
براساس سالنامه آماری سازمان خواربار جهانی ملل متحد (FAO) که در سال 2012 منتشر نمود، میزان کل تولید آبزیان پرورشی در سال 2010، بالغ بر 6/63 میلیون تن بوده است.
نرخ رشد صنعت پرورش آبزیان طی سالهای 1960 الی 2009 برابر 2/3 درصد بود در حالیکه طی مدت مشابه نرخ رشد افزایش جمعیت معادل 7/1 درصد بوده است . میزان تولید ماهیان خانواده آزاد ماهیان در سال 2001 برابر 1785121 تن گزارش شده است که این گونه ها در سال 2010 به مقدار 2411136 تن افزایش یافت. بر اساس گزارش در همین منبع میزان پرورش آبزیان در ایران در سال 2010 برابر 220034 تن می باشد که رتبه 14پرورش آبزیان را بین کشورهای جهان دارا می باشد .
آمار ارائه شده در آمارنامه سازمان شیلات ایران میزان تولیدحاصل از آبزی پروری را در سال 1389 معادل 251374 تن و در سال 1379 معادل 66000 تن گزارش نموده است .طی ده سال اخیر، روند صعودی میزان تولید ماهی قزل‌آلای رنگین کمان در ایران پیشرفت بسیار قابل توجهی داشته است. بطوریکه میزان تولید سالانه این ماهی در سال 1379، از مقـدار 9000 تـن، به مـرز 91519 تـن در سـال 1389 رسـیده است. که معادل 8/3 درصد تولیدات ماهیان سردآبی جهان است (FAO,2012).

شکل(1-1) ماهی قزل آلای رنگین کمان " Oncorhynchus mykiss"
1-2- پروبیوتیک چیست؟
واژه پروبیوتیک، واژه ای یونانی و به معنای "برای زندگی" می باشد (Chukeatirote, 2003). پروبیوتیک نخستین بار توسط Lilly & Stillwell (1965) برای برخی مواد مترشحه بوسیله میکروارگانیسم ها بکار گرفته شد که موجب تحریک رشد سایر میکروارگانیسم ها می شوند. بنابر این، ترکیبات اخیر از لحاظ تاثیر می توانند کاملاً در برابر آنتی بیوتیک ها یا مواد پاد زیست، قرار گیرند. با این وجود، بکارگیری این واژه بدین شکل تداوم نیافت و Sperti (1971) از این واژه تحت عنوان عصاره ی بافتی که موجب تحریک رشد میکروبی می شوند، یاد نمود.
تحقیق Metchinkoff (1907) در آغاز قرن بیستم را می توان نخستین تحقیق انجام شده در زمینه پروبیوتیک ها دانست. وی تاثیر مصرف ماست را مورد بررسی قرار داد و متوجه تأثیر این ماده غذایی روی طول عمر کشاورزان بلغاری شد. در واقع او اصول دستکاری میکروفلور روده را درک نموده بود و این موضوع را این گونه شرح داد: "میکروب هایی که با هدف بهبود سلامتی خورده می شوند". همین تعریف، بعدها توسط Parker (1974) اینگونه اصلاح شد: "موجودات و موادی که در تعادل میکروبی روده تأثیرگذارند".
Fuller (1989) نیز تعریف Parker را اینگونه اصلاح نمود: "مکمل های غذایی حاوی میکروب های زنده که از طریق تعادل میکروفلور روده اثرات مفیدی بر سلامت میزبان می گذارد"، این تعریف امروزه بیشتر متعارف است. اجزای اصلی این تعریف منعکس کننده لزوم زنده بودن میکروارگانیسم و استفاده آن به صورت مکمل غذایی برای میزبان است و ابهامی را که با بکاربردن اصطلاح "مواد" ایجاد می شد را از بین می برد. "اثر بر روی تعادل میکروبی روده" که در تعریف اخیر اشاره شد، در تحقیقات انجام شده کمتر مورد توجه قرار گرفته است. Tannock(1997) به این نکته توجه نمود و این تعریف را به این صورت پیشنهاد کرد: "سلول های میکروبی زنده که با هدف بهبود سلامتی، به صورت مکمل های غذایی بکار می روند".
بسیاری از محققین تعریف Fuller را مورد تجزیه و تحلیل بیشتری قرار داده و تعاریف کامل تری را ارئه نمودند. بعنوان نمونه، Gatesoupe (1999) پروبیوتیک ها را اینگونه تعریف نمود: "سلول های میکروبی که به طریقی وارد دستگاه گوارش می شوند و زنده می مانند تا سلامتی را در میزبان ایجاد نمایند". Gram و همکاران (1999) نیز پیشنهاد کردند که "پروبیوتیک هر نوع مکمل میکروبی زنده است که از طریق بهبود تعادل میکروبی بر میزبان تأثیر مثبت می گذارد". همچنین، Salminen و همکاران (1999) تعریف پروبیوتیک را این گونه ارائه کردند: "پروبیوتیک ها فرآورده هایی از سلول های میکروبی یا اجزایی از سلول های میکروبی هستند که اثرات مفیدی روی سلامت میزبان دارند". در این تعریف لزوم زنده بودن سلول های مرتبط با تغذیه نادیده گرفته شد.
روشن است که اختلافات زیادی در درک واقعی اصطلاح "پروبیوتیک" وجود دارد. از آنجا که پروبیوتیک ها در آبزی پروری هم استفاده می شوند، تعاریف بایستی اصلاح شوند. در جانوران آبزی نه تنها دستگاه گوارش مهم است، بلکه آب محیط پرورش هم دارای اهمیت می باشد (Gomez-Gil et al., 2000).
به طور خلاصه می توان پروبیوتیک را اینگونه تعریف نمود: "پروبیوتیک ها باکتری های بی ضرری هستند که به سلامت جانور میزبان کمک می کنند و بطور مستقیم یا غیر مستقیم، میزبان را در بر ابر عوامل بیماریزای باکتریایی محافظت می نمایند" ( Irianto et al.,2000).
1-2-1- ضرورت استفاده از پروبیوتیک ها در آبزی پروری
در سیستم های متراکم تولید تخم و لارو، آب با روش های گوناگونی مانند فیلتر کردن تصفیه می شود و با این کار عده ای از باکتری ها از سیستم خارج می شوند که این عمل ممکن است تعادل بین جمعیت میکروب ها را از بین ببرد یا سبب تکثیر باکتری های فرصت طلب گردد و یا باعث توسعه جمعیت باکتری های پیش بینی نشده شود. بنابراین برای کنترل میکروبی سیستم، روش های بهتری مورد نیاز است (Olafsen, 1998).
در طی دوره انکوباسیون یا پرورش لارو، میان کنش های متفاوتی بین باکتری ها و سطوح روده جاندار ممکن است رخ دهد که احتمالاً منجر به تشکیل میکروفلور بومی در موجود می گردد و یا زمینه ساز بروز عفونت می گردد. از این رو برای موفقیت در تولید متراکم و انبوه استفاده از روش هایی برای تقویت سیستم های دفاع طبیعی جاندار ضروری بنظر می رسد ( Olafsen, 1998). از دیگر کاربردهای پروبیوتیک بهبود تعادل میکروبی روده و در نتیجه بهبود جذب غذا می باشد (Parker, 1974 ; Fuller, 1989).
در سیستم های آبزی پروری، میکروب ها از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و بر عملکرد رشد اثرات ویژه ای نشان می دهند. علت این امر تا حدی مربوط به ارتباط مستقیم بیماری ها و کیفیت آب، با عوامل میکروبی است. اخیراً در آبزی پروری بمنظور حفظ شرایط اکولوژیک، از پروبیوتیک به جای آنتی بیوتیک استفاده می شود و تکنیک انتقال باکتری به لارو ضروری است (Skjermo & Vadstein, 1999). احتمالاً در فرایند . بمنظور استفاده از پروبیوتیک ها در آبزی پروری، در نظر گرفتن الزاماتی نظیر وجود باکتری با کیفیت مناسب بعنوان پروبیوتیک هاضمه دوکفه ای ها، باکتری ها آنزیم های خارج سلولی همانند پروتئاز و لیپاز تولید کرده و فاکتورهای لازم را برای رشد فراهم می آورند. همچنین احتمالاً باکتری ها در تغذیه بی مهرگان دریایی و ماهی ها نیز نقش دارند (Olafsen, 1998). این گونه باکتری ها با تولید مواد سلولی یا میکرونوترینت هایی شبیه اسیدهای چرب ضروری (Ringo et al.,1995)، ویتامین ها ( Sugita et al.,1998)، مواد معدنی یا حتی آنزیم ها به تغذیه کمک می نمایند.
حضور باکتری های اسید لاکتیک در دستگاه گوارش دلیلی بر وجود تخمیر در روده می باشد، این باکتری ها روی هیدرات های کربن پیچیده همچون نشاسته و سلولز تاثیر گذاشته و آنها را به ترکیبات ساده تر تبدیل می کنند تا جذب و سنتز ویتامین های خانواده B و ویتامین K در لوله گوارش صورت گیرد (Hansen & Olafsen, 1999). در اکوسیستم های آبی ارتباط بین میکروارگانیسم ها و دیگر واحدهای زنده و همچنین جریان مداوم آب، میان دستگاه گوارش ماهیان و بی مهرگان، همه بر روی میکروفلور بومی تاثیر می گذارد(Olafsen, 1998). ایجاد کلنی های پروبیوتیک در امعا و احشا احتمالاً در اثر مصرف آن از محیط آبی اطراف می باشد که سبب تعدیل فلور امعا و احشا میشود و باعث بهبود رشد و بقای لاروها میگردد.
این امکان وجود دارد که پروبیوتیک ها همانند یک ماده فعال کننده مکانیسم های دفاعی عمل نمایند ( Raa, 1996). باکتری های پروبیوتیک هوازی با مصرف اکسیژن، شرایط لوله گوارش را برای عوامل بیماریزا هوازی سخت می نمایند و برای آنها محدودیت ایجاد می نمایند و از رشد آنها جلوگیری می کنند. همچنین از لحاظ فضا و غذا نیز با آنها رقابت می کنند. در این میان تعدادی از پروبیوتیک ها اجباراً از بین میروند.
در واقع استفاده از پروبیوتیک ها در آبزی پروری، باعث کاهش سطح ترکیبات آنتی میکروبیال (بویژه آنتی بیوتیک ها) بکار رفته، افزایش میزان اشتها و یا مقدار رشد گونه های پرورش یافته می شود)
Irianto & Austin, 2002)). شاید بتوان مهمترین ویژگی پروبیوتیک ها را در این دانست که ضمن کاهش بیماری و بهبود ضریب تبدیل غذایی در دام و طیور، هیچ باقیمانده ای در بافت ها نداشته و بر خلاف پادزیست ها مقاومت میکروبی ایجاد نمی نمایند. مطمئناً، پروبیوتیک ها نبایستی برای میزبان ضرر داشته باشند (Salminen et al., 1999) و آنها غیر بیماریزا و غیر سمی بوده و می توانند موجب پیشگیری از بروز اثرات جانبی نامناسب باشند. آنها بایستی در یک محدوده دمائی و دامنه شوری مشخصی مؤثر باشند ((Fuller, 1989 .
1-2-2- خطرات مصرف آنتی بیوتیک ها
امروزه درمان با مداخله میکروارگانیسم ها به چند دلیل مورد توجه می باشد (رنجبرو میرنژاد، 1380; Rengpipat et al., 1998):
درمان با آنتی بیوتیک بطور موفقیت آمیزی برای کل عوامل عفونی مثمر ثمر واقع نشده است، اگرچه بدون شک بعضی از مسائل را حل نموده ولی بعضاً خود مساله ساز بوده است.
درمان با آنتی بیوتیک وضعیت فلور معمولی محافظت کننده بدن را بر هم می زند و موجود را نسبت به سایر عفونت های فرصت طلب مستعد می نماید و موجب افزایش نگرانی و ترس از ایجاد سویه های میکروبی مقاوم به آنتی بیوتیک در اثر استعمال گسترده آن شده است. با استفاده از آنتی بیوتیک های مشابه، سویه های میکروبی نسبت به آنها مقاومت پیدا می کنند و به سرعت رشد یافته و تکامل می یابند.
1-2-3- نحوه عمل پروبیوتیک ها
1-2-3-1- تولید ترکیبات ممانعت کننده (Inhibitory Component)
باکتری های پروبیوتیکی ترکیبات شیمیایی مختلفی تولید می کنند، که موجب از بین رفتن سایر باکتری ها و یا توقف فعالیت آنها می گردد (Verschuere et al., 1999). به نظر می رسد تولید مواد ممانعت کننده می تواند در داخل و یا سطح روده و حتی در محیط پرورشی، به عنوان سدی موجب جلوگیری از رشد و نمو عوامل بیماری های فرصت طلب گردد. معمولاً اثر ضد باکتریایی باکتری ها می تواند بعلت تولید برخی از عوامل زیر به تنهایی و یا بصورت ترکیبی باشد: تولید آنتی بیوتیک ها ) Williams & Vickers, 1986)، باکتریوسین ها (Bruno & Montville, 1993 و Boyd et al., 1984)، سیدروفورها ( Pybus et al., 1994،
Yoshida et al., 2002 و Braun, & Braun, 2002)، لیزوزیم ها، پروتئازها، هیدروژن پراکساید ها و یا تغییر میزان pH از طریق تولید اسیدهای آلی (Sugita et al., 1997 و Ringo & Gatesoupe, 1998)، دی اکسید کربن (Gill, 2003). تعدادی ازمحققین ترکیباتی کشف و مشاهده نموده اند. بعنوان نمونه، Nair و همکاران (1985) نشان دادند که تعداد قابل توجهی از باکتری های دریایی، آنزیم های باکتریولیتیک علیه باکتری Vibrio parahaemolyticus تولید می کنند. همچنین،Imad و همکاران (1985)، Alteromonas SB-10-31 را از نواحی نزدیک ساحل دریای ژاپن جداسازی نمودند. آنها نشان دادند که این باکتری قادر است یک پروتئاز آلکالینی ممانعت کننده که موناستاتین نامیده می شود، تولید کند. در آزمایش فعالیت ممانعت کنندگی موناستاتین علیه پروتئاز بدست آمده از Aeromonas hydrophila و پروتئاز تیول بدست آمده از Vibrio anguillarum، به اثبات رسید (هر دو باکتری مذکور عوامل بیماریزای ماهی هستند) (Verschuere et al., 1999).
1-2-3-2- رقابت بر سر مکان های اتصال
موجودات پروبیوتیکی برای مکان های اتصال و غذا در سطح مخاطی روده رقابت می کنند و در نتیجه از تشکیل کلونی باکتری های بیماریزا پیشگیری می کنند ( Vanbelle et al., 1990). قدرت اتصال باکتری های پروبیوتیکی ظاهراً طی مرحله سکون رشد بیشتر از مرحله رشد لگاریتمی است (Vine et al., 2004). اتصال ممکن است غیراختصاصی، بر پایه فاکتورهای فیزیکوشیمیایی و یا اختصاصی باشد. محل اتصال می تواند در بر گیرنده مولکول های چسبیده به سطح باکتری های متصل به روده و یا مولکول های گیرنده روی سطح سلول های مخاطی روده باشد (Salminen 1996). توانایی پروبیوتیک ها برای چسبیدن به موکوس روده احتمالاً می تواند ایجاد عفونت روده را توسط برخی از عوامل بیماریزا متوقف می کند. البته اتصال پروبیوتیک ها به دیواره روده یا سایر بافت ها لزوماً نشان دهنده رقابت بر سر مکان های اتصال به عنوان تنها روش عملی اثر پروبیوتیک ها نیست. این نکته که باکتری ها قادر به تشکیل کلونی، مثلاً در دیواره روده ماهی، هستند و نقش حفاظتی شان از طریق ترشح ترکیبات ممانعت کننده اعمال می نمایند، کاملاً پذیرفته شده است (Verschuere et al., 2000). توانایی اتصال و رشد در سطح روده یا درون موکوس خارجی در شرایط آزمایشگاهی در مورد برخی عوامل بیماریزا در ماهی از قبیلV. anguillarum وA. hydrophila ( Krovacek et al., 1987 ; Garcýa de la Banda et al., 1992) و همچنین برای پروبیوتیک های مانند Carnobacterium SK1 و بسیاری از پروبیوتیک های تخلیص شده نشان داده شده است. همچنین نقش ممانعت کنندگی برایV. anguillarum ( Olsson et al., 1992) نیز به اثبات رسیده است. در یکی از این مطالعات، هدف ارزیابی توانایی سویه های پروبیوتیکی در اتصال یا رشد در موکوس روده ای در شرایط آزمایشگاهی بوده تا پتانسیل آنها در تشکیل کلونی در توربوت پرورشی، به عنوان روشی برای پیشگیری از عفونت میزبان باV. anguillarum بررسی گردد (Olsson et al., 1992).
1-2-3-3- رقابت جهت جذب و مصرف مواد مغذی
پروبیوتیک ها از مواد مغذی که توسط میکروب های بیماریزا مصرف می شوند، استفاده می کنند و در نتیجه محیط را از مواد غذایی مورد نیاز برای سایر میکروارگانیسم ها تهیه می نمایند و موجب بروز مشکلاتی برای رشد آنها می شوند .در تئوری، رقابت بر سر مواد مغذی می تواند نقش مهمی در ترکیب توده زنده میکروبی روده یا محیط زیست موجودات آبزی پرورشی، ایفا نماید.(Ringo & Gatesoupe, 1998). اما تاکنون مطالعات جامعی در این زمینه انجام نگرفته است. از اینرو بکارگیری صحیح و بجای اصل رقابت بر سر مواد مغذی در شرایط طبیعی کاری آسان نبوده و وظیفه اصلی اکولوژیست های میکروبی است (Verschuere et al., 1999).
Verschuere و همکاران (1999) سویه های مختلف باکتریایی را که اثر مثبتی بر روی بقاء و رشد آرتمیای جوان داشتند، انتخاب نمودند. آزمایش های آنتاگونیستی در شرایط in vitro و آزمایشات فیلتری نشان داد که هیچ ترکیب ممانعت کننده خارج سلولی در عمل حفاظتی این سویه ها علیهVibrio  proteolytics CW8T2 شرکت نداشته اند. اما سلول های زنده این سویه در حفاظت آرتمیا در برابر عامل بیماریزا ضروری بنظر می رسند یافته های اخیر بر این نکته اشاره دارند که باکتری های انتخاب شده عمل حفاظتی شان را از طریق رقابت با عامل بیماریزا بر سر دسترسی به مواد مغذی و انرژی اعمال می کنند.
1-2-4- معیارها و روشهای انتخاب پروبیوتیک
نخستین و مهمترین هدف ازکاربرد پروبیوتیک ها، حفظ یا ایجاد مجدد رابطه مطلوب بین میکروارگانیسم های بیماریزا و مفید است که فلور موکوس پوست و روده ماهی را تشکیل می دهند. بنابراین یک پروبیوتیک مناسب بایستی برخی خصوصیات خاصی که اثر مثبت آن را تأیید نماید، داشته باشد( Ali, 2000).
اکثر مطالعات انجام گرفته در زمینه اثر پروبیوتیک ها بر جانوران آبزی پرورشی بر کاهش مرگ و میر و بالعکس، افزایش بقاء (Moriarty, 1998 ; Skjermo & Vadstein, 1999 Chang & Liu, 2002 ; ; Irianto & Austin, 2002)، افزایش مقاومت در برابر بیماری (Gatesoupe, 1994)، توانایی چسبندگی و تشکیل کلونی در روده ( Joborn et al., 1997)، توانایی کاهش تعداد سلول های باکتریایی در کلیه، تولید پلی آمین ها و فعالیت آنزیم های گوارشی (Tovar et al., 2002) و تکامل سیستم ایمنی غیر اختصاصی توسط سیستم های داخل سلولی، مثلاً افزایش فاگوسیتوز و فعالیت های لیزوزیمی ( ;Irianto, & Austin, Panigrahi et al., 2004 ; Gullian et al., 2004) بوده است. اثر مثبت پروبیوتیک ها برمیزبان نظیر، سم زدایی از ترکیبات مضر موجود در غذا و بهبود مواد مغذی آن، تجزیه کردن اجزای غیر قابل هضم موجود در جیره غذایی توسط آنزیم های هیدرولیتیک من جمله آمیلاز و پروتئاز، تولید ویتامین ها مثل بیوتین و B12، تولید ترکیباتی که آنتاگونیست عوامل بیماریزا هستند و در نهایت تحریک سیستم ایمنی میزبان تاکنون گزارش شده اند. روشن است که یک پروبیوتیک مفروض می تواند بیش از یک پاسخ حفاظتی را در میزبان القا نماید. همچنین پروبیوتیک های مختلف می توانند اثرات جداگانه و مشخصی را بر میزبان بگذارندIrianto, 2002) Austin &). دوام پروبیوتیک ها در دستگاه گوارش می تواند منعکس کننده شرایط سن و بهداشت و سلامتی ماهی باشد. مثلاً تجویز پروبیوتیک ها درماهیان جوان، در هنگام انجام اولین مراحل تغذیه و در ماهیان بزرگتر پس از مصرف آنتی بیوتیک ممکن است منجر به تشکیل کلونی بلندمدت از باکتری های پروبیوتیکی در دستگاه گوارش گردد. روش های انتخاب باکتری پروبیوتیکی برای استفاده در پرورش موجودات آبزی شامل مراحل زیر می باشد (Gomez-Gil et al., 2000):
1-2-4-1- جمع آوری اطلاعات زمینه ای
پیش از انجام فعالیت های تحقیقاتی در زمینه توسعه پروبیوتیک ها، در مورد فعالیت های پرورشی و توسعه اقتصادی مزارع پرورشی هم باید بررسی شود. مروری بر مقالات علمی در دسترس و اطلاعات گسترده مربوط به نحوه پرورش در مزارع پرورشی هم باید انجام شود تا تعیین گردد که آیا استفاده از پروبیوتیک میسر است یا خیر؟ وضعیت محیط زنده و غیر زنده اشغال شده توسط موجودات پرورشی با تأکید بر میکروب های موجود و ارتباط بین میکروب های محیط و ظرفیت نگهداری میکروب نیز از جمله مواردی است که بایستی مورد بررسی واقع گردد (Verschuere et al. 2000).
1-2-4-2- تهیه پروبیوتیک
تهیه یک پروبیوتیک مناسب از اهمیت ویژه ای بر خوردار است. ضروریست برای سویه های به کار گرفته شده در فرآورده های پروبیوتیک با مصرف خوراکی ، مقاومت در برابر آنزیم های دستگاه گوارش و دهان از مهمترین معیارهای انتخاب و گزینش می باشد ( مطلبی و همکاران ، 1389).
1-2-4-3- ارزیابی توان پروبیوتیک در جهت خارج سازی سویه های بیماریزا
با استفاده از آزمایش های in vitro توانایی سویه های جداسازی شده را می توان ارزیابی نمود(Gram et al.,2001).
1-2-4-4- ارزیابی امکان بیماریزایی پروبیوتیک
پیش از استفاده از یک باکتری به عنوان پروبیوتیک، لازم است که عدم بیماریزایی آن در میزبان تأیید شود. بنابراین موجودات پرورشی بایستی به همراه پروبیوتیک انتخاب شده، تحت شرایط نرمال و استرس مورد آزمایش قرار گیرند. این کار را می توان با تزریق یا غوطه وری میزبان در سوسپانسیون پروبیوتیک انتخاب شده، یا افزودن پروبیوتیک به محیط پرورشی، انجام داد (Gomez-Gil et al., 2000).
1-2-4-5- ارزیابی اثر پروبیوتیک بر میزبان
اثر پروبیوتیک انتخاب شده بایستی به صورت in vivo هم آزمایش شود. وقتی اثر پروبیوتیک به صورت مصرف در غذا در نظر گرفته شود، پروبیوتیک های انتخاب شده را می توان به محیط پرورش گونه آبزی مورد نظر افزوده و اثرشان را بر رشد و باز ماندگی ارزیابی نمود. اگرچه هنگامیکه کنترل زیستی توده میکروبی مورد نظر است، به نظر می رسد آزمایش های in vivo ابزاری مناسب جهت ارزیابی اثر بالقوه پروبیوتیک انتخاب شده بر میزبان باشد(Kesarcodi-Watson et al., 2008).
پروبیوتیک را می توان به روش های مختلف به میزبان یا محیط اطرافش اضافه نمود:
-اضافه کردن به جیره غذایی (Irianto & Austin, 2002)
-افزودن به آب پرورش (Verschuere et al., 2000)
-غوطه وری ( Austin et al. 1995)
-اضافه کردن از طریق غذای زنده (Gomez-Gil et al. 1998 ;Dhert et al. 1990 ; Robles et al. 1998)
1-2-4-6- تولید انبوه، ارزیابی سود اقتصادی
این مرحله، آخرین مرحله انتخاب پروبیوتیک است. آزمایشات اولیه بایستی در محیط یک سالن تفریخ در مزارع پرورشی انجام شود تا اثرات اقتصادی کاربرد پروبیوتیک مورد ارزیابی واقع گردد. فاکتور مهم در ارزیابی اقتصادی، امکان تولید انبوه یک پروبیوتیک است. همچنین، ممکن است قوانین محدودکننده ای در مورد کاربرد آنها در یک کشور وضع شده باشد. از اینرو بایستی پیش از آنکه کاربردهای تجاری در این خصوص آغاز شود، به آنها توجه بیشتری معطوف گردد. در پایان بایستی تعیین شود که آیا پروبیوتیک ها را می توان در عمل بکار برد یا خیر؟ بر اساس تعریف Fuller (1987)، یک پروبیوتیک بایستی برای میزبان سودمند باشد، قادر باشد در دستگاه گوارش باقی بماند، قابلیت تولید به صورت تجاری را داشته باشد، یعنی در سطح وسیع رشد کند و تولید آن اقتصادی بوده و در شرایط طولانی مدت در انبار و مزرعه، پایدار و مؤثر بماند.
به طور خلاصه، انتخاب باکتری های پروبیوتیکی یک فرایند تجربی مبتنی بر شواهد علمی محدود بوده است. بسیاری از تجارب ناموفق در زﻣﻴﻨﺔ تحقیقات در خصوص پروبیوتیک ها را می توان به انتخاب میکروارگانیسم های نامناسب نسبت داد. توسعه پروبیوتیک های قابل استفاده در کاربردهای تجاری در آبزی پروری یک فرایند چند جانبه و چند مرحله ای است، که نیازمند تحقیقات بنیادی و تجربی بوده و نیز مستلزم انجام آزمایشات در مقیاس وسیع و ارزیابی اقتصادی کاربرد آن است. لازم است که مراحل انتخاب برای میزبان های مختلف و محیط های متفاوت تغییر و اصلاح گردند((Verschuere, et al., 2000
1-3- سیستم ایمنی در ماهیان
اختلاف عمده موجود در سیستم ایمنی از نظر تشریحی بین ماهی و پستانداران، فقدان مغز استخوان و گره های لنفاوی در ماهیان است. تیموس، کلیه و طحال بافت های اصلی لنفوییدی در ماهیان استخوانی حقیقی اند. در حالی که تیموس در ماهی یک اندام لنفوییدی اولیه به حساب می آید ، اندام های لنفوییدی ثانویه تنوع قابل توجهی را نشان می دهند. بافت های لنفوییدی اغلب در اندام هایی تشکیل می شوند که جریان سینوزوییدی داشته و سلول های لنفوییدی در آنها جمع شده و به حضور آنتی ژن ها پاسخ دهند. این اندام ها در ماهیان عبارت اند از : کلیه و طحال. کبد پوست و روده نیز از اجزا مهم سیستم های دفاعی ماهیان هستند. کلیه ، طحال و کبد اندام های اصلی و پاکسازی کننده محسوب می شوند ، بطوریکه سلول های اندوتلیال و ماکروفاژها آنها به شدت نسبت به مواد خودی و غیر خودی که باید از گردش خون حذف شوند ، خاصیت آندوسیتوز دارند (سلطانی، 1387).
مهم ترین اندام ها و بافت های سیستم ایمنی ماهیان شامل تیموس، آبشش ها، پوست، کلیه اندام اپی گونال، خون، طحال، بافت مننژی، فلس ها، کبد، اجسام غاری شکل، قلب گره های لنفاوی یا اندام لیدیگ دیواره مری، مجرای گوارشی و ترشحات موکوسی و صفراوی می باشد. ایمنی در ماهیان به دو صورت اختصاصی و غیر اختصاصی تظاهر می یابد (سلطانی، 1387).
1-3-1- ایمنی غیر اختصاصی
سیستم ایمنی غیر اختصاصی، ماهی را به طیف وسیعی از عوامل بیماریزا مصون می سازد و علت مقاومت
یک فرد به یک عامل خاص بیماریزا نیز همین سیستم دفاعی می باشد (جلالی جعفری، 1377). امروزه تحقیقات در زمینه نحوه عملکرد سیستم ایمنی غیر اختصاصی ماهیان و تولید جمعیت های مقاوم به انواع عوامل بیماریزا متمرکز شده است (Galindo-Villegas & Hosokawa, 2004). دفاع غیر اختصاصی بر پایه گیرنده هایی است که الگوهای مولکولی خاصی را شناسایی می کنند. این مولکول ها در سلول های میکروبی (باکتری ها، قارچ ها و ویروس ها) وجود دارند. اما در خود میزبان دیده می شوند و هر مولکول نا آشنایی که باعث بیان ژن گیرنده خود شود محکوم به مرگ خواهد بود. سیستم ایمنی غیر اختصاصی پاسخ های سازشی را سبب شده و در حفظ هموستازی بدن شرکت می کند (Magnadottir, 2006). علاوه بر این، در القا سیستم ایمنی اکتسابی نیز شرکت دارد که از طریق تولید واسطه های خاصی در سلول ها مواجه شده با عامل خارجی صورت می گیرد (Jones, et al., 1993).
مهم ترین اجزا و سیستم ایمنی غیر اختصاصی شامل موارد زیر می باشند (جلالی جعفری،1377 و Magnadottir, 2006):
عوامل فیزیکی: شامل فلس ها، موکوس و پوست است. موکوس علاوه بر به دام اندازی و ریزش و تجدید شدن، واجد لستین، پنتراکسین، لیزوزیم، پروتئین های خنثی کننده و ایمونوگلبولین ها نیز می باشد.
عوامل سلولی: نظیر سلول های فاگوسیتوزی (گرانولوسیت ها، مونوسیت ها و ماکروفاژها) هستند. که به دو دسته ثابت (مثل سلول های موجود در بافت لنفوئیدی دستگاه گوارش) و متحرک (ماکروفاژها، نوتروفیل ها،...) تقسیم می شوند.
عوامل خونی: این تقسیم بندی به دلیل ویژگی های شناسایی عوامل نا آشنا یا نحوه عملکرد آنها می باشد. ترانسفرین از طریق رقابت برای آهن (جذب سطحی) مانع رشد باکتری ها می گردد. انترفرون نیز پروتئین ضد ویروسی است. آنزیم های پروتئازی ممانعت کننده نیز در مایعات بدنی ماهیان شناسایی شده اند.
1-3-1-1- ایمنی غیر اختصاصی ( ترکیبات مایع)
ساز و کارهای ایمنی مایعات بدن در ماهیان نقش مهمی در همه مراحل رفع یک عفونت دارند. دفاع غیر اختصاصی مایعات بدن ماهی شامل پروتئازها ، لیزین ها و آگلوتینین های موجود در ترشحات موکوسی ، به عنوان اولین خط دفاعی عمل می کنند. در حالی که سلول های پوشش مخاطی دومین سد دفاعی در برابر تهاجم میکروارگانیسم ها محسوب می شوند.
مواد گوناگون ضد میکروبی مانند تریپسین، لیزوزیم، آگلوتینین ها، عامل مکمل، پروتئین فاز حاد و دیگر عوامل لیز کننده در سرم و در موکوس پوست، آبشش ها و روده از جمله عواملی بوده که به عنوان اولین خط دفاعی در ماهی عمل کرده و مانع از چسبیدن و تثبیت میکروارگانیسم ها بر سطوح پوششی خارجی (پوست و آبشش ها) و داخلی (مجرای گوارشی) می شوند. این مواد به طور غیر اختصاصی از رشد و تکثیر عوامل عفونی بیماریزا مثل باکتری ها، قارچ ها، انگل ها و ویروس ها جلوگیری می کنند. این ترکیبات اغلب از نوع پروتئینی یا گلیکوپروتئین بوده و ترکیبات مشابه آنها و یا پیش ساز آنها نیز در همولنف بی مهرگان وجود دارد (سلطانی ، 1387).
1-3-1-1-1- لیزوزیم
لیزوزیم نقش مهمی برای مواجهه با عوامل بیماریزای عفونی در ماهیان ایفا می کند.در ماهیان لیزوزیم اغلب در بافت های غنی از گلبول های سفید مانند قسمت قدامی کلیه و بافت های پوست ، آبشش و دستگاه گوارش یافت می شود (سلطانی، 1387).لیزوزیم یک نوع واکنش ایمنی غیر اختصاصی است که توسط گلبول های سفید منتشر و در بافت های مختلف و خون ترشح می شود. (سلطانی، 1387؛ Sakai, 1999).
1-3-1-1-2- سیستم عامل مکمل (کمپلمان) در ماهیان
کمپلمان به صورت یک سیستم پروتئینی سرمی است، که عمل همولیز با واسطه ایمنی را انجام میدهد، و فعالیتهای بیولوژیکی متنوعی را نیز انجام میدهد( سلطانی، 1387).
سیستم کمپلمان نقش کلیدی در ایمنی ذاتی و اکتسابی و هشدار دادن به سیستم ایمنی میزبان در رابطه با حضور عوامل بیماریزا و برداشتن ان مانع (عامل بیماریزا) بازی می کند (Boshra and Sunyer, 2006 ; Sunyer and Lambris, 1999; Gasque, 2004 ).
1-3-1-2- ایمنی غیر اختصاصی (سلولی)
واکنش های التهابی و واکنش های ناشی از فعالیت گرانولوسیت ها ، مونوسیت ها و لنفوسیت ها ساز و کارهای دفاع غیر اختصاصی سلولی را در ماهیان تشکیل می دهند که در پاسخ به شرایط مختلفی مانند عفونت های باکتریایی ، ویروسی ، قارچی ، تک یاخته ای و انگلی به وقوع می پیوندند. (سلطانی، 1387).
سلول های فاگوسیت کننده ماهیان شامل نوتروفیل ها ، ماکروفاژها ، لنفوسیت ها ، منوسیت ها، ترومبوسیت ها ، بازوفیل ها و ائوزینوفیل ها می باشند که بیشترین نقش را ماکروفاژها و بعد نوتروفیل ها بر عهده دارند(سلطانی، 1387).
1-3-1-2-1- لنفوسیت ها
این سلول ها از سلول های مهم ایمنی می باشند و عبارت اند از : سلول های B که در اندام های مانند بخش قدامی کلیه ، طحال و قسمت قدامی قلب و شاید در کبد و سلول های T در تیموس تمایز می یابند (سلطانی ، 1387).معمولاً تعداد لنفوسیت ها در خون ماهی ، به استثنای گلبول های قرمز از سایر سلول ها بیشتر و در حالات مختلف ماهی و به خصوص در هنگام بیماری ها تفاوت دارد (ستاری، 1381).
1-3-1-2-2- نوتروفیل ها
اکثر ماهیان دارای این نوع سلول می باشند. این نوع سلول ها در ماهیان بیشترین گلبول های سفید چند هسته ای را تشکیل می دهند. (Stoskopf, 1993).
وظیفه نوتروفیل ها دفاع علیه عفونت های باکتریایی است. در اثر تحریکات تورمی به جریان خون مهاجرت
و در مرحله حاد تورمی به نواحی صدمه دیده تورمی نفوذ می کنند. این سلول ها به باکتری به صورت بیگانه خوار حمله نموده توسط فاگوزوم های داخلی آنها کشته و هضم می گردند. (تاکاشیما و هایبیا، 1994).
1-3-1-2-3- ائوزینوفیل ها
ائوزینوفیل ها از نظر اندازه مشابه نوتروفیل ها یا به مقدار جزئی کوچکتر از آنها هستند. (Stoskopf, 1993). گرانول ها به صورت پراکنده در سلول وجود دارند و اندازه و شکل آنها در گونه های مختلف و گاهی در بین سویه های مختلف یک گونه نیز متغیر است. قدرت بیگانه خواری آنها در مقایسه با نوتروفیل ها محدود تر است (Stoskopf, 1993).
1-3-1-2-4- مونوسیت ها
کمترین تعداد گلبول های سفید متعلق به مونوسیت ها می باشد و تعداد آنها حداکثر 2 درصد در ماهیان گزارش شده است (Kumar and Tembhre, 1998). در ماهیان مونوسیت های خونی عمل ماکروفاژی دارند. (تاکاشیما و هایبیا، 1994). مواد خارجی که توسط این سلولها گرفته می شوند، با آنزیم های هیدرولیتیک لیزوزیم های آنها کشته شده و سپس هضم می شوند. این سلول ها به عنوان سلول های خنثی کننده آنتی ژن نیز عمل می کنند (تاکاشیما و هایبیا، 1994).
1-3-2- ایمنی اختصاصی
بطور کلی اساس سیستم ایمنی اختصاصی بر این است که ماهیان را بطور انفرادی قادر به بقاء و حفظ تعادل داخلی خودشان در محیط می نماید. اندام هایی که در ایجاد واکنش دفاع اختصاصی نقش دارند شامل بخش قدامی کلیه، طحال و تیموس است (جلالی جعفری، 1377). سیستم ایمنی اختصاصی از نظر سرعت عمل کند بوده و در مراحل ابتدایی زندگی موجود فعال نمی باشد ولی باعث ایجاد ایمنی برای دفعات بعدی مجاورت با عامل بیماریزا می گردد (Magnadottir, 2006). پاسخ های ایمنی اختصاصی بر اساس اجزاء شرکت کننده در پاسخ به دو گروه زیر تقسیم بندی می شوند (عسگری و همکاران، 1386 و Rotllant et al., 1997):
الف - پاسخ های ایمنی همورال: با واسطه ملکول هایی در خون شکل می گیرند که مسئول شناسایی اختصاصی آنتی ژن ها و انهدام آنها می باشند و همانگونه که قبلاً نیز اشاره شد آنتی بادی نام دارند؛ بروز این پاسخ ها با واسطه لنفوسیت های B انجام می گردد.
ب- پاسخ های ایمنی سلولار: با واسطه سلولی که با واسطه لنفوسیت های T ایجاد می گردد.
ایمنی ذاتی که به عنوان ایمنی طبیعی نیز در ماهیان شناخته می شود دارای دو جزئ اصلی ن شامل عوامل طبیعی و سلول های فاگوسیت کننده (ماکروفاژها) می باشند. از این میان عوامل بازدارنده فیزیکی و شیمیایی لیزوزیم ها، از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخوردار بوده و به عنوان یکی از شاخص های استرس محسوب می گردند (Fast, et al., 2002).
1-3-2-1- ایمنی هومورال
1-3-2-1-1- ایمونوگلوبولین M(IgM)
ایمونوگلوبولین ها در ماهیان همگی جزو ماکروگلوبولین ها هستند. ماهیان ایمونوگلوبولین مشابه IgG جانوران عالی را نداشته یا کمی از آن را دارند. در ماهیان فاقد فک ایمونوگلوبولین تنها به میزان کمی وجود دارد و به خوبی شناسایی نشده اند. در ماهیان فکدار ایمونوگلوبولین از نوع IgM و دارای یک زنجیره سنگین مشابه μ پستانداران است. هر مولکول ایمونوگلوبولین در ماهیان استخوانی از نظر ساختمانی تترامر بوده و شامل دو ناحیه اتصال به آنتی ژن یعنی انتهای آمینی و ناحیه تاثیر گذار انتهایی کربوکسی است که در مجموع 4 زیر واحد مونومری را تشکیل می دهد (سلطانی، 1387).
ایمونوگلوبولین ها دارای وظایف و عملکرد های مهمی هستند که از آن جمله می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
1.خنثی سازی2. رسوب و آگلوتیناسیون و 3.خاصیت اپسونیزاسیون (فعالیت عامل مکمل در طی فاگوسیتوز توسط نوتروفیل ها و ماکروفاژها)فعال کردن عامل مکمل (سلطانی، 1387).
1-3-2-2- ایمنی با واسطه سلولی
لنفوسیت ها به طور واضح مسئول هر دو نوع پاسخ ایمنی اختصاصی هومورال و با واسطه سلولی اند. دو نوع از لنفوسیت ها عبارت اند از : سلول های T که در تیموس تمایز می یابند و مسئول ایمنی با واسطه سلولی اند و سلول های B که در اندام های غیر از تیموس مانند بخش قدامی کلیه ، طحال و قسمت قدامی قلب و شاید کبد تولید و تمایز می یابند (سلطانی، 1387).
1-4- اهمیت مطالعات خون شناسی در ماهیان
شناخت فاکتورهای خونی علاوه بر شناخت فیزیولوژی آبزی شاخص مهم و منحصر به فرد هر گونه است که آن را از سایر ماهیان متمایز میکند. اهمیت این شناخت نه تنها در تشخیص گونه مهم است بلکه از نظر اقتصادی نیز می تواند در شناسایی بیماری ها و تعیین شرایط بهداشتی و سلامت ماهی مفید باشد (Bahmani et al., 2001; Abdel-Tawwab et al., 2005).
بافت خون شاخص مهمی برای وضعیت فیزیولوژیک اندام های بدن در تشخیص سلامت یا بیماری و کنترل روند زیستی موجودات زنده بوده و تجزیه وتحلیل شاخص های خونی راهنمای ارزشمندی در سنجش وضعیت زیستی آبزیان می باشد (بهمنی، 1377).
1-4-1- شاخص های خونی
1-4-1-1- گلبول های سفید(White Blood Cells = WBC) (لکوسیت)
تعداد این سلول ها بسیار کمتر از گلبول های قرمز است (مشایی،1386). گلبول های سفید در خون ماهیان به دو دسته تقسیم می شوند:
-گرانولوسیت (دانه دار بوده و هسته چند قسمتی دارند) شامل نوتروفیل یا هتروفیل، ائوزینوفیل و بازوفیل
-آگرانولوسیت (فاقد دانه بوده و هسته تک قسمتی دارند) شامل لنفوسیت و مونوسیت (ستاری، 1381).
هر یک اعمال حیاتی متنوعی را بر عهده دارند. گلبول های سفید در برابر عوامل گوناگون بیماریزا در بدن ماهی مقاومت ایجاد می‌کنند و پاسخ های ایمنی مختلفی بوجود می‌آورند. وظیفه اصلی این سلول ها تولید پادتن می‌باشد. مونوسیت‌ها، ماکروفاژها و گرانوسیت‌ها، وظیفه بیگانه خواری دارند، بعلاوه گرانولوسیت ها موادی برای از بین بردن باکتری ها ترشح می‌نمایند.
1-4-1-2- گلبول های قرمز (Red Blood Cells = RBC) (اریتروسیت، هموسیت)
سلولهای گلبول قرمز بیضی شکل بوده و در ماهیان مانند دوزیستان، خزندگان و پرندگان هسته دار هستند. جمعیت گلبول های قرمز در خون محیطی ماهیان را عمدتاً گلبول های قرمز بالغ تشکیل می دهد(تاکاشیما و هایبیا، 1994). تعداد آنها با افزایش سن کمتر و در فصل جفتگیری دوباره افزایش می یابد (وثوقی و مستجیر، 1388). گلبول های قرمز یا اریتروسیت ها بیشترین فراوانی را در بین سلول های خونی دارند (ستاری، 1381).
1-4-1-3- شاخص های گلبول قرمز یا اندیس های خونی
مهم ترین این شاخص ها عبارت اند از: متوسط حجم گلبول قرمز (MCV)، متوسط هموگلوبین گلبول قرمز (MCH) و متوسط غلظت هموگلوبین سلولی (MCHC) که از طریق روابط ریاضی ذیل محاسبه می شوند (Houston, 1990).
1-4-1-4- هماتوکریت
هنگامی که خون کامل دارای ماده ضد انعقاد، سانتریفوژ می شود، فضایی که توسط گلبول های قرمز فشرده شده اشغال می شود را هماتوکریت می گویند که به صورت درصد گلبول های قرمز خون نسبت به خون کامل بیان می شود. (عامری مهابادی، 1378).در صورت وجود عوامل بیماریزا در بدن یا بهم خوردن تعادل تراکم مواد معدنی در خون یا هر دو، میزان هماتوکریت متغیر خواهد بود. بعلاوه، حجم بسیار زیاد هماتوکریت نیز خود می‌تواند بیانگر احتمال وجود شرایط محیطی نامساعد همراه با استرس باشد (Parker, 1974).
1-4-1-5- هموگلوبین
هموگلوبین کروموپروتئینی است که جز اصلی گلبول قرمز را تشکیل می دهد. هر گرم هموگلوبین هنگامی که کاملاً اشباع شده باشد، 34/1 میلی لیتر اکسیژن حمل می کند (عامری مهابادی، 1378).
چندین نوع هموگلوبین مختلف ممکن است در یک ماهی وجود داشته باشد که احتمالاً برای سازگاری سیستم حمل گاز با شرایط متغیر است (کیوانی،1384).
1-5- شاخصهای بیوشیمیایی
1-5-1- پروتئین کل پلاسما و آلبومین
تقریبا بین 5 الی 10 درصد پلاسمای خون را پروتئین های خون تشکیل می دهند. اغلب پروتئین ها توسط کبد و برخی نیز مانند آنتی بادیها توسط سیستم ایمنی ساخته می شوند. اگر چه تغییر در میزان پروتئین کل پلاسمای خون به عنوان یک شاخص اختصاصی مطرح نمی باشد ولی می تواند بیانگر یک تغییر متابولیک و یا آسیب شناسی باشد( کاظمی و همکاران، 1389). آلبومین سرم فراوان ترین پروتئین پلاسما می باشد. آلبومین ها اساساً در کبد ساخته شده و از خارج شدن خون از رگهای خونی جلوگیری می کنند. (دانیال زاده و همکاران، 1385).توتال پروتئین شامل آلبومین و گلوبولین های سرمی است. این ترکیب مانند آلبومین در بیماریهای حاد و مزمن کبدی و کلیوی کاهش می یابد (Densmore, 2001). در ماهیان واجد عفونت این فاکتور نیز بصورت معنی داری نسبت به ماهیان فاقد عفونت کاهش داشته است (Austin, 1993)
1-5-2- گلوکز
گلوکز می تواند به عنوان یکی از شاخصهای مهم در تعیین وضعیت فیزیولوژیک ماهی بکار رود.با افزایش مصرف گلوکز ومتابولیت های دیگر در بعضی گونه ها ذخایر گلیکوژن چربی ها کاهش می یابد و احتمالا پروتئین ها برای تامین انرژی شکسته می شوند ( کاظمی و همکاران، 1389).
1-5-3- گلوتامیک پیرویک ترانس آمیناز (SGPT)=ALT
گلوتامیک اکسالواستیک ترانس آمیناز (SGOT)AST=
دو آنزیم گلوتامیک پیرویت ترانس آمیناز) آلاتین آمینو ترانسقراز یا ALT) و گلوتامیک اکسالواستیک ترانس آمیناز(آسپارات آمینو ترانسفراز یا AST)، نقش بسیار مهمی در خنثی سازی عوامل سمی و نیز فعالیتهای متابولیکی کبد داشته و دو آنزیم کلیدی برای تعیین عملکرد کبد می باشند در عفونتهایی که آسیب کبدی را با خود به همراه دارند مقدار این آنزیم کاهش می یابد(Shariffi et a.l, 2001).
1-6- رابطه عوامل محیطی و میکروفلور دستگاه گوارشی
در اکثر موارد، زمانی که صحبت از میکروارگانیسمها میشود، آنها موجوداتی مضر و زیانبار تصور میشوند. چنین تصوری نمیتواند صحیح باشد، چرا که تعداد باکتریهای غیربیماریزا بمراتب بیش از باکتریهای بیماریزا است و بسیاری از گونههای غیربیماریزای باکتریها نه تنها مفیدند، بلکه برای ادامه حیات ضروری هستند. یک دسته از این باکتریها سودمند، آنهایی هستند که در دستگاه گوارش حیوانات زندگی میکنند. این میکروارگانیسمها تحتتأثیر عوامل مختلفی قرار میگیرند (شکل 1-2).
تنشهای محیطی، نوع جیره غذایی، داروها، سموم شیمیایی و همچنین شرایط آب و هوایی از جمله عواملی هستند که بر رشد میکروفلور روده تأثیرگذارند (فولر، 1380).

شکل 1-2- رابطه عوامل محیطی و میکروفلور دستگاه گوارش (فولر، 1380)
طی سالهای اخیر با استفاده از مواد افزودنی در خوراک دام و طیور بشدت مورد توجه متخصصین تغذیه و دام واقع شده است، یکی از مهمترین افزودنیها محصولاتی است که به طور زنده مستقیم در جیره به مصرف میرسند و در تجارت به نام پروبیوتیک شناخته شدهاند.
1-7- با کتری های اسید لاکتیک (LAB)

user6-712

افزایش ترشح انسولین.
همه این تغییرات، «نتیجه مقاومت به انسولین» ناشی از هورمون رشد است که اثرات انسولین در تحریک برداشت و مصرف گلوکز در عضله اسکلتی و بافت چربی و مهار گلوکونئوژنز در کبد را تضعیف می‌کند. مکانیسم مقاومت به انسولین و کاهش مصرف گلوکز توسط سلول‌ها، بر اثر هورمون رشد هنوز معلوم نیست. به هر حال، هورمون رشد با افزایش غلظت اسیدهای چرب در خون ممکن است سبب اختلال در اثر انسولین بر مصرف گلوکز در بافت‌ها شود (سپهری، 1385).
2-6 ژن هورمون رشداین ژن به طور مستقیم و غیر مستقیم نقش مهمی در فرایندهای رشد سلول‌های بدنی، رشد اسکلت و تقسیم سلولی و سنتز پروتئین بعد از تولد را دارا می‌باشد، علاوه بر آن هورمون رشد میزان اکسیداسیون چربی و نقل و انتقال گلوکز به بافت پیرامونی و تنظیم فعالیت ترجمه ریبوزومی که در سنتز پروتئین مرتبط است دخالت دارد (دی سانتیس و جری، 2007). مطالعاتی که روی حیوانات انجام شد دلالت بر این دارد که ژن هورمون رشد می‌تواند یک ژن کاندید باشد که برای صفات تولیدی همانند رشد (تامباسو و همکاران،2003) مقاومت در برابر بیماری و تولید تخم (دان کانمینگ، 1997) میزان چربی (کنور و همکاران،2003) اثر به سزایی داشته باشد. پروتئین اصلی این هورمون از تحول تدریجی در طی زمان و تکامل محفوظ مانده است و اطلاعات بسیار ارزشمندی را در زمینه تغییرات پروتئینی و عملکرد هورمون رشد به ما می‌دهد (دین و همکاران، 2008).
بر اساس مطالعاتی که روی ژن هورمون رشد در ماهیان صورت گرفته مشخص شد که ژن هورمون رشد در ماهیان به صورت محافظت شده نمی‌باشد. به عنوان مثال ژن هورمون رشد کپور ماهیان همانند پستانداران دارای 4 اینترون و 5 اگزون می‌باشد (هو،1991) ولی در اکثر ماهیان دیگر دارای یک اگزون اضافی (6 اگزون و 5 اینترون) می‌باشد (آگلون و همکاران، 1988 و بر و دانیال، 1993) اندازه اگزون‌ها در همه ماهیان تقریبا برابر است به جزء اگزون 5 که در طول تکامل به دو قسمت تبدیل شده است (آلمولی و همکاران،2000). فرض بر این است که اضافه شدن اینترون 5 به اگزون 5 و تبدیل اگزون 5 به دو قسمت منجر به واگرایی بین کپور ماهی شکلان و دیگر ماهیان استخوانی شده باشد.
با بررسی تکامل اینترون 5، ماهیان را به سه گروه متفاوت تقسیم بندی کرده‌اند. گروه اول ماهیانی که فاقد اینترون 5 می‌باشند و ساختار این ژن مانند پستانداران و پرندگان می‌باشد مانند کپورماهیان و گربه ماهیان. گروه دوم ماهیانی که اینترون 5 آن‌ها به طول 100-70 جفت باز است مانند تیلاپیا، کفشک ماهی و جراح ماهی دم زرد و گروه سوم که طول اینترون 5 در ژن هورمون رشد 200 تا 600 جفت باز می‌باشد که در برگیرنده خانواده آزادماهیان می‌باشد (یانگ و همکاران، 1997). محققین بر این باورند که دو نسخه‌ای شدن کل ژنوم ماهیان در طول دوره تکامل ماهیان استخوانی اتفاق افتاده است (کریستوفل و همکاران، 2004). اما فقط در آزاد ماهیان و کپور معمولی و تیلاپیا ژن هورمون رشد به صورت دو نسخه‌ای تا به حال گزارش شده است (آگلون و همکاران، 1988). که ماهی سفید و کپور معمولی دارای دو ژن هورمون رشد GH-1 و GH-2 می‌باشد.
2-7 نشانگرهای ژنتیکیهر آنچه که در میان افراد، لاین‌ها، جمعیت‌ها، گونه‌ها، نژادها و یا سویه‌های مختلف به لحاظ ژنتیکی تفاوت داشته و سبب تمایز آن‌ها از یکدیگر گردد به عنوان نشانگر ژنتیکی شناخته می‌شود (بنابازی، 1381). چند شکلی بودن و توارث پذیری از جمله شرایط لازم برای یک نشانگر ژنتیکی می‌باشند.
از مهم‌ترین ویژگی‌های یک نشانگر برتر می‌توان به این موارد اشاره نمود (نقوی، 1388) :
تشخیص آسان همه فنوتیپ‌های ممکن (افراد هتروزیگوت و افراد هموزیگوت).
نداشتن تاثیر روی آلل های موجود در سایر جایگاه‌های ژنی نشانگر (نداشتن اپیستازی).
تظاهر در مراحل اولیه نمو.
حداقل بودن یا عدم اثر متقابل با نشانگرهای دیگری که می‌توانند به طور هم زمان در یک جمعیت در حال تفرق مورد استفاده قرار گیرند.
پیوستگی بسیار نزدیک با ژن‌های مورد نظر.
توارث پذیری کامل.
آسان بودن اندازه گیری.
2-7-1 نشانگرهای ریخت شناسیبه علائمی گفته می‌شوند که به طور مستقیم در فنوتیپ فرد قابل تشخیص بوده و توارث پذیرند، مانند تعداد فلس‌ها روی خط جانبی، اتولیت ها و شکل زوائد پیلوریک و از این دست پارامترها که به راحتی قابل ردیابی هستند. این نشانگرها غالبا تحت تاثیر محیط قرار داشته و متاثر از سن هستند. اگرچه نشانگرهای ریخت شناسی در علوم زیستی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، ولی دارای محدودیت‌های اساسی هستند و به همین دلیل توجه محققین به انواع دیگری از نشانگرها جلب شده است (مردانی، 1372).
2-7-2 نشانگرهای فیزیولوژیکیمطالعات مربوط به تولید شیر نشان می‌دهند که افزایش تولید شیر با افزایش سطح برخی از هورمون‌ها در پلاسما همراه است. پس میزان این هورمون‌ها می‌تواند به عنوان یک نشانگر فیزیولوژیک محسوب شود. اشکال نشانگرهای فیزیولوژیک این است که این نشانگرها (از جمله سطح هورمون‌ها در پلاسمای خون) علاوه بر ژن‌ها به شدت تحت تاثیر محیط داخلی، سن و جنس حیوان هستند (مردانی، 1372).
2-7-3 نشانگرهای سیتوژنتیکیدر بسیاری از موجودات زنده تفاوت‌های گسترده کروموزمی مشاهده می‌شوند که می‌توانند به عنوان نشانگر به کار روند. تلوسنتریک ها، ایزوکروموزوم ها، جابجائی ها و الگوهای نواربندی از جمله این نشانگرها می‌باشند (مردانی، 1372).
2-7-4 نشانگرهای پروتئینی برآورد شده است که 20 تا 50 درصد ژن‌های یک موجود حاوی اطلاعات کدکننده پروتئین‌ها می‌باشند. تنوع و گوناگونی یک پروتئین معین حاصل جابجایی و یا جایگزینی اسیدهای آمینه زنجیره پلی پپتیدی است. این تفاوت‌ها بار الکتریکی و در نتیجه حرکت پروتئین بر حسب نوع و تعداد اسیدهای آمینه جابه جا شده را تغییر می‌دهند. وجود پروتئین‌های چند شکل یا تغییر در اسید آمینه یک پروتئین نشان دهنده جابجایی و یا جایگزینی نوکلئوتیدها در زنجیره DNA بر اثر جهش می‌باشد. این تغییر در اسیدهای آمینه پروتئین و نوکلئوتیدهای یک ژن، نقش اساسی فرآورده ژن را تغییر نمی‌دهد بلکه محصولی را به وجود می‌آورد که با محصول ژن جهش نیافته متفاوت نبوده و این تغییر نشان دهنده جهش در زنجیره DNA است. از معایب نشانگرهای پروتئینی این است که تعداد نشانگرهای پروتئینی محدود است. چند شکلی در این نشانگرها چندان زیاد نیست. فنوتیپ‌های الکتروفورزی در آن‌ها پیچیده است (بنابازی، 1381). تحت تاثیر تغییرات پس از ترجمه هستند و تظاهر کمی، برخی از آنزیم‌ها و پروتئین‌ها تحت تاثیر مرحله رشد قرار می‌گیرد (نقوی، 1388).
2-7-5 نشانگرهای DNA یا نشانگرهای مولکولیبا مقایسه ردیف بازهای مولکول DNA در کروموزوم‌های دو فرد هم گونه در می‌یابیم که اکثر جفت بازها یکسان می‌باشند. مناطق معینی که تفاوت‌های ردیفی در آنها به وقوع می‌پیوندند را تحت عنوان نشانگرهای DNA یا نشانگرهای مولکولی می‌شناسیم. به عبارت دیگر این نوع تغییرات انعکاس دهنده مستقیم تنوع در ساختار ژنتیکی (ساختمان DNA) هستند. وقتی تغییرات DNA در درون ژن‌ها رخ می‌دهند، توانایی تاثیر روی عمل ژن‌ها و در نتیجه فنوتیپ فرد را دارا می‌باشند ولی اکثر نشانگرهای مولکولی با یک فنوتیپ قابل مشاهده همراه نیستند و بایستی این تغییرات را از طریق آنالیز مستقیم DNA مطالعه نمود (امتیازی و کریمی، 1384).
نشانگرهای مولکولی به دو دسته تقسیم می‌شوند:نشانگرهای مولکولی مبتنی بر PCR.نشانگرهای مولکولی غیرمبتنی بر PCR.
2-8 نشانگرهای DNA مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلیمرازواکنش زنجیره‌ای پلیمراز که معمولا به طور اختصار PCR خوانده می‌شود روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون برابر در کمتر از نیم روز امکان پذیر می‌کند. اما این فرایند هنگامی امکان پذیر است که دست کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه دی. ان. ای مورد نظر معلوم باشد (نقوی، 1388). در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانند سازی دی. ان. ای در طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه مورد نظر DNA هستند، به عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‌گیرند تا واکنش آنزیمی همانند سازی دی. ان. ای در درون لوله آزمایش امکان پذیر شود. این همانندسازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‌های پلیمراز صورت می‌گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‌ها به صورت تجاری در دسترساند (نقوی، 1388).
این واکنش از آن روی ارزشمند است که عمل آن بسیار اختصاصی است و به سادگی ماشینی شده و قادر است عمل تکثیر را از مقادیر فوق العاده کم DNA الگو آغاز کند. به کمک این روش می‌توان نزدیک به 5 کیلو باز از ژنوم را بدون هیچ مشکلی تکثیر نمود. از روش PCR بیشتر در نقشه یابی DNA، انتخاب به کمک شناساگرها و همچنین در فیلوژنیک مولکولی استفاده می‌شود. همچنین از PCR می‌توان برای تکثیر DNA‌های به وجود آمده از RNA ها نیز استفاده نمود. نشانگرهای DNA تفاوت قابل ملاحظه‌ای با نشانگرهای پروتئینی و مورفولوژیک داشته و دارای مزایای به شرح زیر می‌باشد:
دقت و سهولت تعقیب آن‌ها.
امکان به کارگیری آن‌ها در مراحل اولیه زندگی.
فراوانی فوق العاده این نشانگرها.
امکان استفاده برنامه‌های کامپیوتری برای تجزیه و تحلیل نتایج.
عدم تاثیرپذیری از شرایط داخلی و خارجی موجود (نقوی، 1388).
2-9 واکنش رنجیره ای پلیمراز (PCR)بی تردید ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلیمراز بیشترین نقش را در توسعه و تکامل نشانگرهای DNA داشته است. این تکنیک در سال 1985 به وسیله کری مولیس و همکارانش ابداع شد و اکنون کاربردهای نامحدودی در تمامی حوزه‌ها یافته است (امتیازی و کریمی، 1384). این تکنیک ساده امکان ایجاد رونوشت‌هایی نامحدود از قطعات خاصی از DNA را فراهم می‌نماید. DNA ی الگو که PCR روی آن انجام می‌گیرد، می‌تواند DNA ی ژنومی (که از گلبول‌های سفید خون یا نمونه‌ای از طحال یا هر بافت دیگری استخراج گردیده است) و یا قطعه‌ای از DNA (از هر منبعی) باشد. PCR تقریبا یک میلیون رونوشت از قطعه‌ای کوچک از DNA ی الگو ایجاد می‌نماید که این مقدار برای استفاده در هر نوع مطالعه ژنتیکی (ردیف یابی، انتقال ژن، هضم آنزیمی و غیره) کافی است. قبل از انجام PCR لازم است ردیف قطعه‌ای که باید تکثیر شود و یا حداقل ردیف هر دو انتهای آن شناسایی گردد. با استفاده از این ردیف‌ها دو قطعه چند نوکلئوتیدی که هر یک حدود 20 باز طول دارند، طراحی و ساخته می‌شود که یکی از آن‌ها مکمل پایانه '3 یکی از رشته‌های قطعه‌ای است که تکثیر خواهد شد و دیگری نیز مکمل پایانه '3 رشته دیگر می‌باشد. وجود این دو قطعه چند نوکلئوتیدی برای شروع سنتز رشته‌های جدید DNA لازم است و آن‌ها را آغازگر می‌نامند. DNA الگو، آغازگرها، مقداری دئوکسی نوکلئوتیدها شامل گوانین (G)، سیتوزین (C)، تیمین (T) و آدنین (A) در داخل تیوپ کوچکی ریخته می‌شود برای اینکه DNA الگو واسرشته شود، مخلوط واکنش را در دمای 95  درجه سانتی گراد قرار می‌دهند. آنزیم DNA پلیمراز می‌تواند دمای بالا را تحمل کند. شکل رایج این آنزیم، Taq پلیمراز است که از باکتری گرمادوست به دست می‌آید. پس از مرحله واسرشته سازی، دما به حدود 60-50 درجه سانتی گراد کاهش پیدا می‌کند تا آغازگرها به ردیف‌های مکمل مربوطه متصل شوند. این مرحله را جفت شدن می‌گویند. به محض اتصال آغازگرها، دما به حدود 70 درجه سانتی گراد افزایش می‌یابد. این دما برای فعالیت آنزیم DNA پلیمراز مناسب است. این مرحله بسط نامیده می‌شود. آنزیم از انتهای '3 هر آغازگر ساخت و بسط رشته جدید را آغاز می‌نماید. پس از طی زمان کافی برای ساخت رشته‌های جدید، مجددا دما به 95 درجه سانتی گراد افزایش می‌یابد و به‌این‌ترتیب چرخه‌ای جدید از واکنش آغاز می‌گردد و سه مرحله قبلی این بار روی DNA دو رشته‌ای جدید صورت می‌گیرد و این رشته‌ها خود به عنوان الگو برای چرخه‌های بعدی عمل خواهند کرد (امتیازی و کریمی، 1384). طول هر چرخه تکثیر حدود 5 دقیقه است (15 ثانیه برای واسرشته سازی، 30 ثانیه برای جفت شدن و 90 ثانیه برای بسط به علاوه حداقل زمان مورد نیاز برای تغییر دماها در بین مراحل که حدود 30 تا 60 ثانیه برای هر تغییر لازم است) (امتیازی و کریمی، 1384).
چرخه‌های تکثیر معمولا در ماشین‌های PCR که از نظر طول و دمای هر مرحله در هر چرخه دقیقا قابل برنامه ریزی و کنترل هستند، انجام می‌گردد. تعداد چرخه‌ها 30 تا 35 بار می‌باشد. نتیجه این تعداد چرخه بین 230 تا 235 رونوشت از قطعه مورد نظر است که معادل حدود یک میلیون قطعه مشابه می‌باشد (این مقدار فراورده PCR نامیده می‌شود). در عمل، این تکثیر نمایی کامل نیست ولی احتمال رسیدن به حداقل یک میلیون بار تکثیر و در نتیجه به دست آوردن یک میکروگرم فراورده PCR بسیار زیاد است (امتیازی و کریمی، 1384).
2-9-1 بافر RCRاین بافر معمولا شامل Tris با 8/8-3/8 pH = و یک نمک مثل کلرید پتاسیم (KCl) یا سولفات آمونیوم می‌باشد. این بافر می‌تواند حاوی افزودنی‌هایی مانند Tween 20، Triton X-100، DMSO (دی متیل سولفوکساید) و ژلاتین باشد که کارایی RCP را افزایش می‌دهند (فرسون و همکاران، 2000 ). این بافر معمولا به صورت 10x تهیه و همراه با آنزیم نک پلیمراز ارائه می‌گردد. غلظت مناسب آن در واکنش معمولا 1X می‌باشد. KCl به اتصال آغازگر به DNA الگو کمک می‌کند اگرچه در غلظت‌های بالا این عمل ممکن است بیش از حد مطلوب گردد و باعث پایداری اتصال غیر اختصاصی آغازگر به DNA الگو و ایجاد محصولات ناخواسته شود (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-2 کلرید منیزیم (Mgcl2)از اجزا به سیر مهم PCR است و غلظت بهینه آن در کارایی واکنش نقش مهمی دارد. با افزایش غلظت یون منیزیم (Mg+2) قدرت اتصال آغازگرها افزایش می‌یابد و به دمای اتصال بالاتری نیاز است و احتمال تشکیل پرایمر-دایمر اقزایش می‌یابد و این امر موجب اتصال آغازگرها به صورت دوتایی با یکدیگر یا به صورت حلقوی با خودشان شده و در اثر تکثیر غیر اختصاصی آن‌ها، تجمعی از قطعات کوچک به وجود می‌آید. مقداری از آغازگرها نیز بدین ترتیب از واکنش خارج می‌شوند. افزایش غلظت یون منیزیم موجب افزایش دمای مرحله واسرشته سازی و افزایش فعالیت پلیمرازی آنزیم تک پلیمراز (این آنزیم برای فعالیت پلیمرازی خود به یون آزاد Mg+ نیاز دارد) می‌شود. همچنین یون منیزیم با نوکلئوتیدها ترکیب می‌شود و کمپلکس محلولی را به وجود می‌آورد که برای ورود و جایگزین شدن آن‌ها در زنجیره DNA بسیار لازم است. در صورتی که در غلظت‌های بسیار پایین بازده واکنش کم خواهد شد. غلظت منیزیوم آزاد تحت تاثیر غلظت dNTP ها، پیروفسفات آزاد (PPi) و EDTA می‌باشد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-3 دی اکسی نوکلئوتیدها (dNTPs)نوکلئوتیدها واحدهای سازنده DNA هستند و از مواد مهم مورد نیاز واکنش PCR می‌باشند. آنزیم‌های DNA پلیمراز ساخت زنجیره پلی نوکلئوتیدی را از این مونومرها یا واحدها کاتالیز می‌کنند. در واکنش PCR نیز همانند سنتز طبیعی DNA از چهار نوع نوکلئوتید به فرم دی اکسی (dTTP، dGTP، dCTP، dATP) استفاده می‌شود. این نوکلئوتیدها معمولا به طور جداگانه یا مخلوط به صورت تجاری در دسترس هستند. باید از غلظت برابر نوکلئوتیدها استفاده شود در غیر این صورت اشتباه جایگزینی رخ می‌دهد و ممکن است باعث تفاوت توالی فرآورده PCR با توالی الگو شود. کیفیت و مقدار dNTP مورد استفاده در کارایی و اختصاصی بودن PCR موثر است. چنانچه مقدار dNTP بیشتر از نیاز واکنش باشد امکان تشکیل نقاط آغازین اشتباه و تشکیل قطعات غیر اختصاصی وجود دارد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-4 آنزیم تک پلیمرازاین آنزیم به شکل طبیعی یا نوترکیب تولید می‌شود و از سایر انواع DNA پلیمرازها معروف‌تر است و بیشتر از آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آنزیم با شناسایی انتهای آزاد هیدروکسیل '3 آغازگر، نوکلئوتیدها را به ترتیب ارائه شده از روی زنجیره مکمل به آن متصل می‌کنند و یک رشته DNA مکمل رشته الگو می‌سازد. سرعت اتصال نوکلئوتیدها و حرکت آنزیم پلیمراز در انواع مختلف این آنزیم متفاوت بوده و بین 5 الی 80 نوکلئوتید در ثانیه می‌باشد. اگر غلظت آنزیم زیاد باشد قطعات غیراختصاصی در فراورده PCR دیده خواهد شد که گاهی به صورت کشیدگی مشاهده می‌شود و در صورتی که مقدار آنزیم کمتر از حد مورد نیاز واکنش باشد، فرآورده مورد نظر به اندازه کافی تولید نمی‌شود و به ویژه در موارد تشخیصی نتایج منفی کاذب را به وجود می‌آورد (فرسون و همکاران، 2000 ).
2-9-5 آغازگرهادر طی واکنش PCR، آغازگرها به دو طرف توالی هدف اتصال یافته و امکان آغاز فعالیت پلیمرازی آنزیم DNA پلیمراز را فراهم می‌آورند. مهم‌ترین ویژگی آغازگر، توالی صحیح آن برای مکان مورد تکثیر می‌باشد. با در اختیار داشتن توالی هدف امکان تعیین توالی آغازگرها به وجود می‌آید. طول آغازگر نیز مهم است و طول مناسب از اتصال آغازگر به مناطق غیر هدف می‌کاهد. طویل بودن پرایمر (پرایمرهای با بیش از 30 جفت باز) امکان اتصال آن‌ها به خود و به یکدیگر را تشدید می‌کند و زمان اتصال را نیز افزایش می‌دهد. در طراحی آغازگرها نکات متعددی مانند طول آغازگر، ترکیب نوکلئوتیدی (محتوای GC)، دمای ذوب (Tm) و غیره را باید در نظر داشت (فرسون و همکاران، 2000 ). برای طراحی آغازگرها نرم افزارهای متعددی وجود دارد که می‌توان به DNA MAN، DNASIS و Oligo tech اشاره نمود.
2-10 چند شکلی فضایی رشته‌های منفردSSCP) )این روش در سال 1989 ابداع شد. در الکتروفورز SSCP، ابتدا از یک ماده واسرشته ساز مانند اوره استفاده می‌شود تا DNA ی دو رشته به DNA ی تک رشته‌ای تبدیل شود. به هنگام راندن DNA ی تک رشته‌ای روی ژل اثرات متقابل درون مولکولی روی می‌دهد. به عبارت دیگر بین بخش‌هایی از این DNA پیوند ایجاد می‌شود و ساختمان ثانویه‌ای تشکیل می‌دهد. بنابراین حرکت مولکول‌های DNA در این حالت به جای اینکه تابع اندازه مولکول باشد به ساختمان ثانویه DNA ی تک رشته‌ای بستگی دارد. در طی الکتروفورز، این ساختمان‌ها که به توالی رشته مورد نظر بستگی دارد به وسیله برودت حفظ می‌شود. اگر در این توالی جهشی رخ داده باشد، نوع پیوندهایی که تشکیل می‌شوند متفاوت بوده و باند مربوطه روی ژل نیز متفاوت خواهد بود. در صورتی که چند شکلی در قسمت ابتدائی محصول PCR باشد، تشخیص آن از طریق SSCP آسان‌تر است. عواملی مثل دمای ژل (نباید بالا باشد)، درصد ژل اکریل آمید (5 تا 6 درصد مناسب است) و اندازه قطعه DNA مورد بررسی (معمولا بین 100 تا 250 جفت باز و ایده آل 155 جفت باز) در موفقیت SSCP نقش دارد (رضوانی، 1997).
2-11 مروری بر برخی پژوهش‌های انجام شده:طبق مطالعات انجام شده مشخص شد که ساختار ژن هورمون رشد در بین ماهیان استخوانی یکسان نیست. به طور مثال، در کپور ماهیان همانند پستانداران، این ژن دارای پنج اگزون و چهار اینترون است اما در دیگر ماهیان متفاوت بوده و دارای یک اگزون اضافی است (اهکوبو و همکاران، 1996). جهش‌های موجود در نواحی مختلف ژن‌ها همواره مورد توجه بسیاری از متخصصان علم اصلاح نژاد بوده است. ارتباط چند شکلی این ژن‌ها با خصوصات فنوتیپی برای مثال رشد به طور وسیعی در دیگر حیوانات مورد بررسی قرار گرفته و مطالعاتی محدود نیز در مورد ماهی انجام شده است (گروس و نیلسون، 1999).
طبق پژوهش‌های گروس و نیلسون (1999) تنوع ژن GH-1 در ماهی قزل آلای رنگین کمان مورد بررسی قرار گرفت. تعداد نمونه‌های مورد بررسی در این پژوهش 579 ماهی از 22 جمعیت مختلف بود که از شمال اروپا تهیه و به روش PCR-RFLP و با استفاده از 10 نوع آنزیم تنوع این ژن مورد مطالعه قرار گرفت که سه نوع هاپلوتیپ مختلف در جمعیت‌های مورد مطالعه مشاهده شد.
اندازه‌های چهار اگزون در طول دوره تکامل بدون تغییر باقی مانده‌اند به جز اگزون 5 که به دو قسمت تبدیل شده است به طوری که دو نوع ساختار ژن هورمون رشد را در ماهیان استخوانی به وجود آورده است. برای مثال، خانواده کپور ماهیان دارای پنج اگزون و گونه‌های دیگر همانند آزاد ماهیان و سوف ماهیان دارای شش اگزون می‌باشند (آلمولی و همکاران، 2000). در ضمن، در ماهیان دو نوع متفاوت از ژن هورمون رشد شامل GH-1 و GH-2 برای مثال در ماهیانی نظیر آزاد اطلس نیز گزارش شده است (تائو و بولدینگ، 2003).
این ژن به صورت موفقیت آمیزی در گونه سیم دریایی (کالدوچ گینر و همکاران، 2003) و ماهی تیلاپیا (کاجیمورا و همکاران، 2004) و چندین گونه دیگر کلون شده است. ولی در خصوص چندشکلی این ژن و ارتباط آن با میزان رشد در ماهیان گزارشی مشاهده نشده است. در حیوانات دیگر پژوهش‌های زیادی به عمل آمده است که ارتباط بسیار زیاد این ژن با میزان رشد فنوتیپی را نشان می‌دهد.
پریمر و رینانن (2004) در پژوهشی تنوع ژن GH-1 در ماهی قزل آلای رنگین کمان را به روش PCR-RFLP بررسی و SNP را شناسایی کردند. از تعداد 9 جمعیت مختلف شامل 2 جمعیت از شمال آمریکا و 7 جمعیت در اروپا نمونه برداری شده بود. چند شکلی مشاهده شده در مناطق بالا دست و پایین دست ژن هورمون رشد، اینترون 3 و اینترون 4 نشان دهنده اختلاف بین جمعیت‌های آمریکای شمالی و اروپا بود.
مو و همکاران (2004) در هفت جمعیت کپور وحشی، هفت نوع الگو (A، B، C، D، E، F و G) در ناحیه اینترون 2 ژن GH-1 به روش PCR-SSCP شناسایی کردند که طول آن‌ها به ترتیب 189، 196، 204، 205، 206، 207 و bp 209 بود.
کوخر و کهلمن (2011) چندشکلی‌های ژن هورمون رشد در لای ماهی از خانواده کپور ماهیان را بررسی کردند. پژوهش‌های آن‌ها نشان داد این ماهی مانند همه کپور ماهیان دارای چهار اینترون و پنج اگزون می‌باشد و با دو روش PCR-RFLP و تعیین توالی، اختلاف موجود در ساختار ژنتیکی ژن هورمون رشد در تعداد 17 نمونه از دو جمعیت مختلف مورد بررسی قرار دادند. از 14 چندشکلی مشاهده شده از 12 جایگاه در منطقه اینترون و 2 جایگاه در منطقه اگزون، در مجموع 13 هاپلوتیپ مختلف در جمعیت‌های مورد مطالعه مشاهده شد که کل جمعیت را به دو کلاس اروپای شرقی و اروپای غربی تقسیم نمود.
نی و همکاران (2012) در یک جمعیت از ماهی کراکر زرد، نتایج PCR-SSCP دو هاپلوتیپ از اینترون 1 را به نام ژنوتیپ های AA و AB نشان دادند. در AB، یک چند شکلی تک نوکلئوتیدی (SNP) در موقعیت 196 (G→A) مشاهده شد که با وزن بدن همبستگی منفی و با طول/ ارتفاع استاندارد بدن همبستگی مثبت داشت. در جمعیت دیگر، دو ژنوتیپ مختلف CC و CD در اینترون 2 شناسایی شدند که در CD یک SNP در موقعیت 692 (T→C) مشخص شد. ژنوتیپ CD همبستگی مثبت قابل توجهی با وزن کل و طول بدن داشت.
تیان و همکاران (2014) چندشکلی ژن GH و ارتباط آن با صفات رشد را در 282 نمونه ماهی سوف چینی مورد بررسی قرار دادند. با استفاده از توالی‌یابی، چهار SNP در ژن GH شناسایی شد که دو جهش در اینترون 4، یک جهش در اگزون 5 و یک جهش در اینترون 5 رخ داده بود که سه جهش از آن‌ها ارتباط مثبت معنی داری را با رشد نشان دادند.

فصل سوممواد و روش‌ها3-1 نمونه بردارینمونه برداری از 150 قطعه ماهی سفید از کارگاه شهید رجایی و 150 قطعه ماهی کپور معمولی از کارگاه پرورش ماهی نصر ساری انجام شد. ماهی سفید از دوره هچری به سالن تکثیر منتقل و تا 3 ماهگی نگهداری شدند. سپس از آن‌ها نمونه گیری شد و تمامی آن‌ها در سن 3 ماهگی بودند ولی در ماهی کپور 84 قطعه از آن‌ها در سن 4 ماهگی، 54 قطعه در سن 12 ماهگی، 5 قطعه ماهی در سن 24 ماهگی و 7 قطعه ماهی در سن 6 ماهگی بودند. نمونه گیری به میزان 3-2 گرم از بافت باله دمی ماهی سفید و کپور معمولی انجام شد. نمونه‌های باله دمی در الکل 96 درصد فیکس شده و سپس تا زمان استخراج DNA در دمای 20- درجه سانتیگراد قرار داده شدند. نمونه‌های جمع آوری شده به آزمایشگاه ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی دام دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری منتقل شده و DNA ژنومی استخراج گردید.
3-2 بررسی فاکتور وضعیتیکی از شاخص‌های رشد فاکتور وضعیت است که ضریب چاقی نیز نامیده می‌شود. برای به دست آوردن آن طول کل که فاصله پوزه تا انتهای باله دمی است؛ بر حسب سانتی متر اندازه گیری شد. وزن ماهی نیز به وسیله ترازو دیجیتالی بر حسب گرم اندازه گیری شد. فاکتور وضعیت یا ضریب چاقی برابر است با:
CF= W/L3 *100
W: وزن و L: طول بدن می‌باشد.
3-3 استخراج DNA به روش نمکی بهینه یافتهاستخراج DNA به روش نمکی بهینه یافته (میلر و همکاران، 1988) انجام شد. قبل از شروع استخراج تمام بافرها تهیه و مواد و وسایل مورد نیاز برای استخراج آماده و جهت ضدعفونی اتوکلاو شد.
3-3-1 طرز تهیه بافرهای استخراج DNA برای تهیه بافر STE 7/0 گرم تریس، 2/0 گرم نمک 07/0 مولار را با cc50 آب مقطر حل کرده، سپس 100 میکرولیتر محلول EDTA 5/0 مولار به آن اضافه می‌شود. برای تهیه EDTA 5/0 مولار، 3/9 گرم پودر EDTA را با cc50 آب مقطر حل کرده و pH آن به 8 می‌رسد، برای تنظیم pH از دستگاه pH متر، برای کاهش pH از HCl و برای افزایش pH از NaoH استفاده می‌شود. برای تهیه SDS و استات آمونیوم 10% بایستی به نسبت 1 به 10 پودر آن با آب مقطر حل شود. برای تهیه استات سدیم 3 مولار، بایستی 3/12 گرم پودر آن با cc 50 آب حل شود.
سی میلی گرم از باله را جدا کرده و در محیط بیرون قرار داده تا الکل آن تبخیر شود، سپس آن را خرد نموده و در تیوپ‌های 5/1 میلی لیتری ریخته و به آن 500 میکرولیتر بافر STE برای انفجار سلولی، 50 میکرولیتر بافر SDS 10% برای هضم چربی‌های موجود در بافت و 6-5 میکرولیتر پروتئیناز K برای هضم پروتئین‌ها اضافه شد. سپس نمونه‌ها را به خوبی ورتکس کرده و به مدت یک ساعت روی دستگاه شیکر با سرعت 90 قرار داده تا این مواد به طور کامل با هم مخلوط گردد و در نهایت به مدت 16 ساعت در بن ماری با دمای 58 درجه سانتی گراد گذاشته تا بافرها بهتر عمل کرده و عمل لیز شدن و هضم آنزیمی به خوبی انجام شود. پس از بیرون آوردن آن‌ها از بن ماری 160 میکرولیتر استات آمونیوم 10% به نمونه‌ها اضافه نموده و به مدت یک ساعت روی شیکر با سرعت 90 قرار داده شد تا خوب مخلوط شود و بعد به مدت 10 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ شد. پس از پایان سانتریفیوژ دو فاز درون تیوپ تشکیل می‌شود، فاز زیرین حاوی بافت خرد شده باله و چربی و پروتئین بافت است و فاز بالایی حاوی DNA می‌باشد. به آرامی فاز بالایی را جدا کرده و درون تیوپ‌های جدید ریخته شد. به مایع درون تیوپ‌های جدید 600 میکرولیتر الکل ایزوپروپانول یا الکل مطلق سرد و 30 میکرولیتر استات سدیم اضافه شده (در این حالت کلاف شفافی در تیوپ قابل مشاهده است که همان DNA می‌باشد). سپس نمونه‌ها به مدت 40-30 دقیقه در یخچال C°20- نگهداری شده، بعد به مدت چند دقیقه از یخچال بیرون آورده تا یخ آن آب شود. نمونه‌ها را به مدت 15 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ کرده، سپس محلول را دور ریخته و تیوپ حاوی DNA را با 100 میکرولیتر الکل 70% شستشو داده و به مدت 2 دقیقه با دور 13000 سانتریفیوژ شد. مجددا محلول رویی را دور ریخته و تیوپ‌ها در دمای آزمایشگاه کاملا خشک شده و سپس 50 میکرولیتر آب مقطر یا بافر TE به تیوپ حاوی DNA اضافه نموده و در یخچال C°20- تا زمان ازمایش نگهداری شدند.
3-4 تعیین ویژگی‌های کمی و کیفی DNA استخراج شده:به منظور تعیین کیفیت و کمیت DNA استخراج شده دو روش استفاده می‌شود:
الف) ژل آگارز.
ب) دستگاه اسپکتروفتومتر.
در این پژوهش به منظور بررسی کیفیت و کمیت DNA استخراج شده از ژل آگارز استفاده شد.
3-4-1 ژل آگارز آگارز یک پلیمر خطی است و از زیر واحدهای L ,D گالاکتوز که با پیوندهای گلیکوزیدی 3→1α و 4→1β به یکدیگر پیوسته‌اند، درست شده است. برخی از آگارزها دارای اندکی ناخالصی آنیونی همچون سولفات و پیروات هستند. هر چه ناخالصی ژل کمتر باشد توان آن برای جداسازی DNA بیشتر می‌شود. اندازه روزنه‌ها در زمینه ژل به غلظت آگارز وابسته است. به گونه‌ای که در غلظت زیاد آگارز، روزنه‌ها کوچک می‌شوند. با توجه به غلظت‌های آگارز می‌توان تکه‌هایی از 5/0 تا 50 کیلو باز جدا سازی کرد. اندازه مولکول‌های DNA، غلظت آگارز، ساختار فضایی DNA، ولتاژ بکار رفته شده، نوع آگارز و توان یونی بافر الکتروفورزی که به کار گرفته می‌شود، از سازه‌های کارآمد برای جدا سازی DNA در ژل آگارز هستند (لی و همکاران، 2012).
شکل 3-1 دستگاه الکتروفورز افقی3-4-2 رنگ آمیزی ژل آگارز در این پژوهش رنگ آمیزی ژل آگارز با اتیدیوم بروماید انجام پذیرفت. اتیدیوم بروماید یک رنگ فلورسانت است که دارای یک گروه سه حلقه‌ای بوده که می‌تواند در بین بازهای DNA جای گیرد. روش کار به‌این گونه است که پرتو فرابنفش به وسیله اسید نوکلئیک گرفته شده و به اتیدیوم بروماید می‌رسد. این پرتو در طول موج 302 تا 366 نانومتر به وسیله اتیدیوم بروماید پیوسته به اسیدنوکلئیک دریافت شده و دوباره به وسیله اتیدیوم بروماید در طول موج 590 نانومتر بازتاب می‌یابد. این طول موج در گستره روشنایی سرخ نارنجی پرتویی آشکار می‌باشد که می‌توان آن را دید. برای انجام این کار مقدار 3 میکرو لیتر دیانای و 2 میکرولیتر بافر بارگذاری را روی کاغذ پارافیلم با هم مخلوط کرده و داخل چاهک ژل آگارز قرار داده شد. بعد از بار گذاری تانک الکتروفورز را به یک منبع الکتریکی وصل کرده و ولتاژ دستگاه را روی 85 ولت تنظیم شد. نمونه‌ها به مدت 60 تا 90 دقیقه درون ژل آگارز موجود در تانک در حرکت بودند. سپس ژل را از داخل تانک الکتروفورز برداشته و به مدت 5 دقیقه در محلول اتیدیوم بروماید قرار داده و جهت مشاهده باندها و تعیین کیفیت دیانای، از دستگاه ژل داک استفاده شد. اجزای تشکیل دهنده بافر بارگذاری در جدول 3-1 نشان داده شد (لی و همکاران، 2012).
جدول 3-1 اجزای تشکیل دهنده بافر بارگذاریمواد استفاده شده مقدار مواد (میکرولیتر)
گلیسرول
برموفنول آبی (10 درصد)
فرمامید
EDTA(5/0 مولار) 190
10
800

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

2
3-5 تعیین غلظت DNA استخراج شده با استفاده از اسپکتوفتومتربرای بررسی غلظت DNA استخراج شده از دستگاه اسپکتوفتومتر استفاده شد. برای این منظور ابتدا میزان رقت DNA مشخص شد (مثلاً 100 برابر یا بیشتر). دستگاه برای دو طول موج 260 و 280 نانومتر تنظیم و به تعداد نمونه لوله استریل در آماده شد. با توجه به حجم کووت دستگاه و میزان رقت در لوله‌ها از بافر TE یا آب مقطر استفاده و DNA مورد نیاز به لوله‌ها اضافه شد (با توجه به ضریب رقت). ابتدا دستگاه با بافر TE یا آب مقطر کالیبره شد. لوله حاوی DNA رقیق شده چند بار وارونه شد. کووت دستگاه که برای بررسی غلظت DNA از آن استفاده می‌شود با بافر TE یا آب مقطر شسته می‌شود. DNA رقیق شده موجود در لوله را در کووت دستگاه قرار داده و OD های 260 و 280 نانومتر به اضافه نسبت دو طول موج یاداشت شد (OD260 مربوط به جذب DNA و OD280 مربوط به جذب پروتئین می‌باشد). اگر این نسبت کمتر از 8/1 باشد نشان دهنده آلودگی با پروتئین و یا دیگر ناخالصی‌ها می‌باشد و اگر این نسبت بیشتر از 2 باشد نشان دهنده آلودگی DNA با RNA است. برای به‌دست آوردن غلظت DNA مورد نظر از فرمول زیر استفاده شد.
ضریب رقت
*عدد بدست آمده غلظت DNA استخراج شده بر حسب نانو گرم بر میکرو لیتر می‌باشد که بسته به مقدار نیاز در واکنش PCR از آن استفاده می‌شود.
3-6 واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)3-6-1 پروتکل و مواد استفاده شده در PCR
مواد مورد نیاز برای انجام واکنش زنجیره‌ای پلی مراز برای نشانگر استفاده شده در این تحقیق در جدول 3-2 نشان داده شد:
جدول 3-2 مواد استفاده شده در واکنش زنجیره‌ای پلیمرازمواد غلظت مواد مقدار در حجم 20 میکرولیتر
دیانای الگو
آغازگر (*F)
آغازگر (**R)
مستر میکس***
آب مقطر 120 نانوگرم
20 پیکومول
20 پیکومول
-
- 5/1
1
1
10
5/6
*Forward **Backward ***Master Mix
3-6-2 مراحل PCRقبل از انجام پی سی آر، آغازگرها با توجه به دستور العمل شرکت سازنده آن‌ها با میزان آب مقطر مشخص شده بر حسب میکرولیتر رقیق شدند تا غلظت آن‌ها به 100 پیکومول برسد. سپس به مدت 24 ساعت در شرایط یخچال نگهداری شدند تا کاملا حل شوند. سپس تیوب‌های مورد استفاده بعد از استریل کردن، شماره خورده و به منظور جلوگیری از پاک شدن شماره‌ها برچسب نصب شدند. تمام اجزای واکنش (به غیر از DNA که در تیوپ‌های جداگانه ریخته شدند) با توجه به تعداد نمونه‌های استفاده شده برای پی سی آر به صورت مخلوط در تیوب جدا گانه ریخته شدند. لازم به ذکر است که در تهیه مخلوط اصلی واکنش، با توجه به تعداد نمونه‌های استفاده شده در پی سی آر یک ضریب خطا در نظر گرفته شد. بعد از تهیه مخلوط اصلی، مقدار 5/18 میکرولیتر از آن، به هر یک از تیوپ‌های حاوی 5/1 میکرو لیتر DNA افزوده شده تا حجم کل مخلوط واکنش در هر تیوب به 20 میکرو لیتر برسد. به منظور مخلوط شدن اجزای تشکیل دهنده واکنش، تیوب‌ها به مدت 15 ثانیه و با سرعت 3000 دور در دقیقه سانتریفوژ شدند. بعد از سانتریفوژ تیوپ‌ها برای انجام پی سی آر در دستگاه ترموسایکلر قرار داده شدند.

شکل 3-2 دستگاه ترموسایکلر3-6-3 تنظیم سیکل‌های حرارتی PCR
همانند سازی و تکثیر توالی مورد نظر در پی سی آر در طی سه مرحله انجام می‌پذیرد:3-6-3-1 واسرشته سازی قطعه الگو
پیوندهای هیدروژنی که در واقع اتصال دهنده دو رشته DNA هستند در دمای 95-93 درجه سانتی‌گراد تخریب می‌شوند بنابراین در این حرارت دو رشته DNA الگو از هم جدا می‌شوند. پس از تک رشته‌ای شدن DNA الگو، آغازگر و سایر مواد شرکت کننده در واکنش، فعالیت خود را آغاز می‌کنند.
3-6-3-2 اتصال آغازگرها: در این مرحله آغازگرها به رشته DNA الگو می‌چسبند. دمای اتصال با توجه به دمای ذوب آغازگرها تنظیم می‌شود که معمولا بین 50 تا 65 درجه سانتی گراد می‌باشد. آغازگرهای مورد استفاده در این پژوهش برای ژن هورمون رشد در بر گیرنده قسمتی از اگزون 4 و اینترون 4 و اگزون 5 به طور کامل هستند (گروس و همکاران،1996).
جدول 3-3 توالی آغازگر اختصاصی برای جایگاه GHمنبع نام جایگاه توالی نوع پرایمر
گروس و همکاران
،1996 GH 5'-GGAAGCTTAACCCCAACCAGCTCACTGAGAA-3' رفت
5'-CTACAGGGTGCAGTTGGAATCCAG-3' برگشت
3-6-3-3 بسط (طویل سازی) آغازگرها:
بهترین دما برای بسط آغازگرها دمای 72 درجه سانتی گراد می‌باشد. بسط آغازگرها با حضور آنزیم دیانای پلیمراز مقاوم به حرارت انجام می‌شود. در PCR تعداد چرخه‌ها بین 28 تا 40 چرخه انتخاب می‌شوند. دماها و زمان‌های استفاده شده و تعداد سیکل‌های پی سی آر برای هر نشانگر در جدول 3-4 آورده شده است.جدول 3-4 دماهای استفاده شده در سیکل‌های PCR (درجه سانتی‌گراد)نام نشانگر واسرشته (C˚)) اتصال آغازگر (C˚( بسط آغازین (C˚( بسط نهایی (C˚(
GH-2 سفید
GH-1 کپور 95
95 61
65.4 72
72 72
72
با توجه به جدول فوق هر یک از نشانگرها دارای دمای اتصال مخصوص به خود می‌باشند که علت آن وجود دماهای ذوب متفاوت برای آغازگرهاست.

–337

1) نوع و اندازه یون قالب شده
2) نوع لیگاند
3) مقدار حلال پلیمریزاسیون و اندازه مولکولهای آن
4) تعداد گروههای عاملی اطراف یون فلزی
5) درجه پیوند عرضی اطراف یون فلزی.
1-6- مزایای پلیمرهای قالبی نسبت به جاذبهای متداول استخراج فاز جامداهمیت و کاربرد گسترده پلیمرهای قالب مولکولی و یونی به دلیل مزایایی است که این نوع جاذب ها نسبت به جاذبهای دیگر دارند از جمله این مزایا میتوان به موارد زیر اشاره کرد[21]:
گزینش پذیری بالا
درجه تخلخل بالا
تشکیل و شکست سریع پیوندها
هزینه پایین
پایداری مکانیکی بالا
مقاومت در مقابل گرما و فشار
قابل استفاده بودن در محیطهای شیمیایی سخت و خشن (به شدت اسیدی یا بازی
غیر مخرب بودن
1-7- انواع روشهای تولید پلیمرهای قالبیپلیمرها مولکولهای بزرگی هستند که از اتصال تعداد بسیاری مولکول بسیار کوچکتر ساخته شدهاند. مولکولهای کوچکی که مولکول پلیمر را به وجود میآورند مونومر نامیده میشود و پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است که در آن مولکولهای کوچک و ساده که اصطلاحاً تکپار نامیده میشوند، با یکدیگر پیوند برقرار کرده و مولکولی بزرگ با وزن مولکولی چندین برابر مولکول اولیه را به وجود میآورند. در یک مولکول پلیمر صدها، هزاران و دهها هزار و حتی تعداد زیادتری از مولکولها را میتوان یافت که به هم متصل شدهاند وزن مولکولی آنها ممکن است به میلیون ها برسد. برای بدست آوردن یک پلیمر با میل ترکیبی و گزینش پذیری بالا نسبت به گونه هدف انتخاب اجزای پلیمر و درصد ترکیب آنها از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. مهمترین اجزای پلیمرهای قالب عبارتند از:
1-7-1- مولکول الگومولکول الگو در تمامی فرآیندهای قالب‎زنی مولکولی اهمیت اساس در جهتدهی آرایش یابی گروههای عاملی که به مونومرهای عاملی قفل میشوند، دارد. از نقطه نظر سازگاری با روش پلیمریزاسیون رادیکالی، الگو بایستی از نظر شیمیایی در شرایط پلیمریزاسیون خنثی باشد و چناچه الگو در واکنش‎های رادیکالی شرکت کند یا به هر دلیلی در شرایط پلیمریزاسیون پایدار نباشد، باید از روش‎های آلترناتیو استفاده کرد. بررسی‎های منطقی ذیل در مورد مولکول الگو باید انجام شود: (1) آیا ملکول الگو دارای گروه پلیمرشونده است؟ (2) آیا مولکول الگو دارای گروه عاملی است که بالقوه جلوی پلیمریزاسیون را گرفته یا کند کرده؟ (3) آیا مولکول الگو در برابر دمای بالا و یا نورکافت پایدار می‎ماند؟ قالب زنی مولکولهای آلی (مثل: داروها، افتکشها، اسیدهای آمینه و پپتیدها، بازهای نوکلئوتید، استروئیدها وقندها) اکنون بهخوبی تثبیت شده وتقریباً روتین است. الگوهای فعال نوری در بسیاری موارد برای بهینه کردن به کار می‎روند. در این موارد دقت ساختار قالب (حفره با سایتهای اتصالیاش) توسط قابلیت آن برای تفکیک راسمیک که میتواند به روش ناپیوسته یا با کاربرد آن پلیمر بعنوان ساپورت کروماتوگرافی سنجیده شود.
یکی از خواص دیگر روش قالب‎زنی مولکولی آنست که میتوان برای طیف گستردهای از آنالیت‎ها بهکاربرد اما همه مولکولهای الگو را نمیتوان مستقیما برای فرآیند قالب مولکولی به کار برد. غالب از مولکول‎های آلی کوچک بهعنوان الگو استفاده می‎کنند. با وجود این، روش‎های استاندارد برای ترکیبات آلی بزرگتر نظیر پروتئین‎ها، سلول‎ها، پیشنهاد شده‎اند برای ملکول‎های بزرگتر هنوز در حال تلاش‎اند. دلیل اصلی آن است که مولکول‎های بزرگتر کمتر صلب بوده و بنابرین ایجاد حفره‎های پیوندی به خوبی طراحی شده در فرایند قالب گیری را تسهیل نمی‎کنند. علاوه بر این، ساختار ثانوی و سومی بیومولکول‎های بزرگ نظیر پروتئینها وقتی که در معرض حرارت و نور شکافت حین سنتز پلیمر قالب مولکولی قرارمی‎گیرند، متـأثر میشوند. باز پیوند نیز مشکل است زیرا مولکول‎های بزرگ نظیر پپتیدها وپروتئینها براحتی برای اشغال مجدد حفره‎های گیرنده داخل شبکه پلیمری نمی‎شوند.
1-7-2- مونومر عاملیانتخاب دقیق مونومر عاملی یک اولویت مهم برای ایجاد برهمکنش‎های مکمل با مولکول الگو و سوبستراست. در مورد قالبزنی ملکولی بهروش غیرکووالانسی، اثرات تغییر نسبت مونومر عاملی به الگو نیازی نیست زیرا الگو تعداد مونومرهای عاملی که می‎توانند پیوند یابند را تعیین می‎کنند. بعلاوه، مونومرهای عاملی به نسبت استوکیومتری اتصال می‎یابند. در مورد قالب‎زنی غیرکووالانسی نسبت بهینه مونومر/الگو از طریق ارزیابی چند پلیمر ساخته شده با فورمولاسیون‎های مختلف با افزایش مقدار الگو بدست می‎آید[22]. دلیلی که برای آن تصور می‎شود .تشکیل کمپلکس محلول بین مونومر عاملی و الگو است که تحت کنترل اصل لوشاتلیه قرار دارد.

Methacrylic acid (MAA) (HEMA)2-Hydroxy ethyl methacrylate

Trans-4-[P-(N,N-Dimethylamino)styry]-N-vinylbenzylpyridinum chloride

N,N,N-trimethylaminoethyl methacrylate
Chloride
N, O-bismethacryloyl ethanolamine

شکل (1-7) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی خنثی

2-(Methacryloxy)ethyl phosphate (AMPSA)
Acrylic acidTFMAA
Itaconic acid

2-(Methacryloyloxy)ethyl phosphate p-Vinylbenzoic acid
شکل (1-8) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی اسیدی

4-vinylpyridine Diethylaminoethyl methacrylate

p-Aminostyrene 1-Vinylimdazole

4(5)-Vinylimdazole 2.6-Bis-acrylaamidopyridine
شکل (1-9) ساختار شیمایی تعدادی از مونومرهای عاملی بازی1-7-3- لیگاند جهت افزایش میل ترکیبی و گزینشپذیری پلیمر قالب یونی و یون هدف استفاده میشود. با توجه به یون قالب شده لیگاند مورد نظر استفاده میشود. لیگاندهای مورد استفاده در این تکنیک به دو دسته تقسیم میشوند، الف) لیگاندهای که در ساختار خود پیوند دوگانه کربن-کربن دارند و قابلیت پلیمریزه شدن دارند، ب) لیگاندهای فاقد پیوند دوگانه کربن-کربن، این لیگانده دام شیکه اتصال عرضی پلیمر گیر میافتد.
1-7-4- آغازگر بسیاری از آغازگرهای شیمیایی با خواص شیمیایی متفاوت را میتوان به عنوان منبع رادیکال‎ها در پلیمریزاسیون رادیکالی به کار برد. معمولاً به مقدار کمتری در مقایسه با مونومرها مثلاً : 1درصد وزنی یا 1درصد مولی نسبت به کل مول‎های پیوندهای دوگانه پلیمر شونده به کار برده میشود. سرعت و حالت تجزیه آغازگر به رادیکال‎ها را میتوان بهطریقی از جمله حرارت، تابش نور، وسایل الکتروشیمیایی آغاز وکنترل کرد. مثلاً، آغازگر آزوبیسایزوبوتیرونیتریل به نحو مناسبی از طریق نورکافت یا شکافت گرمایی رادیکالهای با مرکز کربن پایدار شده تولید میکند که قادر به آغاز کردن و گسترش تعداد مونومرهای وینیلی میباشد.
گاز اکسیژن پلیمریزاسیون رادیکالی آزاد را کند می‎کند، بنابراین به منظور به حداکثر رسانی انتشار مونومر بایستی باز تولید پیوسته را بهبود بخشید، حذف اکسیژن محلول بلافاصله قبل از شکل‎گیری توصیه می‎شود. حذف اکسیژن محلول با اولتراسونیک یا با عبور گاز خنثایی مانند: نیتروژن یا آرگون از محلول انجام داد.
1-7-5- مونومر اتصال دهنده عرضی به طور کلی مونومر اتصال دهنده عرضی سه وظیفه مهم برعهده دارد، اول از همه، نقش مهمی در کنترل مورفولوژی شبکه پلیمری تولید شده دارد، که نوع ذرات پلیمری (ژل، ذرات متخلخل در ابعاد ماکرو، یا پودر میکروژل) را تعیین میکند. دومین نقش آن را میتوان ایجاد پایداری برای سایتهای پیوندی قالب شده نام برد، و در آخر، نقش آن در پایداری مکانیکی شبکه پلیمری. غلظت بالای مونومر اتصال دهنده عرضی باعث شیشهای شدن پلیمر و ایجاد شبکههای متعدد و در نتیجه انتقال جرم پایین میشود و غلظت پایین آن باعث کاهش گزینشپذیری و کاهش طول عمر پلیمر قالب یونی میشود. از نقطه نظر پلیمریزاسیون جهت دستیابی به ذراتی باتخلخل دائم، همچنین تولید ذراتی با پایداری مکانیکی بالا، نسبتهای بالایی از مونومر اتصال دهنده عرضی مصرف میشود[23].
1-8- شرایط پلیمریزاسیونچندین تحقیق نشان داده است که پلیمریزاسیون پلیمرهای قالب ملکولی در دماهای پایین پلیمرهای با انتخابگری بیشتری نسبت به پلیمرهای که در دماهای بالاتر سنتز می‎شوند دارند. معمولاٌ بیشتر از دمای 60 درجه سانتی‎گراد به عنوان دمای پلیمریزاسیون استفاده می‎کنند اما آغاز واکنش پلیمریزاسیون خیلی سریع است به همین دلیل کنترل آن خیلی مشکل است که همین منجر به تکرارپذیری کمتر قالب‎زنی مولکولی می‎شود. به علاوه دماهای نسبتاٌ بالا یک اثر منفی بر روی پایداری کمپلکس دارد که تکرارپذیری فازهای ساکن یکپارچه را کاهش می‎دهد و در ستون‎های کروماتوگرافی باعث کاهش فشار زیاد ستون می‎شود، بنابراین دمای نسبتاٌ پایین با زمان طولانی‎تر واکنش انتخاب می‎شود تا پلیمریزاسیون تکرارپذیرتر بهدست آید. در جاهای که تشکیل کمپلکس توسط تشکیل پیوند هیدروژنی تشگیل می‎شود دماهای پایین‎تر ترجیح داده می‎شود و تحت این شرایط آغازگرهای فتوشیمیایی به خوبی جایگزین می‎شود، و به خوبی در دماهای پایین اجرا میشود. برای مثال مسباخ و همکارانش [24] تحقیقی را بر روی انتخابگری پلیمر قالب‎زنی انانتیومر 1-PheNHPh نشان دادند، یک پلیمر به طور حرارتی در دمای 60 درجه سانتی گراد وپلیمر دیگر در دمای صفر درجه سانتی‎گراد پلیمر شد. نتایج نشان دادند که پلیمری که در دمای پایین‎تر انجام شد نسبت به پلیمری که به طور حرارتی تهیه شده بود گزینشپذیرتر است. دلیل این امر بر اساس اصل لوشاتلیه که پیش بینی میکند که در دماهای پایین‎تر تشکیل کمپلکس قبل از پلیمریزاسیون بهتر پایدارتر است. بنابراین تعداد و احتمال و کیفیت سایتهای پیوندی را افزایش می‎دهد[25].
1-9- روشهای پلیمریزاسیونروشهای پلیمریزاسیون را بصورتهای مختلفی میتوان دسته بندی نمود. بر اساس امکان تشکیل مولکول دیگری غیر از پلیمر دو دسته هستند:
1-9-1- پلیمرهای تراکمیپلیمرهای تراکمی ترکیباتی هستند که از مونومرهای چندعاملی توسط انواع گوناگون واکنشهای تراکمی در شیمی آلی حاصل میشوند این واکنشها با حذف مولکولهای کوچکتری چون آب همراه میباشند.
1-9-2- واکنشهای پلیمریزاسیون زنجیرهایدر پلیمریزاسیونهای زنجیرهای وجود یک مرکز فعال برای شروع واکنش لازم و ضروری میباشد. به همین دلیل در این نوع واکنشها حضور شروع کننده عمدتاً ضروری است. نوع شروع کننده خصوصیات مرکز فعال را تعیین میکند. این مرکز فعال میتواند رادیکال آزاد، کاتیون، آنیون و یا مراکز یونی ویژه مانند کاتالیزورهای کوردینانسیونی باشد. براساس محیط انجام واکنش، امروزه در تکنولوژی پلیمرهای قالب مولکولی از چندین نوع روش پلیمریزاسیون استفاده میکند، که عبارتند از: پلیمریزاسیون تودهای، پلیمریزاسیون محلولی، پلیمریزاسیون تعلیقی، پلیمریزاسیون امولسیونی و پلیمریزاسیون تهنشینی.

شکل (1-10) انواع پیونددهندههای عرضی.ادامه شکل (1-10)
1-9-2-1- پلیمریزاسیون تودهایدر این روش مونومرها و آغازگر بدون حلال یا با غلظت بالا فرآیند پلیمریزاسیون را انجام میدهند. پلیمریزاسیون جرمی و یا تودهای یکی از ساده ترین فرآیندهای پلیمریزاسیون است و نیاز به مهارت خاصی ندارد و به علت عدم مصرف مواد افزودنی، ناخالصی در این گونه سیستم ها ناچیز بوده و بنابراین به دستگاههای تخلیص کننده خاص احتیاجی نیست. با توجه به موارد فوق، پلیمریزاسیون تودهای پرکاربردترین روش در سنتز پلیمرهای قالب یونی محسوب میشود، با این وجود، عملیات خرد کردن و آسیاب کردن، همچنین غربال کردن ذرات پلیمری حاصل برای به دست آوردن ذراتی بااندازه مناسب (معمولا قطری در محدوده 20 تا 100 میکرومتر) در این روش، اغلب خسته کننده و وقت گیر بوده و منجر به تولید ذراتی میشود که به لحاظ شکل و اندازه نامنظم میباشند. همچنین ممکن است تعدادی از مکانها و حفرات فعال در طول عملیات آماده سازی ذرات پلیمری تخریب شوند. همچنین در این روش، هنگام انجام پلیمریزاسیون، ویسکوزیته افزایش یافته و این امر مشکلاتی را در حمل ونقل محصول به وجود میآورد. همچنین، به دلیل این که واکنشهای زنجیرهای عموماً گرمازا هستند و افزایش ویسکوزیته از خروج گرما جلوگیری میکند، گرمای بیش از حد در برخی قسمتهای محصول ایجاد شده و سبب زغال شدن و تخریب آن میگردد. به همین دلیل، علیرغم مزایای این روش و انتخاب آن به عنوان روش برگزیده تهیه آزمایشگاهی، پلیمریزاسیون تودهای کاربرد زیادی در صنعت ندارد[26و27]. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-11) نشان داده شده است.
جدول (1-3) خلاصه پلیمرهای قالب تهیه شده به روشهای مختلفمعایب مزایا نوع پلیمیریزاسیون
روش خسته کننده است، وقت گیر بوده، ذراتی تولید می شود که به لحاظ شکل و اندازه نامنظم می باشند. روشی ساده است، نیاز به مهارت خاصی ندارد، ناخالصی ناچیز بوده. تودهای
عاری کردن محصول از ذرات بسیار ریز حلال در پایان سخت است، انتخاب حلال کاملاً بی اثر سخت است، طولانی شدن زمان انجام کامل واکنش. انتقال حرارت کم، بوجود آمدن پدیده ژل در این سیستم ها ناچیز است، کنترل دمایی با سهو لت بیشتری انجام میشود. پلیمریزاسیون محلولی
شرایط پلیمریزاسیون بدقت کنترل شود، حلال مصرفی در این روش زیاد است، زمان پلیمریزاسیون طولانی. گرمای کمتری تولید می شود، در مقیاس های صنعتی بیشتر استفاده می شود، ذرات پلیمری کروی شکل می شود. پلیمریزاسیون رسوبی
آب با بیشتر تولیدات قالبی ناسازگار است، جزءبندی فازهای سیستم سخت است، سورفکتانت ویژه پلیمریزاسیون مورد نیاز است. کروی بودن اندازه ذرات، کوچک بودن اندازه ذرات، فاز پیوسته عموماً آب است.
پلیمریزاسیون امولسیونی
همزدن مکانیکی و حضور عوامل معلق کننده برای معلق نگاه داشتن مونومر ضروری می باشد، اندازه و میزان تخلخل ذرات پلیمری با تغییر شرایط پلیمریزاسیون قابل تنظیم میباشد، تولید ذرات کروی شکل به حالت انبوه و متراکم، روشی مؤثر است زیرا تعداد زیادی از قطرات ریز با این روش پلیمریزه میشوند. پلیمریزاسیون تعلیقی
center46200
شکل (1-11) پلیمریزاسیون تودهای [27]شکل (1-12) پلیمریزاسیون تعلیقی[27]1-9-2-2- روش پلیمریزاسیون محلولیبرای رفع مشکلات موجود در پلیمریزاسیون تودهای ، از روش پلیمریزاسیون محلولی استفاده میشود. در این روش، مونومر و پلیمر هر دو در یک حلال، محلول بوده و به علت وجود محیط حلالی، ویسکوزیته مخلوط نسبت به پلیمریزاسیون تودهای کمتر است که در نتیجه نه تنها اختلاط بهتر انجام گرفته و کارآیی شروع کننده افزایش مییابد، بلکه مسائلی مانند انتقال حرارت کم و بوجود آمدن پدیده ژل در این سیستم ها ناچیز است. به همین دلیل میتوان در این گونه سیستم ها به مقادیر تبدیل بالاتری رسید.به عبارت دیگر، از روشهای غلبه بر مشکلات موجود در پلیمریزاسیون تودهای ، حل کردن مونومر در یک حلال مناسب است. از آنجا که در این روش، در مقایسه با پلیمریزاسیون تودهای ، کنترل دمایی با سهولت بیشتری انجام میشود، مشکلات مربوط به گرمازا بودن واکنش، رفع خواهد شد. به عبارت دیگر در این روش به دلیل این که مونومر با یک مایع بیاثر رقیق میشود، کنترل دمای واکنش بسیار آسانتر خواهد شد. گرمای حاصل از واکنش را میتوان با بازگرداندن و یا رفلاکس حلال، از محیط واکشن خارج نمود. البته، معایبی نیز برای پلیمریزاسیون محلولی وجود دارد. عاری کردن محصول از ذرات بسیار ریز حلال در خاتمه عمل، با مشکل همراه است. انتخاب حلال کاملا بیاثر، به آسانی امکانپذیر نیست، بدین معنا که همواره انتقال زنجیر به حلال و محدود شدن وزن مولکولی محصول وجود خواهد داشت. این نکته، دارای اهمیت زیادی بوده و دلیل کاربرد کم روش محلولی در تولید پلیمرهای مهم اقتصادی است. همچنین دمای پلیمریزاسیون به نقطه جوش حلال محدود میشود و در بسیاری از موارد این مسئله منجر به طولانی شدن زمان انجام کامل واکنش میگردد. به عبارت دیگر دمای واکنش از نقطه جوش حلال به کار رفته بالاتر نخواهد رفت و این امر سرعت واکنش را محدود میکند[27و28].
1-9-2-3- پلیمریزاسیون تعلیقی (سوسپانسیونی)
در حقیقت این روش نیز برای جبران نقایص پلیمریزاسیون تودهای به کار میرود. این روش، بسیار شبیه به پلیمریزاسیون محلولی است، با این تفاوت که مونومر به جای حل شدن در یک مایع بیاثر (مانند آب) با استفاده از یک حلال پخش کننده به صورت معلق در آن در میآید. انتقال حرارت و کاهش ویسکوزیته مانند پلیمریزاسیون محلولی است، همچنین همزدن مکانیکی و حضور عوامل معلق کننده برای معلق نگاه داشتن مونومر، ضروری میباشد. این روش، روشی مؤثر است زیرا تعداد زیادی از قطرات ریز با این روش پلیمریزه میشوند. روش فوق منجر به تولید ذرات کروی شکل به حالت انبوه و متراکم میشود، و در صورتی که سیستم به اندازه کافی رقیق باشد، ذرات کره مانند متحدالشکل ریزی تولید میشوند (در محدوده 5 تا 50 میکرومتر). در این روش پلیمریزاسیون، اندازه و میزان تخلخل ذرات پلیمری با تغییر شرایط پلیمریزاسیون قابل تنظیم میباشد[27]. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-12) نشان داده شده است.
1-9-2-4- روش پلیمریزاسیون امولسیونیدر یک پلیمریزاسیون امولسیونی، مونومرها به صورت ذرات بسیار ریز (فاز ناپیوسته) در یک فاز پیوسته سیال، توسط عوامل پایدارکننده سطحی (به صورت معلق) از طریق واکنش رادیکال آزاد پلیمریزه میشوند. فاز پیوسته عموما آب بوده و ذرات معلق کلوئیدی در اندازهای بسیار کمتر از یک میکرون میباشند. کروی و کوچک بودن اندازه ذرات، یکی از مزایای عمده این نوع پلیمریزاسیون است. در این سیستم نیز از آب به عنوان حامل استفاده میشود. در اینجا نیز برخی عوامل معلق ساز به نام سورفکتانت به سیستم افزوده میشود. معلق سازها در واقع مایسلهایی ایجاد میکند و به این ترتیب قسمت عمدهای از مونومر را که به صورت قطرههای کوچک پراکنده میشوند انحلالپذیر میکند. رادیکالهای شروع کننده که در آب حل میشوند به درون مایسلهایی که مملو از مونومر هستند، نفوذ میکنند و پلیمریزاسیون شروع میشود. مایسلها مانند مکانهایی که در آنها مونومر به پلیمر تبدیل میشود عمل میکنند[28].
شکل (1-13) پلیمریزاسیون تهنشینی[27]1-9-2-5- پلیمریزاسیون تهنشینی (رسوبی)این روش از جمله روشهای پلیمریزاسیون هست که باعث بدست آمدن ذرات پلیمری کروی شکل میشود. دراین روش پلیمریزاسیون هنگامی که پلیمر تشکیل شده به لحاظ اندازه یا وزن به یک حد مشخص میرسد، شروع به ته نشینی میکند و اغلب اندازه ذرات بیشتراز 10 میکرو متر نمیشود. در این روش برای بدست آوردن محصول با کیفیت بالا باید شرایط پلیمریزاسیون به دقت کنترل شود. پلیمریزاسیون تهنشینی، تقریباً مشابه روش پلیمریزاسیون تودهای میباشد با این تفاوت که حجم حلال مصرفی در این روش بسیار بیشتر میباشد (در حدود 2 تا 10 برابر). در نتیجه استفاده از حجمهای بیشتر حلال، شانس تماس بین گونه هدف و مونومر عاملی نیز کمتر میشود که منجر به زمان پلیمریزاسیون طولانیتر این روش در مقایسه با روش تودهای میشود. همچنین از آنجایی که فاصله بین گونه هدف و مونومر عاملی در این روش نسبتا زیاد میباشد و در نتیجه گرمای کمتری نیز در این روش سنتزی در مقایسه با سایر روشها تولید میشود که باعث کاربرد بیشتر این روش درمقیاسهای صنعتی میشود. در این روش عموماً ذراتی در ابعاد3/0 تا 10 میکرومتر تولید میشوند[26]. از جمله معایب این روش میتوان به زمان بر بودن آن، همچنین نیاز به شرایط ویژه برای آن اشاره کرد. نمونهای از پلیمر تهیه شده با این روش در شکل (1-13) نشان داده شده است.
1-10- اهمیت و کاربردهای پلیمرهای قالبیدر تحقیقات انجام شده در زمینه پلیمرهای قالبی، جدای از اهمیت گونه الگوی به کار رفته (داروها، سموم، ترکیبات آلی، کاتیون ها و...) توسعه دانش فنی ساخت پلیمرهای قالب مولکولی یا یونی بسیار حائز اهمیت است. این پلیمرهای هوشمند، پلیمرهای سنتزی با گزینشپذیری بالا برای مولکول الگو هستند. با توجه به مزایایی نظیر گزینشپذیری، آزادی عمل برای طراحی مولکولی، پایداری مکانیکی و شیمیایی، سادگی و ارزان قیمت بودن، تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته، که منجر به کاربردهای متعدد این روش شده است. از طرفی، بسیاری از مفاهیم مربوط به این علم نیز ازجمله نوع برهمکنشها، ویژگی نانوحفرهها و ... با انتخاب مولکولهای الگوی متفاوت به دست آمده است. در گذشته برای سنتز ترکیباتی که برهمکنش مناسبی با گونه مورد نظر داشته باشند یا حفره مشابهی با گونه مورد نظر داشته و از آنها بتوان برای اندازه گیری یا جداسازی این گونهها استفاده کرد، طی مدتهای طولانی با روشهای پیچیده، پرهزینه و چند مرحلهای این مواد تهیه میشدند. در صورتی که با دستیابی به دانش فنی ساخت پلیمرهای قالب مولکولی برای بسیاری از مواد میتوان به راحتی، با هزینه پایین و در زمان کمتر، این آنتی بادیهای مصنوعی را ساخت. امتیاز دیگر این روش، گزینش پذیری بالای آن است که نسبت به روش های دیگر بسیار بیشتر است. اهمیت دیگر پلیمرهای قالب مولکولی در روش های جداسازی و اندازهگیری داروها، سادگی این روشها و امکان اتوماسیون روشهاست. از آنجا که پلیمرهای قالب مولکولی یا یونی ، توانایی جذب کاملا گزینشی گونه هدف را دارند، امکان جداسازی گزینشی گونه هدف در ماتریسهای پیچیده به طور مستقیم وجود دارد. این روش نسبت به روشهای دیگر مبتنی بر روش استخراج مایع -مایع حد تشخیص را 100 تا 1000 برابر پایین میآورد. در ادامه به بعضی از کاربردهای این نوع پلیمرها اشاره میشود.
1-10-1- جداسازیکاربرد پلیمرهای قالب مولکول به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی، بیشترین کار پژوهشی روی آن صورت گرفته است. قالب زنی یک راه ساده و مستقیمی را برای جداسازی انتخابی مواد فراهم می‎کند. لیست مولکول‎هایی را که مورد آزمون قرارگرفته‎اند شامل بیوملکول‎های نظیر آمینواسید‎ها[9و29] پپتیدهای کوچک[30[، پروتئینها[31]، کربوهیدراتها[32] و تعدادی از مولکولهای دارویی کوچک میباشند. در زمینه جداسازی، مسئله تفکیک انانتیومرها با استفاده از پلیمرهای قالب در مرکز توجه بسیاری از پژوهش‎ها بوده است. شماری از فازهای ساکن کایرال تجاری وجود دارند که برای جداسازی انانتیومرها استفاده می‎شوند. فازهای ساکن کایرال قالبی یک نظم وترتیب شویش قابل پیش بینی دارند که فازهای ساکن کایرال تجاری موجود فاقد آنند. اولین نمونه استفاده از پلیمرهای قالب ملکول به عنوان فاز ساکن کایرال قالب زنی توسط مسباخ وهمکارانش[24] گزارش شد. در این گزارش مسباخ جداسازی انانتیومری مستقیم β- گیرنده (-)-تیمولول (شکل(1-3)) را با استفاده از یک فاز ساکن کایرال تهیه شده به روش قالب زنی مولکولی انجام داد.

شکل (1-14) ساختار گیرنده بتا- آدرنرجیک تیمول، اتنول و پروپانول[24]
شکل (1-15) تصویر میکرووسکوپ الکترونی غشای نفوذپذیر یون اورانیل]33[با وجودی که عمده پژوهش های جداسازی بر روی تهیه فاز های ساکن برای HPLC متمرکز شده است[25]، پلیمرهای قالب ملکول نیز برای تکنیک‎های تجزیه‎ای دیگری مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی از کاربردهای مهم پلیمرهای قالب ملکول در استخراج فاز جامد است. انتخابگری ار پیش تعیین شده پلیمر‎‎‎‎‎های قالبی و داشتن انتخابگری بالای جاذب‎ها می‎تواند این سیستمها را بسیار کارا سازد. مواد استخراج فاز جامد قالب مولکولی توانایی خود را برا بهبود حساسیت برای آنالیز نمونه‎های زیست محیطی مقادیر بسیارکم از طریق استخراج حجم‎های بزرگ نمونه نشان داده است. الکتروفورز کاپیلاری با استفاده از فاز ساکن قالب مولکولی و رانش فاز متحرک الکترواسمزی نیز بررسی شده‎اند[34]. این روش پتانسیل را دارد که عملکرد بهتری نسبت به HPLC داشته باشد و نیز مزیت به حداقل رسانی مصرف مواد شیمیایی به ویژه مولکول الگو را دارد. استفاده از غشاهای پلیمر قالب مولکولی برای انتقال مولکول‎ها زمینه تحقیقات وسیعی است. جداسازی برپایه غشاها بالقوه دارای کارایی بیشتر نسبت به تکنیکهای جداسازی رقیب است. کاربرد‎های بالقوه آن در صنایع جداسازی گازها، پتروشیمی و دارویی وجود دارد.
1-10-2- ساخت غشاءاستفاده از تکنولوژی پلیمر قالب مولکولی و یونی در ساخت غشاهای مختلف ازدیگر کاربردهای جدید آنها میباشد. غشاهای ساخته شده با این روش تمایل به جذب بالاتر و انتخابگری بالاتر در نفوذ مولکولها و یونهای هدف نشان میدهند. اولین غشاء با استفاده از پلیمر قالب یونی در سال 2001 به وسیله کیماروو همکارانش جهت جداسازی یون اورانیل از طریق پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد[34]. شکل (1-15) تصویر میکرووسکوپ الکترونی غشای نفوذپذیر یون اورانیل را به خوبی نشان میدهد.
1-10-3- ساخت حسگر یا الکترودساخت حسگرهای شیمیایی، الکتروشیمیایی و زیستی از جمله کاربردهای جدید پلیمرهای قالب مولکولی و یونی در تشخیصهای پزشکی، تجزیه نمونههای محیطی و غذایی و کنترل آلودگی میباشد. براساس نوع مبدل، حسگرها براساس خواص الکتروشیمیایی یا خواص طیف سنجی هستند. پلیمرهای قالبی با گستره وسیعی از انتقال دهندههای علائم پتانسیومتری و آمپرومتری ترکیب شدهاند. اولین الکترود یون گزین بر اساس تکنولوژی پلیمر قالب یونی و خواص الکتروشیمیایی جهت تشخیص یونهای کلسیم و منیزیم در سال1991به وسیله روساتزین و همکارانش ساخته شد که با روش پتانسیومتری این یونهای کلسیم و منیزیم با فاکتور گزینشپذیری به ترتیب 6 و7/1 تشخیص داده شدند[35] و اولین حسگر بر اساس تکنولوژی پلیمر قالب یونی و مبدل طیف سنجی (فلئورسانس) نیز در سال1997 به وسیله موری و همکارانش برای یون سرب ساخته شد[36].
بازنگری جدیدی، حسگرهای الکتروشیمیایی مبتنی بر پلیمرهای دارای قالب مولکولی را تحت پوشش قرار میدهد. بدین صورت که در طراحی این حسگرها درصدی از پلیمرهای قالب مولکولی به عنوان اصلاحگر اضافه میشود. حالا از این حسگر در محلول حاوی آنالیت مورد نظر که در ساخت پلیمر از آن استفاده شده و این پلیمر قابلیت جذب آن را دارد به عنوان الکترود شناساگر استفاده میشود. بر این اساس، شاهد کاربرد روزافزون این مواد پلیمری در حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت سنجی) و همچنین حسگرهای نوری میباشیم.
پلیمرهای قالب ملکول به عنوان عناصر تشخیص در ابزارهای حسگرهای شیمیایی استفاده می‎شوند. حسگرهای زیستی از عنصر تشخیصی مثل یک آنتیبادی یا آنزیم به همراه یک مبدل استفاده می‎برند. یک سیگنال شیمیایی حاصله از پیوند آنالیت به گیرنده که بعداً به یک سیگنال الکتریکی یا نوری تبدیل میشود را بتواند رصد شود. در بسیاری موارد، توسعه اجزاء تشخیص دهنده فراتر از روشهای تبدیل سیگنال نظیر نوری، مقاومتی، موج اکوستیک سطحی یا اندازه‎گیری ظرفیت الکتریکی قرار می‎گیرد. پتانسیل قابل توجهی برای ابزارهای حسگر شیمیایی چنانچه اجزاء تشخیص دهنده موجود باشند.
مزیت‎های بالقوه‎ای که با استفاده از پلیمرهای قالب ملکولی به عنوان عنصرتشخیص دهنده به جای گیرنده‎های بیولوژیکی حاصل می‎شود. از آنجاییکه پلیمرهای قالب ملکولی گیرنده‎هایی مصنوعی‎اند، ذخیره‎ای مجازی از آنالیت‎ها دارند. بعلاوه، پلیمرهای قالب ملکولی در مقابل شرایط نامساعد پایدارند که قابل قیاس با حسگر های برپایه بیولوژیکی نیست . مضافا، قابلیت آنها برای بکارگیری عنصر سیگنال دهنده، نظیر میله فلوئورسانس، که درمجاورت سایت پیوندی می‎توان در سنسور استفاده کرد. ممکن است سنسورهایی با آرایهای از پلیمرهای قالبی برای تعدادی از آنالیت‎ها جهت ساخت یک سنسور تکی که قادر به شناسایی مواد متعدد باشد، به کار برد. استفاده از اسپکتروسکپی لومینسانس ترکیب شده با فایبر اپتیک سیستم‎هایی برای کاربرد حسگرها مهیا میکند. استفاده از پلیمر قالب‎زنی مولکولی در ترکیب با این سیستم می‎تواند انتخابگری شیمیایی را به این نوع حسگرها اضافه کند. این تکنولوژی برای تشخیص انواع زیادی از ترکیبات شامل عوامل عصبی، علف کش، مولکولهای دارویی[36] و بیومولکولها به کار می‎رود[37]. مسباخ و همکاران با استفاده از یک ابزار حسگر الیاف نوری بر پایه پلیمرهای قالب ملکولی یک آمینو اسید فلوئورسانسنشان (دانسیل-ال-فنیل آلانین) را نشان دادند. این مواد با استفاده از متاکرلیک اسید و 2- وینیلپیریدین بعنوان مونومر ها و اتیلنگلیکولدیمتاکریلات به عنوان مونومر شبکه کننده تهیه شدند. یک سیستم ساخته شد که درآن ذرات پلیمر در مقابل نوک الیاف نوری با استفاده از یک تور نایلون نگه داشته شد[39]
1-10-4- گیرنده های مصنوعیعیارسنج پیوندی برای تعیین مقادیر کم ترکیبات سرم خون و سایر سیستمها و برای غربال کردن ترکیبات متمایل به یک گیرنده بکار می‎روند. عیار سنج از این نوع به یک گیرنده اختصاصی، اغلب یک آنتیبادی که اختصاصاً به مولکول مورد بررسی نیاز دارد. آنتیبادیها غالباً خواص بسیار عالی تشخیصی برای مولکول متقابل (آنتی ژن) نشان میدهد. اما، کاربرد آنها در شرایط سخت بخاطر حساسیت محدود آن است وآنچه که می‎توان در نظر داشت هزینه بالای تولید آن است. آنتی بادیهای مصنوعی و گیرندههایی که بروش قالب زنی مولکولی تهیه میشوند از نظر تئوری مکمل جاذب همتاهای طبیعیشان هستند . چندین بررسی نشان داده که پلیمرهای قالب مولکولی می‎توانند بعنوان نسخههای مصنوعی آنتی بادی‎ها عمل کنند و بعنوان اجزای در ایمنی سنجی بکار روند. این بررسی‎ها با استفاده ازروش‎های رادیولیگاند پیوندی و روش پیوند پیمانه‎ای مقایسه شده‎اند و اولین کاربرد پلیمر قالب مولکولی به عنوان جزء تشخیص در یک عیارسنج لیگاند پیوندی رادیو نشان برای تشخیص دیازپام وتئوفیلین درسرم انسانی بود. نتاج حاصله قابل مقایسه با روش تثبیت شده برای این داروها بود. روش بکار گرفته برای این تحقیق استفاده از ممانعت پیوند رادیونشان به آنالیت در سرم بود. مقدار رادیولیگاند متصل به پلیمر به صورت عکس متناسب با غلظت آنالیت در سرم بود[39].
1-10-5- کاتالیستهایکی از چالش برانگیزترین کاربردهای پلیمر قالب مولکولی ساخت کاتالیستهای طراحی شده است. به دلیل قابلیت آرایش دادن گروهای عاملی در ماتریس پلیمرهای قالب مولکولی خود را وارد این کاربرد کرده‎اند. روشهای تهیه پلیمرهای قالب مولکولی کاتالیستی شامل: (1) استفاده از یک الگوکه گروه‎های کاتالیست داخل سایت های پیوندی (2) استفاده از حالت گذرا مشابه مولکول الگو (3) استفاده از کمپلکس‎های کئوردینه برا ی تاثیرگذاری روی واکنش کاتالیستی.
1-11- عنصر نیکل[41] این عنصر کاربردهای فراوانی در طبیعت دارد و برای ساخت فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ و خوردگی مثل اینوار و مانل که الیاژى از نیکل و کبالت که در برابر خوردگى مقاوم است به کار میرود. برای ساخت لولههای نیکلی و مسی و همینطور برای نمکزدایی گیاهان و تبدیل آب شور به آب مایع استفاده میشود. نیکل استفادههای فراوانی برای ساخت سکهها و فولاد نیکلی برای زرهها و کلیدها کاربرد دارد و همینطور از نیکل میتوان آلیاژهای نیکروم و پرمالوی و آلیاژی از مس را تهیه کرد. از نیکل برای ساخت شیشههای به رنگ سبز استفاده میشود. صفحات نیکلی میتواند نقش محافظت کننده برای دیگر فلزات را داشته باشد. نیکل همچنین کاتالیزوری برای هیدروژندار کردن روغنهای گیاهی است. همچنین صنعت سرامیک و ساخت آلیاژی از آهن و نیکل که خاصیت مغناطیسی دارد و باتری های قوی ادیسون کاربرد دارد. از ترکیبات مهم نیکل میتوان سولفات و آکسید را نام برد. نیکل طبیعی مخلوطی از 5 ایزوتوپ پایدار است. همچنین 9 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز شناخته شده است. مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمدهترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است. مصرف بالای نیکل احتمال مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد. پس از این که فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود. آب آوردن ریهها مشکلات تنفسی کاهش توانایی تولید مثل، آسم، برونشیت مزمن، حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات) نارسایی قلبی از دیگر عوارض آن میباشد. از لحاظ تقسیم بندی برنامه سم شناسی ملی آمریکا، نیکل و ترکیبات آن جز عوامل سرطانزا محسوب میشوند و از نظر طبقه بندی آژانس بین المللی تحقیقات سرطان ترکیبات نیکل در گروه یک قرار میگیرند. گروه یک شامل عناصری میباشد که شواهد کافی در مورد سرطانزایی آنها وجود دارد. در این تقسیمبندی عنصر نیکل در گروه 2B قرار دارد. گروه 2B عناصری هستند که ممکن است در انسان سرطان ایجاد کنند. کارخانهها و سوزاندن زبالهها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآبها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند. بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک در میآیند. در زمینهای اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهای زیرزمینی شسته میشود. در حال حاضر دانشمندان میدانند که غلظت بالای نیکل در خاکهای ماسهای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آبهای سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبکها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند. مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانی که مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند. از آنجایی که نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.
1-12- مروری بر کارهای گذشتهدر سال 2004 ارسوز و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده در استخراج فاز جامد به روش F= یونهای نیکل را در نمونههای زیستی و غذای پیشتغلیظ کردند. که حد تشخیص این روش 3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[42].
در سال 2006 چانگ و همکارانش بااستفاده از جاذب سیلیکاژل سطحی در استخراج فاز جامد به روش ICP-AES یونهای نیکل را در نمونههای آبی اندازه گیری کردند. که حد تشخیص این روش 16/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[43].
در سال 2008 رومانی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده در استخراج فاز جامد یونهای نیکل را از نمونههای آب شور جداسازی کردند. که این کار با روش ICP-OES صورت پذیرفت. حد تشخیص این روش3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[44].
در سال 2008 سراجی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده استخراج گزینش¬پذیر فاز جامد یونهای نیکل را در نمونههای آبی انجام دادند. حد تشخیص این روش 2/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[45].
درسال 2009 رومانی و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده به روش CP-OES، یونهای نیکل را در نمونههای آب شوراندازه گیری کردند. که حد تشخیص این روش 26/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[46].
در سال 2010 سینگ و همکارانش با استفاده از پلیمرهای قالب یونی سنتز شده با روش F= یونهای نیکل را در نمونههای آب دریایی اندازه گرفتند. حد تشخیص این روش 6/1 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[47].
در سال 2011 خواجه و همکارانش با استفاده از لیگاند 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون(مورین) نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز، و از آن برای اندازهگیری و جداسازی گزینشپذیر یونهای سرب در نمونههای مختلف استفاده کردند. حد تشخیص این روش 92 نانوگرم بر لیتر گزارش شده است[48].
. در سال 2012 بهبهانی و همکارانش از نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز شده برای استخراج گزینشپذیر و پیشتغلیظ یونهای نیکل از نمونههای زیستی به روش F= استفاده کردند. حد تشخیص این روش15/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[49]
در سال 2013 رجبی و همکارانش از نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز شده برای اندازهگیری یونهای پتاسیم در نمونههای آبی بر اساس دیسیکلوهگزیل 18C6 استفاده کردند. حد تشخیص این روش 8/3 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[50].
در سال 2014 شمسیپور و همکارانش با استفاده از لیگاند 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون(مورین) نانو ذرات پلیمری قالب یونی سنتز کردند که برای اندازهگیری و جداسازی گزینشپذیر یونهای روی در نمونههای مختلف استفاده کردند. حد تشخیص این روش 3/0 میکروگرم بر لیتر گزارش شده است[51].

جدول (1-4) مقایسه کارهای گذشته اندازهگیری یون نیکلشماره لیگاند اندازه نانو ذرات pH مقدار جاذب (mg) گستره
خطی
(µgL−1) حد تشخیص
(μgL−1) انحراف استاندارد (درصد) روش کار منابع
1 5-وینیل-هیدروکسیکینولین 10 میکروومتر 0/9 300 --- 26/0 0/6 ICP-OES [42]
2 متاکریلوهیستیدندیهیدراته ---- 0/7 30 3/0-25 3/0 1/4 F= [43]
3 آمینوفانکشنالیزد
سیلیکاژل ---- 0/8 20 ---- 16/0 48/1 ICP-AES [44]
4 8- هیدروکسیکینولین 10 میکروومتر 5/8 100-300 ---- 3/0 0/6 ICP-OES [45]
5 وینیلبنزوات ---- 5/6 100 25-125 3/0 06/1 GTA-= [4]
6 دیتیزون 53-106
میکروومتر 0/8 100 5-100 6/1 4/3 F= [47]
8 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون 50-70 نانو
متر
0/8 20 3-10 0/1 4/2 UV-Vis Spectrophotometry تحقیق حاضر
فصل دومبخش تجربی2-1- دستگاه‌ها و وسایل مورد نیازدر این تحقیق از دستگاههای زیر استفاده گردید.
دستگاه اسپکتروفوتومتر جذبی UV-Vis مدل 25-Lambda، سانتریفیوژ (Wehingen) Z 206 A، همزن مغناطیسیIKA RH basic 2(Italy) ، آون DIGITA-STERILIEZR مدل CSL60، دستگاه FT-IR مدل 460 PLUS، دستگاه میکرووسکوپ الکترونی روبشی مدل EM10C-100 KV-ZEISS، ، ترازو، و کلیه اندازهگیریهای pH به وسیلهی pH متر مدل 827 ساخت شرکت متراهم انجام شد.
در این تحقیق از وسایل زیر استفاده گردید.
سل کوارتز (3×1×1 سانتیمتری)، بشر، پیپت، پوار، میکرووپیپت، اسپاتول ، کاغذ توزین، لوله آزمایش، شیشه ساعت و هاون.
2-2- مواد شیمیائی لازمنیتریک اسید %65 (حجمی/حجمی)، سولفوریکاسید %98 (حجمی/حجمی)، هیدروکلریکاسید %37 (حجمی/حجمی)، استونیتریل، لیگاند مورد استفاده، 40،20،7،5،3-پنتاهیدروکسیفلاون (مورین)، اتیلنگلیکولدیمتاکریلات، متاکریلیکاسید و 2،ˊ2 آزوبیس ایزوبوتیرونیتریل از شرکتهای معتبر مواد شیمیایی تهیه شدند.
جدول (2-1) ویژگیهای متاکریلک اسید ساختار
7-19-64 CAC number
C4H6O2 فرمول
85 درصد خلوص(درصد)
86 جرم مولکول(گرم بر مول)
015/1 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
161 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)
جدول (2-2) ویژگیهای اتیلن گلیکولدی متاکریلات ساختار
5-90-97 CAC number
[H2C=C(CH3)CO2CH2-]2 فرمول
7/99 درصد خلوص(درصد)
198 جرم مولکول(گرم بر مول)
1/11 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
108 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)

جدول (2-3) ویژگیهای 2وˊ2-آزوبیسایزو بوتیرو نیتریل ساختار
1-67-78 CAC number
(CH3)2C(CN)N=NC(CH3)2CN فرمول
98 درصد خلوص(درصد)
164 جرم مولکول(گرم بر مول)
1/1 چگالی(گرم بر سانتیمتر مکعب)
5/101 نقطه جوش(درجه سانتیگراد)
نمکهای مورد نیاز شامل آهن نیترات 9 آبه، آلومینیم نیترات 9 آبه، نیکل نیترات 6 آبه، کبالت نیترات 5 آبه، منگنز نیترات 4 آبه، کادمیم نیترات 4 آبه، لیتیم نیترات، کلسیم نیترات 4 آبه، روی نیترات 4 آبه، مس نیترات 3 آبه، سدیم نیترات، پتاسیم نیترات، سدیم کلرید، با بالاترین درجه خلوص و بدون نیاز به خالصسازی بیشتر، همگی از شرکتهای معتبر تهیه شدند
2-3- سنتز نانو ذرات پلیمر قالب یون برای اندازهگیری یون نیکلنانو ذرات پلیمری قالب یونی نیکل به وسیله روش پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد[51]. جهت ساخت پلیمر مورد نظر 2/0 میلیمول از لیگاند مورین، 1/0 میلیمول از نمک نیکلنیترات 6 آبه ، 6/1 میلیمول از مونومر عاملی (متاکریلیک اسید) درون 23 میلیلیتر اتانول-استونیتریل) حجمی/حجمی; 2:1 (به عنوان حلال پلیمریزاسیون حل شدند. به منظور کامل شدن واکنش تشکیل کمپلکس، محلول حاصل به مدت یک ساعت در این حالت هم زده شد. سپس 8 میلیمول از مونومر اتصال دهنده عرضی (اتیلنگلیکولدیمتاکریلات) و 60 میلیگرم از آغازگر به محلول تهیه شده قبلی اضافه گردید. با توجه به اینکه مولکولهای اکسیژن درون محلول باعث به دام اندازی آغازگر شده و باعث کندی فرایند پلیمریزاسیون میشود، محلول حاصل به مدت 10 دقیقه توسط عبور گاز نیتروژن، پاکسازی و گاززدایی شد. در نهایت، به منظور انجام فرآیند پلیمریزاسیون محلول حاصل به مدت 24 ساعت درون حمام روغن گرم با دمای 80 درجهسانتیگراد قرار داده شد. بعد از این زمان، ذرات پلیمری حاصل درون یک هاون پودر شد. جهت حذف مونومرهای واکنش نداده، ذرات پلیمری در ابتدا توسط مقدار کافی آب مقطر شسته شدند. در ادامه به منظور حذف یونهای نیکل قالب شده از درون شبکه پلیمری و ایجاد سایتها و حفرات گزینشپذیر ذرات حاصل با غلظت 6 مولار اسیدکلریدریک شسته شدند، تا جایی که محلول حاصل شستشو عاری از هرگونه یون نیکل باشد. در ادامه فرآیند آماده سازی، با توجه به اسیدی بودن پلیمرقالب یونی، پلیمر پودر شده حاصل بوسیله آب دوبار تقطیر شسته شد تا pH آب شسته شده خنثی شود و سپس در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک شد.
2-4- سنتز پلیمر قالب نشده((NIPذرات پلیمر قالب نشده به وسیله روش پلیمریزاسیون رسوبی ساخته شد. جهت ساخت پلیمر مورد نظر 2/0 میلیمول از لیگاند مورین، 6/1 میلیمول از مونومر عاملی (متاکریلیک اسید) درون 23 میلیلیتر اتانول-استونیتریل به عنوان حلال پلیمریزاسیون حل شدند. به منظور کامل شدن واکنش تشکیل کمپلکس، محلول حاصل به مدت یک ساعت در این حالت هم زده شد. سپس 8 میلیمول از مونومر اتصال دهنده عرضی (اتیلنگلیکولدیمتاکریلات) و 60 میلیگرم از آغازگر به محلول تهیه شده قبلی اضافه گردید. با توجه به اینکه مولکولهای اکسیژن درون محلول باعث به دام اندازی آغازگر شده و باعث کندی فرایند پلیمریزاسیون میشود، محلول حاصل به مدت 10 دقیقه توسط عبور گاز نیتروژن، پاک سازی و گاززدایی شد. در نهایت، به منظور انجام فرآیند پلیمریزاسیون محلول حاصل به مدت 24 ساعت درون حمام روغن گرم با دمای 80 درجه سانتیگراد قرار داده شد. بعد از این زمان، ذرات پلیمری حاصل درون یک هاون پودر شد.
2-5- محلول‌سازی
2-5-1- تهیه محلولهای لازم برای بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس برای تهیه محلول 3-10×0/1 مولار نیکل مقدار 3-10×9/2 گرم از نیکل نیترات جامد در یک بالن حجمی 10 میلیلیتری حل کرده تا محلول 3-10×0/1 مولار نیکل تهیه و به با اتانول به حجم رسانده شد.
برای تهیه محلول 3-10×0/1 مولار مقدار 3-10×0/3 گرم از مورین جامد در یک بالن حجمی 10 میلیلیتری حل کرده تا محلول 3-10×0/1 مولار مورین تهیه و با اتانول به حجم رسانده شد.
2-5-2- تهیه محلول مادرنیکل
محلول 1000 میلیگرم بر لیتر از نیکل با انحلال 05/0 گرم از نمک نیکل نیترات 6 آبه با وزن مولکولی 0/291 گرم بر مول در حداقل آب دوبار تقطیر حل و به حجم رساندن با آب مقطر دریک بالن حجمی حجمی 50 میلی‎لیتری تهیه شد.
2-5-3- تهیه محلول مادر دیمتیلگلیاکسیم برای اندازهگیری اسپکتروفتومتریمحلول4+10×0/1 میلیگرم بر لیتر از دیمتیلگلیاکسیم از انحلال 05/0گرم دیمتیلگلیاکسیم توسط آب دوبار تقطیر در بالن حجمی 50 میلیلیتر حل کرده و سپس با آب دو بار تقطیر به حجم رسانده شد و تمام محلولهای مورد نیاز با رقیق کردن این محلول به دست آمد.
2-5-4- تهیه محلولهای کاتیونهای مختلف برای بررسی اثرات مزاحمتمحلولهای 1000-500 میلیگرم بر لیتر از هرکدام از یونهای، سدیم، کادمیم، کبالت، جیوه، سرب، زینک، مس، منگنر، منساخته شد، به این ترتیب که مقدار مورد نیاز از نمکهای NaCl، KCl،AgNO3، Cd(NO3)2.4H2O، Co(NO3)2.6H2O، HgCl2، Pb(NO3)2.4H2O، Cu(NO3)2.3H2O، Zn(NO3)2.6H2O، Mn(NO3)2.4H2O، Mg(NO3)2.6H2O، Fe(NO3)3.9H2O، Cr(NO3)3.9H2O توزین شد و در بالن حجمی 10 میلیلیتری با آب دوبار تقطیر حل و سپس به حجم رسانده شد. محلولهای رقیق تر مورد نیاز از رقیق کردن این محلولها ساخته شدند.
2-6- آماده سازی نمونههای آب برای اندازهگیری نیکلنمونههای حقیقی استفاده شده مربوط به اندازهگیری نیکل به روش اسپکتروفتومتری عبارتند ازسه نمونه: آب آشامیدنی شهر یاسوج و آب رودخانه بشار یاسوج و آب ابشار یاسوج. نیکل موجود در50 میلیلیتر از هر کدام از نمونههای آب پس از افزودن مقداری اسیدکلریدریک و قرار دادن نمونه به مدت 20 دقیقه در حمام بخار با دمای 80 درجه سانتیگراد و سپس قرار دادن نمونه به مدت 30 دقیقه زیر لامپ ماوراء بنفش به دست آمد. که این محلول جهت اندازهگیری به روش افزایش استاندارد مورد استفاده قرار داده شد[52].
2-7- پیشتغلیظ یون نیکل با استفاده از پلیمرهای قالب یون تهیه شدهمحلول 3-10×0/1 مولار لیگاند و یون نیکل تهیه شد. سپس 2 میلیلیتر اتانول به سل اضافه و 100 میکرولیتر از محلول لیگاند به حلال درون سل اضافه شد. سپس با افزودن حجمهای مشخصی از یون نیکل طیف جذبی مجصول در هر نقطه ثبت گردید. داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول لیگاند در محدوده طول موج 270 تا 570 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد. سپس حجم مشخصی از محلول یون نیکل به طور مرحله‎ای به سل اضافه شد. ابتدا 10 میلیلیتر از محلول 2 میلیگرم بر لیتر از محلول نیکل را در بالن حجمی 10 میلیلیتری تهیه شد و با آب مقطر به حجم رسانیده شد، سپس به وسیله محلول سود و اسیدکلریدریک (رقیق) pH محلول روی 8 تنظییم شد. سپس20 میلیگرم از نانو ذرات پلیمری قالب یون به آن اضافه و به مدت 45 دقیقه روی همزن مغناطیسی قرار گرفت تا جذب صورت پذیرد و بعد از این مرحله محلول را به مدت 6 دقیقه سانتریفیوژ شد و جاذب رسوب کرده با 2 میلیلیتر اسیدکلریدریک به مدت 16 دقیقه شتششو داده شد و بعد دوباره به مدت 6 دقیقه سانتریفیوژ شد و سپس محلول بالای را برداشته شد و به آن به در ابتدا به میزان سه برابر دیمتیلگلیاکسیم، و سپس 1 میلیلیتر از پرسولفات و 1 میلیلیتر آمونیاک اضافه شد و با آب مقطر به حجم 10 میلیلیتر رسانده شد. و در انتها با دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis طیف آن گرفته شد[۵۳].
فصل سومبررسی نتایج و نتیجهگیری3-1- بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس بین یون نیکل و مورینبه منظور بررسی تشکیل و تعیین نسبت فلز به لیگاند کمپلکس بین یون نیکل و مورین بر اساس روش پیشنهادی (2-7) داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول لیگاند در محدوده طول موج 270 تا 570 نانومتر توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد، سپس حجم مشخصی از محلول یون نیکل به طور مرحله‎ای به سل اضافه شد. داده‎های مربوط به طیف جذبی محلول کمپلکس حاصل پس از هر مرحله افزایش محلول یون فلزی به محلول درون سل، توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر به دست آمد. افزایش محلول یون فلزی تا زمانی که با تغییر نسبت فلز به لیگاند افزایشی در جذب مشاهده شود، ادامه پیدا می‎کند. منحنی نسبت مولی، در طول موج 416 نانومتر مربوط به کمپلکس ترسیم شد. استوکیومتری تشکیل کمپلکس بین یون نیکل و مورین با استفاده از روش نسبت مولی نشان دهنده نسبت فلز به لیگاند (2:1) میباشد[54].
جدول (3-1) جذب بر حسب حجم یون نیکل اضافه شده در طول موج 416 نانومترجذب حجم یون نیکل اضافه شده(میکرو لیتر)
32/0 0
47/0 10
60/0 20
73/0 30
90/0 40
98/0 50
06/1 60
13/1 70
16/1 80
19/1 90
20/1 100
21/1 110
21/1 120
21/1 130
22/1 140
22/1 150
22/1 160
27/1 170
22/1 180

شکل (3-1( تغییرات طیف جذبی UV-Vis در حضور فلز نیکل (شرایط: غلظت 8-10×76/4 مولار از مورین در حلال اتانول)

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل (3-2) نمودار شدت جذب کمپلکس در طول موج 418 نانومتر بر حسب نسبت غلظتی فلز به لیگاند.3-2- خصوصیات پلیمر قالب یونی نیکل3-2-1- رنگ سنجیبعد از سنتز پلیمرهای قالب یون شسته نشده، پلیمرهای قالب یون شسته شده و NIP رنگسنجی با مقایسه تغییرات رنگ در نمونههای پودر شده از پلیمرهای سنتز شده مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل (3-3) مشاهده میکنید رنگ پلیمر قبل از شویش با اسید زرد رنگ است که بعد از شویش با اسید به رنگ تبدیل کرم میشود که این رنگ زرد قبل از شویش به خاطر کمپلکس نیکل مورین میباشد که بعد شویش این کمپلکس از بین رفته و رنگ آن نیز به رنگ کرم در میآید.که رنگ پلیمر شسته شده چیزی بین رنگ پلیمر شسته نشده و NIP میباشد. همچنین در هنگام فرایند جذب به علت جذب یونهای نیکل به درون بافت پلیمری تغییر رنگ آنی از کرم به رنگ زرد مشاهده شد.
3-2-2- طیف FT-IR پلیمر قالب یونی نیکلطیف پلیمر قالب یونی قبل از شستشو با اسید (شکل (3-4) و بعد از شستشو با اسید )شکل (3-5)( ثبت گردید. همانطور که انتظار میرفت ساختار کلی طیف شبیه به هم میباشد. دادههای طیفی، وجود لیگاند در پلیمر قالب یونی بعد از شستشو با اسید را تأیید میکند. همچنین با توجه به خواص فیزیکی پلیمر بعد از شستشو با اسید نیز حضور لیگاند در شبکه پلیمری بعد از شویش با اسید تأیید میکند: ۳۴۱۵ نانومتر برای OH، ۱۷۲۹ نانومتر برای C=O، ۱۶۱۷ نانومتر برای N=N و C=N، ۱۴۵۵ نانومتر برای C=C آروماتیک و ۱۳۸۴ نانومتر برای ارتعاش تغییر شکل C-O-H درپلیمر قالب یونی قبل از شسته شدن با اسید و۳۴۱۳ نانومتر برای OH، ۱۷۲۹ نانومتر برای C=O، ۱۶۱۷

شکل (3-3) تصاویر پلیمرهای قالب یونی قبل و بعد از شستشو با هیدروکلریک اسید 6 مولارنانومتر برای N=N و C=N، ۱۴۵۵ نانومتر برای C=C آروماتیک و ۱۳۸۶ نانومتر برای ارتعاش تغییر شکل C-O- H در پلیمر قالب یونی بعد از شسته شدن با اسید میباشد. این مشاهدات توجیح میکند که پشت زمینه طیف FT-IR در پلیمر قالب یونی قبل از شستشو و بعد از شستشو یکسان است. پس میتوان توجیح کرد لیگاند مورین در اثر فرایند شویش شسته نشده است.
3-2-3- تصویر میکرووسکوپ الکترونیعلاوه بر طیف FT-IR از ذرات پلیمری قالب یونی بعد از شستشو با اسید و حذف یونهای نیکل تصویر میکروسکوپ الکترونی گرفته شد مرفولوژی نانو ذرات پلیمری تهیه شده با روش رسوبی با تصویر میکروسکوپی الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. شکل ( 3-6) تجزیه و تحلیل اندازه، حفرات ایجاد شده را نشان میدهد، همانطور که در شکل مشاهده میکنید نانو ذرات پلیمری شستشو داده شده دارای شبکه پلیمری با تخلخل و مساحت سطح زیادتری میباشد و شکل منظم نمونه در مقیاس اندازه نانو نمایان است. همانگونه که در شکل میبینید روش پلیمریزاسیون رسوبی موجب تهیه نانو ذرات پلیمری قالب یونی با ساختار متخلخل و قطر بین 50-70 نانومتر تشکیل شده است، که کمی در شکل نامنظم میباشند. در پلیمریزاسیون رسوبی مورفولوژی نانو ذرات پلیمری را میتوان با تغییر شرایط آزمایشگاهی از قبیل، حجم حلال، دما و سرعت همخوردن محلول پلیمریزاسیون در طی انجام فرایند سنتز بهبود بخشید.

–246

1-5-3-3-ساختار آن کپسولی یا آنتی ژن K......................................................................................................................................................................8
1-5-3-4-ساختار آنتی ژن تاژکی یا آنتی ژن تاژکی یا آنتی ژن H.........................................................................................................................9
1-5-3-5-ساختار آنتی ژن فیمبریه ای یا آنتی ژن F......................................................................................................................................................9
1-6-خصوصیات مورفولوژی..................................................................................................................................................................................................10
1-6-1-خصوصیات کشت و بیوشیمیایی...........................................................................................................................................................................11
1-6-2-مقاومت..............................................................................................................................................................................................................................12
1-6-3-ژنتیک..................................................................................................................................................................................................................................13
1-7-بیماری زایی اشرشیا کلی.................................................................................................................................................................................................13
1-7-1-فاکتورهای حدت..........................................................................................................................................................................................................14
1-7-1-1-کپسول..........................................................................................................................................................................................................................14
1-7-1-2-آندوتوکسین...............................................................................................................................................................................................................14
1-7-1-3-پروتئین های اتصالی فیمبریه ای......................................................................................................................................................................14
1-7-1-4-اگزوتوکسین ها........................................................................................................................................................................................................15
1-7-2-1-انتروتوکسین ها........................................................................................................................................................................................................16
1-7-2-2-سیتوتوکسین ها........................................................................................................................................................................................................16
1-7-2-3-وروتوکسین ها.........................................................................................................................................................................................................17
1-7-2-4-آلفاهمولیزین ها.......................................................................................................................................................................................................17
1-7-2-5-سیدروفورها..............................................................................................................................................................................................................17
عنوان صفحه
1-7-3-تغییر فاز آنتی ژنی............................................................................................................................................................................................................18
1-7-3-1-سیستم ترشحی نوع III .........................................................................................................................................................................................18
1-7-3-2-بیماری در انسان.........................................................................................................................................................................................................18
1-7-4-1-پاتوتیپ اشرشیا کلی های پاتوژن روده ای...................................................................................................................................................19
1-7-4-2-پاتوتیپ اشرشیا کلی توکسین زای روده ای(ETEC)..............................................................................................................................19
1-7-4-3-پاتوتیپ اشرشیا کلی بیماری زای روده ای (EPEC)..............................................................................................................................20
1-7-4-4-پاتوتیپ اشرشیاکلی انترواگرگتیو(EAggEC).............................................................................................................................................21
1-7-4-5-پاتوتیپ اشرشیا کلی انتروهموراژیک (EHEC)........................................................................................................................................21
1-7-4-6-پاتوتیپاشرشیا کلی انترواینواسیو(EIEC)........................................................................................................................................................22
1-8-عفونت های اشرشیا کلی های خارج روده ای.......................................................................................................................................................22
1-8-1-1-باکتریولوژی و مننژیت اشرشیا کلی (MAEC)...........................................................................................................................................23
1-8-1-2-سپسیس..........................................................................................................................................................................................................................23
1-8-1-3-التهاب مثانه...................................................................................................................................................................................................................23
1-8-1-4-سپتی سمی....................................................................................................................................................................................................................24
1-8-2-عفونت مجاریادراری(UTI)........................................................................................................................................................................................24
1-8-2-1-مقاومت های آنتی بیوتیکی...................................................................................................................................................................................25
1-8-2-2-مقاومت در اشرشیا کلی..........................................................................................................................................................................................26
1-8-2-3-فیلوژنتیک اشرشیا کلی............................................................................................................................................................................................26
1-9-عوامل بیماری زایی(ویرولانس در اشرشیا)...............................................................................................................................................................27
1-9-1-ژن aer (آئروباکتین)........................................................................................................................................................................................................28
1-9-1-2-اتصال دهنده ها (Adhesions)............................................................................................................................................................................29
1-9-1-3-مکانیسم بیماری زاییUPEC در ارتباط با افمبریال ادهسین................................................................................................................30
1-9-1-5-مکانیسم بیماری زایی UPEC در ارتباط با همولیزین (HlyA)...........................................................................................................33
1-10-تعاریف واژه ها....................................................................................................................................................................................................................34
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1- بررسی تحقیقات انجام شده..........................................................................................................................................................................................35
فصل سوم: مواد و روش ها
3-1-نوع مطالعه................................................................................................................................................................................................................................38
3-2-جامعه مورد مطالعه...............................................................................................................................................................................................................38
3-3-روش انجام طرح...................................................................................................................................................................................................................38
3-3-1-مواد وتجهیزات................................................................................................................................................................................................................38
عنوان صفحه
3-3-1-1-دستگاه ها و وسایل مورد نیاز................................................................................................................................................................................38
3-3-1-2-مواد مصرفی مورد نیاز...............................................................................................................................................................................................41
3-3-1-3-محیط های کشت مورد استفاده.............................................................................................................................................................................41
3-4-ترکیبات و محلول های مورد استفاده در تحقیق و فرمول ساخت آنها...........................................................................................................41
3-5-روش اجرا....................................................................................................................................................................................................................................43
3-5-1-جمع آوری اطلاعات........................................................................................................................................................................................................43
3-5-2-انجام امور باکتریولوژیک.........................................................................................................................................................................................................................43
3-5-3-نمونه برداری، کشت، جداسازی و تعیین هویت باکتری ها...........................................................................................................................43
3-5-3-1-نمونه برداری...................................................................................................................................................................................................................43
3-5-3-2-طرز تهییه محیط های کشت....................................................................................................................................................................................43
3-5-3-3-نگه داری نمونه های عفونت ادراری..................................................................................................................................................................45
3-5-3-4-نگه داری سویه باکتری...............................................................................................................................................................................................45
3-5-4-استخراج، تعیین کمیت و کیفیت DNA...................................................................................................................................................................46
3-5-4-1-استخراج DNA..............................................................................................................................................................................................................46
3-5-4-2-کمیت سنجی و غلظت سنجی DNA استخراج شده...................................................................................................................................46
3-5-5-انجام آزمایشات مولکولی................................................................................................................................................................................................47
3-5-5-1-پرایمرها..............................................................................................................................................................................................................................47
3-5-5-2-رقیق سازی پرایمرها....................................................................................................................................................................................................49
3-5-6-انجام PCR.............................................................................................................................................................................................................................49
3-5-6-1-بهینه سازی اجزاء واکنش PCR.............................................................................................................................................................................50
3-5-6-2-بهینه سازی تهیه Master Mix ...............................................................................................................................................................................50
3-5-7-گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژن aer ............................................................................................................50
3-5-7-1-گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژن HlyA...............................................................................................51
3-5-7-2- گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژن Pap ..................................................................................................51
3-5-7-3- گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژن Cnf ............................................................................................. 52
3-5-7-4- گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژن Afa ............................................................................................... 53
3-5-7-5-گرادیانت دمایی جهت به دست آوردن دمای اتصال برای ژنFim ............................................................................................. 53
3-6-مراحل انجام PCR ..................................................................................................................................................................................................................54
3-6-1-بهینه سازی PCR ...............................................................................................................................................................................................................54
3-6-2-بررسی محصول PCR.......................................................................................................................................................................................................55
3-7-مواد مورد نیاز برای انجام الکتروفورز.............................................................................................................................................................................56
3-7-1-ژل آگارز.................................................................................................................................................................................................................................56
عنوان صفحه
3-7-1-1-طرز تهییه ژل آگارز....................................................................................................................................................................................................56

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

3-7-1-3-بافر سنگین کننده.........................................................................................................................................................................................................56
3-7-1-4-رنگ آمیزی ژل.............................................................................................................................................................................................................57
3-8-توالی یابی....................................................................................................................................................................................................................................57
3-9-1-روش گردآوری اطلاعات..............................................................................................................................................................................................57
3-9-2-روش تجزیه و تحلیل اطلاعات..................................................................................................................................................................................58
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1-فراوانی بیماران بر اساس جنس.........................................................................................................................................................................................59
4-2-نتایج مربوط به فراوانی فاکتورهای حدت در اشرشیا کلی...................................................................................................................................60
4-3-نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژن آئروباکتین در سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن........................................................61
4-3-1-بهینه سازی دمای اتصال.................................................................................................................................................................................................61
4-3-1-1-انجام آزمون روی سایر ایزوله ها.........................................................................................................................................................................62
4-3-2-نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژن سایتوتوکسیک نکروز دهنده در سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن...........64
4-3-2-1- بهینه سازی دمای اتصال.........................................................................................................................................................................................64
4-3-2-2- انجام آزمون روی سایر ایزوله ها.......................................................................................................................................................................64
4-3-3- نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژن همولیزین در سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن..................................................65
4-3-3-1- بهینه سازی دمای اتصال.........................................................................................................................................................................................65
4-4-4- نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژنP - فیمبریه در سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن................................................66
4-4-4-1- بهینه سازی دمای اتصال .........................................................................................................................................................................................66
4-4-4-2- انجام آزمون روی سایر ایزوله ها .......................................................................................................................................................................67
4-5-5- نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژن Afaدر سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن..............................................................68
4-5-5-1- بهینه سازی دمای اتصال.........................................................................................................................................................................................68
4-5-5-2- انجام آزمون روی سایر ایزوله ها .......................................................................................................................................................................69
4-6-6- نتایج آزمون PCR برای شناسایی ژنFim در سویه های واجد اشرشیا کلی یوروپاتوژن............................................................70
4-6-6-1- بهینه سازی دمای اتصال........................................................................................................................................................................................70
4-7-ژن های ویرولانس..................................................................................................................................................................................................................72
4-8-نتایج ویرولوتایپینگ سویه ها.............................................................................................................................................................................................77
4-9-نتایج تایید محصولات PCR .............................................................................................................................................................................................79
فصل پنجم: نتیجه گیری
5-1-بحث..............................................................................................................................................................................................................................................91
5-2-مقایسه نتایج بدست آمده با یافته های دیگر محققین............................................................................................................................................91
عنوان صفحه
5-3-نتیجه گیری..................................................................................................................................................................................................................................95
5-4- پیشنهادات...................................................................................................................................................................................................................................95
فهرست منابع
منابع فارسی..............................................................................................................................................................................................................................................96
منابع انگلیسی..........................................................................................................................................................................................................................................97
چکیده انگلیسی...................................................................................................................................................................................................................................102زمون آ
فهرست جدول ها
عنوان جدول صفحه
جدول 1-1: ژن های ویرولانس در اشرشیا کلی و عملکرد ژن ها..................................................................................................................................30
جدول3-1: مشخصات پرایمرهای مورد استفاده.......................................................................................................................................................................48
جدول 3-2: اجزاء و ترکیبات مورد استفاده برای واکنش PCR ......................................................................................................................................49
جدول 3-3: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن aer .............................................................................................................................................................50
جدول 3-4: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن HlyA.........................................................................................................................................................51
جدول 3-5: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن Pap ................................................................................................................................................. 52
جدول 3-6: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن Cnf ........................................................................................................................................................52 جدول 3-7: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن Afa ............................................................................................................................................................53
جدول 3-8: برنامه دمایی ترموسایکلر برای ژن Fim...........................................................................................................................................................54
جدول 4-1: مشخصات ایزوله های اشرشیا کلی جدا شده از بیماران...........................................................................................................................73
جدول 4-2: نتایج ویرولوتایپینگ درکل سویه ها.....................................................................................................................................................................77
جدول4-3: نتایج ویرولوتایپینگ در سویه های اشرشیا کلی، سویه های مشابه در هر ژن..................................................................................78
فهرست علامت ها و اختصارها
معادل فارسی معادل انگلیسی علامت
اشرشیا کلی Escherichia coli E.coli
واکنش زنجیره ای پلیمراز PCR Polymerase chain reaction
عفونت مجاری ادراری Infectios UTI Urinary Tract
اشرشیا کلی یوروپاتوژن UPEC Uropathogenic Escherichia coli
فهرست شکل ها و تصویر ها
عنوان شکل صفحه
شکل1-1: شکل شماتیک از ساختار آنتی ژنی اشرشیا کلی..................................................................................................................................................10
شکل1-2: شکل شماتیک از نحوه اتصال باکتریE.coli به سطح سلول های اپیتلیال سطحی بدن.................................................................31
شکل1-3: شکل شماتیک از فاکتورهای ویرولانس در اشرشیا کلی................................................................................................................................33
شکل1-4: شکل شماتیک از مکانیسم بیماری زاییUPEC .................................................................................................................................................34
شکل 3-1: کمیت سنجی و غلظت سنجی DNA ...................................................................................................................................................................47
شکل 4-1: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژن aer...........................................................................................................................62
شکل4-1-1: نتایج PCR به منظور تکثیر ژن aer در سایر ایزوله ها...............................................................................................................................63
شکل4-1-2: نتایج PCR ژن aer در سایر ایزوله ها...............................................................................................................................................................63
شکل4-2: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژن Cnf .........................................................................................................................64
شکل4-2-1: نتایج PCR ژن Cnf در سایر ایزوله ها.............................................................................................................................................................65
شکل4-3: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژن HlyA ....................................................................................................................66
شکل4-4: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژنPap...........................................................................................................................67
شکل4-4-1: نتایج PCR ژن Pap در سایر ایزوله ها............................................................................................................................................................68
شکل 4-5: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژن Afa ....................................................................................................................69
شکل 4-5-1: نتایج PCR ژن Afa در سایر ایزوله ها........................................................................................................................................................70
شکل4-6: گرادیانت دمایی جهت انتخاب دمای منایب برای ژن Fim.......................................................................................................................71
شکل4-7: ژن های ویرولانس در کنار هم. ..............................................................................................................................................................................72
شکل4-8-1: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانس aer......................................................................................79
شکل4-8-2: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانس HlyA................................................................................81
عنوان شکل صفحه
شکل4-8-3: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانس Cnf....................................................................................83
شکل4-8-4: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانس Afa ....................................................................................86
شکل4-8-5: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانس Fim......................................................................................88
شکل4-8-6: نتایج حاصل از سکانسینگ برخی محصولات PCR ژن ویرولانسPap........................................................................................89
فهرست نمودار ها
عنوان نمودار صفحه
نمودار4-1: فراوانی بیماران بر اساس جنس.......................................................................................................................................................................59
نمودار4-2: فراوانی بیماران براساس سن (سال)..............................................................................................................................................................60
نمودار4-3: نتایج مربوط به فراوانی فاکتورهای حدت در اشرشیا کلی................................................................................................................61

چکیده
زمینه و هدف: اشرشیا کلی یوروپاتوژن یکی از مهمترین عوامل ایجاد کننده عفونت مجاری ادراری است. این سویه ها انواع مختلفی از فاکتورهای ویرولانس از جمله چسبنده ها، توکسین ها، سیستم های اکتساب آهن را دارا می باشند. ژن های ویرولانس روی عناصر ژنتیکی متحرک و یا در نواحی خاصی از کروموزوم که جزایر پاتوژنیستی نامیده می شوند قرار دارند. هدف از این مطالعه بررسی وجود و تعیین هویت فاکتور های پاتوژنیسته در سویه های اشرشیا کلی یوروپاتوژن جدا شده از بیماران مراجعه کننده به بیمارستان بقیه الله(عج) تهران می باشد. مواد و روش ها: از 150 نمونه ی ادرار جمع آوری شده از بیماران مراجعه کننده به بیمارستان بقیه الله (عج) تهران مجموعه ای از 100 ایزوله ی اشرشیا کلی بین تیرماه تا دی ماه 1393 جدا گردید. باکتری اشرشیا کلی با استفاده از تکنیک های بیوشیمیایی و میکروب شناسی استاندارد شناسایی شد. استخراج ژنوم باکتری ها با استفاده از روش جوشاندن انجام گرفت و بررسی وجود و تعیین هویت فاکتورهای ویرولانس با استفاده از روش PCR انجام گرفت. نتایج: PCR به طور موفقیت آمیزی برای تمامی 6 ژن مورد نظر بهینه سازی شد و توانست باندهای مورد نظررا نشان دهند. عفونت مجاری ادراری ایجاد شده با اشرشیا کلی 83 % برآورد گردید شیوع ژن های ویرولانس به ترتیب شامل:(98%)( bp 328) Pap(95%)(bp 602) aer ،(94%)( bp 559) Fim،(86%)( bp 693)cnf ،(63%)( bp 750)Afa ، (62%)( bp 1177)hlyA به طور موفقیت آمیزی تکثیر یافتند. بحث: مطالعه حاضر نشان داد که شیوع ژن های ویرولانس pap ،aer ، Fimدر میان سویه های اشرشیا کلی یوروپاتوژن جدا شده از بیماران مراجعه کننده به بیمارستان بقیه الله (عج) تهران بالا می باشد و کمترین شیوع مربوط به ژن hlyA (همولیزین)می باشد.
کلمات کلیدی: اشرشیا کلی یوروپاتوژن، عفونت مجاری ادراری، ژن های ویرولانس، واکنش زنجیره ای پلیمراز
فصل اول
مقدمه
1-1-بیان مسئله
اشریشیا کلی(E.coli)1 یک باسیل گرم منفی از خانواده انتروباکتریاسه است که به طور شایع در روده جانوران خونگرم و برخی پرندگان وجود دارد. انتقال این باکتری از طریق مسیر مدفوعی- دهانی از یک فرد به فرد دیگر و یا از طریق آب و غذای آلوده می باشد. اشریشیا کلی به خوبی روی محیط های معمولی رشد کرده و یک باکتری کم نیاز است و در روی محیط های جدا کننده روده ای بیشتر سویه ها کلنی های تخمیر کننده لاکتوز را ایجاد می کنند (هاملین و همکاران،2007)2. اشرشیا کلی یکی از مهمترین دلایل ایجاد کننده عفونت های کلیه، مثانه، ریه و مننژ می باشند که به نوبه خود ممکن است منجر به سپسیس گردند و یکی از مهمترین عوامل تهدید کننده حیات انسان محسوب می شوند (چانج و همکاران، 2006 )3. عفونت مجاری ادراری(UTI)4 یکی از شایع ترین عفونت های باکتریایی در انسان است که به طور عمده توسط اشرشیا کلی ایجاد می شود(گریبلینگ و توماس، 2005)5. عفونت های ادراری از لحاظ شیوع، رتبه دوم را پس از عفونت های تنفسی داشته و در بزرگسالان رتبه اول بیماری های عفونی بزرگسالان را از نظر مراجعه به پزشک تشکیل می دهند. به این ترتیب اهمیت عفونت های ادراری از نظر عوارض بسیار جدی که در نتیجه عدم تشخیص درمان مناسب بر جای می گذارد بر کسی پوشیده نیست در ارزیابی تکامل ژنتیکی اشرشیا کلی، بررسی های فیلوژنتیکی از اهمیت خاصی برخوردار است. اشرشیا کلی عامل 90-80 درصد از عفونت مجاری ادراری اکتسابی از جامعه و 50-30 درصد از عفونت مجاری ادراری بیمارستانی است(نعمتی و همکاران، 2014).

عفونت مجاری ادراری از علل عمده بستری شدن در بیمارستان با عوارض قابل توجه و هزینه های مراقبت بهداشتی است(نعمتی و همکاران، 2014 ). تشخیص و درمان موثر عفونت مجاری ادراری یک نگرانی بزرگ در زمینه ی مراقبت های بهداشتی است(سنتیلو و فرانکلین، 2007)1. در سراسر جهان حدود 150 میلیون نفر با عفونت مجاری ادراری تشخیص داده شده اند که هر ساله هزینه اقتصادی در این زمینه بیش از 6 میلیارد دلار در جهان می باشد (کومار و همکاران، 2006)2. شدت عفونت مجاری ادراری به دو عامل ویرولانس باکتری و حساسیت میزبان بستگی دارد(گریبلینگ و توماس، 2005). اشرشیا کلی ایجاد کننده ی عفونت مجاری ادراری UPEC))3 فاکتورهای ویرولانس مختلفی از جمله آلفا همولیزین، فاکتور نکروز دهنده سایتوتوکسیک، چسبنده ها و سیستم های اکتساب آهن دارد; این فاکتورها در نهایت منجر به آسیب بافتی می شوند(پیت آئوت، 2012)4. اتصال باکتری به سلول های اورو اپی تلیال یک مرحله ضروری برای شروع و گسترش است. این فرایند به باکتری اجازه می دهند تا در مقابل عملکرد شستشوی ادرار و تخلیه مثانه و فعال شدن مسیرهای انتقال پیام در میزبان مقاومت کند. سویه های اشرشیا کلی یوروپاتوژن قادر هستند تا انواع متفاوتی از چسبنده های لازم برای تشخیص و اتصال به رسپتورهای مجاری ادراری را تولید کنند: از جمله فیمبریه تیپ 1 که توسط ژن fim کد می شود، P فیمبریه که توسط ژن های pap (phylonephritis-associated pili) کد می شود، S فیمبریه که توسط ژن های sfa کد می شود و چسبنده ی Afa که توسط ژن های afa کد می شود(آنتااو و همکاران، 2009)5. تولید توکسین ها مانند همولیزین و سایتوتوکسیک نکروز دهنده فاکتور 1(CNF1 ( باعث آسیب بافتی می شود که انتشار باکتری و ترشح مواد غذایی میزبان را تسهیل می کنند و ممکن است همچنین باعث تغییر مسیرهای انتقال پیام در میزبان شود(توماس و همکاران، 2011)6. از دیگر خصوصیات UPEC برای ایجاد عفونت مجاری ادراری سیستم اکتساب آهن است که باکتری با کمک سیدروفورها آهن را از محیط جذب می کند. ژن aer سیدروفور آئروباکتین را کد می کند (نعمتی و همکاران، 2014).
1-2- اهمیت و ضرورت تحقیق
تحقیق فوق از آن جهت حائز اهمیت نو آوری است که تاکنون در خصوص شناسایی ژن های پاتوژنیسته و ویرولوتیینگ ایزوله های جداشده از منابع یوروپاتوژن عفونت های ادراری اشرشیا کلی تحقیقی جامع در برخی بیمارستان ها از جمله بیمارستان بقیه الله (عج) تهران انجام نشده است و ما قصد داریم این تحقیق را برای اولین بار در این بیمارستان به انجام برسانیم.
1-3-اهداف تحقیق:
اهداف علمی:
تعیین فراوانی ژن های مرتبط با بیماری زایی سویه های اشرشیا کلی یوروپاتوژن جداشده از بیماران مراجعه کننده به بیمارستان بقیه الله(عج) تهران.
تعیین ویرولوتیپ های سویه های اشرشیا کلی جدا شده از بیماران بیمارستان بقیه الله (عج) تهران.
تعیین رابطه ی بین ژن های پاتوژنیسته خاص با سویه های جدا شده از اشرشیا کلی یوروپاتوژن از بیماران بیمارستان بقیه الله (عج) تهران.
اهداف کاربردی:
راه اندازی روش های سریع شناسایی ژن های پاتوژنیسته و تعیین ویرولوتیپ های سویه ها
1-4- فرضیه های تحقیق:
سویه های اشرشیا کلی یوروپاتوژن جدا شده از عفونت های ادراری دارای ژن های ویرولانس خاصی می باشند.
انتظار می رود فراوانی ژن های ویرولانس باکتری اشرشیا کلی در ایران همانند کشورهای دیگر باشد.
بین حضور ژن های خاص ویرولانس و منبع جداسازی باکتری ها رابطه وجود دارد.
1-5- تاریخچه
اشرشیا کلی اولین بار به وسیله پزشکی آلمانی به نام تئودر اشریش1شناسایی شد. او در سال 1885، این ارگانیسم را باکتریوم کلی 2 نامید و آن را به عنوان عامل بیماری زای اصلی عفونت های روده ای و برخی از عفونت های خارج روده ای معرفی کرد. نام باکتریوم کلی به طور وسیع تا سال 1919 استفاده می شد تا وقتی که کاستلائی 3 و کالمرز4جنس اشرشیا را تعریف کردند و نام اشرشیا کلی را پایه نهادند.
اشرشیا کلیارگانیسمی است که به شدت از جنبه های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. در باکتریولوژی عمومی به عنوان ارگانیسم مدل برای مطالعه ی ساختار سلولی، رشد ومتابولیسم استفاده می شود، همچنین ابزاری بسیار مهم برای کلونینگ ژن ها در سلول های پروکاریوتی و یوکاریوتی و بیان محصولات ژن ها شده است. اشرشیا کلی به عنوان ارگانیسم کنترلی جهت انجام آزمایشهای کنترلی موثر بودن عوامل ضد میکروبی و مواد ضد عفونی کننده استفاده می شود و به عنوان ارگانیسم اندیکاتور جهت تعیین آلودگی مدفوعی، مواد غذایی، آب و محیط مطرح می باشد و نقش مهمی را به عنوان فلور میکروبی روده ی انسان و حیوانات خونگرم تشکیل می دهد. کم و بیش برخی از سویه های پاتوژن های مهمی برای میزبان هایشان هستند.
1-5-1- خانواده انتروباکتریاسه
خانواده انتروباکتریاسه بزرگترین و ناهمگون ترین مجموعه ی باسیل های گرم منفی هستند که از لحاظ بالینی اهمیت دارند. حداقل 28 جنس و 7 گروه روده ای5 با بیش از 80 سویه شناخته شده است. جنس های این خانواده بر اساس خصوصیات بیوشیمیایی، ساختار آنتی ژنی و ترادف یابی اسیدهای نوکلئیک طبقه بندی شده اند. باکتری های متعلق به انتروباکتریاسه گسترش جهانی داشته و ساکن روده ی حیوانات و انسان ها هستند و گیاهان، خاک و آب را آلوده می سازند. آن ها بسیاری از بیماری های بالینی از قبیل آبسه، پنومونی6، مننزیت، سپتی سمی و عفونت های اداری را باعث می شوند(عموئیان و میبدی، 1383). باکتری های خانواده انتروباکتریاسه را به دو دسته باکتری های فرصت طلب و بیماری زای روده ای تقسیم می کنند که برخی از جنس های این خانواده مثل سالمونلا، شیگلا و یرسینا همیشه مرتبط با بیماری هستند و جز پاتوژن های روده ای می باشند ولی برخی دیگر مانند اشرشیا کلی، کلبسیلا و پروتئوس به عنوان فلور طبیعی روده بوده و با ایجاد شدن شرایطی مانند کسب ژن های بیماری زایی از طریق پلاسمید و باکتریوفاژ، به هم خوردگی فلور میکروبی، جابجایی فلور میکروبی و غیره، قدرت بیماری زایی را به دست آورده و سبب ایجاد عفونت های فرصت طلب می شوند.
1-5-2- اشرشیا کلی
اشرشیا کلی شایع ترین و مهمترین جنس در خانواده انتروباکتریاسه می باشد که در پزشکی اهمیت دارد. اشرشیا کلی باکتری بی هوازی اختیاری و بخشی از فلور فیزیولوژی روده ای در انسان و حیوانات خونگرم است اما برخی از سویه ها سبب بیماری هایی مثل پنومونی، گاستروانتریت1، بیماری های ادراری –تناسلی و سپتی سمی می شوند. چندین واریانت پاتوژن اجباری و اختیاری از اشرشیا کلی وجود دارد که باعث انواع مختلفی از عفونت های روده ای و خارج روده ای در انسان و حیوانات می شود. در سال های اخیر سویه O157:H7 اشرشیا کلی به عنوان پاتوژن مهم مشترک بین انسان و دام مطرح گردیده، که از طریق غذا منتقل می شود. این سویه عامل سندرم اورمی همولیتیک –کولیت خونریزی دهنده 2 در انسان است (عادلی، 1386).
1-5-3- طبقه بندی
برای اولین بار دسته بندی اشرشیا کلی بر اساس تیپ های متنوعی از آنتی ژن سوماتیک O توسط کائوفمن3 انجام گرفت. برخی محققین چندین گونه برای آن قائل اند : اشرشیا هرمانی4، اشرشیا دکربوکسیلاتا5، اشرشیا ولنزی6، اشرشیا فرگوسنی7، اشرشیا کلی و اشرشیا بلاته8، که بین این ها گونه اخیر از موارد انسانی جدا نشده است. در کتاب Bergeys Manual که در سال 1984 چاپ شد، بر اساس یافته های DNA در خانواده انتروباکتریاسه 20 جنس قرار گرفت (رحیمی، 1387 ).
طبقه بندی اشرشیا کلی بر دو اساس صورت می گیرد:
بر اساس ساختار آنتی ژنی
بر اساس Colicin typing (شناسایی کلی سین ها)
1-5-3-1- ساختار آنتی ژنی اشرشیا کلی
آنتی ژن های سطحی در اشرشیا کلی را می توان به وسیله آزمایش هماگلوتیناسیون نشان داد: سه نوع آنتی ژن سطحی بطور گسترده برای تعیین سروتیپ ارگانیسم های انتریک استفاده می شوند که شامل آنتی ژن های سوماتیک 1 (آنتی ژن (O، آنتی ژن کپسولی ( آنتی ژن K ) و آنتی ژن تاژکی ( آنتی ژن H ) می باشند(تصویر شماره1-1). آنتی ژنF یا فیمبریه ای، نیز جزء آنتی ژن های سطحی است که در برخی از سروتیپ ها یافت می شود.
1-5-3-2- ساختار آنتی ژن سوماتیک یا آنتی ژن O
آنتی ژن سطحی O، بخشی از لیپو پلی ساکارید 2 یا LPS جدار باکتری است. LPS، مجتمع گلیکولیپیدی جدار باکتری های گرم منفی است و از سه ساختار مشخص تشکیل شده است :
الف- هسته مرکزی پلی ساکاریدی، که یک قند 8 کربنی به نام کتودزاکسی اوکتونات است و به آنتی ژن اختصاصیO متصل می شود.
ب- لیپید A که به هسته مرکزی متصل می شود و بروز تاثیرات بیولوژیکLPS باکتری های گرم منفی ناشی از این بخش از باکتری است و درواقع اندوتوکسین باکتری محسوب می شود. لیپید A می تواند باعث تب، لوکوپنی و حتی نهایتاً مرگ شود.
ج – آنتی ژن اختصاصی O، که پلیمری از واحد های تکراری الیگوساکاریدی است و به خاطر تفاوت آن در سویه های مختلف، در تعیین سروتیپ حائز اهمیت است.
به نظر می رسد طول زنجیره جانبی اختصاصی Oو انتشار آن در سطح باکتری در مقاومت نسبت به کمپلمان نقش داشته باشد، یعنی سویه هایی که بیش از 20 درصد از زنجیره های مولکولی LPS آن ها طویل هستند نسبت به تاثیر سرم مقاومند، در حالی که سویه هایی که کمتر از 20 درصد زنجیره های مولکولی LPS آن ها طویل باشد، نسبت به سرم حساس هستند. بر همین اساس، اخیراً آنتی بیوتیک هایی طراحی شده است که با بیوسنتز پلی ساکارید مرکزی LPS تداخل می کنند.
همچنین بیان شده که در بین باکتری های روده ای، اجرامی که آنتی ژن های سوماتیک آن ها دارای گروه های فوق العاده هیدروفوبیک 3 ( قندهای دی دزاکسی ) باشند، بیماری زا تر هستند. آنتی ژن های O مقاوم به حرارت هستند و در دمای 100 درجه سانتی گراد برای 5/2 ساعت هم غیر فعال نمی شوند (کویین و همکاران، 1386)4.
آنتی ژن O در تنوع آنتی ژنی شرکت دارد و باعث القاء پاسخ های سیستم ایمنی میزبان می شود. غربالگری سروگروه های سوماتیک اشرشیا کلی یک روش متداول در شناسایی اشرشیا کلی است. به طوری که براساس آنتی ژن O اشرشیا کلی 14 سروتیپ را ایجاد می کند که شامل O1, O2, O4, O6, O7, O8, O15, O16,O18, O21, O22, O25, O75, O85 می باشند. آنتی ژن سوماتیک به عنوان آنتی ژن اختصاصی در هر جنس مطرح می باشد، اما واکنش متقاطع بین جنس های بسیار نزدیک (سالمونلا با سیتروباکتر1 و اشرشیاکلی با شیگلا) شایع می باشد (موری، 1389; بران و همکاران، 2002)2.
1-5-3-3- ساختار آنتی ژن کپسولی یا آنتی ژن k
این آنتی ژن در اکثر جنس های خانواده انتروباکتریاسه به صورت یک لایه چسبنده همگن اطراف باکتری را فرا گرفته و روی آنتی ژن O قرار دارد و نسبت به حرارت حساس است و به طور معمول برای تیپ بندی سویه ها استفاده نمی شود، اما از این جهت اهمیت دارد که ممکن است در تشخیص آنتی ژن O اختلال ایجاد کند پادگن کپسولی k که گاهی به آن پادگن پوششی هم می گویند، روی پادگن های O قرار گرفته و مانع آگلوتیناسیون 3 آن با آنتی سرمO 4 می شوند. با جوشاندن سوسپانسیون ارگانیسم به منظور از بین بردن آنتی ژن K (که حساس به حرارت است ) و باقی ماندن آنتی ژن O (مقاوم به حرارت ) در حرارت زیاد می توان بر این مشکل فایق آمد(کویا، 1998). ماهیت این گروه پادگنی پلی ساکاریدی بوده که با حرارت دادن، تغییر یافته و در نتیجه آگلوتیناسیون بین آنها رخ می دهد. در طی تحقیقات اخیر مشخص شده است که پادگن های K در سویه های خاصی از اشرشیا کلی ماهیت پروتئینی دارد. فیمبریه های K99 و K88 جدا شده از حیوانات و پادگن های عوامل سیطره ای جدا شده از انسان، مثال هایی از پادگن های K غیر پلی ساکاریدی هستند. در مجموع تعداد کمی از سویه های اشرشیا کلی دارای کپسول می باشند. پادگن های A, B, L در بیرون از جدار یاخته و پادگن O وجود دارند. در این میان باکتری های واجد پادگن نوع A کپسول دار هستند.
و باکتری های واجد پادگن های نوع Lو B تنها در محیط قنددار و در دمای 20-15 درجه سانتی گراد می توانند کپسول تولید کنند. هم اکنون حدود 180 آنتی ژن متفاوت K برای اشرشیا کلی شناسایی شده است (کوبین و همکاران، 1386; کبیر، 2010).
1-5-3-4- ساختار آنتی ژن تاژکی یا آنتی ژن H
آنتی ژن های تاژکی، پروتئین های حساس به حرارت هستند و به وسیله ی آگلوتیناسیون اسلایدی یا لوله ای با استفاده از محیط مایع یا رشد روی محیط نیمه جامد برای فعالیت سویه های بسیار متحرک مشخص می شوند. بیشتر آنتی ژن های H مختص گونه هستند و تنها در تعداد کمی ذره های مهم آنتی ژنی وجود دارند و ممکن است در باکتری وجود نداشته باشند یا دچار تغییرات آنتی ژنتیکی شوند. بیشتر این آنتی ژن ها مونوفاژیک هستند اما ندرتاً سویه های دی فازیک نیز گزارش شده است. گاهی تحرک در دمای 30 درجه سانتی گراد بهتر از 37 درجه رخ می دهد(موری، 1389; نوروزی، 1389).
1-5-3-5- ساختار آنتی ژن فیمبریه ای یا آنتی ژن F
برای مرحله ی اتصال و چسبندگی باکتری لازم هستند و جزء فاکتورهای مهم ویرولانس باکتری محسوب می شوند. معمولاً در دمای 37 درجه بیان می شوند و در دمای 18 درجه بیان نخواهند شد. آنتی ژن F پروتئین های حساس به حرارت هستند. توانایی آگلوتیناسیون گلبول های قرمز مختلف، برای توصیف ویژگی های سویه های فیمبریه دار استفاده می شود. توانایی هماگلوتیناسیون بیشتر سویه های اشرشیا کلی در حضور مانوز (هماگلوتیناسیون حساس به مانوز )کاهش می یابد مانند فیمبریه تیپ 1 علاوه براین سویه هایی که منجر به اسهال یا بیماری های خارج روده ای می شوند ممکن است فیمبریه هایی را تولید کنند که قادر به هماگلوتیناسیون در حضور قند مانوز ( هماگلوتیناسیون مقاوم به مانوز ) هستند این آنتی ژن ها به وسیله ژن های پلاسمیدی کد می شوند. از آن جایی که آنتی ژن F در سروتایپینگ باعث ایجاد واکنش متقاطع می شود بایستی از عدم حضور آن مطمئن شد. به همین دلیل یا از کشت هایی استفاده می شود که باکتری در فاز غیر فیمبریه ای 1 باشد و یا باکتری به مدت یک ساعت در دمای 100 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود تا فیمبریه ای از بین برود(تچسنوکوا و همکاران، 2013)2.
484441515951200052787551363345آنتی ژن K
00آنتی ژن K
4976495-101600آنتی ژن H
00آنتی ژن H
3014980-98425آنتی ژن O
00آنتی ژن O

تصویر شماره(1-1): شکل شماتیک از ساختار آنتی ژنی اشرشیا کلی
1-5-3-6- رده بندی بر اساس نوع کلی سین :
کلی سین ها ترکیباتی پروتئینی می باشند که همانند آنتی بیوتیک ها عمل کرده و تنها روی سویه ها ی همان گونه موثر می باشد و تولید آنها به وسیله پلاسمید کنترل می گردد. کلی سین نوعی باکتریوسین است سویه های مولد باکتریوسین ها نسبت به باکتریوسین های خود مقاوم اند بنابراین از کلی سین ها نیز می توان برای طبقه بندی اشرشیا کلی استفاده کرد.
1-6- خصوصیات مورفولوژی
اشرشیا کلی سلول های میله ای شکل با 4-2 میکرومتر طول و 5/1- 1/1 میکرومتر عرض هستند که انتهای گرد دارند و به صورت منفرد، زنجیره دوتایی و یا چند تایی قرار می گیرد. جدار سلولی این باکتری ها شامل مورئین لیپوپروتئین 1، فسفولیپید 2 و لیپوپلی ساکارید است که در واقع ساختمان جدار باکتری های گرم منفی است. لیپوپلی ساکارید دارای زنجیر اختصاصی پلی ساکاریدی است که عهده دار بروز خصوصیات پادتنی در گونه های مختلف است(کیسر و همکاران، 2005)3..
اسپور تشکیل نمی دهند، بعضی نیز زمانی که در محیط واجد قند و در دمای 20-15 درجه سانتی گراد کشت داده شوند لایه لعابی 1در اطراف خود ایجاد می کنند. حدود 80 درصد سویه های باکتری متحرکند که این امر بواسطه وجود تاژک های اطرافی 2 امکان پذیر می گردد، کپسول یا میکروکپسول های ساخته شده از پلی ساکارید های اسیدی تولید می کنند اشرشیا کلی انواع متفاوتی از پیلی را تولید می کند که از نظر ساختمانی و خصوصیات آنتی ژنی متفاوت هستند و رشته های پروتئینی مو شکلی هستند که دورتادور باکتری را احاطه کرده اند. تقریباً 80 درصد سویه های دارای فیمبریه، که اغلب از نوع فیمبریه تیپ یک است، می باشند که توان هماگلوتیناسیون و اتصال به سلول های اپیتلیال را داشته و حساس به مانوز هستند (موری، 1389).
1-6-1- خصوصیات کشت و بیوشیمیایی
اشرشیا کلی به خوبی روی محیط های معمولی آزمایشگاهی حاوی یک درصد پپتون به عنوان منبع کربن و نیتروژن رشد می کند. آن ها کموارگانوتروف 3 هستند و دو نوع متابولیسم تخمیری و تنفسی دارند و در طیف وسیعی از دما رشد کرده اما دمای مناسب برای رشد آن ها C ◦37 می باشد. با توجه به کیفیت لیپوپلی ساکارید موجود در غشای خارجی، رشد بر روی محیط جامد به ترتیب به وسیله کلنی های صاف و براق یا (S)4 و خشک و چین وچروک دار یا خشن (R)5 مشخص می شود. پرگنه های آن در محیط آگار مغذی6 صاف بوده، تحدب کمی داشته و خاکستری رنگ و شفاف است. پرگنه های نوع R این باکتری، خشک بوده و به راحتی در سرم فیزیولوژی پخش نمی شود البته حالت های بینابینی(S,R) نیز وجود دارد البته سویه های شدیداً کپسول دار، پرگنه های موکوئیدی ایجاد می کنند(کوبین، 1386; یانگ، 2011).
اشرشیا کلی کلنی های مدور، درشت، محدب و بدون پیگمان در سطح نوترینت آگار و بلاد آگار تولید می کند و بعضی از سویه ها، به ویژه سویه های مرتبط با بیماری های مجاری ادراری، در محیط ژلوز خون همولیز نوع( β ) ایجاد می کنند. سویه های اشرشیا کلی در غلظت های پایین نمک های صفراوی (5 درصد سدیم دی اکسی کلات) باقی می مانند و در محیط مک کانکی، به علت تولید لاکتوز به صورت پرگنه های صاف، شفاف، براق و صورتی رنگ رشد می کنند. اکثر موارد جدا شده متحرکند و پیگمان تولید نمی کنند.

پرگنه های این باکتری در محیط دزاکسی کلات سیترات آگار1، کوچک، صورتی و کدر است. این باکتری در محیط براث کدورت ایجاد می کند. از نظر بیوشیمیایی طیف وسیعی از قند ها را تخمیر کرده و فاقد آنزیم سیتوکروم اکسیداز بوده و اکسیداز آن منفی است. آن ها باکتری های کاتالاز مثبت، احیا کننده نیترات ( به جز اروینیا) 2 بی هوازی اختیاری و غیر هاگدارند. در جداسازی اولیه از نمونه های درمانگاهی تخمیر یا عدم تخمیر گلوکز توسط این باکتری ها اهمیت دارد و به همین علت به دو گروه لاکتوز مثبت و لاکتوز منفی تقسیم می شوند. اشرشیا کلی قادر است از استات 3 به عنوان منبع کربن استفاده کند، اما قادر به استفاده از سیترات 4 نیست، لذا از محیط سیمون سیترات برای شناسایی آن استفاده می شود. این باکتری گلوکز و سایر کربوهیدرات را تخمیر کرده و پیرووات تولید می کند سپس آن را به اسیدهای لاکتیک، استیک و فرمیک تبدیل می کند قسمتی از اسیدفرمیک تولید شده، طی سیستم پیچیده هیدروژن لیاز5 به مقادیر مساوی از H2,CO2 تبدیل می شود. اشرشیا کلی ژلاتین را ذوب کرده و معمولاً آنزیم تریپتوفاناز داشته و به همین دلیل اندول تولید می کند آزمایش VP6 آن منفی و MR7 آن مثبت است که این آزمایش در تمایز این باکتری از آنتروباکتر آئروژناز اهمیت فراوان دارد. همچنین این باکتری قادر به تجزیه اوره نمی باشد. به طور کلی برای تمایز باکتری های روده ای از فرمول IMViC استفاده می شود که بدین ترتیب می توان این باکتری را از کلبسیلا، آنتروباکترها و سایر کلی فرمهای خاک و گیاهان متمایز نمود (تسلی و هکی، 2005).
1-6-2- مقاومت
به علت عدم تولید هاگ در جنس های مختلف این خانواده مقاومت آنها کم بوده و به راحتی به وسیله حرارت و مواد ضد عفونی کننده و باکتری کش نظیر مواد فنلی، فرمالدهید و ترکیبات هالوژنی از بین می روند. کنترل این اجرام در مواد غذایی به وسیله پاستوریزاسیون، حرارت پخت و نگه داری غذا در یخچال های خاص امکان پذیر است. البته اشرشیا کلی نسبت به بسیاری از سویه های دیگر خانواده انتروباکتریاسه، نسبت به حرارت مقاومت بیشتری دارد و در C°60 به مدت 15 دقیقه و درC °55 به مدت 60 دقیقه زنده باقی می ماند.
این باکتری ممکن است در آب به مدت هفته ها یا ماه ها زنده بماند اما در مایعات طبیعی خارج از بدن رشد نمی کند، همچنین باکتری برای چند روز در غبار یا بر روی پارچه ممکن است زنده باشد و سروتیپ های بیماری زا ممکن است در هوا یا روی وسایل بیمارستانی بقا یابند(گیراردیو و همکاران، 2005)1.
1-6-3- ژنتیک
برای چندین دهه اشرشیا کلی به عنوان ارگانیسم مدل برای مطالعه ژنتیک باکتری ها به چندین دلیل استفاده می شود :
نداشتن احتیاجات غذایی و رشد اختصاصی
در دسترس بودن، آسانی استفاده و غیر بیماری زا بودن
تکثیر سریع و زمان دو برابر شدن کوتاه که حدود 20 دقیقه می باشد.
ژنوم E.coli یک تک کروموزوم حلقوی DNA، به طول5/5 -5/4 mb می باشد. بنابراین این ارگانیسم هاپلوئید است، هر چند یک کپی از بخشی از کروموزوم آن می تواند بر روی پلاسمید های آن حمل شود، اشرشیا کلی معمولاً دارای تعدادی DNA ی حلقوی خارج کروموزومی به نام پلاسمید می باشد. بسیاری از سویه های اشرشیا کلی پلاسمیدهای خارج کروموزومی را حمل می کنند که می توانند کونزوگاتیو و انتقال پذیر یا غیر قابل انتقال باشند. تیپ دیگری از پلاسمید ها که در حدود 30 درصد از تیپ های وحشی اشرشیا کلی یافت می شوند، فاکتور کلی سین 2 است. کلی سین ها توکسین های هستند که توسط یک باکتری تولید شده و باکتری های دیگر را می کشند .حداقل 20 تیپ مجزای از پلاسمیدهای کلی سین که برخی از آنها انتقال پذیر هستند، در سویه های اشرشیا کلی یافت شده است.
1-7- بیماری زایی اشریشیاکلی
اکثر سویه های اشریشیاکلی به صورت همسفره یا کامنسال در دستگاه گوارشی انسان و دام ها حضور دارند. اما برخی از آن ها بیماری زا بوده و قادرند بیماریهای گوارشی و غیر گوارشی ایجاد نمایند. سویه های بیماری زا قابلیت تولید و نمود طیف وسیعی از عوامل حدت را دارند که بر این اساس به پاتوتیپ های مختلفی تقسیم می شوند..
1-7-1- فاکتور های حدت
اهمیت هر کدام از عوامل حدت به وضعیت میزبان، محل عفونت و توان ژنتیکی سویه خاص بستگی دارد که بسته به سویه توسط پلاسمید 1و یا کرومزوم کد می شود(بیلاوسکا و همکاران، 2004)2.
1-7-1-1- کپسول
اشرشیا کلی ممکن است باعث ایجاد عفونت های گوارشی و خارج گوارشی گردد، بطور کلی سویه هایی که عفونت غیرگوارشی ایجاد می کنند کپسول دار هستند. کپسول یکی از مهمترین سویه هایی که عفونت غیرگوارشی ایجاد می کنند کپسول دار هستند. کپسول یکی از مهمترین عوامل حدت است که جرم پاتوژن را قادر می سازد تا در مراحل اولیه عفونت (که هنوز ایمنی ایجاد نشده است) بتواند از فعالیت سیستم ایمنی غیراختصاصی فرار کند که این عمل از طریق تعارض با فاگوسیت ها و فعالیت عامل کمپلمان امکان پذیر می گردد. البته این اثرات موقت بود و در مرحله ایمنی3، سیستم دفاعی با تولید پادتن اختصاصی ضدکپسول، قادر به حذف جرم می گردد. کپسول این باکتری را به دو دسته تقسیم می کنند که براساس تفاوتهای بیوشیمیایی است(جانسون و آدم، 2000)4.
1-7-1-2- آندوتوکسین 5
دیواره سلولی باکتری های گرم منفی است، که در اثر مرگ (LPS) ترکیب لیپوپلی ساکاریدی از لیپوپلی ساکارید است. نقش A سلول آزاد می شود. فعالیت این توکسین وابسته به لیپید آندوتوکسین در بیماری، تب زایی، آسیب آندوتلیالی و به دنبال آن انعقاد داخل عروقی منتشر (DIC)6 و شوک آندوتوکسیک است. این اثرات اهمیت زیادی در بروز بیماری های سپتی سمی دارند.
1-7-1-3- پروتئین های اتصالی فیمبریه ای 7
سویه های اشرشیا کلی مقدار زیادی ادهسین 8های اختصاصی دارد.
این ادهسین ها عبارت اند از: آنتی ژن های فاکتور کلونیزاسیونCFA/I, CFA/II,CFAIII))، فیمبریه های چسبنده (AFA/III و AFAI) و پیلی های تولید کننده کلاف (BFP)، اینتیمین 1، پیلی P، پروتئین IPA و فیمبریه های Dr (موری، 1389).
عوامل چسبنده سطحی، فیمبریه ها و سایر عوامل سطحی ادهسین نامیده می شود. در یک تقسیم بندی، فیمبریه ها را به دو قسمت تقسیم می کنند: فیمبریه های مقاوم به مانوز 2 و فیمبریه های حساس به مانوز 3، فیمبریه های حساس به مانوز قادرند به رسپتور هایی از سلول میزبان متصل گردند، که واجد مانوز باشند. این فیمبریه ها را، فیمبریه تیپ I یا پیلی مشترک 4 نیز می نامند زیرا بر روی اکثر سویه های اشرشیا کلی یافت می شوند. فیمبریه تیپ I در سیطره یافتن باکتری در غیاب سایر فیمبریه ها اهمیت دارد و برای آنها هیچ عملکرد پاتوژنی تعیین نشده است. عوامل سطحی که با ادهسین های مقاوم به مانوز مرتبط هستند، همگی در جایگزینی سویه های بیماری زا در بافت های مختلف میزبان نقش مهمی را ایفا می کنند و در سویه های بیماری زا دیده می شوند. فیمبریه تیپ I بیشترین اهمیت را در کلونیزاسیون باکتری در مثانه و کلیه دارد.
1-7-1-4- اگزوتوکسین ها
اثرات پاتولوژیک عفونت های حاصل از اشرشیا کلی های بیماری زا، به غیر از مواردی که مربوط به آندوتوکسین هاست، عمدتاً مربوط به تولید آنتروتوکسین ها، وروتوکسین ها 5و یا عوامل نکروز کننده سمیت یاخته ای 6 می باشد. بر خلاف آنتروتوکسین ها که تنها روی فعالیت عملکردی آنتروسیت ها موثرند، وروتوکسین ها و عوامل نکروز کننده ی سمیت یاخته ای آسیب های سلولی قابل مشاهده در محل عمل خویش ایجاد می کنند.

1-7-2-1- انتروتوکسین ها
انتروتوکسین ها سموم پروتئینی هستند که عملکرد مجاری گوارشی را تحت تاثیر قرار می دهند و شامل توکسین های مقاوم به حرارت (STa,STb)1و توکسین حساس به حرارت (LT1-LT2 )2 می باشند.
1-ST : خانواده ای از توکسین های کوچک مقاوم به حرارت و غیر آنتی ژنی هستند که به دو گروه محلول در متانول (STa یاST1 ) و غیر محلول در متانول (STb یا ST2) تقسیم می شوند. STa آنزیم گوانیلات سیکلاز 3را در سلول های اپیتلیال پرزهای روده فعال کرده و سبب افزایش GMP حلقوی در سلول های پرزهای ایلئوم و ژوزنوم می شود که این عمل باعث افزایش ترشح مایعات و در نتیجه عدم جذب سدیم و کلر توسط پرزهای روده شده و به همین دلیل با افزایش مایعات در روده اسهال رخ می دهد. مکانیسم عمل STb شناخته نشده است و تاثیری روی GMP حلقوی ندارد و فقط افزایش ترشح کربنات ها را بیش از کلرایدها باعث می شود(فروست . همکاران، 2014).
2-LT: آنتروتوکسین حساس به حرارت است که توسط پلاسمید رمز می شود. از نظر ساختاری مشابه توکسین کلرا هستند و به دو نوع LT1 و LT2 تقسیم می شوند. این توکسین ها به وسیله انکوباسیون در 100 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه غیر فعال می شوند و از نظر ساختاری بسیار شبیه سم کلرا می باشند به گانگلیوزید GM1 در سلول های مخاطی روده اتصال می یابد. بعد از ورود، باعث فعال کردن آدنیلات سیکلاز4 می شود که در نتیجه آن میزان AMP حلقوی داخل سلول افزایش می یابد و منجر به ترشح زیاد سدیم، کلر و آب از سلول به داخل روده باریک می گردد. LT2 رسپتورهای مختلفی دارد و عمدتاً در سویه هایی با منشا حیوانی یافت می شود.
1-7-2-2- سیتوتوکسین ها
گروه دوم از توکسین های تولید شده توسط اشرشیا کلی سیتوتوکسین ها می باشند که توسط پاتوتیپ NTEC تولید می شوند و به سه دسته ی اصلی تقسیم شده اند :
توکسین CNF1 : فاکتور سیتوتوکسینی نکروز دهنده 1
توکسین CNF2 : فاکتور سیتوتوکسینی نکروز دهنده 2
توکسین CDT: توکسین تورم دهنده کشنده سلول (ادیب فر، 1383)
1-7-2-3- وروتوکسین ها
این سم از نظر ساختاری و عملکردی و آنتی ژنی شبیه به سم شیگا (STx1,STx2)1، در شیگلا دیسانتری است و به همین علت توکسین شبیه شیگلا یاSLT 2 نامیده می شود. این نوع توکسین ها حساس به حرارت بوده و برای سلول های کشت سلولی ورو 3خاصیت کشندگی دارند. توکسین های SLT بر دو نوع است:
1) توکسین SLT1 : فقط دارای یک نوع پادتن است که فعالیت آن توسط آنتی بادی اختصاصی توکسین شیگلا خنثی می شود.
2) توکسین SLT2 : گروهی از توکسین ها هستند که از نظر پادتنی ارتباط نزدیک با هم دارند و با توکسین شیگلا و آنتی بادی اختصاصی SLT خنثی نمی شوند. سویه های تولید کننده توکسین در انسان سبب اسهال، کولیت هموراژیک و سندرم همولیتیک- اورمیک می شود، که با اسهال همراه است علت این علائم به درستی مشخص نیست، اما محققین بر این باورند که وروتوکسین به سلول های اندوتلیال آسیب می زند که منجر به کاهش تولید پروستاگلاندین I2 می شود(ادیب فر، 1383).
1-7-2-4- آلفا همولیزین ها
آلفا همولیزین ها، اگرچه اغلب شاخص مفیدی برای بیماری زایی در سویه های خاص اشرشیا کلی است، اما ظاهراً به طور مستقیم با بروز بیماری زایی مشارکت ندارند.عمل آلفا همولیزین میزان دسترسی اجرام مهاجم به آهن را بالا می برد. این آنزیم توسط سویه های یوروپاتوژن اشرشیا کلی ترشح می شود و توکسینی است که باعث آسیب بافتی میزبان و تسهیل انتشار باکتری می گردد و در پاتوژنز باکتری نقش دارد.
1-7-2-5- سیدروفورها4
مولکول های متصل به آهن مانند آئروباکتین 5 و آنتروباکتین 6 به وسیله ی برخی از سویه های بیماری زایی اشرشیا کلی، سنتز می گردند. زمانی که میزان آهن در دسترس بافتی پایین باشد، این مولکول ها با اتصال به آهن موجبات ادامه ی حیات باکتری را فراهم می نمایند. باکتری ها به واسطه تولید ترکیبات ترشح کننده آهن مانند آئروباکتین با پروتئین های ترشح کننده آهن موجود در بدن رقابت کرده و آهن را از آنها می گیرد.
1-7-3- تغیر فاز آنتی ژنی
بیان آنتی ژن ها کپسولی و تاژکی تحت کنترل ژنتیکی ارگانیسم می باشد. هر یک از این آنتی ژن ها می توانند بیان شده یا بیان نشوند (تغییر فاز) و این ویژگی باکتری را در برابر مرگ به واسطه آنتی بادی ها حفاظت می کند.
1-7-3-1- سیستم ترشحی نوع III
این سیستم، سیستم موثری برای ارسال فاکتور های حدت به داخل سلول یوکاریوتی هدف می باشد و متشکل از 20 پروتئین می باشد که هنگام تماس باکتری با سلول، ترشح فاکتور های حدت باکتری را به داخل سلول هدف تسهیل می کند. در فقدان این سیستم باکتری بیماری زایی خود را از دست می دهد.
1-7-4- بیماری در انسان
سویه های اشرشیا کلی می توانند سبب انواع مختلفی از بیماری ها مانند سپتی سمی1، پنومونی2، مننژیت 3، عفونت های کلیه و مثانه4، سندرم اورمی همولیتیک یا HUS و اسهال در انسان گردند. بر اساس ظهور علائم کلینیکی اشرشیا کلی های پاتوژن به گروه های مختلفی تقسیم می شوند.
اشرشیا کلی های پاتوژن روده ای
اشرشیا کلی های پاتوژن خارج روده ای
1-7-4-1-پاتوتیپ های اشرشیا کلی های پاتوژن روده ای
تاکنون چندین پاتوتیپ اشرشیا کلی اسهال زا در انسان و دام ها شناخته شده است (موری، 1389)
اشرشیا کلی انتروتوکسیژن (ETEC)1
اشرشیا کلی انتروپاتوژن (EPEC)2
اشرشیا کلی انترواگرگتیو (EAEC)3
اشرشیا کلی انتروهموراژن (EHEC)4
5 - اشرشیا کلی انتروانیواسیو (EIEC)5
1-7-4-2- پاتوتیپ اشرشیا کلی توکسین زای روده ای (ETEC)
اشرشیا کلی انتروتوکسیژن ETEC)) به سویه هایی از اشرشیا کلی اطلاق می گردد که قابلیت تولید حداقل یکی از دو نوع انتروتوکسین حساس به حرارت یا LT و مقاوم به حرارت یا ST را دارا می باشد. سویه های ETEC توسط پیلی های خاص به دیواره روده می چسبند و سپس از طریق توکسین باعث ایجاد اسهال می شوند. سویه های ETEC اولین بار در اسهال حیوانات و سپس در انسان نیز مشاهده شدند. این ارگانیسم تولید دو نوع انتروتوکسین می نماید که توسط ژن های موجود بر روی پلاسمید کد می شود و می تواند با تولید این انتروتوکسین باعث ترشح مایعات به داخل روده شده و اسهال آبکی ایجاد نماید. این سویه ها یکی از اصلی ترین عوامل اسهال در مسافران می باشند. سویه های ETEC هم در بزرگسالان و هم در کودکان به ویژه شیرخواران اسهال وبایی شکل به صورت اسپورادیک و اپیدمیک به وجود می آورد ولی شدت بیماری از وبا کمتر است گاستروانتریت ایجاد شده توسط گروه ETEC به واسطه تولید انتروتوکسین های حساس به حرارت LT-II,LT –I و مقاوم به حرارت ST می باشد LT-I از نظر ساختاری و عملکرد بسیار شبیه به کلراتوکسین بوده و عامل بیماری در انسان می باشد در حالی که LT-II عامل بیماری در انسان نیست. آب و مواد غذایی آلوده از مهمترین عوامل انتقال بیماری می باشد.اسهال ایجاد شده توسطETEC خود محدود کننده می باشد و پس از دو یا سه روز بهبودی حاصل می گردد و موارد مرگ و میر صرفاً در کودکان شیر خوار در کشور های در حال توسعه مشاهده می شود.
1-7-4-3- پاتوتیپ اشرشیا کلی بیماری زا ی روده ای EPEC
اشرشیا کلی انتروپاتوژن (EPEC) عامل بیماری اسهال نوزادان در کشورهای در حال توسعه بوده و از قدیمی ترین پاتوتیپ های شناسایی شده اشرشیا کلی می باشند که در روده کوچک تکثیر یافته و اساساً باعث اسهال حاد و غیر خونی می گردند. اغلب عفونت های EPEC در طول سه سال اول زندگی رخ می دهد و سویه های EPEC به ندرت باعث اسهال بعد از یک سالگی می شود و تقریباً همه بیماران 6 ماهه و یا کوچکتر می باشد. سویه های EPEC قبلاً با شیوع اسهال در شیرخواران کشورهای توسعه یافته در ارتباط بوده است. این ارگانیسم از طریق اتصال به دیواره روده باعث بهم ریختگی ساختار در سلول گردیده و منجر به ایجاد ضایعات هیستوپاتولوژیک A&E 1 در سطح روده می شود و با این عمل پدیده جذب و دفع روده مختل می گردد.
شایع ترین سروگروه های EPEC که عامل اصلی اسهال در انسان شناخته شده اند شامل O142, O85, O86, O111ab, O119, O125ac,O55, O127, O126, O128ab, O114 می شود. انسان مخزن اصلی این پاتوتیپ ها بوده است و در سال 1995 این سویه ها به دو دسته ی مجزا تقسیم شده اند:
سویه های انتروپاتوژن تیپیک2 : به سویه هایی از سروگروپ های بالا اطلاق می شود که دارای دو ژن به نام های eae (ژن کدکننده پروتئین غشای خارجی) و bfp3 ( ژن کد کننده پیلی) می باشند.
سویه های انتروپاتوژن آتیپیک4 : به سویه هایی از سروگروپ های بالا اطلاق می شود که دارای ژن eae بوده و فاقد ژن bfp می باشند.
مطالعات اپیدمیولوژی بیانگر این امر می باشند که سویه های آتیپیک در کشورهای پیشرفته و صنعتی شایع هستند در حالیکه سویه های تیپیک در کشورهای در حال توسعه شیوع دارند. در کشور ما ایران مطالعات موجود نشان می دهد که سویه های تیپیک و هم آتیپیک از موارد اسهال جدا می شوند.
1-7-4-4- پاتوتیپ اشرشیا کلی انترواگرگتیو(EAggEC)
پاتوتیپ اشرشیا کلی انترواگرگتیو عامل ایجاد اسهال آبکی پایدار نوزادان در کشورهای در حال توسعه و اسهال مسافرین در این کشورها است. این سویه ها به وسیله الگوی چسبندگی آجری شکل بی نظیری که طی 6 ساعت بعد از کشت در سلول های کشت سلولHEP-2 1 ایجاد می کنند، شناسایی می شوند. این فرایند توسط شماره یک چسبنده ایجاد کننده تجمع صورت می گیرد که باعث حفاظت از باکتری در برابر آنتی بیوتیک ها و فاگوسیتوز می شود(جودیت و مازنر، 1373; کوبین و همکاران، 1386). بنابراین می توان تست HEP-2 را به عنوان روش استاندارد طلایی برای شناسایی سویه هایی (EAggEC) دانست. این باکتری با CFA2 مقاوم به قند مانوز مشخص می شود. این ارگانیسم ژن های eae را ندارد و ضایعات A&E را ایجاد نمی کنند.
سویه های (EAggEC) به عنوان یک پاتوژن نوظهور با شیوع روزافزون شناخته شده و همچنین به عنوان دومین عامل اتیولوژی از راه مدفوعی-دهانی انتقال می یابد و مکانیسم بیماری زایی پیچیده ای دارد. پاتوژنز این سویه ها شامل سه مرحله است:
اتصال به لایه موکوس روده توسط پیلی خاص (AAFs)3
تولید موکوس توسط باکتری و سلول های میزبان که باعث ایجاد بیوفیلم بر روی سطح، آنتروسیت های روده می شود.
تولید و آزادسازی توکسین های مختلف و بروز پاسخ های التهابی که در نهایت توکسیسیتی موکوس و ترشح روده را سبب می شود. این باکتری توکسین شبیه ST4 یا EAST5 و همولیزین تولید می کند.
1-7-4-5- پاتوتیپ اشرشیا کلی انتروهموراژیک (EHEC)
سویه های اشرشیا کلی انتروهموراژیک (EHEC) از جمله زیر گروه های اشرشیا کلی تولید کننده ی شیگا توکسین می باشند که باعث ایجاد کولیت هموراژیک6 و سندرم همولیتیک اورمیک در انسان می شوند. مهمترین سروتیپ شایع، O157:H7 می باشد که باعث اپیدمی و مرگ و میر می شود، از طرف دیگر سویه های تولید کننده شیگا توکسین دیگری هستند که به سروتایپ های دیگر متعلق می باشند.
و اصطلاحاً به آنانNon O157:H7 می گویند. دام ها از مهمترین منابع عامل بیماری می باشند. یکی از فاکتورهای حدت سویه های (EHEC)، تولید توکسینی مشابه با شیگا توکسین است که دارای اثرات سیتوتوکسیک روی سلول های ورو می باشد به همین خاطر این ارگانیسم ها اشرشیا کلی تولید کننده وروتوکسین یا VTEC 1یا اشرشیا کلی تولید کننده ی شیگاتوکسین STEC2هم نامیده می شوند(واکر، 1386; ارن، 2006). مخزن اصلی سویه های VTEC مجاری معدی-روده ای گاو و دیگر حیوانات مزرعه و انسان است لذا آلودگی انسان با این سویه ها معمولاً مربوط به مصرف گوشت گاو آلوده یا نیم پز، شیر غیر پاستوریزه، آب و سبزیجات آلوده به مدفوع است. در سال های اخیر، تماس مستقیم یا غیر مستقیم با حیوانات یا مدفوع آنها به خصوص گاوها به عنوان مهمترین راه انتقال بیماری به انسان شناسایی شده است(بیسر و همکاران، 1993)3.
1-7-4-6- پاتوتیپ اشرشیا کلی انترواینواسیو(EIEC):
سویه های اشرشیا کلی انترواینواسیو، می توانند هم اسهال آبکی و هم اسهال خونی که شبیه دیسانتری می باشد ایجاد نمایند. سویه های (EIEC) از نظر خواص بیوشیمیایی، ژنتیکی و پاتوفیزیولوژی شبیه به سویه های شیگلا می باشند. این سویه ها، لیزین را دکربوکسیله نمی کنندو معمولاً لاکتوز را تخمیر نکرده یا دیر تخمیر می کنند. اکثر آن ها غیر متحرک هستند و آنتی ژن O مشابه با آنتی ژن های خاص شیگلا دارند. سویه های (EIEC) به واسطه ی خصوصیات تهاجمی داشتن شناسایی می گردند. سویه های اشرشیا کلی انترواینواسیو جزء سروتیپ های O124, O143, O164 می باشند. این باکتری قادر است به اپی تلیوم روده بزرگ تهاجم نموده و آن ها را تخریب کند و موجب بیماری شود. در ابتدا اسهال آبکی است اما به زودی مشابه اسهال دیسانتری باسیلی شد و خون و موکوس در مدفوع دیده می شود(جودیت و مازنر، 1373; کوبین و همکاران، 1386).
1-8- عفونت های اشرشیا کلی های خارج روده ای
برخلاف اشرشیا کلی های مسئول بیماری های اسهالی، باکتری های خارج روده ای یا ExPEC4باکتری های کومنسال روده ی انسان و حیوانات هستند و تنها وقتی که وارد خون، مایع مغزی و نخاعی یا CSF یا مجاری ادراری شوند، به پاتوژن های حاد تبدیل می شوند. سویه های ExPEC منجر به سندرم های کلاسیک مثل UTI، باکتریمی یا مننژیت نوزادی می گردند. عفونت های ناشی از ExPEC به وسیله سه پاتوتیپ مجزا از اشرشیا کلی ایجاد می شوند :
1. اشرشیا کلی یوروپاتوژن UPEC))
2. سویه های اشرشیا کلی مسئول در مننژیت نوزادی MAEC))
3. سویه های اشرشیا کلی که سپتی سمی در انسان و حیوان ایجاد می کنند (تاج بخش، 1380; ژئوف و همکاران، 1383; دیویدسون، 1383)
1-8-1-1- باکتریوری و مننژیت اشرشیا کلی MAEC))1
اشرشیا کلی یکی از بیشترین موارد باکتری های گرم منفی مسئول باکتریوری در انسان است. مننژیت های MAEC در هر گروه سنی رخ می دهند، عفونت های اولیه مننژیت نوزادی معمولاً از راه انتقال عمودی از مادر و در حین زایمان یا در موارد نادری از عفونت های بیمارستانی ناشی می شوند. مادامی که باکتریوری در خلال UTI رخ می دهد. خصوص هنگامی که انسداد مجاری ادراری وجود داشته باشد، باکتریوری گسترش یافته و منجر به مننژیت می گردد. سویه های MAEC معمولترین باکتری های گرم منفی هستند که می توانند سبب مننژیت در انسان گردند. در مننژیت های اشرشیا کلی فاکتور اتصالی اصلی برای اتصال باکتری به سلول های آندوتلیال مغز، فیمبریه S می باشد.
1-8-1-2- سپسیس2
سپسیس ناشی از اشرشیا کلی معمولاً به دنبال عفونت های UTI رخ می دهند و در زنان بیش از مردان دیده می شوند. در بیش از 85 تا 95 درصد بیماران مبتلا به سپسیس، بیماری های کبدی، بدخیمی های خونی، تومور و دیگر سرطان ها نیز رایج است. سپسیس و مننژیت اغلب ناشی از سویه های اشرشیا کلی دارای آنتی ژن کپسولی K1 می باشند.
1-8-1-3- التهاب مثانه3
التهاب مثانه ناشی از اشرشیا کلی، معمولاً با سوزش حاد حین دفع ادرار و درد کمر مشخص می شود. در حالی که پیلونفریت، قسمت های بالاتر مجاری ادراری (کلیه ها و لگنچه )را درگیر می کند و ممکن است آرام یا با تهوع و استفراغ همراه با سپسیس رخ دهد.
1-8-1-4- سپتی سمی
هنگامی که دفاع طبیعی بدن میزبان ضعیف است اشرشیا کلی به خون وارد شده و باعث سپتی سمی می شود. اشرشیا کلی ممکن است باعث آرتریت چرکی، آبسه های پیش کلیوی، اندوکارویت، استئومیلیت، سینوزیت، آبسه های مغزی، پنومونی و سایر عفونت ها شود.
1-8-2- عفونت های مجاری ادراری UTI))

–248

عنوان صفحه
2-15-5 دزاکسی ریبونوکلئوزید تری‌فسفات‌ها 34
2-15-6کلرید منیزیم 34
2-15-7 بافر 35
2-15-8 مراحل تکثیر 35
2-16 درخت فیلوژنتیک 35
فصل سوم: مواد و روش ها37
3-1مطالعه منابع 38
3-2مطالعه هر بار یومی 38
3-3استفاده از DNA در سیستماتیک مولکولی 38
3-4بررسی روابط فیلوژنی بر اساس صفات مولکولی 40
3-4-1استخراج DNAاز برگ 40
3-4-2تکثیر قطعات مورد نظر با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمر از 42
3-4-3الکتروفورزژل آگارز 43
3-4-4تعیین توالی مناطق تکثیر شده 45
3-5آنالیز فیلوژنی 45
3-5-1روش ماکزیمم پارسیمونی 46
3-5-2روش Bayesian 46
3-5-3مقایسه دو روش آنالیزی ماکزیمم پارسیمونی و Bayesian 47
فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری49
4-1 انالیز ماکزیمم پارسیمونی 50
4-2 انالیز Bayesian 52
4-3 فیلوژنی قبیله Cynoglosseae 54
4-4 روابط فیلوژنی جنس Rindera 55
منابع 61
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 7
شکل 1-2 8
شکل 1-3 25
شکل 1-4 28
شکل 1-5 39
شکل 1-6 44
شکل 1-7 44
شکل 1-8 45
شکل 1-9 45
شکل1-10 51
شکل1-11 53
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1 گزارش عدد پایه کروموزومی تعدادی از گونه های Boraginaceae در ایران 24
جدول 1-2 مقایسه دریچه دانه گرده بین قبیله های Boraginaceae s.str 26
جدول 1-3 تاکسون های مورد استفاده برای تکثیر قطعه - جدول nrDNA ITS 40
جدول 1-4 توالی آغازگر های مورد استفاده برای تکثیر قطعه - جدولnrDNA ITS 42
جدول1-5 ترکیبات مورد استفاده برای مخلوط کلیpcr 42
جدول 1-6 برنامه مورد استفاده برای واکنش PCR قطعه ITS nrDNA 43
چکیده
تیره گاوزبان دارای 100 جنس و 1600 گونه بوده و دارای پراکنش جهانی می باشد. این تیره هم اکنون در گروه EuasteridsI واقع شده ودر بین راسته های این گروه جایگاهی ندارد. از مهمترین قبیله های تیره
s. str Boraginaceae در ایران، می توان قبیله هایBoragineae, Lithospermeae, Cynoglosseae, Echiochileae, Echieae, را نام برد در تحقیق حاضر 5گونه با استفاده از توالی nrDNAITS، به روش بیشنه صرفه جویی (mp: Parsimony Maximum) تعبیه شده در نرم افزار PAUP*4.0b10 و همچنین با روش Bayesian با نرم افزارVersion3.12 Mr Bayes آنالیز شدند. توالی همردیف سازی شده nrDNAITS دارای 658 جایگاه نوکلئوتیدی می باشد. که از این توالی ITS نشان داد جایگاه 146 جایگاه برای توالی nrDNAITS اطلاعاتی می باشد آنالیز انجام شده بر اساس داده های توالی ITS نشان داد،، قبیله Cynoglosseae تک تبار نمی باشداز این قبیله 5 گونه از جنس Rinderaو 3 گونه از جنس Cynoglossum آنالیز شدند و دو گونه از قبیله Lithospermeae مورد آنالیز قرار گرفتند .
و دو گونه HeliotropiumBacciferum, TournefortiaRubicunda به عنوان برون گروه قرار گرفتند قبیله Cynoglesseae دارای فندقه های خاردار است که در سطح پشتی – شکمی تخت و گاهی در حاشیه بالدارند در آنالیز انجام شده نشان داده شد که بین گونه های جنس Rindera روابط حل نشده است وبا جنس Cynoglossum در یک کلاد با حمایت قوی قرار گرفته اند
کلمات کلیدی: توالی هسته ای nrDNA ITSفیلوژنی مولکولی، Cynoglesseae ،Rindera ، تیره گاوزبان
534670108585فصل اول
مقدمه
00فصل اول
مقدمه

1-1تیره گاو زبان (Boraginaceae)
تیره Boraginaceae یا گاوزبانیان یکی از تیره های بزرگ گیاهان و دولپه های حقیقی است. جنس معروف آن Borago است که ازکلمات لاتین Bor و ago به معنای من محرک قلبم مشتق شده و از این نظر که گیاهان این تیره دارای اثر درمانی روی قلب می باشند، تیره را به این نام نامیده اند (خوش سخن، 1388)
تیره Boraginaceae در کلاد Euastrid I (Lamiids) قرار می گیرد که در حال حاضر در میان هیچ یک از راسته های این کلاد جای نگرفته است (APG III 2009) تیره Boraginaceae (subfamily Boraginaceae) دارای 100 سرده و حدود 1600 گونه در دنیا با مراکز پراکنش در اوراسیا می باشد (Weigend et al., 2010)
در فلور ایران Boraginaceae s.I دارای 41 سرده و 218 گونه و Boraginaceae s.str دارای 36 سرده و حدود 180 گونه است. (Khatamsaz, 2002)
در تیره Boraginaceae s.i دو جنس Onosma و Heliotropium بیشترین گونه ها را دارند. تقریبا درتمامی مناطق کشور و در رویشگاه های مختلف پراکنده شده اند. در مناطق کویری و کوهستانی دیده می شوند و گونه هایی از آنها نیز به صورت علف های هرز مزارع و یا در مجاورت مناطق مسکونی و زمین های مخروبه می رویند (kazempour Osaloo,1993)
تیره Boraginaceae s.str شامل یک سری گونه های علفی دو جنسی، ندرتا درختی و درختچه ای اغلب با پوششی از کرک یا موهای زبر، برگ ها معمولا ساده و بدون گوشواره، گل آذین گرزن دم عقربی ساده یا مرکب یا خوشه ای، کاسه گل 5 قسمتی، اغلب بعد از گلدهی وسیع شده، جام گل 5 لبه، منظم یا به ندرت نامنظم، معمولا با لوله مشخص، محل اتصال لب ها به لوله جام اغلب زائده دار، پرچم ها 5 عدد، متصل به سطح بیرونی جام، تخمدان فوقانی، 2 برچه و 4 خانه، خامه منفرد، 2-1 کلاله، جفت بندی قاعده ای، میوه شیزوکارپ معمولا با 4 فندقه می باشند.
این تیره دامنه تنوع وسیعی را به ویژه در ویژگی های میوه وگل نشان می دهد. به همین دلیل تا به حال به صورمختلف رده بندی شده است.
اهداف تحقیق
1.تعیین حدود گونه ای این جنس با استفاده ازتوالیDNA
2.مقایسه نتیجه حاصله با داده ی مورفولوژی
3.بازسازی مولکولی وتعیین حدود جنس Rinderaبااستفاده ازتوالی DNA
687070133350فصل دوم
مرور بر منابع

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

00فصل دوم
مرور بر منابع

2-1موقعیت تاکسونومیکی تیره Boraginaceae
این تیره در طبقه بندی های دالگرن (Dahlgren,1989) و تختاجان (Takhtajan,1997) در راسته Boraginales براساس نظر کوانکوئیست (Cronquist,1988) در راسته Lamiales و برطبق رده بندی تورن (Thorne,1983) در راسته Solanales قرار می گیرد.
اکنون تیره گاوزبان براساس بررسی های مولکولی در گروه Euasterids I قراردارد و فعلا در میان راسته های گیاهی موجود جایگاهی ندارد (APG III 2009) شکل (1-1)
Euastrids I یک نام غیر رسمی است که برای یک گروه تک تبار شامل چهار راسته به کار می رود Solananles,Gentianales,Lamiales,Garyales به اضافه تعدادی تیره که در راسته های این گروه جایی ندارند. مثل (APG III 2009)Boraginaceae شکل (1-1)
گورکه (Gurke, 1897) جانسون (Jahnston, 1951) و کرانکوئیست (Cronquist, 1981) تیره مذکور را براساس ویژگی های میوه به عنوان یک واحد طبیعی از گروه های خویشاوند مشتمل بر چهار زیر تیره
Heliotropioideae ,Ehretioideae ,Cordioideae ,Boragionideae در نظرگرفتند.
هم اکنون تیره گاو زبان با 4 زیر تیره ذکر شده، به عنوان Boraginaceae sensu lato در نظرگرفته می شود.
Boraginaceae sensu stricto فقط شامل زیر تیره Boraginoideae می باشد و زیر تیره های دیگر به عنوان تیره های مجزا معرفی شده اند و شامل Heliotropaceaee,Cordiaceae,Ehreticeae می باشند(Simpson, 2006). (تصاویر تعدادی از گونه های این تیره در شکل 1-2 آمده است.)
در فلور ایرانیکا Boraginaceae s.I به 4 زیر خانواده، Heliotropioideae,Cordioideae, Ehretioideae، (Boraginaceae s.str) Boraginoideae تقسیم بندی می شود و Boraginaceae s.str شامل قبیله های
Eritrichieae,Myosotideae,Trichodesmeae,Cynoglosseae,Lithospermeae,Boragineae
است.

شکل 1-1) درخت فیلوژنی نشان دهنده روابط بین راسته های نهاندانگان در APG III، موقعیت تیره Boraginoideae در کلاد Lamiids مشخص شده است. (APG III 2009).

شکل 1-2) برخی از گونه های تیره Boraginaceae
A:Onosma longilobum
B: Anchusa italica
C:Onosma dichroantum
D:Paracaryum
E:Nonea lutea
F:Borago officinalis
G:Echium italicum
H:Symphytum officinale
I:Cynoglossum germanicum
J:Maharanga emodi
2-1-1ویژگی های قبیله Cynoglosseae
قبیله Cynoglesseae دارای فندقه های خاردار است که در سطح پشتی – شکمی تخت و گاهی در حاشیه بالدارند (Hilger ,1985). قبیله Cynoglosseae در ایران با داشتن 11 جنس
Heliocarya,Rindera,Trachelanthus,Lindelofia,Omphalodes,Solenanthus,
Cynoglossum,Paracaryum,Microparacaryum,Caccinia,Trichodesma
سومین قبیله بزرگ تیره گاوزبان به شمار می رود که به طورگسترده در نواحی گرمسیری و معتدله پراکنش دارند. دانه گرده در گیاهان این قبیله به صورت 6 شیار ناجور دیده می شود که 3 شیار مرکب و 3 شیار ساده به طور متناوب قرار گرفته اند و عدد پایه کروموزومی در این قبیله عموماx=12 می باشد. این ها گیاهانی با پایه خامه (ژینوباز) مخروطی، هرمی یا به ندرت استوانه ای کوتاه هستند. در این گروه فندقه ها معمولا 4 عدد، و از تمام طول به پایه خامه متصل اند و یا فقط در قسمت انتهایی متصل می باشند و راس فندقه ها در بالاترین نقطه اتصال غیر برآمده می باشد. این قبیله در فلور ایران شامل 11 جنس و 53 گونه می باشد (khatamsaz, 2002)
2-1-2 ویژگی کلی جنسPall Rindera
گیاهی علفی، چند ساله، بدون کرک یا با کرک، ساقه افراشته، اغلب غیر منشعب، برگ ها تخم مرغی تا نواری، برگ های قاعده ای با دمبرگ طویل، گل آذین خوشه مرکب، خوشه ها مجتمع یا به صورت گرزن یک سویه، دمگل در حالت میوه وسیع شده، کاسه قسمتی تا قاعده شکافته شده، دندانه های کاسه باریک و غیر قابل تغییر، در حالت گل افراشته و در حالت میوه برگشته، جام گل لوله ای، با زایده بین لبه های جام، منقسم شده به 5 لبه کوتاه یا بلند، پرچم ها 5 عدد، بساک نواری – استوانه ای در قاعده تیرکمانی، یا بیضوی. خامه رشته ای شکل، معمولا خارج از جام گل و به ندرت داخل جام گل، کلاله سرسان و همیشه بدون چین خوردگی، فندقه ها چسبیده به خامه، بادکرده و با حاشیه غشایی وسیع شده و به صورت بال درآمده
1:R.Regia
حاشیه بال فندقه یک لبه. پرچم ها حداکثر تا لبه جام گل. زایده بزرگ و در انتهای جام گل، برگ ها مستطیلی نیزه ای یا نواری
حاشیه بال فندقه دولبه، پرچم ها بلندتر از جام گل، زایده در قسمت قاعده ای جام گل و تقریبا ً کوچک. برگ ها نیزه ای – نواری

Rindera regia
2:R.Lanata
گل آذین چتری، گل ها ارغوانی
گل آذین خوشه ای، گل ها قرمز، آبی یا سفید

Rindera lantana
3:R.Cyclodonta
گیاه پوشیده از کرک های پشمی، کاسبرگ ها پوشیده از کرک های پشمی زایده بین لبه های جام باد کرده و مربع شکل.
گیاه نسبتا بدون کرک ,کاسبرگها با کرک های انبوه. زایده بین لب ها کوچک وغیر باد کرده.

Rindera cyclodonta
4 :R.Albida
لب های جام گل طویل، جام گل فقط کمی بلندتر از کاسه، لب های جام گل کوتاهتر از لوله. جام گل 2 تا 3 برابر کاسه

Rindera albida
5 :R.Bungei
لبه داخلی بال میوه کاملا خم شده به داخل
لبه داخلی بال میوه کمی خم شده به داخل

Rindera bungei
6:R.Media
1-R.Regia
گیاهی چند ساله با ریزوم ضخیم، ساقه منفرد، افراشته، پوشیده از کرک های بلند پشمی سفید، برگ های قاعده ای نیزه ای با قاعده کشیده بردمبرگ، به طول 15 تا 20 و عرض 5/0 تا 2 سانتی متر، هردو سطح برگ پوشیده از کرک های بلند پشمی سفید، نوک تیز، در قاعده باریک شونده، برگ های ساقه ای نیزه ای، نواری، برگ های قاعده ساقه پهن تر و طویل تر و برگ های انتهایی باریک ترو کوچک تر، گل آذین متشکل از چندین گرزن که به صورت چتر درآمده اند. کاسه گل به طول 4 تا 6 میلی متر. جام گل ارغوانی، کمی طویل تر و کاسه، لب ها تخم مرغی کشیده، پرچم ها تا دهانه جام گل، با میله کوتاه، بساک تیر کمانی، خامه ارغوانی و طویل.
2-R.Lanata
گیاهی چند ساله، علفی، پوشیده از کرک های پشمی تا با کرک های اندک پشمی، در بعضی مواقع کرک ها ریزان و فقط قاعده آنها باقی می ماند. ساقه افراشته، منفرد یا منقسم، به ارتفاع 15 تا 65 سانتی متر. برگ های قاعده ای با دمبرگ طویل، مستطیلی – نواری یا مستطیلی، به طول 5 تا 15 و عرض یا تا 5/2 سانتی متر، با پوشش کرکی متراکم یا تقریبا بدون کرک، برگ های ساقه ای تخم مرغی تا نواری، بدون دمبرگ وبرگ های انتهایی تقریبا ساقه آغوش، گل آذین خوشه مرکب، متشکل از چندین گرزن، دمگل ها طویل تر از کاسه. کاسه گل استکانی، به طول 4 تا 7 میلی متر، پوشیده از کرک های پشمی سفید، جام گل قرمز، آبی یا سفید متمایل به زرد، بلندتر از کاسه، لب ها تخم مرغی کشیده، زایده بین لب ها مربع شکل و باد کرده، پرچم ها تا دهانه جام گل، میله کوتاه، بساک تیرکمانی، خامه طویل، فندقه دایره ای، به قطر 15 تا 22 میلی متر، حاشیه با بال غشایی ساده یا چین خورده.
زمان گل دهی تابستان، گیاه خاص مراتع و حاشیه جنگل ها و ارتفاعات خزری و ایران و تورانی.
3-R.Cyclodonta
گیاهی علفی، چند ساله، نسبتا بدون کرک، ساقه منفرد، انباشته به ارتفاع 15 تا 60 سانتی متر. برگ های قاعده ای با دمبرگ طویل، به طول 15 تا 25 و عرض 2 تا 6 سانتی متر، تخم مرغی، نوک کوچک.
برگ های ساقه ای تخم مرغی و بدون دمبرگ. برگ های انتهایی ساقه آغوش، هر دو سطح برگ بدون کرک و گاهی با غده های سفید. گل آذین خوشه مرکب، انتهایی، دمگل در حالت میوه طویل، کاسه گل استکانی، به طول 6 تا 8 میلی متر، جام گل استوانه ایی به طول 60 تا 13 میلی متر، آبی، زایده بین لبه ها کوچک و فرورفته (غیر باد کرده) پرچم ها تا لبه جام، بساک نواری، تیرکمانی، خامه نسبتا کوتاه فندقه دایره ای، به قطر حدود 15 میلی متر، با حاشیه غشایی و بال مانند.
4-R.Albida
گیاهی علفی، چند ساله پوشیده از کرک های سفید، کپه ای، ساقه ها افراشته و در انتها منشعب، به ارتفاع 10 تا 40 سانتی متر، برگ های قاعده ای نیزه ای یا نواری، قاشقی باریک یا نواری به طول 7 تا 10 و عرض 3/0 تا 5/0 سانتی متر، با دمبرگ کوتاه، برگ های ساقه ای کوچک و بدون دمبرگ، هر دو سطح برگ پوشیده از کرک های سفید انبوه، گل آذین خوشه مرکب.
دمگل در زمان میوه دهی طویل، کاسه گل استکانی، به طول 4 تا 5 میلی متر، پوشیده از کرک های متراکم، جام گل قرمز ارغوانی، استکانی – استوانه ای، 2 تا 3 برابر کاسه گل، زایده در قسمت قاعده ای جام گل، کوچک لب های جام گل کوچکتر از لوله جام. پرچم ها بلندتر از جام گل، بساک بیضوی، خامه طویل، به طول 12 تا 14 میلی متر، فندقه دایره ای، به قطر حدود 15 میلی متر، حاشیه غشایی، بال دو لبه، لبه ها ساده یا چین خورده و دندانه دار.
5-R.Bungei
گیاهی علفی، چند ساله، کپه ای، کوچک، پوشیده از کرک های زرد رنگ، ساقه افراشته به ارتفاع 5 تا 15 سانتی متر. برگ های قاعده ای نواری، با دمبرگ کوتاه، به طول 4 تا 10 و عرض 4/0 تا 6/0 سانتی متر. برگ های ساقه ای کوچکتر، بدون دمبرگ. گل آذین خوشه مرکب، دمگل در حالت میوه طویل، کاسه گل استکانی به طول 5 تا 7 میلی متر، پوشیده از کرک های انبوه، جام گل استوانه ای، کمی بلندتر از کاسه، لب های جام گل طویل، زایده در قسمت قاعده ای لوله جام گل و نسبتا کوچک. پرچم ها بلندتر از جام گل، بساک بیضوی، میله پرچم ها طویل، فندقه دایره ای، به قطر 5 تا 7 میلی متر. با حاشیه غشایی و با دولبه، لبه داخلی با بال میوه کاملا به داخل خم شده و لبه خارجی دندانه دار تاموج دار.
زمان گل دهی و میوه دهی: تابستان، گیاه خاص منطقه ایران وتورانی
6- R.Media
گیاهی علفی, چند ساله, کپه ای کوچک, پوشیده از کرک. ساقه افراشته به ارتفاع 5تا20سانتی متر.
برگهای قاعده ای نیزه ای –نواری ,به طول 3تا 10وعرض3/0تا 5/0سانتی متر, هر دو سطح برگ پوشیده از کرکهای انبوه. برگهای ساقه ای کم ,نواری نیزه ای.گل اذین خوشه مرکب ,انتهایی. دمگل طویل تر از کاسه. کاسه گل استکانی,پوشیده از کرک.جام گل خط کمی طویل تر از کاسه,لب های جام طویل, با زایده بین لب ها کوچک. پرچم ها طویل تر از جام گل ,بساک بیضوی.خامه طویل تر از جام گل.
فندقه دایره ای به قطر 5تا7میلی متر, حاشیه غشایی و با دو لبه ,لبه داخلی بال کمی به داخل خم شده.(خاتم ساز،2002)
Rindera pallus
علفی های چند ساله، ساقه ها معمولاً ساده، کرکی نرم(به ندرت بدون کرک)، برگ ها بیضوی تا خطی، دمگل بلند. گل آذین به فرم دیهیم،. پرانکل ها در میوه به هم می چسبند. کاسه گل 5 قسمتی، لوب ها کشیده بیضوی یا نوک تیز هستند. جام گل استوانه ای،
2- 12 1برابر کاسه گل بوده و شاخه های زیرین کوتاهتر یا بلندتر از لوله گل هستند. ضمائم حلقوی بیضوی - قلبی شکل یا مثلثی شکل، متمایز، تحلیل رفته، میله های پرچم برآمده، بساک ها کشیده هستند. خامه از کاسه گل بیرون، معمولا برآمده از جام گل هستند، فندقه چسبیده به خامه، مسطح، همراه با یک بال غشایی خارجی پهن و همچنین به ندرت یک بال داخلی باریکتر و خمیده هستند.
1.Caespitosa
لوله کاسه گل بلند تر یا مساوی با اندام زیرین ضمائم حلقوی به شکل تا خورده،0.1-0.3 mm هستند.
لوله کاسه گل کوتاهتر از اندام زیرین، ضمائم حلقوی مشخص 0.9 mm یا بیشتر
2.Lanata
2 -لوله کاسه گل 18 - 14 برابر طول اندام زیرین، بساک ها فندقه با یک بال پهن
3.Albida
3 -لوله کاسه گل 23 - 12 برابر طول اندام زیرین، بساک ها برآمده فندقه همراه با دو بال، بال درونی باریک و خمیده.
R.caespitosa
چند ساله های با کرک های نقره ای، خاکستری، ساقه های ساده، 5-10-30 cm، برگدار متراکم، برگ ها خطی – نوک تیز هستند. گل آذین انتهایی به فرم دیهیم، لوب های کاسه گل 5.5-6.5 mm، نوک تیز – بیضوی، به صورت گرد، تک رشته ای هستند. کاسه گل قرمز مایل به بنفش، 8-11.5 mm، لوله گل مساوی یا اندکی بلندتر از اندام های زیرین می باشد. ضمائم حلقوی بسیار کوچک، به صورت تاخورده.
R.Lanata
چند ساله های علفی قائم با ریشه های اصلی باریک محکم هستند. ساقه ها ساده و به ندرت در قسمت پایین منشعب، 15-55cm، کرک دار ، (پراکنده، کم پشت) یا بدون کرک هستند. برگ ها دارای دمگل بلند، بیضوی، دوک مانند یا خطی، با پهنک 20-150 2-25 mm، نوک تیز تا با زاویه منفرجه، برگچه نازک، کرکدار، بدون کرک های برآمده، یا بدون مو همراه با تعداد زیادی برجستگی آهکی، ساقه پایین شیاردار یا خطی، در انتها نازک، ساقه های بالاتر عموماً بیضوی، نوک تیز، توسعه یافته است.
تعداد زیادی سنبله، تشکیل یک گل آذین انتهایی بسیار بزرگ را می دهند. پرانکل ها تا حد زیادی در میوه توسعه می یابند. کاسه گل 3.5 -8 mm، لوب ها بیضوی، بسیار متراکم، سفید پشمی است. جام گل صورتی، 7-12 mm، زنگوله ای – استوانه ای، لوله گل 14 - 18 برابر اندام زیرین است. ضمائم حلقوی،رأس آن نا منظم است. پرچم ها در بردارنده میله هایی که با هم برابر (مساوی و اندازه)،
23 - 12 1 برابر طول بساک است. خامه 7-16 mm و معمولاً برآمده است. فندقه (اغلب 2 تا عقیم اند) مدور، 15 - 23 mm 14-26 ×، صاف، برگ ها با حاشیه ی صاف یا موج دار و اغلب آبی و بدون خار هستند.
برگ های پایه کشیده، بیضوی یا تخم مرغی 5-25 mm 25- 140× است (var. lantana)
برگ های پایه خطی یا خطی – نوک تیز، 20 -130 -2 – 12 mm است. (var.canescens)
R.albida
ساقه ها ساده، 25-4 cm، پر برگ، خاکستری – پشمی نسبتاً ضخیم هستند. برگ های پایه نوک تیز یا خطی نوک تیز، پهنک 4-11 mm 40-130× و برگ 20-40mm، ساقه خطی، نوک تیز، 1-8 mm 10-70 × است. کاسه گل 5-9 mm، لوب ها نوک تیز – بیضوی، با زاویه تند، کرک دار سفید نسبتاً ضخیم هستند. جام گل مایل به قرمز – بنفش، آبی محو، خشک شونده سیاه – بنفش، 7-12 mm، اندام زیرین به 12 تقسیم شده است. ضمائم حلقوی کشیده – نوک تیز، با زاویه تند، قلبی شکل هستند. پرچم ها و خامه معمولاً اندکی برآمده هستند. فندقه ها10.5-15 mm 9 -15×، با دوبال، بال بیرونی با عرض 4mm، با حاشیه موج دار، بال داخلی با عرض 1.8 mm خمیده به سمت داخل با حاشیه دندانه دار، و کاملاً بدون خار هستند. (Davis P.H ,1978)
جنس Rindera pall
کاسه گل تقریباً در قسمت پایه به لوب باریک عوض نشده، خمیده در میوه و قائم در گل تقسیم شدند. جام گل لوله ای شکل، با طول 8-14mm، اندکی یا دو برابر طول کاسه گل، متمایل به زرد، اغلب همراه با رنگ آنتوسیانین – بنفش روی دندانه یا لوله، به ندرت صاف، اغلب با چین های چروکیده متقاطع یا فلس، به ندرت فلس ها در قسمت میانی یا یک سوم پایینی لوله هستند، با لوب های قائم یا اندکی رو به زوال (و سپس اندام های زیرین اندکی قیف مانند اند)، اغلب نوک تیز، کشیده، تقریبا به بلندی لوله گل، به ندرت کوتاه و گرد شده – گوشه باز هستند.
میله ها (پرچم) کوتاه، به ندرت متصل (به زیر) گلوگاه هستند. بساک ها خطی – کشیده، با طول 2-4 mm، در پایین به صورت سهمی یا مطابق معمول، راس اغلب گوشه باز (منفرجه) یا دندانه دار، به ندرت نوک تیز و هممیشه برآمده از لوب های جام گل نیست.
خامه به صورت رشته ای، معمولاً از کاسه گل برآمده و به ندرت در آن مانده است، کلاله در یک نقطه یا اندکی رأسی و همیشه یکپارچه است. فندقه ها نسبتاً بزرگ، بالدار، بال از این سو به آن سو 10-20 mm، با پشتی صاف (Flat back) به صورت دیسک هستند.
برآمدگی اندک تیغه میانی به صورت یک خط به نظر می رسد که در کناره های چین دار پایین متورم می باشد.، فندقه ها صاف، درخشان، یا صیقلی و یا پوشیده در امتداد یک دیسک، به ندرت در کناره ها با چرخش به دور خود و با سر لنگر مانند یا یک ردیف با چرخش های لنگر مانند بزرگ و مسطح در طول تیغه هستند. بال های فندقه ها عریض، کما بیش مسطح، حاشیه خارجی اغلب به رنگ آبی است. حاشیه به ندرت صاف و اغلب به خوبی دندانه دار هستند. چند ساله ها، به ندرت ارتفاع 60-100 cm دارند، بدون کرک یا علف های بدون کرک با ریشه های کوتاه یا کم وبیش تیره نازک که در مناطق باستانی مدیترانه ای (تا یونان در غرب) رشد می کنند.
R.lanata
چند ساله ای ،ریشه عمودی اصلی به سمت پایین باریک و تیره می شود، ارتفاع ساقه ها 20-50 cm، به تعداد 1-2، افراشته، تراش دار، کرک دار، با شاخه زایی خوشه ای (به صورت پانیکول)، مولد گل و گاهی اوقات شاخه های دراز شده، برگ ها کما بیش پرزدار بوده و خاکستری، برگ های ریشه چه ای نوک تیز تا کشیده یا sublinear، با زاویه ای تنگ که به تدریج به صورت یک دمبرگ بلند باریک می شود که طول آن به 8-10 cm(و تا 30cm) می رسد و عرض آن1-2 (تا 6cm) است. برگ های ساقه ای اغلب پر پشت، بی پایه، که به تدریج به طرف بالا در اندازه کاهش می یابند،. گل آذین پانیکول (خوشه ایی دارای گل های افشان) در بالا دیهیم دو فرمی می شود، براکته ایی شده، پرانکل ها به آرامی (اغلب به طور قابل ملاحظه ای) از کاسه گل بلند تر می شود، خاکستری – پرزدار، کاسه گل کرک دار با طول 4-6 mm، با لوب های کشیده است، طول جام گل 10-11mm، صورتی، در حال تبدیل نشدن به آبی، لوب های آن قائم نوک تیز – خطی، و طول آن به اندازه لوله گل، فلس ها تقریباً برابر، پرچم ها در وسط لوله ی جام گل هستند، طول خامه 9-12 mm و برآمده هستند، فندقه ها (با بال) تخم مرغی شکل و از این سو تا آن سویش 17-22 mm، صفحه آنها صاف است، طول تخمدان 9mmبوده
R.cyclodonta
چند ساله ای، ریشه ضخیم، تیره، 1-3 ساقه، با ارتفاع در حدود 30 mm، در بالا به صورت پشمی، تراش دار، شاخه دهی در گل آذین، برگ های اندکی کرکی در حال تبدیل شدن به بدون کرک، خطی – نوک تیز، نوک تیز یا کشیده – نوک تیز، ریشه چه کما بیش و به تدریج در حال باریک شدن و تبدیل به دمبرگ، با طول 20cm، و گاهی با عرض 7cm و اغلب باریک تر و کوتاهتر 100 cm طول و 105 cm عرض.
جام گل بنفش، لوله ای، لوب های آن نوک تیز، افراشته (قائم)، تقریباً از نظر طول هم اندازه یا 23 طول لوله را دارد. کاسه گل کرکدار، لوب های آن خطی، تقریباً هم اندازه (از نظر طول) لوله کاسه گل،
گل آذین کوچک بلند، فقط بالایی ها کوتاهتر از کاسه گل هستند، مودار – پشمی، فلس ها به عنوان چین خوردگی های متقاطع تقریباً در گلوگاه توسعه یافتند. طول بساک ها 2-3 mm، کشیده، به صورت سهمی در پایین، گرد، دو تا سه برابر طویل تر از میله های عریض تر کوتاه هستند. میوه گرد، با بال های پهن، صفحه ی صاف، اغلب حاشیه ی بال با دندانه های مشخص می شوند.
Lipskil)) به درستی از که هیچ تفاوت اساسی بین این گونه و گونه ی پیشین نیست، تفاوت ها صرفاً قراردادی و فن آن ها را به دلیل عرف حفظ کردم. این صحیح تر خواهد بود که گونه ها ادغام شوند. در آسیای مرکزی آن ها یک چرخه ی پیچیده تر فرم ها را ایجاد می کنند که تفاوت های بین R.tetraspis مناسب و R.cyclodonta مناسب حذف می شوند، به هر حال تعداد زیادی فرم های محلی وجود دارند. یک نژاد منحصر به فرد در صحرای Mujunkum رشد می کند، یک نژاد دیگر با برگ های بسیار باریک از Kara Tau شمال، زندگی می کند، فرم های جنوبی از جنوب Dzhizak به R.baldshuanica نزدیک هستند. R.tetraspis یک نژاد از این گونه چند ریختی است. فرم های باستانی (اجدادی) به ویژه در E Tien shan فراوان هستند.(Popov M.G ,1953)
R.Karabaghensis با یک نژاد مشخص با بال های از Paropamisus(اشتباهاً توسط Brand به عنوان Bukhara"" توصیف شده است) و به علاوه در منطقه ی Eeast Dagh رشد می کند. (shamli, 1948 , Blinovskii).
2-2ترکیبات اسیدهای چرب
مثل لینولنیک اسید و انواع توکوفرول ها مثل a، δ،γ توکوفرول در این تیره ارزش تاکسونومیکی بالقوه دارند (Velasco & Goffman, 1999) مطالعات نشان داده است که آلفا لینولنیک اسید، لینولئیک اسید و اولئیک اسید به عنوان اسیدهای چرب معمول و گاما لینولنیک اسید و استئاریدونیک اسید از اسیدهای چرب غیرمعمول و تا حدی نیز توکومانول ها در دانه های روغنی این تیره ارزش تاکسونومیک دارند. به طور خاص وجود یا عدم وجود زنجیره طویل اوریک اسید و وجود یا عدم وجود استخلاف 6-متیلن در پلی انوئیک اسیدهایی مثل گاما لینولنیک اسید و استئاریدونیک اسید به عنوان شاخصی از طبقه بندی شناخته شده است Aitzetmuller & Altan2008, Bagci,Brueh,2008.) عمده اسیدهای چرب اشباع نشده در اعضای تیره گاوزبان آلفا لینولنیک اسید، لینولئیک اسید و اولئیک اسید می باشند. اما گاما لینولنی اسید و استئاریک اسید سطح قابل ملاحظه ای را در این گیاهان به خود اختصاص داده اند. درصد و نسبت اسیدهای چرب اشباع شده و اشباع نشده به عنوان شاخص های تاکسونومیک در این تیره محسوب می شوند (Ozcan, 2009)
گل و اعضای مختلف گیاه Borago officinalis دارای لعاب نسبتا فراوان مواد معدنی و مقدار کمی آلانتوئین می باشند. ریشه و ریزوم گیاه Cymphytum officinalis دارای موسیلاژ، اسید گالیک، آلانتوئین و آلکالوئیدی به نام کونسولیدین می باشد. ریشه گیاه Cymphytum officinalis حاوی کولین، مواد رزینی وآلکالوئیدهایی مثل سینوگلوسین و سینوگلوسئین است. قشر سطحی دانه Lithospermum officinale دارای کربنات کلسیم و سیلیکات کلسیم است. (زرگری، 1368).
2-3 فیزیولوژی
اعضای این تیره با فیزیولوژی C3 و C4 وجود دارند. فیزیولوژی C3 در،
Lappula,Lithospermum,Moltakiopsis,Onosmodium,Trichodesma,Arnebia,Heliotropoium و فیزیولوژی C4 در Heliotropium گزارش شده است(Watson & Dallwits,2011)
.
2-4میکرومورفولوژی
این تیره از حیث گرده شناسی بسیار متنوع است و گستره وسیعی از اشکال دریچه و آراستار را نشان می دهد. از 3 شیار، روزن (Tricolporate) یا 3 روزن (Triporate) گرفته تا چند شیاری (Polycolpate) و یا چند شیار – روزن (Polycolporate) و گاهی 6 شیار ناجور (Hetrocolpate) دیده می شود که به طور متناوب یکی دارای روزن و دیگری بدون روزن می باشد (Simpson ,2006).
تعداد دریچه های دانه گرده بین 3 تا 20 متغیر است دانه گرده آن ها 3 و یا به ندرت 2 هسته ای است. دانه گرده دو هسته ای در Cordia,Helitortopium,Coldenia دیده می شود و در اکثر جنس ها سه هسته ای است (Watson & Dallwits,2011)
2- 5 بررسی کروموزومی Boraginaceae s.str
تغییرات کروموزومی اولین محرک گونه زایی در تکامل گیاهان گلدار محسوب می شوند، به طوری که این تغییرات می تواند زیست شناختی موجود راتحت تاثیر قرار دهد و یا باعث جدایی جمعیتی با ایجاد جدایی های تولید مثلی شود.
Boraginaceae s.str دارای تنوع کروموزومی قابل توجهی است مطالعه مشخصات کروموزومی آن به درک بهتر مسیر تکاملی این تیره کمک می کند. ارزش خصوصیات کروموزومی در سیستماتیک این تیره بعد از مطالعات Britton(1951),strey(1931),smith(1932) مشخص شد که نشان داد این تیره دارای تنوع در سطوح پلوئیدی، عدد پایه کروموزومی و سایز و ریخت شناسی کروموزوم است (Selvi et al ,2006).
قبیله های Boraginaeae، Lithospermeae تنوع زیادی در عدد پایه کروموزومی نشان می دهند به طوری که x=6,7,8,9,10,15 از آنها گزارش شده است. قبیله Cynoglosseae کمترین تنوع در عدد پایه کروموزومی را نشان می دهد ودر اکثرسرده ها x=12 کمترین تنوع در عدد پایه کروموزومی را نشان می دهد و در اکثر سرده ها x=12 گزارش شده است. از قبیله Eritrichieae اعداد x=10,11,12 گزارش شده است عدد پایه نسبتا بالا و سایز کوچک کروموزوم ها در این قبیله قرابت آن را با قبیله Cynoglosseae نشان می دهد. (Coppi et al,2006)
مطالعات کروموزومی Onosma بزرگترین سرده تیره Boraginaceae s.str نشان دهنده نقش مهم پلوئیدی در تاریخچه تکاملی و غالبیت X=6,7 در این سرده است، همچنین نوعی کروموزوم غیر طبیعی به نام B-chromosome نیز در گونه های از سرده Onosma مشاهده شده است (Martonfi et al, 2008).
کمترین عدد کروموزومی گزارش شده از Boraginaceae s.str مربوط به گونه Amsinckia lunaris 2n=8 و بیشترین عدد گزارش شده مربوط به گونه 2n=144 symphytum tuberrosum است
(Coppi et al,2006)
جدول 1-1) گزارش عدد پایه کروموزومی تعدادی از گونه های Boraginaceae در ایران (Ghaffari, 1996)
Lavel of ploidy N Taxonon
Tetra ploid 14 Alkanna bracteosa
Diploid 8 Echium amoneom
Diploid 11 Arnebia decumbens
Diploid 14 Moltkia cearulea
Diploid 16 Anchea caspice
Diploid 14 Nonnea caspica
Tetra ploid 12 Lappula microcarpa
Diploid 24 Heterocayum macrocarpum
Tetra ploid 12 Caccinia strigose
Diploid 12 Paracaryum rugulosome
Diploid 12 Solenanthus stamineous
Diploid 12 Trichodesma incanum
Diploid 8 Onosma microcarpa
Diploid 22 Onosma albo-rosea
Tetra ploid 16 Onosuma sericea
2- 6 بررسی گرده شناسی Boraginaceae s.str
تیره مزبور از حیث گرده شناسی بسیار متنوع است به طوری که گستره وسیعی از اشکال، دریچه آراستار و غیره را نشان می دهد. دانه گرده دراین تیره منفرد و از نوع
Subprolate,prolate,isopolar,zonocolporate است تعداد دریچه ها از 13-4 عدد متفاوت است، در برخی از سرده های این تیره دریچه درونی با کمربند استوایی ادغام شده و endocingulum نامیده می شود hatgtove. L et al,2003))
قبیله Cynoglosseae دارای دانه گرده 6 ناجور شیار قبیله Erithrichieae دارای گرده های کوچک 10 و 8 و 6 ناجور شیار، بیضوی یا مستطیلی در نمای استوایی و شش ضلعی در نمای راس است قبیله Boragineae دارای 15 نوع گرده متفاوت در بین سرده ها و یا حتی گونه ها است قبیله Lithospremeae دارای متنوع ترین خصوصیات ریخت شناسی دانه گرده و دریچه است.
(S.Ovchinnikova,2009)
شکل 1-3) دانه گرده برخی گونه های Boraginaceae s.str
Rindera tetraspis Anchusa. arvensis
Nonea lutea
جدول 1-2) مقایسه دریچه دانه گرده بین قبیله های Boraginaceae s.str
Comparis on of the pollen apertures among the tribes the subfamily boraginioiseae
Types of pollen apertures Tribes
3-Colporate 3-syncolporate ,4-8-colporate.
4-6-syncolpate ,6-7-colpate Lithospermeae
3-colporate,4-colporate,5-colporate or more Boragineae
3-Colporate,3-pseudocolpate Trigonotideae
3-Colporate,3-pseudocolpate Eritichieae
3-Colporate,3-pseudocolpate Cynoglosseae
3-Colporate,3-pseudocolpate Myosotideae
2- 7 تقسیمات تاکسونومیکی زیر تیره Boraginoideae (Boraginaceae s.str)
گیاه شناسان متعدد این زیر تیره را به چهار الی هفت قبیله تقسیم کرده اند که با اقتباس از Mabberley 1990 پنج قبیله در زیر ارائه می شود:
Cynoglosseae (گل ها منظم، پایه خامه کم و بیش مخروطی، رئوس فندقه ها در بالاترین نقطه اتصال برآمده نیست)
Eritrichieae (گل ها منظم، پایه خام کم و بیش مخروطی، رئوس فندقه ها در بالاترین نقطه اتصال برآمده است).
Boragineae (گل ها منظم، پایه خامه مسطح و یاکمی محدب، فندقه ها با سطح اتصال مقعر).
Lithospermeae (گل ها منظم، پایه خامه مسطح، فندقه ها نیز با سطح اتصال مسطح).
Echieae (گل ها نامنظم)
2-8 مطالعات مولکولی DNA
مطالعات مولکولی انجام شده به صورت نمونه برداری های پراکنده با استفاده از مارکرهای مولکولی مختلف (matk,atpB,nrDNA ITS) انجام شده است. در مهم ترین مطالعه انجام شده بر روی تیره گاوزبان Langstrom & chase,2002 با استفاده از توالی DNAکلروپلاستی atp B روابط فیلوژنتیکی قبیله های موجود در زیر تیره Boraginoiseae را با تعداد معدودی جنس و گونه از هر قبیله بازسازی کردند. اخیرا فیلوژنی مولکولی قبیله Eritrichieae با استفاده از توالی DNA هسته ای ITS و توالی DNA کلروپلاستی trnL-F انجام شده است (2008 khoshsokhan et al.2010 khoshsokhan & kezempour osoloo) است اما طبق آخرین مطالعات مولکولی weigend و همکاران (2010) با نمونه برداری های کم نشان دادند که 3 قبیله
Trigonotideae,Myosotideae,Eritrichieae جزئی از قبیله Cynoglosseae sensu lato هستند.
اولین مطالعه مولکولی انجام شده پراکندگی سرده Echium L را در Macronesia توصیف می کنند 0 Bohle et al, 1996 ,Hilger, H. H. Bohle, 2000)، مطالعه مولکولی دیگر وسیعترین مطالعه از نظر تاکسون های نمونه گیری شده از قبیله Lithospermeae با تاکید بر سرده مدیترانه ی Lithodora Thomas et,2008 al بوده است. (Hacioglu & Erik2011) همچنین گزارشی از فیلوژنی سرده symphtum ارائه داده اند.
2- 9 تولید مثل و گرده افشانی
اعضای تیره گاوزبان اغلب گیاهانی تک پایه اند اما گاهی گیاهان دوپایه درگونه هایی از heliotropium دیده شده است. گرده افشانی این گیاهان از طریق حشرات و عمدتا توسط پروانه ها صورت می گیرد.
(waton & dallwits,2011)
روابط فیلوژنی درون قبیله Lithospermeae به عنوان بزرگترین زیرگروه Boraginaceae S.Str بسیار پیچیده است. در محدوده تاکسونومیکی (Johnston ,1954) و (seibert, 1978) قبیله Lithospermeae حاوی 450 گونه و حدود 22 تا 28 سرده می باشد که سرده اورسیایی Onosma L یک سوم گونه ها را تشکیل می دهد. گونه ها و سرده های این قبیله ازنظر محدوده فیلوژنتیکی بسیار مسئله دار است و تنها داده های محدودی درباره این قبیله منتشر شده است (Weigend et al, 2009).

پراکنش تیره Boraginaceae s.str
تیره Boraginaceae s.str در قلمروهای Antractic,Australian,Cape,Neotropic,Halorctic پراکنده شده است. در نواحی گرمسیری رشد می کنند، جهان شمول و در موارد نادری در نواحی سردسیری دیده شده اند (WWW.mobot.com).
برای این تیره در جنوب غرب آمریکا 113 تاکسون با مرکز پراکنش در ایالت های آریزونا و نیومکزیکو همچنین نواحی بیابانی جنوب شرقی کالیفورنیا تشخیص داده شده است. (Higgins, 1997)
شکل 1-4 نقشه پراکنش تیره (www.mobot.com)Boraginaceae
2-10مطالعات پیشین تیره Boraginaceae s.str
در گذشته مطالعاتی چند از حیث ریخت شناسی (,zarinkamar,2006,Hilger,1984,kazmpour osaloo,1993) گرده شناسی (khatamsaz, 2001,Kazempour Osaloo & Khatamsaz, 1994, 1984 Ahn & Lee ,1986 kazempour Osaloo, 1993,Clarke, 1977,Diez) سیتولوژی (Ghaffari 1996,selvi et al., 2006 ,luque,1900,Luque & Valdes,1984) مولکولی(Winkworth et al.,2002,Khoshsokhan et al.,2008) بر روی تعدادی از تاکسون های تیره انجام شده است. مطالعات مولکولی انجام شده به صورت نمونه برداری های پراکنده با استفاده از نشانگرهای مولکولی مختلف (trnL-F,mark,atpB,nrDNAITS) در خارج و داخل کشور انجام شده است. از مطالعات انجام شده روی قبیله Lithospermeae می توان کار
(Langstrom & Chase 2002,James et al.,2009,chosen et al., 2009,cecchi et al.,2009,weinged et al., 2009,2010,Liu et al., 2010 ,2008) را نام برد.
در مطالعات (2009,2010،.Weinged etal نمونه برداری های محدود از سرده های Lithospermum,Buglossoides,Echium,Cerinthe,Brunnera,podonosma,Arnebia,MoltkIA,echiochilon,Alkana,Symphytum انجام شده است و روابط تا حدودی حل شده اند. همچنین (.،Kolarcik et al 2010) در مطالعه خود تعدادی از گونه های اروپایی sec Asterotricha از سرده Onosma را مورد بررسی های جمعیتی و تکاملی قرار دادند.
ولی بسیاری از گونه های سرده های Onosma همچنین سرده های Suchtelenia,Hormozakia بررسی نشده اند.
2-11اختصاصات بیوشیمیایی و شیمیایی تیره
غالبا این گیاهان آلکالوئیدهای گروه پیرولیزیدین و یک نفتاکیننون قرمز به نام آلکانین تولید می کنند وفاقد ترکیبات ایریدوئیدند. فقط به ندرت ترکیبات سیانوژنیک و ساپونین دار ونه تانن دار به وجود می آورند. معمولا فاقد اسید الاژیک و پروآنتوسیانین ها هستند. غالبا فروکتوزان ها (عمدتا ایزوهپتوز و ایزوکتوز) را به عنوان کربوهیدرات های ذخیره ای و آلانتوئین (یک امید) را به عنوان ماده غذایی ارائه انباشته می کنند (Cronquist ,1981).
2-12کاربرد اقتصادی تیره
بسیاری از اعضای این تیره خواص دارویی دارند و به عنوان یک داروی سنتی برای درمان زخم ها، بیماری های پوستی، قلب و درد سینه و... استفاده می شوند.تعدادی از نمونه های دارویی این تیره در زیر ذکرمی شود:
Borago officinalis: گل واعضای مختلف گیاه دارای لعاب نسبتا فراوان مواد معدنی و مقدار کمی آلانتوئین می باشند. گل و برگ این گیاه اثر نرم کننده، معرق و مدر، آرام کننده و تصفیه کننده خون است.
Symphytum officinalis: ریشه و ریزوم گیاه دارای موسیلاژ، اسیدگالیک، آلانتوئین و آلکالوئیدی به نام کونسولیدین می باشد. از ریشه گیاه به عنوان نرم کننده تسکین دهنده آرام کننده درد و التیام دهنده استفاده می شود.
Cynoglossum officinale: ریشه گیاه دارای کولین، مواد رزینی و آلکالوئیدهایی مثل سینوگلوسین، سینوگلوسئین است. گل آن آرام کننده سرفه و دارای اثر مخدر به صورت خفیف است. ریشه آن اثر قابض ملایم وبرگ آن اثر ملین دارد. ریشه و برگ گیاه هم در رفع اسهال، سرفه های خشک و عصبی، اسپاسم های روده و خونریزی های داخلی مصرف می شود.
Lithospermum officinale: قشر سطحی دانه دارای کربنات کلسیم و سیلیکات کلسیم است. پوشش ریشه آن دارای ماده ای قرمز به نام لیتوسپرمین است که در رنگ کردن مواد غذایی استفاده می شود دانه این گیاه طعم ملایم لعابی و اثر مدر دارد.
Heliotropium europium: از ریشه و دانه آن آلکائیدی به نام سینوگلوسین به دست آمده است که اثر صفرابر و تب بر است.
از نمونه های دارویی دیگر نیز
cerinthe major,africanum,trichodesma,onosma,echium,vulgare
,anchusa italic,myxa cordial,alkanna tinctoria,pulmonaria officinalis رامی توان نام برد (زرگری، 1368).
در آخرین گزارش (Wiegend et. al.,2010) زیر تیره Boraginoideae را براساس توالی کلروپلاستی trnL-F به 4 قبیله Cynoglosseae,Echiochileae,Lthospermeae,Boragineae، S.L تقلیل داده است.
2-13مصارف اقتصادی و دارویی
بعضی از گیاهان این تیره به صورت گلدانی و برای مصارف زینتی استفاده می شوند. از ترکیبات رنگی این گیاهان در رنگ آمیزی چوب و سنگ استفاده می شود. در تهیه انواع داروها، شراب و لوازم آرایشی کاربرد دارند. و در عین حال از گیاهان مهم در تولید عسل به شمار می روند (2011 Dallwits &Watson., پوست ریشه Lithospermum officinale دارای ماده ی قرمز به نام لیتوسپرمین است که در رنگ کردن موادغذایی استفاده می شود (زرگری .،1368).
میوه بعضی از گونه های این تیره مصرف خوراکی دارد. در جنوب آفریقا از برگ، ساقه و میوه خشک شده
Ehretia rigida subsp.nevifolia چای تهیه می کنند ریشه خشک شده angufolia trichodesma مخلوط با آب سرد در درمان اسهال مورد استفاده قرار می گیرد. برگ گیاه Lobos--on سرخ شده در روغن بادام شیرین از داروهای قدیمی در درمان عفونت های قارچی انواع زخم ها و سوختگی ها است.
در سراسر اروپا، شمال آفریقا و آمریکا از شاخه، برگ و گل گیاه borago afficinalis در سالاد و نیز به عنوان ادویه استفاده می شود. این گیاه در طب سنتی هم کاربرد دارد. در اروپا از گل و ریشه cynolossum officinale در طب سنتی و برای درمان جراحات استفاده می شود. lithospermum officinale در طب سنتی اروپا در درمان نقرس مورد استفاده است (Retief, 2004).
گل و برگ گیاه Borago officinalis اثر نرم کننده، معرق، مدر، آرام کننده دارد و همچنین تصفیه کننده خون است. ریشه گیاه symphytum officinalis اثر نرم کننده، تسکین دهنده و آرام کننده درد و التیام دهنده دارد. گل cynoglossum officinale آرام کننده سرفه و دارای اثر مخدر خفیفی است. ریشه آن قابض و برگ آن اثر ملین دارد. ریشه و برگ گیاه هم در رفع اسهال، سرفه های خشک و عصبی، اسپاسم های روده و خونریزی های داخلی مصرف می شود. دانه گیاه Lithospermum officinale اثر مدر دارد. از ریشه ودانهheliotropium europium آلکالوئیدی به نام سینوگلوسین به دست امده که صفرابر و تب بر است (زرگری،1368).
2-14 برخی از توالی های ژنی مورد استفاده در سیستماتیک مولکولی
2-14-1 توالی های DNA هستهای
از متداولترین توالیهای هستهای مورد استفاده در سیستماتیک internal transcribed spacer nr DNAITS یا فاصلهگر رونویسی شونده درونی میباشد. ITS مربوط به توالی ریبوزومی هستهای است که ناحیه بین اگزون S 18 و S 26 واقع شده است و شامل ناحیه ITS1 و S 5.8 و ITS2 میباشد (شکل 2-1) فاصلهگرهای بین ژنی دارای سیگنالهای مورد نیاز برای پردازش و رونویسی rRNA است وغالبا برای فیلوژنی استنباطی شده واکثرا برای حل روابط در سطح زیر تیره یا پایینتر استفاده میشود برای سطوح بالاتر ITS آن قدر تنوع دارد که هم ردیف سازی توالی بسیار مشکل است (Alvarez and Wendel, 2003).
از فواید ITS برای بازسازی فیلوژنی میتوان موارد زیر را نام برد:
توارث دو والدی ITS: این ویژگی ITS را برای آشکار کردن شبکه سازیها، گونهزایی هیبدریدی و نشان دادن پلی پلوئیدی ارزشمند میسازد.
عمومی (جامع) بودن ITS: این ویژگی باعث میشود که توالی ITS در بعد وسیعی از موجودات (قارچ ها و اکثر گیاهان) کاربرد داشته باشد.
سادگی (simplicity): ژنهای ریبوزوم هستهای از تکرارهای 265 –S 5.8 –S 18 تشکیل شدهاند که این تکرارها Kbp10 در اندازه متفاوت اند. چون صدها تا هزاران تکرار از آنهاد وجود دارد، پس نسبت به لوکوسهای هستهای یا کپی کمتر، راحتتر خالص می شوند. در آنژیوسپرمها توالی ITS از 700-500 جفت باز و در ژیمنوسپرم ها تا 3700-1500 جفت باز متغیر است.
یکنواختی در ITS: معمولا در تیره های چند ژنی تکامل همزمان وجود دارد تکامل همزمان زمانی رخ می دهد که اختلافات توالی ها (حاصل از تجمع موتاسیون ها) در میان کپی های تکرار شونده در یک ژنوم توسط مکانیسم های مثل کراسینگ اورنا برابر و واژگونی ژنی، یکنواخت و هم شکل شده و توالی یکسانی ایجاد می شود.
تنوع بین ژنومی ITS: تنوع توالی ITS جهت استنباط فیلوزنتیکی در سطوح گونه جنس و تیره مناسب است. همچنین تنوع در سطوح سلسله مراتبی به عواملی مثل پلی مورفیسمهای نوکلئوتیدی نسبت داده میشود.Alvarez and Wendel, 2003
2- 15 PCR اساس مارکرها
PCR، به طور آنزیماتیک تکثیر یک منطقه تعریف شده از DNA الگو است. تکثیر قطعهی DNA وابسته به آغازگر بوده که آغازگرها توالی DNA مکمل موجود در DNA دو رشتهی را تشخیص می دهند و با آن پیوند برقرار میکند.
برای به دست آوردن محصولات PCR باید:
الف- دو آغازگر که هر دو دارای ردیفهای واحدی هستند به رشتههای مخالف بچسبند.
ب- دو آغازگر باید در جهت عکس هم آرایش یابند(انتهای ́3 آنها مجاور ناحیهای باشد که قرار است تکثیر شود)
پ- دو آغازگر باید با فاصلهای کوتاه نسبت به یکدیگر (به طور معمول کمتر از 4 جفت کیلوباز) به DNA الگو متصل شوند. دلیل این امر این است که پلی مراز Taq فقط در این فاصله میتواند فعال باشد و رشتهی دوم را سنتز کند. در حقیقت ساخته شدن رشتهی مکمل DNA به این دلیل است که پلیمراز Taq سبب طویل شدن آغازگر از انتهای́3 با اضافه کردنdNTPها میگردد. بعد از چند چرخه PCR، قطعههای سنتز شده جدید نسبت به قطعهی اولیه ژنومی غالب میشوند و از نظر تئوری به صورت توالی تکثیر خواهند شد.
2-15-1 اجزای واکنش زنجیره‌ای پلیمراز(PCR)
این روش در اواســـــط دهــــه 1980 به وسیـــــله کری مولیس معرفی شد. واکنش زنجیره‌ای پلیمراز مبتنی بر همانند‌سازی نیمه حفاظت شده DNA می‌باشد. در این واکنش قطعه‌ای از DNA بین دو ناحیه با توالی شناخته شده تکثیر می‌شود. تکثیر به وسیله دو توالی الیگونوکلئوتیدی به عنوان آغازگر که به دو رشته DNA و در ناحیه مکمل خود متصل می‌شوند صورت می‌گیرد (Chawla, 2002). اجزای تشکیل دهنده این واکنش به شرح زیر است.
2-15-2آغازگر
آغازگرهای PCR، الیگووکلئوتیدهایی هستند که بر روی رشته الگو به توالی‌های مکمل خود متصل می‌شوند و حدود محصولات تکثیر را مشخص می‌کنند. هنگام طراحی آغازگرها عوامل متعددی مانند پرهیز از مکمل بودن توالیهای درون یک آغازگر و یا بین آغازگرها، محتوی GC آغازگر، طول آغازگرها و دمای ذوب (Tm) آغازگر مورد توجه قرار می‌گیرد. دمای ذوب، درجه حرارتی است که در آن نیمی از آغازگرها به جایگاه هدف اتصال پیدا کرده باشند. دمای ذوب آغازگر در انتخاب دمای اتصال اهمیت دارد و معمولاً دمای اتصال چند درجه کمتر از دمای ذوب انتخاب می‌شود (Dawson, 1998).
2-15-3 آنزیم
مهم‌ترین ویژگی آنزیم مورد استفاده در واکنش زنجیره‌ای پلیمراز، مقاومت به حرارت می‌باشد. آنزیمی که به طور معمول در PCR استفاده می‌شود، آنزیم تـــــک DNA پلیمراز می‌باشد که از باکتری گرمادوست Thermus aquaticus استخراج می‌شود. این آنزیم فاقد فعالیت اگزونوکلئازی َ3 به َ5 بوده و قادر به تصحیح بازهای اشتباه نمی‌باشد. آنــزیم اضافه در واکنش سبب تکثیر توالی‌های غیرهدف می گردد Mcpherson M. and S. G. Moller2000))
2-15-4الگو
نمونه مورد استفاده جهت تکثیر در PCR ممکن است DNA تک رشته و یا دو رشتهای حیوانات، گیاهان و حتی باکتریها باشد. مولکول های RNA شامل RNA کل، و یا tRNA نیز می توانند بعد از اینکه توسط آنزیم ترانس‌کریپتاز معکوس بهDNA مکمل(cDNA) تبدیل شدند، به عنوان الگو برای تکثیر مورد استفاده قرار گیرند Dawson , M.T.,A.Powell and F ,1998).)
2-15-5 دزاکسی ریبونوکلئوزید تری‌فسفات‌ها
در واکنش زنجیره‌ای پلیمراز مرسوم، هرچهار نوع دزاکسی ریبونوکلئوزید تری‌فسفات با غلظت‌های مساوی به کار برده می‌شوند. غلظت مناسب dNTPs به عوامل متعددی مانند طول رشته مورد نظر، غلظت آغازگر، غلظت MgCl2 و تعداد سیکل‌های تکثیر بستگی دارد. جهت بهینه‌سازی یک واکنش ضروری است که بهترین غلظت به صورت عملی تعیین شود.
2-15-6کلرید منیزیم
کلرید منیزیم (MgCl2) یک عنصر اساسی برای تکثیر DNA در واکنش PCR می باشد زیرا یون Mg2+ با dNTPs کمپلکسی تشکیل می دهد که برای وارد کردن dNTP در رشته ضروری است. به علاوه، این یون از طریق تحریک فعالیت پلیمرازی، واکنش متقابل آغازگر – الگو را افزایش می‌دهد. غلظت MgCl2 باید برای هر جفت الگو– آغازگر بهینه شود. معمولاً غلظت پایین یون Mg2+ باعث کاهش محصولات PCRو غلظت زیاد آن منجر به تجمع محصولات غیراختصاصی می‌شود.
2-15-7 بافر
بافر موردنیاز برای فعالیت آنزیم تک‌ پلیمراز در واکنش زنجیره‌ای پلیمراز شامل 50 mM KCl، Tris-HCL 10 mM و Gelatin 1% pH 8.3 می‌باشد. قابل ذکر است که در صورت استفاده از سایر آنزیم‌های پلیمراز مقاوم به حرارت، ترکیبات بافر متفاوت خواهد بود (McPherson, 2000).
2-15-8 مراحل تکثیردر هر چرخه واکنش ابتدا توسط حرارت پیوندهای هیدروژنی دو رشته DNA شکسته شده و رشته‌ها از هم باز می‌شوند. جداشدن رشته‌ها معمولاً در دمای oC94 صورت می‌گیرد و واسرشته‌سازی نام دارد. سپس مخلوط واکنش سرد می‌شود تا آغازگرها به نواحی مکمل خود متصل شوند. این مرحله که به طور معمول در دمای oC65-35 انجام می‌گیرد، مرحله اتصال نامیده می‌شود. در مرحله سوم که دما حدود oC72 بوده و بسط نام دارد آنزیم پلیمراز از روی DNA الگو همانند سازی کرده و بسط یک ناحیه از DNA صورت می‌گیرد. نکته مهم در این چرخه، دمای واکنش در مرحله اتصال آغازگر است. دما برای اتصال تدریجی باید به حد کافی پائین باشد تا امکان دورگه‌گیری بین آغازگر و الگو وجود داشته باشد و از طرفی به حد کافی بالا باشد تا از تشکیل دورگه‌های اشتباه جلوگیری کند (Chawla, 2000).
2-16 درخت فیلوژنتیکبررسی فیلوژنتیکی یک خانواده بر اساس ترادف اسید نوکلئیک یا پروتئین تعیین میکند که چه طور یک خانواده در مسیر تکاملی خویش از اجداد اولیه خود مشتق شدهاند. ارتباطات تکاملی در میان ترادفها توسط مکان یا رتبه ترادفها که به عنوان شاخههای بیرونی یک درخت میباشند نمایش داده میشود. ارتباطات بین شاخهای در بخش داخلی درخت منعکس کننده درجهای است که ترادفهای متفاوت را که با هم ارتباط دارند را نمایش میدهد. دو ترادف که همانندی خیلی زیادی با هم دارند به صورت شاخههای بیرونی مجاور واقع خواهند شد و به یک شاخه مشترک (معمولی) که در زیر آنها واقع شده متصل میشوند. هدف از بررسی فیلوژنتیکی پیدا کردن ارتباطات بین شاخههای درخت و طول شاخهها می باشد. بررسی فیلوژنتیکی ترادفهای پروتئین و اسید نوکلئیک در حال حاضر وجود دارد و به صورت ناحیه مهمی از آنالیز ترادفی ادامه خواهد یافت. وقتی یک ژن خانوادگی در یک موجود زنده کشف شود، ارتباطات فیلوژنتیکی در میان ژنها میتواند به پیشگویی این که یکی از آنها ممکن است یک عملکرد مشابه داشته باشد کمک کند. که این پیشگوییهای کاربردی میتواند به وسیله آزمایشات ژنتیکی بررسی شوند. بررسی فیلوژنتیکی در دنبال کردن تغییراتی که به وقوع میپیوندند در گونههایی که به سرعت تغییر میکنند، مانند یک ویروس میتوانند استفاده شوند.
برنامههای بررسی فیلوژنتیکی زیادی در دسترس میباشند که هزینه کمی دارند و یا هزینهای ندارند. از مهم ترین این برنامهها که مورد استفاده قرار میگیرد برنامههای PHYLIP و PAUP میباشند. نسخههای جدید از این برنامهها 3 روش اصلی را برای بررسی فیلوژنتیکی شامل Parsimony, Distance, Maximum likelihood را فراهم کرد و همچنین تعداد زیادی از مدلهای تکاملی را برای درجه تنوع ترادف را شامل میشود. برنامه دیگر MacClade میباشدکه برای آنالیزهای با جزئیات بیشتر مفید است.
534670-576580فصل سوم
مواد و روش ها
00فصل سوم
مواد و روش ها

3-1مطالعه منابع
ابتدا به مطالعه منابع موجود در اینترنت و کتب مرجع جهت مطالعه مقالات بررسی تحقیقاتی که اخیراً صورت گرفته و تعیین چارچوب کاری پرداخته شد از فلور ایران Khatamsaz,2002)) و به عنوان شناسایی نمونه های هر بار یومی و بررسی صفات کیفی و کمی ریخت شناسی استفاده گردید.
نمونه برداری از آنجایی که محدوده پراکنش گونه ها وسیع بود و همچنین به علت عدم وجود امکانات و زمان کافی برای جمع آوری به موقع گیاهان بخش عمده بر روی نمونه های هر بار یومی انجام گرفت.
.
3-2مطالعه هر بار یومی
استفاده ازDNA در سیستماتیک مولکولی داده های مولکولی مخصوصاً توالی DNA برای بازسازی روابط فیلوژنی نسبت به سایر روشهای دیگر از صحت بیشتری برخوردار است به همین دلیل امروزه به خصوص از زمان پیدایش واکنش زنجیره ای پلیمراز این روش با استقبال محققین مواجهه شده است (Chase et al. ,1993).
3-3استفاده از DNA در سیستماتیک مولکولی
در گیاهان 3 نوع اصلی از توالی های DNAدر دسترس است که عبارتند از:توالی های هسته ای (nr DNA)، توالی های کلروپلاستی (cp DNA) و توالی میتوکندر یایی. توالی میتوکندر یایی به علت سرعت تکاملی پایین کمتر در بررسی روابط خویشاوندی گیاهان مورد استفاده قرار می گیرند.
اما توالی های کلروپلاستی و هسته ای در ابعاد وسیعی بدین منظور به کار می روند (معین، 1389).
(Internal Transcribed spacer) ITS یا ناحیه فاصله گذار رونویسی شونده درونی بخش از ریبوزومی هسته می باشد (شکل1-5) درون این ناحیه، نواحی کد گذار بسیار حفاظت شده
, 26snrDNA) (18nrDNA,5,8 snrDNAبه همراه نواحی غیر کد گذار (ETS و ITS)قرار دارند. نواحی ITS1 و 2 ITS در بالغ شدن و پردازش ریبوزوم نقش مهمی را ایفا می کنند اما ناحیهITS پس از پردازش ریبوزوم ترجمه نمی شود و به همین علت کمتر تحت فشار عملکردی است. و سرعت بالای تکاملی، این ناحیه را برای بررسی روابط فیلوژنتیکی مناسب کرده است (Baldwin et al. ,1995,Alvarez &vendel ,2003)
شکل 1-5 ساختار ناحیه - شکل 2 nrDNA ITS برگرفته از Baldwin et al.,1995 با اندکی تغییر

دهه اخیر از داده های توالی ITS به عنوان ابزاری برای تعیین روابط فیلوژنتیکی در سطح پائین تاکسونومی و مخصوصاً جنس های نزدیک استفاده شده است (2008،. Soltis et al)
دلایل استفاده از این ناحیه در بازسازی روابط فیلوژنی را می توان به صورت زیر بیان کرد:
1-دارای کپی های فراوان که به صورت تکرار های در یک یا چند لوکوس کروموزومی ژنوم هسته ای قرار گرفتند که سبب سهولت در تکثیر کلونینگ و توالی یابی آن می شود.
2-یکی از مهمترین ویژگی های این ناحیه برای بازسازی روابط فیلوژنی وجود تکامل هماهنگ در این منطقه از طریق کراسیگ اوور نابرابر و برابر می باشد.
3- اندازه کوچک این ناحیه (کمتر از 700 جفت باز در نهاندانگان) و حضور توالی های بسیار حفاظت شده در مجاورت آن، سبب سهولت در تکثیر این ناحیه حتی از نمونه های هر بار یومی می شود.
White و همکاران (1990) پرایمرهای همگانی برای تکثیر این قطعه در موجودات یوکاریوت طراحی کردند.
4- برتری این ناحیه نسبت به ژنوم کلروپلاستی در به ارث رسیدن از دو والد است که این ویژگی سبب می شود تا درصد هیبرید ها و پلی پلوئیدی ها را نیز تشخیص داد (Baldwin et al. ,1995).
عمومیت این ژن در تمامی نهاندانگان، مزیت آن برای استفاده از گیاهان انگل است که بخشی یا تمامی کلروپلاست خود را از دست داده اند (معین، 1389).
3-4بررسی روابط فیلوژنی بر اساس صفات مولکولی
به منظور بررسی و بازرسانی تاریخچه تکاملی قبیله Cynoglosseae از توالیهای هسته ای
nrDNAITS (Nuclear Ribosomal DNA Internal Tran cribed spacer)
استفاده شد تاکسونهای مورد بررسی در این مطالعه در جدول آورده شده است
1-3 تاکسون های مورد استفاده برای تکثیر قطعه - جدول nrDNA ITS
نام تاکسون محل جمع اوری محل نگهداری وشماره هرباریومی
Rindera regia موسسه جنگل هاو مراتع
Rindera lanata موسسه جنگل هاو مراتع
Rindera cyclodonta موسسه جنگل هاو مراتع
Rindera albida موسسه جنگل هاو مراتع
Rindera bungei موسسه جنگل هاو مراتع
Rindera media 3-4-1استخراج DNAاز برگ
استخراج DNA کل از سلولهای برگ نمونه های هربایومی صورت گرفت استخراج به روشCTAB
(Doyle,1987& Doyle) انجام گرفت گیاهان این تیره حاوی مقادیر قابل توجهی از متابولیت های ثانویه هستند. به منظوربالا رفتن کیفیت کار بافر استخراج هر روز درست و استفاده می شد.
مراحل استخراج DNA به شرح زیر است:
1-یک تکه برگ خشک را در هاون اتو کلاو شده می سابیم تا کاملاً پودر شود. (باید توجه داشت که از برگهای زرد، قهوه ای و بیمار استفاده نشود)
2-به پودر حاصل به نسبت برگ به کار رفته محلول CTAB اضافه می کنیم تا جاییکه محلول یکدست و به رنگ سبز روشن در آید.
3-700میکرولیتر از محلول فوق را درون میکروتیوبهای 2 میلی لیتری اتو کلاو شده می ریزیم.
4- زیر هود به هر میکروتیوب 20 میکرولیتر مر کاپتواتانول می افزائیم.
5- میکروتیوبها را به مدت 1 الی 2 ساعت در بن ماری 65 درجه سانتیگراد قرار می دهیم و هر 5 دقیقه یکبار به دلیل ته نشین شدن مر کاپتواتانول میکروتیوبها را تکان می دهیم.
6- 800 میکرو لیتر کلروفرم – ایزو آمیل الکل با نسبت 1: 24 به میکروتیوبها اضافه کردیم و سپس آنها را به مدت 20 دقیقه با دست تکان دادیم.
7- میکروتیوبها را به مدت 15 دقیقه با سرعت 11000 دور سانتریفیوژ می کنیم.
8- در این مرحله 3 فاز تشکیل می شود فاز بالایی حاوی DNA است برای اینکه با فاز پائینی مخلوط نشودDNAرا برداشته و به میکروتیوب استریل دیگری منتقل می کنیم.
9-و باز دوباره کلروفرم و ایزوآمیل الکل به حجم 800 میکرو لیتر به آن اضافه می کنیم و باز دوباره میکروتیوبها را به مدت 10 الی 20 دقیقه با دست تکان می دهیم باز سانتریفیوژ به مدت 15 دقیقه با سرعت 11000 دور.
10- میکروتیوبها از سانتریفیوژ خارج کرده و 200 میکرو لیتر از فاز بالایی می کشیم و به میکروتیوبهای جدید انتقال می دهیم.
11- 700 میکرو لیتر ایزوپروپانول اضافه می کنیم و در دمای منفی 20 درجه به مدت2 الی 24 ساعت می گذاریم.
12- میکروتیوبها را از یخچال در آورده و با سرعت 8000 دور در 15 دقیقه سانتریفیوژ می کنیم.
13 –بلافاصله محلول رویی را دور ریخته و اتانول 70% سرد را به مقدار 200 میکرولیتر به رسوب DNA اضافه می کنیم.
14- میکروتیوبها را به مدت 5 دقیقه با سرعت 8000سانتریفیوژ می کنیم.
15- میکروتیوب ها را از دستگاه سانتریفیوژ خارج می کنیم و بلافاصله محلول رویی را دور ریخته و میکروتیوب های حاوی رسوب DNA را در دمای آزمایشگاه قرار می دهیم تا کاملاً خشک شود و اتانول تبخیر گردد.
16- به هر میکروتیوب با توجه به مقدار رسوب DNA حدود 20تا 40 میکرولیتر آب دیونیزه اضافه می کنیم.
17- میکروتیوبها را در دمای 20 درجه نگه داری می کنیم تا در صورت نیاز از DNA استفاده کنیم.
3-4-2تکثیر قطعات مورد نظر با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمر از (PCR =Polymerase chaine Reaction).
به منظور تکثیر توالیهای nrDNA ITS از آغازگر های ITS1F و ITS4 (White et al.1990) استفاده گردید.
توالیهای آغازگرهای مورد استفاده در جدول 1-4آمده است.
جدول 1-4 توالی آغازگر های مورد استفاده برای تکثیر قطعه - جدولnrDNA ITS
توالی آغازگر جهت حرکت آغازگر نام آغاز گر
5-AAGGTTTCCGTAGGTGAACC-3 آغازگر رفت ITS1F
5-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3 آغازگر برگشت ITS4
جهت انجام واکنش PCR ابتدا مخلوط کلی طبق جدول پایین تهیه گردید.
جدول1-5 ترکیبات مورد استفاده برای مخلوط کلیpcr
مقدار مورد استفاده غلظت نام ماده
7 میکرو لیتر برای تکثیر قطعه هسته nrDNA ITS - آب دیونیزه
10میکرو لیتر 2X PCRmaster Mix
1میکرو لیتر 10PmoL /ML آغاز گر رفت
1میکرو لیتر 10PmoL/ML آغاز گر برگشت
1میکرو لیتر 20-25ng/ML DNA الگو

مراحل اصلی در یک واکنش PCR به ترتیب زیر است:
واسرشتگی اولیه: مخلوط تا 95 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود این دما پیوندهای هیدروژنی بین 2 رشته DNA را می شکند و باعث واسر شتگی دو رشته DNA می گردد.
واسر شتگی ثانویه: مرحله اول مجدداً تکرار می شود تا اطمینان حاصل گردد که دو رشته DNA کاملاً از یکدیگر جدا شده اند.
اتصال: مخلوط تا دمای 64-60 درجه سانتیگراد خنک می شود در این دما آغازگرها به محل های ویژه ای از DNA متصل می شوند.
بسط اولیه: دما تا 72 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. این دما برای عملکرد آنزیم Taq پلیمر از مناسب است تا رشته جدیدی از DNA ساخته شود.
بسط نهایی: مرحله قبل مجدداً تکرار می شود تا قطعاتی که هنوز تکثیرشان کامل نشده تکمیل گردند
در هر واکنش PCR مراحل 2تا 4 بسته به نمونه های مختلف 25تا 30 مرتبه تکرار می گردد.
جدول1-6 برنامه مورد استفاده برای واکنش PCR قطعه ITS nrDNA
زمان دما چرخه
5 ثانیه 950C واسرشتگی اولیه 25-30
1دقیقه 950C  واسرشتگی ثانویه 45ثانیه 0C 64-60 اتصال آغازگر 1دقیقه 720C بسط اولیه 7دقیقه 720C بسط نهایی 3-4-3الکتروفورزژل آگارز
الکتروفورز روشی است که در آن مولکول های DNA با بار منفی در میدان الکتریکی قرار می گیرند.
مولکول های DNA از میان شبکه ژل آگارز به سمت قطب مثبت حرکت می کنند که سرعت حرکت مولکول ها وابسته به اندازه قطعات DNA می باشد.
به منظور حصول اطمینان از تکثیر ناحیه مورد نظر در DNA، پس از انجام فرایند PCR محصولات در ژل آگارز 1 % الکتروفورز شدند.
بدین ترتیب 6 % آگارز وزن شد و در 60 میلی لیتر TBE IX به کمک حرارت حل شد 5/1 میکرو لیتر اتیدیوم برو ماید اضافه می کنیم. بعد از خنک شدن، محلول حاصل در سینی مخصوص که شانه در آن قرار داده شده بود ریخته شد. پس ژل برای بسته شدن درون یخچال قرار گرفت. بعد از قرار دادن ژل درون دستگاه الکتروفورز 3 میکرولیتر از محصولات PCR درون چاهک های افقی ژل تزریق شد. همچنین درون یکی از چاهک ها Ladder تزریق شد.
دستگاه الکتروفورز افقی (GeL XL Ultrauk) که با TBE IX برشده است به مدت 1 ساعت بر روی 75 ولتاژ تنظیم شد.
بعد از اتمام کار برای مشاهده ژل از دستگاه UV Light استفاده شد. باید توجه داشت که وجود باند در ستون کنترل منفی نشان دهنده آلودگی در محلول PCR و یا حین کار است.
براساس نوارهای وزنی Ladder بر روی ژل می توان به طول قطعه تکثیر شده پی برد.
تصویر ژل آماده شود.

شکل 1-6 nrDNA IT’S حاصل از تکثیر DNAژل الکتروفورز محصول

به طور کلی آغازگرهای PCR، براساس نواحی بسیار حفاظت شده ای طراحی می شوند که در دو سوی نواحی بسیار متغیر قرار دارند. مثلا آغازگر trn-c مورد استفاده در این مطالعه دارای ژن trnF (GAA) می باشند که ضمن انجام فرآیند PCRمطابق شکل1-7 به جایگاه های مربوطه متصل شده و ناحیه مورد نظر را تکثیر می کنند.

شکل 1-7 ناحیه فاصله گر رونویسی شونده داخلی (nrDNAITS)، زیر واحد ها، جهت و موقعیت آغاز گرها نشان داده شده است (برگرفته از Soltis et al., 1998).

شکل 1-8. ناحیه توالی DNA کلروپلاستی دو منطقه ی غیر کد شونده: اینترون trnL و فاصله گر بین ژنی trnL-F، جهت و موقعیت آغازگرها نشان داده شده است (برگرفته از (Quanddt et al., 2004.
3-4-4تعیین توالی مناطق تکثیر شده
محصولات PCRتک باند قوی و بدون کشیدگی ، جهت تعیین توالی از طریق شرکت ژن فن آوران به کشور کره فرستاده شد. برای تعیین توالی نمونه های مربوط به nrDNAITS از آغازگرهای ITS5 یا ITS5m وI4 یا AB101F و AB101R استفاده گردید
3-5آنالیز فیلوژنی
برای آنالیز داده های مولکولی، کروماتوگرام های حاصل از تعیین توالی نمونه ها با استفاده از نرم افزار Bioedit ویرایش و به text تبدیل شد و سپس به دو طریق دستی و با استفاده از نرم افزار ClustalW (Thompson et al., 1994) هم ردیف سازی گردید. با روش بیشینه ی صرفه جویی (Maximum parsimony) با استفاده از نرم افزار PAUP*4.0bl0 (Sowfford, 2002) و همچنین با روش Bayesian با نرم افزارversion 3.12) MrBayes Ronquist & Huelsenbeck, 2003) آنالیز شدند.

شکل 1-9 کروماتوگرام حاصل از تعیین توالی قطعه - شکل nrDNA ITS
3-5-1روش ماکزیمم پارسیمونی
بر اساس روش پارسیمونی مناسب ترین درخت، درختی است که به حداقل تعداد تغییرات برای توضیح داده ها (توالی های نوکلئوتیدی) نیاز داشته باشد و بنابراین بهترین درخت، کمترین تغییرات را در مسیر تکامل طی کرده و کمترین میزان هموپلازی ناشی از همگرایی یا برگشت را دارد و کوتاهترین درخت است.
در آنالیز پارسیمونی ممکن است چند کوتاهترین درخت به دست آید، در این صورت درخت توافقی (strict consensus tree) آنها را نشان می دهند که در این درخت کلادهای مشترک بین آن درختان نشان داده می شود ولی روابط ناسازگار بین آنها به صورت پلی تومی دیده می شود (Hall, 2001, Soltis & Soltis ,2003).
برای آنالیز داده های nrDNAITS، cpDNAtrnL-F و ترکیب ایندو، از جست و جوی ابتکاری (Heuristic search) و روش تبادل شاخه ای (Swapping)، دو نیمه سازی درخت و اتصال مجدد شاخه
هاTree Bisection Reconnection (TBR) و گزینه چندین درخت (MULTrees) با 100 تکرار از Random addition sequences و MaxTrees = 20000 (بیشینه درختان ذخیره شده) استفاده گردید.
برای تعیین حدود اطمینان کلاد ها در درخت مطلق مرکزی (Strict Consensus) حاصل از هر یک از آنالیز های مذکور، آنالیـز (Felsenstein 1985) Bootstrap با روش جستجوی ابتـکاری و انتخاب گزیـنه های Simple addition sequences و TBR و با انتخاب گزینه off برای MULTREES، انجام شد. تعداد تکرارها در تمامی آنالیزهای Bootstrapping، 20000 تکرار در نظر گرفته شد. بیشینه ی درختان ذخیره شده به ازای هر تکرار در تمامی موارد 100 درخت انتخاب شد.
3-5-2روش Bayesian
آنالیز Bayesian بر اساس قاعده آماری Bayes بنا نهاده شده است. در این قاعده برآمد نهایی آزمایش به انچه در مراحل قبلی رخ می دهند، بستگی دارد.
روش استنباطی Bayesian اخیرا به فیلوژنی راه یافته و یک ابزار قوی برای پاسخ به سوالات پیچیده در بیولوژی تکاملی است. Bayesian در فیلوژنی بر اساس کمیتی است که احتمال ثانویه نام دارد. در واقع تئوری Bayes، ترکیب احتمال اولیه (prior probability) از فیلوژنی(pr [Tree]) با احتمال (pr [Data / Tree])، برای ایجاد یک احتمال ثانویه (posterior probability) بر درخت (pr [Tree / Data)
است (Hall ,2001, Soltis & Soltis, 2003, Huelsenbeck et al., 2001).
این روش بر مدل های تکاملی متمرکز می شود و تمامی مکان های جانشینی را بررسی می کند. برای آنالیز داده های nrDNAITS، cpDNAtrnL-F و ترکیب ایندو، مدلهای تکاملی با استفاده از برنامه MrModeltest version 2.3 (Nylander, 2004)، اجرا شده در MrMTgui (Nuin 2005) بر اساس معیار اطلاعاتیAkaike (AIC) (Posada & Buckley 2004) انتخاب شدند. برطبق این آنالیز، مجموعه داده ها با استفاده از مدلهای K81uf + I + G و SYM +I + G، به ترتیب برای داده های cpDNAtrnL-F و nrDNAITS آنالیز شدند. مجموعه داده های ترکیبی در دو بخش با استفاده از ترکیب مدلهای مشابه یا به عنوان یک بخش با مدل GTR + I + G آنالیز شدند. برنامه MrBayes version 3.12 (Ronquist & Huelsenbeck 2003) برای آنالیز های فیلوژنتیکی Bayesian استفاده شد. برای آنالیز بخش بندی شده (partitioned analysis) و غیر بخش بندی ((nonpartitioned data، اجازه داده شد تخمین های جانشینی ها و طول شاخه ها به طور مستقل در هر بخش متغیر باشد. احتمالات ثانویه بر روی پارامترهای مدل از داده ها با استفاده از پیش فرض های اولیه برآورد شدند. آنالیز های ترکیبی و جدا از هم در 2 میلیون نسل تکرار شدند. 4 زنجیره مارکوف مونته کارلو (MCMC) در یک زمان از یک درخت به طور تصادفی شروع به کار کرد. یک درخت را در هر 100 نسل نمونه برداری کرد. درختان نمونه برداری شده بعد از رسیدن به فاز خطی (بعد از 500000 نسل یا 5000 نمونه) جمع آوری شدند و برای ایجاد یک درخت توافقی با بیشینه 50%، همراه با ارزشهای احتمال ثانویه با استفاده ازTreeview (Page 1996) استفاده شدند.
3-5-3مقایسه دو روش آنالیزی ماکزیمم پارسیمونی و Bayesian
در روش ماکزیمم پارسیمونی، بهترین تفسیر از درخت، ساده ترین تفسیر است. در این روش، درختانی انتخاب می شوند که حداقل تعداد تغییرات را داشته باشند. مزایای این روش این است که انتخاب درخت با کوتاهترین طول، تعداد جانشینی های نوکلئوتیدی و هموپلازی ناشی از تکامل موازی و برگشت را نیز به حداقل می رساند. این روش آنالیزی به آسانی در برنامه PAUP* قابل اجراست و می تواند جایگاه های اطلاعاتی و مشکلدار را شناسایی کند. همچنین این روش قادر است به حالت های اجدادی نیز پی ببرد. از معایب این روش این است که ممکنست بر اساس توالی های وارد شده، نتایج متفاوت ناشی از چندین جستجو به دست آید. همچنین این آنالیز با مجموعه داده های بزرگ نسبتا کند انجام می شود. روش Bayesian از یک سری فنون جستجوی بسیار کارآمد استفاده می کند. این روش با در نظر گرفتن احتمال اولیه قبل از آنالیز و بر اساس احتمال ثانویه، نتیجه تولید می کند. از مزایای این روش بر ماکزیمم پارسیمونی اینست که از بسیاری از امکانات آماری و مدلهای تکاملی استفاده می کند در حالیکه روش پارسیمونی فقط بر اساس صفات بنا نهاده شده است. روش Bayesian می تواند مجموعه داده های نسبتا بزرگ را آنالیز کند و همچنین ارزشهای حمایتی بالایی دارد (Soltis & Soltis, 2003).
8394701098550فصل چهارم
بحث و نتیجه گیری
00فصل چهارم
بحث و نتیجه گیری

4-1 آنالیز ماکزیمم پارسیمونی
طول این ناحیه هسته ای برای 5 تاکسونی که مورد مطالعه قرار گرفت. 658 جفت باز میباشد. ماتریکس توالی های nrDND ITS شامل 13 تاکسون درون گروه و2 تاکسون برون گروه می باشد. صفات اطلاعاتی 146 وصفات غیراطلاعاتی 512 میباشد. انالیز دادهای nrDNA ITS با روشMPتعداد کوتاهترین درخت با337 گام میباشد. با شاخص پایداری یا ثبات CI 671/0،شاخص گروه پذیری یا ابقا RI 613/0ایجاد کرد.
در این آنالیز دو نمونهTournefortia Rubicunda,Heliotropium Bacciferum به عنوان
برون گروه انتخاب شدند.بعد از برون گروه کلادوگرام شامل 8 زیرکلاد میباشد اولین زیر کلاد با حمایت 100به دو زیر کلاد تقسیم می شود که یک کلاد تک تبار شامل Echiochilon persicumوکلاد بعدیEchiochilon Fruticosum میباشد که این دو با حمایت 100میباشد زیر کلاد بعدی با حمایت 100شامل گونه Solenanthus circinatusمیباشد وزیرشاخه بعدی به گونه هایی از جنس Rinderaکه یک کلاد با حمایت 54 که کمترین حمایت میباشد شامل یک گونه R.lanataو شاخه بعدی گونه R.Bungei می باشد زیر کلاد بعدی با حمایت 100 به یک کلاد تقسیم میشود. که شامل گونه incerpicua Lepechiniella میباشد و کلاد بعدی شامل گونه paracaryum میباشد. همچنین زیر کلاد بعدی با حمایت 58به یک شاخه که شامل گونه R.Cyclodonta میباشد. زیر کلاد بعدی نیز به یک گونه Cynoglossum creticum میباشد و یک زیر کلاد نیز با حمایت 86 به 2 شاخه که شامل گونه های Lindelofialongiflora,cynoglossum officinalis
تقسیم می شود که این 3 گونه با R.Cyclodontaخواهران متوالی اند.

شکل 1-10فیلوگرام حاصل از آنالیز داده های nrDNAITS با روش ماکزیمم پارسیمونی. اعداد روی شاخه ها، نشانگرحدود اطمینان شاخه هاست.
4-2 آنالیز Bayesian
در این فیلو گرام 2 گونهHeliotropium BacciferumوToumefortia Rubicundaبه عنوان برون گروه میباشند.فیلوگرام به 2 شاخه تقسیم می شود که این شاخه خود به 2 زیر کلاد با حمایت 00/1 می باشد زیر کلاد اولی به 2 شاخه تقسیم شده با حمایت 00/1 که 2 گونه Echiochilon persicum وEchiochilon fruticosumمیباشد که به عنوان کلاد خواهری هستند ومونوفیلند و شاخه بعدی به 2زیر کلاد تقسیم میشود که یک کلاد گونه Solenanthus circinatus وهستش وهمچنین گونه های جنس RinderaوSolenenthus با حمایت 90/0گروه تک تبار را تشکیل میدهند و گونهRindera bungieوR.Lanataبا حمایت 99/0 کلاد خواهری را تشکیل میدهند.شاخه بعدی که با حمایت 90/0 خارج شده خود به 2 زیر کلاد تقسیم شده که زیر کلاد اولی به گونه Paracaryum spوشاخه بعدی با حمایت 78/0 که گونه
incerpicua Lepechiniella را شامل میشود و زیر شاخه بعدی به 2 شاخه تقسیم میشود که شامل گونه
R. cyclodontaبا حمایت 60/0 میباشد و شاخه بعدی با حمایت 86/0به 2شاخه که شامل 3 گونه که اولی cynoglossum certicumبا حمایت 99/0 و زیر شاخه بعدی شامل lindelofialongiflora وcynoglossum officinaleبا حمایت 97/0 کلاد خواهری را تشکیل میدهند.
که گونهParacaryumو incerpicua Lepechiniella و R.Cyclodontaوcynoglossum certicum
و lindelofialongiflora وcynoglossum officinale پیرا تبار میباشد.
-579755-200025CynoglossumOfficinale
Lindelofialongiflora
0.97
CynoglossumCreticum
0.99
R.cyclodonata
0.86
Lepechiniella incerpicua
0.60
ParacaryumSP
0.70
R.lanata
R.bungei
0.99
R.albida
R.regia
Solenanthuscircinatus
0.98
EchiochilonPersicumIRan
EchiochilonFruticosum
1.00
1.00
TournefortiaRubicunda
HeliotropiumBacciferum
0.1
00CynoglossumOfficinale
Lindelofialongiflora
0.97
CynoglossumCreticum
0.99
R.cyclodonata
0.86
Lepechiniella incerpicua
0.60
ParacaryumSP
0.70
R.lanata
R.bungei
0.99
R.albida
R.regia
Solenanthuscircinatus
0.98
EchiochilonPersicumIRan
EchiochilonFruticosum
1.00
1.00
TournefortiaRubicunda
HeliotropiumBacciferum
0.1

شکل 1-11درخت فیلوژنی حاصل از آنالیز nrDNAITS با استفاده از روش Bayesian. اعداد نشان داده شده، حمایت آماری کلادها را نمایش میدهد.
4-3 فیلوژنی قبیله Cynoglosseae
همان گونه که درفیلوگرام نمایش داده شده در آنالیز ماکزیمم پارسیمونی حاصل از داده های ITSنمایش داده شده است گونه متعلق به جنس Echiochilon یک کلاد با حمایت 100 را با گونه های Echiochilon persicum و E. fruticosum و به عنوان اولین کلاد از درخت خارج می شوند را تشکیل داده اند.این 2گونه در تبارEchiochileaeقرار دارندکه بر اساس مطالعات لنگستروم (2002) به این قبیله معرفی شد.
گونه R.cyclodonta نیز دور از سایر گونه های جنس Rindera قرار گرفته است.بنابرابن جنس Rindera تک تبار نمی باشد.
اعضای قبیله Cynoglosseae دارای خامه ای با تقسیماتی در راس با 2 تا 4 کلاله، همچنین با فندقه های دارای اثر اتصال قاعده ای وسیع مشخص می شوند. از نظر کروموزومی عدد پایه کروموزومی 8 دارند. (Lugue & valdes ,1984)
قبیله Echiochileae با دو گونه آنالیز شده(Fruticosum E.percicum, Echiochilon)
تک تبار می باشد و این قبیله معمولا در قاعده درخت قرار گرفته است. اعضای این قبیله فرم چوبی دارند. در حالیکه بقیه اعضای زیرتیره علفی اند. از نظر گرده شناسی گونه های Echiochilon شبیه به گونه های Heliotropium، 3 شیاره (3- colpate) هستند.
(Kazempour osaloo& khatam saz ,1994, Diez& valdes 1986)
گروهی از گیاهشناسان (De candolle ,1846) Echiochilon را در قبیله Echieae و عده ای دیگر Al shehbaz, 1991 آن را در قبیله Eritrichieae قرار داده بودند.
khatamsaz,2002, Riedl ,1997 نیز این جنس را متعلق به قبیله Lithospermeae می دانستند.
در توضیح قبیله Cynoglosseae.s.L می توان گفت که پهنای قبیله Cynoglosseae در یک کلاد با حمایت بالا قرار می گیرد و تک تبار نیست. (سعادتی، 1390).
گونه های جنس Rindera همراه با گونه Solenanthus circinatus یک کلاد با حمایت بالا (pp=100) را تشکیل داده اند، این 2 جنس در داشتن برگهای قاعده ای با دمبرگ طویل. گل آذین خوشه مرکب، جام گل لوله ای پرچم ها 5 عدد، کلاله سرسان مشترک هستند. صفت نامساوی بودن شکل برگها – تعداد فندقه و شکل بساک میان سایر اعضای این قبیله صرفاً مختص به این دو جنس می باشد.
گونه های جنس Rindera در کلادی با حمایت 100 قرار گرفته اند. اعضای این کلاد، یک کلاد خواهری Solenanthus circinatus تشکیل داده اند این دو جنس در داشتن برگهای قاعده ای با دمبرگ طویل هستند. بنابراین ویژگی برگهای قاعده ای یک صفت طبیعی برای طبقه بندی اعضای این قبیله محسوب می شود. و موید قرابت این دو جنس است.
در پلی تومی 4 شاخه ای که در میانه فیلوگرام شکل گرفته، گونه های جنس Solenanthus در یک کلاد با حمایت 100 قرار گرفته که دال بر تک تبار بودن این جنس است (اسماعیل بگی کرماتی ،1391)
اعضای جنس ها Cynoglossum و lindelofia در فیلوگرام نیز در یک کلاد با حمایت 86 قرار گرفته اند. اعضای این دو جنس هیچ کلادتک تباری را تشکیل نداده اند. اما مجموعه ی کلادی با حمایت 86 ایجاد کرده اند. این دو جنس ظاهراً تک تبار نیستند اما خویشاوند نزدیک یکدیگر به شمار می روند. جنس های Cynoglossum و lindelofia در داشتن گل آذین انتهایی بدون براکته، زائده مستطیلی شکل بین لب ها در دهانه جام و فندقه های خاردار مشابه هستند.
گونه های جنس Rindera در دو زیر کلاد نزدیک به هم قرار دارند و به همراه جنس Lepechiniella incerpicua و یک گونه از جنس paracaryum پارافیلتیک را تشکیل داده اند. براساس نتایج حاصل از این مطالعه جنس Rindera تک تبار نمی باشد.
4-4 روابط فیلوژنی جنس Rindera
جنس Rindera 5 گونه از (R. Regia, R.Albida, R.Bungei, R.lanata, R.Cyclodanta)این جنس با استفاده از توالی هسته ای ITSآنالیز شده که درخت حاصل از آن نشان داد که این جنس تک تبار نمی باشد. آنالیز نیز نشان داد R.Cyclodontaبه عنوان گروه خواهری با کلادی متشکل از گونه های جنس, Lepechiniella ,paracaryum, cynoglossum creticum,lindelofialong, cynogolossum officinale) قرار می گیرد. و در آنالیز انجام شده با استفاده از توالی هسته ای ITSگونه های Rindera در کنارparararyum, Lepechiniella incerpicua قرار گرفته اند و نشان می دهد این گونه ها به هم نزدیکند.
خصوصیات مشترک جنس Rinderaعلفی، کپه ای کوچک، پوشیده از کرک،ساقه افراشته،کاسه گل استکانی هستند.. (خاتم ساز1381)
علفی،ساقه ها معمولا ساده، کرکی نرم،(به ندرت بدون کرک)برگها بیضوی،دمگل بلند،گل اذین به فرم دیهم،کاسه گل 5قسمتی (Davis P.H ,1978))
کاسه گل تقریبا در قسمت پایه به لوب باریک،در میوه خمیده،در گل قایم تقسیم میشود.جام گل لوله ای شکل(Popov M.G ,1953)
در جنس Rinderaدر فیلوگرام نمایش داده شده گونه Cyclodonta.Rدور از گونه های دیگر قرار گرفته
زیرا از لحاظ مورفولوژیکی به دلیل داشتن برگهای نسبتا بدون کرک،برگهای قاعده ای با دمبرگ طویل،
برگهای ساقه ای تخم مرغی و خامه نسبتا کوتاه از سایر جنس ها دور افتاده اند
دو گونه R.Lanata,R.Bungeiاز نظر داشتن علفی، کاسه گل استکانی،پوشیده از کرک،فندقه دایره ای
،گل اذین خوشه مرکب، مشترکند.(خاتم ساز،1381 )
R.Lanataچند ساله ای علفی؛ریشه باریک و محکم،ساقه ها ساده به ندرت در قسمت پایین منشعب،کرکدار،برگها دارای دمگل بلند،بیضوی،گل اذین انتهایی بسیار بزرگ،( Davis P.H ,1978)
ریشه باریک به سمت پایین، ساقه ها افراشته، کرکدار،شاخه خوشه ای،( Popov M.G ,1953)

–258

(1-10-1 پروتئین 2B ......................................................................................................................................................................... 27
(2-10-1 پروتئین 2C ......................................................................................................................................................................... 27
(3-10-1 پروتئین 3AB .................................................................................................................................................................. 27.(4-10-1 پروتئین فرعی سلول ........................................................................................................................................................... 28.
(5-10-1 پروتئین متصل کننده پرایمر برای سنتز RNA ........................................................................................................... 28.
(11-1 محل سنتز RNA در سلول ..................................................................................................................................................... 29
(12-1 چگونگی تشخیص RNA ویروسی و سلولی از یکدیگر ..................................................................................................... 31
(13-1 مرحله تجمع و تشکیل ذرات عفونی ...................................................................................................................................... 32
(14-1 پاراکوویروس ................................................................................................................................................................................33
(1-14-1 جداسازی و خصوصیات اولیه پاراکوویروس ...................................................................................................................... 33
(2-14-1 پروتئین های پاراکوویروس .................................................................................................................................................. 34
(3-14-1 پردازش پروتئین در پاراکوویروس ها ................................................................................................................................. 35
(4-14-1 توالی 5´-UTR در پاراکوویروس ها ................................................................................................................................... 36
(5-14-1 ارتباط ژنتیکی پاراکوویروس ها با پیکورنا ویروس های دیگر ....................................................................................... 38
(6-14-1 تداخلات بین HPeV1-2 با سطح سلولهای حساس ...................................................................................................39
(7-14-1 عوارض کلینیکی و اپیدومیولوژی پاراکوویروس ها .......................................................................................................... 41
(8-14-1 ویروس های مرتبط با پاراکوویروس ها در حیوانات ....................................................................................................... 41
جداول:
جدول 1) اعضای خانواده پیکورنا ویریده ............................................................................................................................................ 4
جدول 2) گیرنده ها و کمک گیرنده های مورد استفاده در پیکورنا ویروس .............................................................................. 19
جدول 3) میزان تشابه توالی اسیدهای آمینه بینHPEV-1 وHPEV-2 ....................................................................43…….
جدول 4) تهیه محیط کشت....................................................................................................................................................................55
جدول 5) تهیه محلول های مورد نیاز برای استخراج پلاسمید..........................................................................................................57
جدول 6) توالی و موقعیت پرایمرهای طراحی شده برای ناحیه5´ UTR ................................................................................... 59
جدول 7) نتیجه مقایسه سکانس توالی های 5UTR با بانک ژنی به روش blast............................................................................ 65
جدول 8 )نتایج blast محصول PCR .................................................................................................... ....................................................73
جدول 9- فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت بر اساس PCR...................76
جدول10 - فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب جنس….………...76
جدول11- فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب سن..…….………...76
جدول 12- فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب فصل…..………....76
نمودار:
نمودار1- فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت بر اساس PCR………..…....77
نمودار-2 فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب جنس……………...77
نمودار-3 فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب سن……..…….....78.
نمودار4 - فراوانی نمونه های مثبت پاراکوویروس های انسانی کودکان مبتلا به گاستروآنتریت برحسب فصل……..……...78
اشکال:
شکل 1) نمای شماتیک کپسید ویروس ها ........................................................................................................................................ 9…..
شکل 2) دیاگرام شماتیک 8 زنجیره β ………………………………………………….. ............................................................. 11
شکل 3) مدلی از پولیوویروس تیپ 1 .………………………………………………………………………. .............................. 11
شکل 4) تداخلات میریستات با پروتئین های سطح ویروس ........................................................................................................... 13
شکل 5) تصویر شماتیک ژنوم پیکورنا ویروس ها ................................................................................................................................ 13
شکل 6) دو تیپ اصلی از IRES در پیکورنا ویروس ها ..................................................................................................................... 15
شکل 7) چرخه تکثیر پیکورناویروس ...................................................................................................................................................... 17
شکل 8) تصویر شماتیکی از Canyon …………………………………………………………………… …… .........................20
شکل 9) شکاف Canyon و نحوه قرار گرفتن دارو در VP1 ............................................................................................................ 20
شکل 10) مدل دخول پیکورنا ویروسها به درون سلول ...................................................................................................................... 22
شکل 11) مکانیسم فرضی برای عبور RNA پیکورنا ویروس ها از عرض غشا .......................................................................... 22
شکل 12) تصویر سه بعدی از 3C pro ویروس هپاتیت A ، 2A pro رینو ویروس و FMDV Lpro ................................. 25…..
شکل 13) نحوه اتصال vpg به ابتدای ژنوم پیکورنا ویروسها، محل کلیواژ vpg.................................................................... 29…...
شکل 14) سنتز RNA و ترجمه پروتئین .............................................................................. ........................................................... 30
شکل 15) مدل سنتز ssRNA پولوویروس ....................................................................................................................................... 31
شکل 16) مراحل ساخته شدن واحدهای ساختمانی و عملکرد 3CD pro در این مرحله ........................................................ 32
شکل 17) مراحل مرفوژنز پیکورنا ویرس ها ....................................................................................................................................... 33
شکل 18) کلیواژ اولیه پروتئین پیکورنا ویروس ها ........................................................................................................................... 36
شکل 19) دیاگرام شماتیک ساختار ثانویه .......................................................................................................................................... 37
شکل 20) دندروگرافی براساس پروتئین VP3 در پیکورنا ویروس ها .......................................................................................... 38
شکل 21) مقایسه توالی اسید آمینه ای در انتهای کربوسیلی از VP1 در بین پاراکوویروس ها و CAV ............................ 39.
شکل 22) نتایج Plaque assay پاراکوویروس انسانی تیپ 1 ..................................................................................................... 40
شکل 23) ارتباط فیلوژنیک بین پاراکوویروس ها و ایزوله های تازه جداشده از ویروس L jungan درحیوانات.................42
فصل اول
کلیات.................................................................................................................................................................................................44
بیان مساله.......................................................................................................................................................................45
(2-1 فرضیه...................................................................................................................................................................................................46 . (3-1اهداف تحقیق................................................................................................................................................................................... 47
1-4)ضرورت انجام تحقیق...........................................................................................................................................................................47

فصل دوم
مروری بر متون گذشته...............................................................................................................................................................................48
فصل سوم
مواد و روش ها..................................................................................................................................................................................51
(1-3آماده سازی میکروتیوب و سرسمپلرها..........................................................................................................................................52
(2-3 مواد لازم برای تهیه سوسپانسیون ...............................................................................................................................................52
(3-3 جداسازی RNA و ساخت cDNA..............................................................................................................................................53
(4-3سنتز cDNA.......................................................................................................................................................................................54
3-5) Compatent.....................................................................................................................................................................................55
3-6) ترا نسفورم.............................................................................................................................................................................................56
Mini prep protocol ( 7-3 (استخراج پلاسمید)...........................................................................................................................58
PCR (8-3.....................................................................................................................................................................................................58
(9-3 روش تهیه ژل آگارز...........................................................................................................................................................................60
(10-3 روش آماده سازی مارکر 1kb......................................................................................................................................................60
11-3)تکنیک الکتروفورز.............................................................................................................................................................................61
(12-3تهیه بافر الکتروفورز 1x..................................................................................................................................................................61
(13-3روش استخراج DNA‌از ژل .......................................................................................................................................................61
فصل چهارم
نتایج.........................................................................................................................................................................63
مقایسه blast برخی توالی های مثبت با توالی موجود در بانک ژنی...............................................................................................66
فصل پنجم
بحث و نتیجه گیری.......................................................................................................................................................................79
بحث.................................................................................................................................................................................................80
نتیجه گیری....................................................................................................................................................................................84
توصیه ها و پیشنهادات.................................................................................................................................................................85
منابع....................................................................................................................................................................86
خلاصه انگلیسی..............................................................................................................................................100. اختصارات:
+ssRNA:plus sense single stranded RNA
EMCV:Encephalomyocarditis virus
FMDV:Foot and mouth disease virus
HPEV1,2:Human parechovirus type 1 and 2
cDNA:Complementary DNA
PCR:Polymerase chain reaction
HAV:Hepatitis A virus
CPE:Cytopathic effect
ICAM-1:Intercellular adhesion molecule -1
VPG:Viral protein genome linked
mRNA:Messenger RNA
IRES:Internal ribosome entry site
ORE:Open reading frame
PVR:Poliovirus receptor
RE:Restriction enzyme
RI:Replication intermediate
RF: Replication form
IPTG:Isopropyl-β-D-thiogalactoside
DAF:Decay-accelerating factor
WHO:World health organization

خلاصه:
پار اکو ویروس انسانی که به خانواده پیکورنا ویروس ها تعلق دارد, بدون غشا بوده و دارای ژنوم RNAتک رشته با قطبیت مثبت می باشد . اندازه ژنوم این ویروسKb 4/8 - 2 /7می باشد. این ویروس با بروز عفونت های گوارشی و تنفسی و گاهی عفونت های سیستم اعصاب مرکزی مرتبط است. از آنجا یی که هیچ اطلاعات درستی در مورد ژنوتایپ این ویروس در ایران وجود نداشته است این مطالعه به منظور تشخیص سریع , تعیین ژنوتایپ این ویروس در نمونه های مدفوع کودکان ایرانی زیر چهار سال مبتلا به گاستروآنتریت طراحی شده است. RNA از سوسپانسیون مدفوع استخراج شده وcDNA تهیه گردید و nested PCR با پرایمرهای اختصاصی انجام شد و محصول PCRاز ژل آگارز استخراج و تعیین توالی گردید . نتایج نشان داد که تکنیک RT-PCR برای تشخیص مستقیم HPeV در نمونه های کلینیکی کاربردی تر, حساس تر , سریعتر از روش کشت سلولی می باشد. این موضوع تایید میکند که روش RT-PCR روشی برتر برای تشخیص این ویروس درزمانی کوتاهتر و با هزینه کمتر می باشد. همچنین تشخیص سریع می تواند مانع مصرف بی رویه آنتی بیوتیک گردد.
کلمات کلیدی : پیکورناویروس- پاراکوویروس انسانی- گاستروآنتریت

مقدمه

1-1 )تاریخچه پیکورنا ویروس:
پیکورنا ویروس ها دلیل نام آنها کوچکی آنهاست که پیکو(Pico) به زبان آلمانی به معنای کوچک است یعنی ویروسهای کوچک RNA دار, و پاراکوویروس از خانواده پیکورنا ویروس ها می باشد.
پیکورنا ویروس ها، ویروس های کروی شکلی هستند که دارای ژنوم RNA ی تک زنجیره با قطبیت مثبت (+ssRNA) می باشند.اندازه این ویروس ها از kb 7.2 در (ردیف ویروس انسانی) تا Kb 7.4 در (پولیوویروس، هپاتیتA) و تا kb8.4 در (آفتو ویروس ها) متغیر است (1).

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

پیکورنا ویروس ها نقش شگرفی در پیشرفت ویروس شناسی مدرن داشته اند، به طوریکه FMDV اولین ویروس حیوانی بود که در سال 1898 توسط Frosch , Loeffler کشف گردیده. ده سال بعد در اواخر قرن بیستم، با ظهور اپیدمی پولیومیلیت شاهد ایزوله شدن عامل این عفونت (پولیوویروس) توسط popper , landsteinerk بودیم. 40سال بعد دریافتند که پولیوویروس قادر است در کشت سلولی رشد نماید. این یافته آغاز راهی برای مطالعه تکثیر ویروسها بود. سپس اندازه گیری پلاک (Plaque assay) به عنوان یک روش استاندارد در اندازه گیری عفونت زایی پولیوویروس به کار گرفته شد (3,2).
اولین RNA پلیمراز مرتبط با RNA در مننگوویروس (Mengovirus) شناسایی گردید (1) .
با انجام مطالعات بیشتر مشخص شد که ویروس ها برای ورود به سلول از یکسری گیرنده های خاص استفاده می کنند که مختص آن ویروس ها بوده و برای ورود ویروس به سلول ضروری می باشند.
پروتئین های پیکورنا ویروس ها به صورت یک پارچه سنتز شده و توسط یک یا دو پروتئین که خاصیت پروتئازی دارند بصورت آبشاری ودنبال هم می شکند و بسته به نوع ویروس12,11,10 پروتئین مجزا دارند. این پیش سازهای پروتئینی شامل2A , 3C , 3D است که نقش مهمی در همانندسازی و تکثیر ویروس دارند. به طورکلی این پروتئین ها غیر ساختمانی بوده. و فعالیتهای آنزیمی او شبه آنزیمی دارند.
بسیاری از پیکورنا ویروسها بیماریهای مختلفی در انسان ایجاد می کنند. از فلج شدید تا مننژیت اسپتیک، میوکاردیت، ضایعات وزیکولر و گزانتمی پوستی، ضایعات جلدی مخاطی، بیماری های تنفسی، بیماری های چشمی و... جدی ترین بیماری که توسط پیکورنا ویروس ها در انسان به وجود می آید پولیومیلیت است که اشکال تحت بالینی این بیماری از بیمارهای بالینی آن شایع تر می باشد (1).
1-2) تقسیم بندی پیکورناویروس ها :
این ویروس ها بر اساس خصوصیات فیزیکی، دانسیته شناوری، حساسیت به PH ، نزدیکی سرولوژیکی و اکنون بیشتر براساس خصوصیات مولکولی تقسیم بندی شده اند. براساس تجدید نظر جدید توکسونومی به 9 جنس تقیسم شده اند که البته هر جنس هم شامل زیر گروه هایی می شود (2). (جدول شماره یک)
جدول 1 )- اعضای خانواده پیکورنا ویریده.
Members of the Family Picornaviridae Species
Aphtovirus Foot – and – mouth disease virus
Equine rhinitis A virus
Equine rhinitis B virus
Avihepatovirus Duck hepatitis A virus
Cardiovirus Encephalomycarditis virus
Theilovirus
Enterovirus Bovine enterovirus
Human enterovirus A
(Coxsackievirus,enterovirus)
Human enterovirus B
(Coxsackievirus,echovirus,enterovirus)
Human enterovirus C
(poliovirus,coxsackievirus,enterovirus)
Human enterovirus D
(enterovirus)
Porcine enterovirus B
Simian enterovirus A
Human rhinovirus A
Human rhinovirus B
Human rhinovirus C
Erbovirus Equine rhinitis B virus
Hepatovirus Hepatitis A virus
Kobuvirus Aichi virus
Bovine kobuvirus
Parechovirus Human parechovirus
Ljungan virus
Sepelovirus Porcine *elovirus
Simian *elovirus
Avian *elovirus
Senecavirus Seneca valley virus
Tremovirus Avian encephalomyelitis virus
Teschovirus Porcine teschovirus
Refrance: Fields, B., 2013, Virology book, Vol .13
I) آفتوویروسها :مهمترین ویروس این خانواده FMDV می باشد که حیوانات سم دار نظیر گاو، بز، گوسفند و خوک را آلوده میکند.و بندرت انسانها را نیز آلوده می نماید. هفت سروتیپ از آفتوویروسها شناسایی شده است(سروتیپAsial , SAT 1,2,3 , C , A , O ). در بین هر سروتیپ، زیرگروه های زیادی وجود دارد. این ویروس ها خیلی حساس هستند و عفونت زایی آنها در PH کمتر از 7 کاهش می یابد( 1و9و8).
II) کاردیو ویروس ها :دارای دو شاخه مستقل است.
الف : ویروس های شبه انسفالومیوکاردیت که شامل انسفالومیوکاردیت ویروس و کلمبیا ویروس SK و مننگوویروس است. که ویروس های پاتوژن در موش هستند, البته می توانند در انسان، میمون، خوک، فیل، سنجاب هم بیماری بدهند.
ب : در این گروه ویروس هایی هستند که در سیستم عصبی تولید بیماری می کنند و شامل طیف و سیعی از ویروس ها هستند که شاخص آنها Theleris murin encephalomyelitis viruse می باشد. (5)
III) هپاتوویروسها :ویروس هپاتیت A (HAV) که قبلاً عضوی از جنس انتر و ویروسها بود اکنون در جنس مجزایی به نام هپاتوویروس قرار گرفته است دلیل این طبقه بندی مجدد خصوصیات ویژه مولکولی HAV می باشد.
توالی نوکلئوتیدی و اسیدآمینه ای HAV با پیکورنا ویروس های دیگر تشابه کمی دارد.
تکثیر آن در کشت سلولی بدون ایجاد CPE می باشد و انتقال بیماری مدفوع- دهانی و عامل هپاتیت می شود(1و6و7و8).
IV) رینوویروس ها :علت نامگذاری این ویروس ها به محل رشد و تکثیر آنها یعنی نازوفارنکس مربوط می شود این گروه متداول ترین عوامل سرماخوردگی در کودکان و بزرگسالان هستند. این جنس دارای اعضای بسیار زیادی است که سه تیپ و 103 سروتیپ دارد.
این ویروس به محیط اسیدی حساس بوده و در دستگاه تنفسی قدرت رشد دارند و این خاصیت آنها را از انتروویروس ها متمایز می گرداند (1و 2).
V)انتروویروسها :
این ویروسها در دستگاه گوارش تکثیر می شوند و به PH اسیدی معده مقاوم هستند. این جنس در بر گیرنده پولیوویروس (3 سروتیپ)، کوکساکی ویروس(23سروتیپ)، اکوویروس(28 سروتیپ)، انتروویروس های انسانی(4 سروتیپ) و شماری از ویروسهای غیرانسانی می باشد.
V-1/پولیوویروس ها :قدیمی ترین ویروس شناخته شده است که شامل سه سروتیپ مجزا می باشد و سبب بیماری فلج می گردد. راه ورود ویروس مدفوعی- دهانی می باشد. ویروس بیشتر به سلول های لنفوئیدی اپی تلیال و نرون ها در سیستم عصبی مرکزی تمایل دارد. ایمنی نسبت به ویروس پولیو دائمی و جلوگیری از عفونت وابسته به واکسیناسیون است و گیرنده اختصاصی ویروس پولیو ، CD155 می باشد (1 و 2).
V-2/ اکو ویروس ها :دلیل نامگذاری این است که ایجاد بیماری مشخص نمی کند و اولین بار از مدفوع جدا شده و بیشتر از 32 سروتیپ از آن شناخته شده است. بیماری هایی که ایجاد می کند مننژیت غیر چرکی، انسفالیت، بیماری تب دار و سرماخوردگی است و در انسان هم سبب اگلوتیناسیون اریتروسیت های گروهO می شود (1 و 4).
V-3 / کوکساکی ویروس ها :براساس ایجاد بیماری در نوزاد موش شیرخوار به 2 گروه A , B تقسیم بندی شده اند.
گروهA : سبب بیماری فارنژیت و زیکولی، التهاب خونریزی دهنده چشم و ... می شوند.
گروهB : سبب میوکاردیت، پریکاردیت، انسفالیت و پلاک های فاسد شونده در ماهیچه و مغز می شوند و راه ورود ویروس دهانی می باشد (1).
این ویروس ها از رسپتورهای مختلف مانند vitronecti receptor , I-Cam1 , CD55 جهت اتصال به سلول استفاده می کنند.(2)
VI) پاراکوویروس ها :این جنس به تازگی طبقه بندی شده است و شامل 2 سروتیپ پاراکوویروس انسانی تیپ 1 و 2 است. این دو ویروس قبلاً به عنوان اکوویروس تیپ 22 و 23که جز گروه انتروویروسها طبقه بندی شده بودند. پس از مطالعه مولکولی ژنوم این ویروس ها مشخص گردید که این دو ویروس تنها 30% با پیکورناویروس های دیگر تشابه اسید آمینه ای دارند. از طرف دیگر کپسیداین ویروس ها تنها سه پروتئین دارد و کلیواژ (cleavage) پپتید VPO به VP2 و4VP صورت نمی گیرد. این موضوع منجر به طبقه بندی مجدد این ویروس ها و قرار دادن آنها در جنس جداگانه ای به نام پاراکوویروس گردید. (10)
1-3) خصوصیات فیزیکی و شیمیایی پیکورنا ویروس ها:
1-3-1)حساسیت به PHاسیدی :
انترو ویروسها ، هپاتوویروسها، کاردیوویروسها و پاراکو ویروسها به اسید معده مقاومند و عفونت زایی آنها در PHکمتر از 3 از بین نمی رود. در صورتیکه رینوویروسها و آفتوویروسها بهPH کمتر از 6 حساس اند به همین دلیل محل طبیعی تکثیر این ویروسها در بدن متفاوتند. از طرف دیگر حساس بودن رینوویروسها و آفتوویروسها به PHاسیدی در مرحله پوشش برداری (Uncoating) نقش دارد (2).
1-3-2)دانسیته:
کاردیو و آنتروویروس دانسیته 34/1 گرم در میلی لیتر در کلرید سزیم دارند و FMDV دانسیته 45/1 گرم در میلی لیتر در کلرید سزیم دارد. رینوویروس دانسیته 40/1 گرم در میلی لیتر در کلرید سزیم دارد که دلیل این اختلاف حرکت نفوذپذیری کپسیدویروس نسبت به سزیم است. کپسیدپولیو نسبت به سزیم غیر قابل نفوذ است و ویروس در چگالی شناوری سبک تری باند می شود ولی کپسیدآفتوویروسها منافذی دارد که سزیم می تواند به درون ویریون نفوذ نماید (11و 12و 13).
(3-3-1حساسیت نسبت به حلال های لیپیدی:
پیکورنا ویروس فاقد پوشش لیپیدی است و به کلروفرم، دتر جنت واتر مقاوم بوده و از بین نمی رود (6 و 14).
1-4) ساختمان پیکورناویروس:
(1-4-1کپسید:
کپسید از چهار پروتئین ساختمانی به نام vp1 ، vp2 ، vp3 ، vp4 ، تشکیل شده است. ولی در میان اعضای پاراکوویروس ها استثناء می باشند. زیرا که کپسید آن ها تنها دارای سه پروتئین VPO ، VP2 و VP4 می باشد و کلیواژهایVPO، به VP2وVP4انجام نمیشود (10).
در سال 1960 دو دانشمند به نام casper and klug مبنای ساختمانی ویروسها را تشریح کردند و نشان دادند که کپسید این ویروسها دارای ساختمان ایکوزاهدرال (Icosahedral )، تقارن بیست وجهی است که از چهار پروتئین VP4 – VP1 تشکیل شده (به استثنای پاراکوویروس) (14). یک 20 وجهی از 20 مثلث متساوی الاضلاع و 12 گوشه تشکیل یافته است (شکل 1 ). نتایج حاصل از مطالعات اشعه X و بررسی های بیوشیمیایی نشان داد که کپسید پیکورنا ویروسها واجد 60 پروتئین ساختمانی است که به صورت یک شبکه 20 وجهی استوار یافته اند. در سال 1985 ساختار اتمی پولیوویروس و رینوویروس انسانی تیپ 14 به کمک کریستالوگرافی با اشعه Xمشخص گردید (15و14).

شکل 1- نمای شماتیک کپسید ویروسها.در این شکل حالت 20 وجهی، پروتومرها و پپتیدهای شکل دهنده کپسید مشخص می باشد.شکاف کانیون (Canyon) نیز در گوشه سمت راست مشخص می باشد.
اصلی ترین جزء سازنده در کپسید پیکورنا ویروسها را پروتومر (protomer) نامیدند. هر پروتومر از 4 پروتئین VP4–VP1 تشکیل شده است. سه پروتئین VP1، VP2 ، VP3 در سطح خارجی کپسید قرار دارند ولی VP4در سطح داخلی کپسید و در تماس با ژنوم قرار دارد. این پروتئین ها با هم شبکه ای استوانه ای را تشکیل داده که از 8 رشته زنجیره موازی و در خلاف جهت هم قرار دارند و به نام -barreljellyrollβ می نامند (16و8) (شکل 2).
این دومن یک ساختمان گوه ای شکل است که از دو روقه β موازی و در خلاف جهت هم ساخته شده اند یک ورقه β دیواره گوه را می سازد و ورقه دیگر که در مرکز قرار دارد، هم دیواره و هم کف گوه را شکل می دهد. گوه ای شکل بودن این ساختمان باعث فشرده شدن واحدهای ساختمانی شده و ایجاد یک پوسته سخت و فشرده را تسهیل می نماید. فشردگی دومن های β- barrel توسط شبکه ای از تداخلای پروتئین- پروتئین در روی کپسید داخلی بویژه در اطراف گوشه های 5 ضلعی تقویت می گردد (8و16).
پروتئین های کپسید از نظر سکانس متفاوت و از نظر توپولوژی یکسان هستند و مهمترین تفاوت پروتئین های VP1، VP2 ، VP3در لوبهای صفحات بتا(β) و در قسمتهای انتهای آمینی (N- Terminal ) و انتهای کربوکسیلی (C- Terminal) می باشد. انتهای کربوکسیلی در سطح خارجی و انتهای آمینی در سطح داخل ویروس قرار دارد (16).
دومن های β- barrelدقیقاً مشابه با ویروسهای گیاهی نظیر Southem bean mosaicوTomato bushy stunt می باشد. پروتئین های این دسته از ویروسها هیچ گونه همولوژی توالی با پیکورناویروسها ندارند. فرضیه ای که مطرح است این است که 1- پلی پپتیدها از یک جد مشترکی تکامل یافته اند. 2- دومن β- barrelیکی از محدود راههایی است که به پروتئین ها اجازه می دهد تا به فرم یک کره فشرده تجمع یابند (18 و 17).
(2-4-1 سطح خارجی ویریون:
سطح ویریون پیکورناویروس های که شیاردار است و توسط یک شکاف عمیق بنام کانیون ( Canyon ) احاطه می گردد .
(3-4-1 کانیون(Canyon):
پروتئین های VP3- VP1 شیارهای باریکی را تشکیل می دهند که کا نیون گویند. کانیون یک ناحیه بسیار فشرده و باریک است که مانع نفوذ عمقی مولکول های آنتی بادی می شود. در بعضی از پیکورنا ویروسها کانیون به عنوان محل اتصال به گیرنده عمل می کند مثل راینووپولیوویروس سطح آفتوویروس و کاردیو فاقد کا نیون است و ویریون آنها صاف تر از پیکورنا ویروس های دیگر است (20) (شکل3).

شکل 2- دیاگرام شماتیک 8 زنجیرهβ که ساختار گره ای شکل را بوجود می آورند.در اینجا لوپ هایی وجود دارد که رابطی بین ورقه های زنجیرهβ می باشد.این لوپ ها سطح ویریون را می پوشاند و به هر زیر واحد vp1-4 مورفولوژی و آنتی ژنیسیته ویژه ای می بخشند. در اکثر پیکورنا ویروس ها محل های آنتی ژنیک خنثی نوترالیزان در لوپ هایBC از VP1و VP3 یا لوپ EF درVP2 واقع شده اند.

شکل 3- مدلی از پولیوویروس تیپ 1- تاج ستاره ای شکل و ناحیه کانیون در اطراف آن مشخص است.
(4-4-1سطح داخلی ویریون:
شبکه ای که توسط انتهای آمین پروتئین های کپسیدی در سطح داخلی ویریون شکل می گیرد و نقش آن در پایداری کپسید و ویریون می باشد. در تقارن چرخشی 5 انتهای آمینی از 5´ مولکول VP3 یک ورقه بتای موازی و سیلندری شکل را بوجود می آورند. این ساختار توسط پنج ورقه بتای سه زنجیره ای احاطه شده است. ارتباط بین این دو ساختار از طریق گروه میریستات ( Myristate) متصل شده به انتهای آمینی ازVP4برقرار می گردد (4).
(5-4-1نقش پاکت هیدروفوبیک:
در کف کانیون ناحیه ای بنام پاکت ( pocket ) وجود دارد که در این منطقه لیپیدهای مختلف قرار دارند و این پاکت در پوشش برداری ویروس نقش دارد و بعضی از داروهای ضد ویروسی روی این پاکت اثر و مانع از پوشش برداری ویروس می گردند (20).
(6-4-1 نقش میرستیک اسید:
در اغلب ویروسهای خانواده پیکورنا ویروس، اسید میریستیک توسط پیوندهای کووالانسی به اسید آمینه گلیسین در انتهای آمینی VP4 متصل می شود (18). گروههای مریستیل سبب واکنش اسیدهای آمینه موجود در پروتئین VP3 و VP4شده و این مریستیه شدن در تجمع (Assembley) و پایداری کپسید نقش دارد(19 ).

شکل 4- تداخلات میریستات با پروتئنی های سطح ویروس.
1-5) ساختار ژنوم در پیکورنا ویروس ها:
ژنوم پیکورنا ویروسها بصورت RNA تک رشته با پلاریته مثبت ( +SSRNA) می باشد. این ژنوم عفونت زا بوده و پس از ترانسفکت نمودن سلول می تواند به پروتئین های لازم برای تکثیر ویروس ترجمه گردد. ساختار ژنوم شامل قسمتهای زیر می باشد.(شکل5)

شکل 5- تصویر شماتیک ژنوم پیکورنا ویروسها: در ابتدای 5´ ژنوم پروتئین Vpgو بعد از آن ناحیه 5´- UTR (بخش5´ غیر کد کننده) واقع شده است. در انتهای 3´ هم توالی 3´-UTR و دنباله PolyAقرار دارد در بین این نواحی غیر قابل ترجمه بخش کد کننده پروتئین های ساختمانی P1 و غیر ساختمانی P2 / P3 واقع می شود. این توالی تنها در ژنوم کاردیوویروسها و آفتوویروسها مشاهده شده است.
( Vpg ) viral protein genome linked (1-5-1 :
در ابتدای 5´ژنوم پیکورنا ویروسها، پروتئینی به نام Vpg قرار دارد (21). در ژنوم همه پیکورناها Vpg وجود دارد ولی طول آن از 22 تا 24 اسید آمینه متفاوت است. Vpgبا پیوند کووالانسی به نیمه5´یوریدیلات از RNA ی ویروسی توسط یک پیوند 5´-0-4´یوریدنیل- تیروزین متصل می شود. معمولاً تیروزینی که به RNAویروس متصل می شود، سومین اسید آمینه از انتهای آمینی Vpo می باشد در همه پیکورنا ویروسها Vpgتوسط یک ژن منفرد( 3B) کد می گردد، در حالیکه در FMDV سه ژن مسئول کد کردن Vpgهستند اگر Vpgرا از ابتدای ژنوم حذف کنیم عفونت زایی اختصاصی ویروس کاهش نمی یابد. Vpgفقط در RNAدیده می شود و در mRNAدیده نمی شود این پروتئین توسط Un linking enzyme سلول های میزبان از ژنوم برداشته می شود (23و22). تنها تفاوت بین RNAژنومی و mRNA پولیوویروس ، عدم وجود Vpgدر MRNAمی باشد. Vpgدر زنجیره RNA حد واسط و RNA زنجیره منفی وجود دارد و عنوان می گردد که احتمالاً Vpg به عنوان پرایمر در سنتز RNAدخالت داشته باشد (24).
5´- UTR(2-5-1 :
(5´- UTR) منطقه ای بلند و حاوی 624 تا 1199 نوکلئوتید است که بعد از Vpg قرار دارد. این ناحیه در روند تکثیر و ترجمه ژنوم مؤثر است (25).
IRES(3-5-1 :
در 5´- UTR، ناحیه ای به نام IRES وجود دارد که حاوی 2400- 2100 نوکلئوتید است. ریبوزوم برای ترجمه به این قسمت چسبیده و سنتز پروتئین را شروع می کند. دو تیپ اصلی از IRESوجود دارد. این عناصر در جهت دهی عمل ترجمه دخالت می کنند. در آفتوویروس ها و کاردیوویروسها قسمت 5´- UTRواجد یک ناحیه POLY (C)می باشد که تعداد بازهای آن ( 80 تا 250 نوکلئوتید در کاردیوویروسها و 100 تا 170 نوکلئوتید در آفتوویروسها ) متفاوت است. برخی از محققین طول بیشتر قطعه POLY (C)در کاردیو را مرتبط با ویرولانس بیشتر آنها در حیوانات می دانند (25).

شکل6: دو تیپ اصلی از IRESدر پیکورنا ویروسها: تصویر سمت چپ بخش 5´- UTRپولیوویروس (تیپ I نامیده می شود و در انتروویروس ها و رینوویروس ها نیز دیده می شود) و تصویرسمت راست بخش 5´- UTRانسفالومیوکاردیتیس ویروس تیپ II نام دارد و در آفتوویروسها و کاردیوویروسها مشاهده می شود) را نشان می دهد. ناحیه IRESدر داخل مستطیل مشخص می باشد. IRESهپاتو ویروسها با این دو شکل فرق دارند و برخی مقالات آنرا بعنوان تیپ سوم IRESمطرح می کنند.(ORF) open Reading Frame(4-5-1 :
بعد از ناحیه 5´- UTR، ناحیه ORF قرار دارد که بعد از آلودگی توسط ویروس ORFبه یک پلی پروتئین بزرگ ترجمه شده و سپس توسط پروتئازهای ویروسی به 11 تا 12 پروتئین شکسته می شود و عملکرد آن جهت تهیه پروتئین های ساختمانی و غیر ساختمانی ویروس مورد استفاده قرار می گیرد.
3´- UTR(5-5-1:
در پیکورنار ویروس ها 3´- UTRکوتاه تر از 5´- UTR می باشد. این ناحیه در رینویروسها 47 نوکلئوتید و در EMCV بین 14 تا 125 نوکلئوتید طول دارد. در ناحیه 3´- UTRیک ساختار ثانویه بنام pseudo knot وجود دارد که سنتز RNA ویروس را کنترل می نماید (26 و 27).
Poly (A) (6-5-1 :به انتهای 3´ژنوم یک قطعه Poly (A)اتصال می یابد که طول متوسط آن از 35 نوکلئوتید درEMCVتا 100 نوکلئوتید در FMDV متغیر است و اگر دنباله Poly (A)حذف گردد عفونت زایی ویروس از بین می رود.
در پیکورنا ویروس ها، بخش کد کننده پروتئین های ساختمانی و غیر ساختمانی را به صورت p3, p2, p1مشخص می کنند. آفتو ویروس و کاردیوویروسها یک پروتئین رهبر (L) را قبل از قسمت P1کد می کنند. قسمت P1 ,پروتئین های ساختمانی را کد می کند ولی P2 و P3 پروتئین های غیر ساختمانی را کد می کنند. پروتئین های غیر ساختمانی در پردازش پروتئین های دیگر (2A pro,3c pro, 3cd pro )و تکثیر ( 2B, 2C, 3AB, 3B vpg, 3D pol ) مشارکت دارند (1).
1-6) سیکل تکثیر پیکورنا ویروسها:
تکثیر به طور کامل به مدت 10-6 ساعت در سیتوپلاسم سلول آلوده به ویروس صورت می گیرد.
مراحل تکثیر به صورت خلاصه و به ترتیب عبارتند از:
1-اتصال به رسپتور Attachment
2- ورود و پوشش برداری Enterance and uncoating
3- ترجمه ژنوم Translation and synthesis
4- پردازش پلی پروتئین Polyprotein processing
5- تولید ذرات جدید ویروسPyogen viruses
86614046990

شکل 7- چرخه تکثیر پیکورناویروس : 1- اتصال به گیرنده 2- مرحله پوشش برداری 3- Vpg از ابتدای ژنوم حذف و سپس RNA ترجمه می گردد 4- پلی پروتئین حاصل از ترجمه توسط پروتئازهای ویروسی به پلی پپتید مجزا کلیواژ می گردد. 5- سنتز RNA بر روی غشاء وزیکول روی می دهد. ژنوم ویروس توسط RNAپلیمراز به RNAکامل زنجیر منفی (آنتی ژنوم) تبدیل می شود. 6- از روی آنتی ژنوم تعداد زیادی RNAزنجیره مثبت ساخته می شود. 7- این زنجیره های مثبت در ابتدای سیکل عفونت به پروتئین های مورد نیاز جهت تکثیر ویروس تبدیل می شوند و در اواخر سیکل عفونی به عنوان پروژنوم جهت تولید ویروس مورد استفاده قرار می گیرند. 8و9- مراحل اسمبلی و خروج ویروسها از سلول آلوده.
1-61-)اتصال Attacment :
پیکورنا ویروسها برای عفونت زایی نیازمند اتصال به غشاء سلول میزبان می باشد تا از این طریق داخل سلول میزبان گردد. این عمل توسط یک سری مولکولهای سطحی غشاء انجام می شود، این مولکولها از سال 1989 با شناخت رسپتورهای سطحی بر علیه پولیوویروس و رینوویروس تشخیص داده شدند (28).
در زمینه رسپتورهای پیکورنا ویروس ها سه نکته مهم مشخص گردیده است:
الف) پیکورنا ویروس ها از رسپتورهای متفاوتی برای ورود به سلول استفاده می کنند.
ب) قسمتی از رسپتورها درون سلول قرار دارند مانند رسپتور کوکساکی ویروس B و A و انتروویروس .
ج) در بعضی از پیکورنا ویروس ها وجود یک رسپتور برای عفونت زایی ویروس کافی است ولی در بعضی دیگر نیاز به دو یا چند رسپتور است برای مثال، در کوکساکی ویروس A21 که رسپتور آن CD55 است برای ورود به درون سلول نیاز به ICAM-1 دارند (29). بعضی از کوکسا کی ویروس های گروه B علاوه بر رسپتور CD55 از α V β6 Integrinنیز به عنوان کورسپتور جهت اتصال به سلول استفاده می کنند (4). بر اساس اینکه ویروس از کجا منشاء می گیرد ویروسهای مشخص به رسپتورهای سطحی متفاوتی متصل می شوند به طور مثال FMDV – A12 به اینتگرین α Vβ3اتصال می یابد. ولی استرین O- FMDVکه به مدت طولانی در کشت سلولی رشد کرده است نمی تواند به این رسپتور متصل شود و بجایش هپاران سولفات به سطح سلول متصل می شود. استرین FMDV – A12نمی تواند سلولهای راکه فاقد β6 Integrin α هستند را آلوده کند حتی اگر هپارین سولفات در سطح سلول باشد. این موضوع نشان می دهد که ویروس خود را در آزمایشگاه سازگار نکرده است و در نبود رسپتور اصلی, خود بتدریج قادر به استفاده از رسپتورهای دیگر شده است (9).
(جدول 2) گیرنده ها و کمک گیرنده های مورد استفاده در پیکورنا ویروس.

1-62-) مکانیسم اتصال به گیرنده های سطح سلولی:
کپسید پیکورنا ویروس از 4 پروتئین تشکیل شده است که این پروتئین ها بصورت یک 20 وجهی اسمبل می شوند در بین اعضای پیکورنا ویریده، پروتئین های کپسید بطور مشابه ای چیده می شوند (7و8).
در سطح کپسید پولیوویروس ها، رینو ویروس ها و کوکساکی ها یک شکاف بنام Canyon می باشد که در اطراف محور تقارن پنج وجهی قرار می گیرد. (شکل8) ولی در کاردیوویروسها، آفتوویروسها و پاراکوویروسها Canyonوجود ندارد. این محل در پولیوویروس و رینوویروس، بعنوان جایگاهی برای تداخل با گیرنده های سلول می باشد و ایجاد موتاسیون در اسیدهای آمینه این ناحیه تغییراتی در افینیتی اتصال به گیرنده ها ایجاد می کند (30و31).
شکاف پیکورنا ویروس ها باریک و عمیق است و مولکولهای آنتی بادی می توانند به درون آن نفوذ نمایند (31و30).
داروهای ضد ویروسی مانند محصولات win جای لیپید را در کف کینون گرفته و به پاکت اتصال می یابند و مانع از اتصال ویروس به گیرنده های سلولی می شوند. اتصال این دارو به رینوویروس تیپ 14 سبب تغییر شکل کنیون شده و مانع از اتصال به گیرنده های سلولی می شود. ولی اتصال دارو به رینوویروس تیپ های 1A ، 3 و 16 و پولیوویروس سبب تغییرات ساختاری کمتری می شود (32).

شکل 8- تصویر شماتیکی از Canyonنحوه متصل شدن گیرنده ، آنتی بادی به ناحیه Canyon در VP1

شکل 9- شکاف Canyonو نحوه قرار گرفتن دارو در VP1
در FMDV موتاسیون در توالی ) RGDآرژنین-گلایسین-آسپارتیک اسید)سبب ممانعت از اتصال ویروس به گیرنده سلولی می گردد ولی در کوکساکی ویروس9A توالی RGD در 17 اسید آمینه از انتهای کربوکسیی VP1واقع شده است و تغییرات در این توالی سبب عدم اتصال به گیرنده سلول نمی شود (34).
ویروس هایی مثل کوکساکی ویروس 9 Aو FMDV از طریق لوپ های سطحی خود به گیرنده های سلولی متصل می شوند. در FMDVتوالیRGDِ ( آرژنین- گلایسین- آسپارتیک اسید) در لوپ βG-βHاز پروتئین VP1کپسید قرار دارد و توسط گیرنده هایی از جنس اینتگرین شناسایی می شودو ویروس از طریق این گیرنده ها به سلول ها متصل می گردد (33و34).
1-63-)ورود به سلول و پوشش برداری ویروس:
پس از اینکه ویروس به گیرنده های سطح سلولی متصل شد باید پوشش برداری انجام شود و ژنوم ویروس به داخل سیتوپلاسم رها شده و در آنجا تکثیر می گردد که این عمل از طریق کاهش PH و یا فعالیت کمک گیرنده ها صورت می گیرد. به طور مثال در پولیوویروس بعد از اتصال به گیرنده PVr تغییرات اساسی در ساختار ویروس روی می دهد و پارتیکل های A بوجود می آیند و این پارتیکل ها تغییر شکل یافته و پروتئین داخلی VP4و انتهای آمینی VP1 را از دست می دهند. ذره A هیدروفوبیک است و بعد از اتصال به ممبران سلولی کانالی را برای عبور ژنوم به درون سیتوپلاسم سلولی ایجاد و RNA ویروس وارد سیتوپلاسم سلولی می شود (36 و 35) .
نظریات متفاوتی درباره مرحله دخول پیکورنا ویروسها وجود دارد یک نظریه بیان می کند که اتصال ویروس به گیرنده باعث تغییرات ساختمانی در ویریون می گردد در این حالت انتهای آمینی VP1 به طرف بیرون کپسید رانده می شود و در داخل غشاء سلولی نفوذ می کند و ایجاد سوراخ (Pore) در سطح غشاء سلول های آلوده ایجاد شده و RNA ویروس از این راه به درون سیتوپلاسم رها می گردد. (شکل 5 و 6) به عنوان مثال FMDVو رینوویروس بعد از اتصال به سلول سبب ایجاد اندوزوم در غشاء سلولی می گردد و توسط اندوسیتوز وارد سلول می شوند که در این ویروس (FMDV) پوشش برداری وابسته به PH است یعنی در PH معادل 5/6 کپسید ویروس جدا شده و RNAویروس آزاد می گردد (38و37).

شکل 10)مدل دخول پیکورنا ویروس ها به درون سلول. پارتیکل های 160 S به گیرنده های سطح سلول متصل می شوند .در دمای بالای 33 درجه سانتیگراد تغییرات وابسته به گیرنده در آنها روی می دهد که منجر به تولید پارتیکل هایA (تغییر یافته) می شود . این ذرات هیدروفوب بوده , VP4 و انتهای آمینی از VP1 را از دست داده اند. مرحله Uncoating به دو طریق (غشای پلاسمایی یا غشای اندوزوم ها) صورت می کیرد و RNA ی ویروسی به درون سیتوپلاسم رها می گردد.

شکل 11)ممکانیسم فرضی برای عبور RNA ی پیکورنا ویروسها از عرض غشا. (سمت چپ) اتصال ویروس به گیرنده را نشان می دهد. RNA در داخل کپسید قرار دارد و لیپید ها نیز درون پاکت هیدروفوب را می پوشاند. گیرنده نیز به کانیون (در بالای پاکت) متصل می شود .(سمت راست) تغیرات ساختمانی در کپسید روی می دهد. حرکت گیرنده در کانیون باعث خروج لیپید از پاکت می گردد و اجازه می دهد که تغییرات ساختاری در کپسید روی دهد. انتهای آمینی VP1 کشیده می شود و در داخل غشای سلولی منفذی ایجاد می کند که RNA از طریق آن به درون سیتوپلاسم رها می گردد.
1-7) ترجمه ژنوم پیکورنا ویروسها :
وقتی ژنوم +SSRNA ویروس به درون سیتوپلاسم سلول میزبان رها می گردد لازم است که به پروتئین های غیر ساختمانی (nsp) و پروتئین های ساختمانی (sp) ترجمه گردد (39). در درون ویریون پیکورنا ویروسها همانند ویروسهای پلارتیه مثبتRNA polymerase RNA dependent وجود ندارد از طرف دیگر RNApolymerase سلولی نیز قادر به رونویسی از ژنهای این ویروس نمی باشد. در ابتدای5´ ژنوم پیکورنا ویروسها کلاهک 5´-cap وجود ندارد ولی دارای یک پروتئین کوچک به نام Vpgاست که بعد از ورود ژنوم به سلول میزبان توسط آنزیم سلولی Unlinking Enzyme برداشته می شود (39). تعیین توالی ژنوم پیکورنا ویروسها نشان داد که 741 نوکلئوتید در ابتدای ناحیه ژنوم 5´ وجود دارد این ناحیه را 5´- UTR نامیدند در این ناحیه توالی های IRES، بخش غنی از بازهای پریمیدنی و کدون شروع ترجمه AUG قرار دارد (41و40).
با اتصال زیر واحد 40S ریبوزوم به IRES ترجمه آغاز می گردد و بلافاصله elf3 به انتهای کربوکسیلی elF4G اتصال می یابد و ترجمه شروع می گردد. البته این عمل توسط پروتئین 2Aتقویت می گردد پس برای شروع ترجمه نیاز به قسمتی از elF4Gکه توسط 2A فراهم شده, می باشد. (هپاتوویروسها نیاز به elF4Gبه صورت کامل دارند.) (42).
1-1-7)اتو آنتی ژن La :
پروتئین سلولی است که در بلوغ RNA polymerase III نقش دارند و سبب فعالیت IRES در پولیوویروس می شود. این اتو آنتی ژن برای فعالیت IRESدر EMCV لازم است (45و44).
1-2-7)پروتئین متصل شونده به پلی پیریمیدین (PTB) :
در تنظیم Splicing (بازآرایی) mRNAنقش دارد و حذف آن مانع از فعالیت IRES در EMCVمی شود (43).
1-8) پردازش پلی پروتئین در پیکورنا ویروسها:
با انجام فرایند ترجمه یک پیش ساز پلی پروتئین تولید می شود که توسط پروتئازهای ویروسی شکسته می شود. پیکورنا ویروس ها سه پروتئاز را کد می کنند که شامل Lpro, 2Apro, 3Cpro می باشد و معمولاً اولین کلیواژ در ابتدای این پروتئازها روی می دهد و با آزاد شدن آنها بقیه پلی پپتیدها شکسته می شوند (16و8و7).
1-8-1) پروتئین L :
در آفتو ویروس اولین کلیواژ در پروتئین L انجام می شود. این پروتئین سبب برش در انتهای کربوکسی خودش و انتهای آمین VP4 می گردد و با این کار از ابتدای پلی پروتئین رها می شود و بعد از آن با شکستن elF4Gاز ترجمه ماکرو مولکولهای سلولی جلوگیری می کند (46و47).
در کاردیو ویروسها پروتئین L فعالیت پروتئولیتیکی ندارد.
1-8-2) پروتئین 2A :
در کاردیو ویروس پروتئین 2A ، 150 اسید آمینه طول دارد و 19 اسید آمینه آخری به اضافه اولین اسید آمینه از پروتئین 2B (برولین) برای جدایی از پروتئین 2B لازم است (50). در سلولهای آلوده به انترو ویروسها و رینو ویروسها اولین کلیواژ توسط 2Aproو در محل اتصال P1/P2 روی می دهد. محل اثر پروتئین 2A بین دو اسید آمینه تیروزین و گلیسین می باشد ولی در بعضی از کوکساکی و اکوویروسها هم محل اثر 2A بین ترئونین و گلایسین و یا بین آلانین و گلایسین می باشد. 2Apro مانند پروتئیناز A در باکتری استرپتومایسس گریوس می باشد (48).(شکل 12)
در بین پیکورنا ویروسها، تنها دو جنس هپاتوویروسها و پاراکوویروس هستند که 2Aproدر آنها فعالیت پروتئولیتیکی ندارد (49). 2Apro برای عملکرد نیازمند به یون روی (ZN) است.1-8-3) پروتئین 3C :
تمام پیکورنا ویروسها 3Cpro را کد می کنند و عملکرد آن ایجاد شکست ما بین 2C/3A می باشد البته استثناهایی هم وجود دارد مثلاً در هپاتو ویروس سبب برش بین 2A/2B نیز می شود. در پولیو ویروس این پروتئین سبب برش در ناحیه دی پپتیدی Gly- Gly می شود ولی در بقیه پیکورنا ویروسها عمل برش در مناطق Gln-Ala- Gln- ser , Gln- Ile,Gln,Asn, Gln-Thr, Gln, Val انجام می گیرد (8).
با تعیین توالی اسیدهای آمینه 3C pro مشخص گردید که مشابه سرین پروتئینازهای شبیه کیموتریپسین می باشد (شکل 8). 3C proحاوی 2 مکان فعال است که یک قسمت به RNAمتصل می گردد و قسمت دیگر مسئول اعمال پروتئولیتیکی می باشد (51).3C pro و 2A pro با عمل اتوکاتالیتیکی خود موجب آزاد شد نشان از رشته پلی پروتئینی می شوند و بعد از جدا شدن سبب شکسته شدن پلی پروتئین به صورت ترانس می شود و به صورت آبشاری پپتیدها را کلیواژ می کنند.در سلول های آلوده با رینوویروسها و انترو ویروسها، ابتدا با عمل پروتئازی 2A pro ناحیه p1/ p2 – p3 کلیواژ می گردد سپس 3CD pro خودش را می شکند و از قسمت P3 جدا می شود و سپس P1 /P2 را کلیواژ می کند (51).

شکل12) : تصویر سه بعدی از 3C pro ویروس هپاتیت A ، 2A pro رینو ویروس و FMDV L pro ، در پائین هم پروتئازهای سلولی مشابه با هر کدام آمده است
1-9) تکثیر ژنوم و سنتز :mRNA
تا سال 1950 بر این اعتقاد بودند که سنتز RNA ویروس توسط RNA پلی مر از وابسته به DNA است که تکثیر ویروس هم در داخل هسته انجام می گیرد. در اوایل سال 1960 بود که یک مطالعه روی مننگو ویروس انجام گرفت و مشاهده کردند که اگر اکتینو مایسن D ( یک داروی متوقف کننده سنتز RNA در هسته) به سلول های آلوده به ویروس اضافه شود قادر نیست که از تکثیر ویروس جلوگیری نماید و از این موضوع نتیجه گرفتند که برای تکثیر ویروس آنزیم RNA پلی مراز باید در سیتوپلاسم وجود داشته باشد که یک آنزیم RNAپلیمراز وابسته به RNA است (52).
در سلول های آلوده پولیو سه شکل از ژنوم را می توانیم مشاهده می کینم:
1-+SSRNA ( RNAتک رشته ای با پولاریته مثبت)
2- RI( حد واسط تکثیری با پولاریته منفی Replication intermediate )
3- RF ( شکل تکثیری با پولاریته مثبت Replication form ) (53).
سنتز RNAویروسی بصورت نامتقارن (Asymmetric)است بدین صورت که زنجیره مثبت 25 تا 65 برابر بیشتر از زنجیره منفی سنتز می گردد (54).
1-9-1) RNAپلیمر از وابسته به RNA ویروسها (3D pol) :
در بررسی از غشاء سلولی به مجموعه ای از غشاء سلولی برخوردند که در امر سنتزدخا لت داشتند و به نام کمپلکس تکثیر RNA نامیده شد. یکی از مهمترین اجزاء این کمپلکس یک پروتئین kd63 به نام RNAپلی مراز وابسته به RNA ویروس بود علاوه بر این تعداد دیگری از پروتئین های ویروسی و سلولی نیز در این کمپلکس حضور داشتند مانند 3Cو 2BC, 2C, 3ABکه پروتئین 3Dمهمترین پروتئین کمپلکس تکثیر بود (55).
1-9-2) پروتئین 3D :
3D proیا (p63)مهمترین پروتئین در تکثیر ژنوم ویروس می باشد این پروتئین یک پلیمراز است از طرف دیگر dsRNAرا نیز باز می کند و به ssRNA متصل می کند و برای شروع تکثیر لازم است که یک پرایمر oligo(U)در اختیار آن قرار گیرد (56).
دو ناحیه در این پروتئین خاصیت RNA پلی مرازی دارند. 1- inter faceو شامل یک زنجیره 23 اسید آمینه ای است که در دو سطح مختلف پروتئین قرار داشته و به دو سر رشته متصل شده، و یک رشته بلند پلی مراز را می سازد. 2- inter face II– یک پلی پپتید N ترمینالی است که احتمالاً از یک مولکول پلی مراز دیگر مشتق می شود و با ترکیب inter face Iباعث رونویسی توسط پلی مراز می گردد. پس در مجموع نقش این پروتئین در سنتز RNAاست (57).
1-10) نقش پروتئین های کمکی در تکثیر ژنوم:
پروتئین های کپسید برای سنتز RNA ضروری نیست و با حذف این بخش عمل سنتز و تکثیر RNA صورت می گیرد اما ناحیه کد کننده کپسید در رینو ویروس، s‘Theilerو در مننگو ویروس یک سکانس –Cis وجود دارد که برای تکثیر ژنوم مورد استفاده قرار می گیرد و معادل کار این ناحیه را در پولیوویروس پروتئین 2C به عهده دارد (8).
1-10-1) پروتئین 2B :
با انجام موتاسیون در ناحیه 2B pro پولیو ویروس و کوکساکی ویروس در سنتز RNA نقص بوجود می آید. انتهای کربوکسیلی 2B یک ناحیه آب گریز و به صورت مارپیچ (α - Helix) است که عمل پروتئین 2B به این ناحیه بر می گردد. نقش پروتئین 2Bدر سنتز RNAبه خوبی مشخص نیست اما باعث افزایش نفوذپذیری غشا می گردد و ممکن است که در آزاد شدن ویروس از سلول نقش داشته باشد و موجب افزایش ویزیکولهای غشایی نیز می گردد و به نظر می رسد 3A pro نیز همین نقش را داشته باشد (58).
1-10-2) پروتئین 2C :
با انجام موتاسیون در ناحیه 2C پولیو ویروس و اکو ویروس، مشاهده گردید که این ویروسها موتاسیون یافته به اثر گوانیدین هیدروکلراید مقاوم هستند. 2C pro به RNA متصل شده و دارای فعالیت NTpase می باشد. بخشی از اسیدهای آمینه 2C دارای فعالیت RNA هلیکازی هستند و این ناحیه برای باز کردن پیچ های دو رشته ای در حین تکثیر RNAضروری می باشد. تغییر در 2C pro موجب کاهش عفونت زایی می شود (59).
1-10-3) پروتئین 3AB :
این پروتئین سبب استحکام پروتئین Vpg در روی غشاء می شود. پروتئین خالص شده 3AB فعالیت پلیمرازی پروتئین 3D را تحریک می کند موتاسیون در این ناحیه مانع از اتصال آن به 3D شده و در تولید پروتئین و سنتز RNA اختلال بوجود می آورد. کمپلکس 3AB- 3CD به انتهای ′3 ژنوم متصل می گردد (60).
1-10-4) پروتئین های فرعی سلول:
با انجام مطالعات اولیه روی سیکل تکثیر در پولیو ویروس مشخص شد که پروتئین های سلول میزبان برای کپی کردن RNA ویروس با استفاده از 3D در زمانی که ویروس فاقد پرایمراولیگو (U) است مورد نیاز می باشد. این فاکتور های سلولی بسیار گسترده بوده و اغلب ناشناخته می باشد (61).
زمانیکه RNAخالص پولیو ویروس را به کشت سلولی و درون سیتوپلاسم وارد نمودند RNA تکثیر شده و ذرات جدید ویروس به وجود آمد اما زمانیکه گوانیدن به کشت سلولی اضافه گردید، مشاهده شد که کمپلکس تکثیر تشکیل می شود، اما سنتز RNA صورت نمی گیرد ولی به محض اضافه کردن عصاره سیتوپلاسمی سنتز RNA شروع می شود این نتایج نشان می دهد که ترکیبات محلول سلولی برای سنتز RNA مورد نیاز می باشد. نتایج مشابهی با بررسی Poly (c)بدست آمد. این پروتئین به ساختار برگ شبدری شکل در 108 نوکلئوتید اولیه رشته +ssRNAمتصل می گردد. این اتصال موجب چسبیدن 3CD proدر جهت مخالف اتصال به ساختار برگ شبدری می شود (8).
شکل گیری کمپلکس ریبونکلئوتید پروتئین (شامل 5 قسمت برگ شبدری و 3CD و یک سری پروتئین های سلولی) برای شروع سنتز RNAویروس ضروری است. یک مثال دیگر برای نشان دادن نقش پروتئین های سلولی در سنتز RNA ویروس پروتئین sam 68 می باشد این پروتئین همراه با 3D pro در سلول آلوده به پولیو ویروس دیده می شود. این پروتئین در هسته دیده می شود. اما در طول عفونت با پولیو ویروس به سیتوپلاسم منتقل می شود (62).
1-10-5) پروتئین متصل کننده پرایمر برای سنتز RNA:
3D pro یک آنزیم وابسته به پرایمر است که بدون یک پرایمر(u) oligoنمی تواند RNA ی ویروس را سنتز کند. پروتئین vpg به ابتدای ′5 رشته تازه سنتز شده RNAمثبت و منفی متصل می گردد و به نظر می رسد که در شروع سنتز RNAنقش داشته باشد.پروتئین ( vpg- pupu)در غشاء سلول آلوده به پولیوویروس سنتز می گردد. پیش ساز پروتئین vpg پروتئین 3AB می باشد و زمانی که پروتئنی 3AB را با موتاسیون در ویروس حذف نمائیم در شروع سنتز RNAو سنتز (vpg- pupu)در رشته مثبت RNA ویروسی نقص به وجود می آید (63) .
3AB یک پلی پپتید متصل شونده به غشاء می باشد. 3AB pro توسط 3C pro کلیواژ شده و Vpg رها می گردد , سپس به کمپلکس تکثیری متصل می شود (16و63).

شکل 13)نحوه اتصال vpgبه ابتدای ژنوم پیکورناویروسها، محل کلیواژ vpg در شکل مشخص است.
1-11) محل سنتز RNA در سلول:
سنتز mRNAو سنتز RNA ی ژنومی پیکورنا ویروسها در سیتوپلاسم اتفاق می افتد. در سیتوپلاسم سلول های آلوده با پولیوویروس وزیکولهای غشاء دار کوچک زیاد می شود این وزیکولها محل سنتز RNA ی پیکورنا ویروسها می باشند. تجمع این وزیکولها در نتیجه جلوگیری از انتقال آنها از رتیکولوم آندوپلاسمیک (ER)به سطح سلول است. وجود پروتئین های 3A و 2B از انتقال گلیکو پروتئین ها به سطح سلول جلوگیری می کند (64).
دو یافته مهم دیگر در سلول که بر سنتز RNA در این وزیکول تأثیر دارد:
I– جلوگیری از سنتز پولیو ویروس با سرولنین (Cerulenin)
II–داروی برفلدین A(Brefeldin A ) که یک متابولیت قارچی است, با مسدود کردن انتقال پروتئین از ER به سطح سلول، از سنتز RNA ویروس جلوگیری می کند (65). این دارو از حرکت وزیکولهای غشایی از ER به فضا و درون غشاهای گلژی ممانعت می کند در حضور این ماده وزیکولهای غشایی تجمع نمی یا بند و از سنتز RNAویروس جلوگیری می شود. دو پروتئین 3AB و 2C در کمپلکس تکثیر وزیکولهای غشایی قرار می گیرند که پیش ساز 3ABپروتئین است که Vpgرا به غشاء متصل می نماید و 2C pro نیز RNA را به غشاء در کمپلکس تکثیر متصل می کند (66).
1-11-1)ترجمه و تکثیر مولکول RNA :
ژنوم پیکورنا ویروسها +ssRNAمی باشد و بعنوان mRNAعمل می کند اما یک سوال مهم بوجود می آید. چگونه RNA پلیمراز ویروسی از′ 5 <....′3 در روی رشته مثبت حرکت می کند در حالیکه ریبوزوم در جهت مخالف حرکت می کند؟
هنگامی که در ریبوزوم RNA ویروسی حضور دارد تکثیر رخ نمی دهد در مقابل هنگامی که RNA ویروسی از ریبوزوم خارج می گردد سنتز RNA افزایش پیدا می کند و این نشان می دهد که ترجمه و تکثیر همزمان رخ نمی دهد (67).

شکل 14)- سنتز RNA و ترجمه پروتئین به جهت سنتز RNA و پروتئین دقت شود.در پیکورنا ویروسها این دو مرحله همزمان نیستند لذا برخورد بین ریبوزوم ها و RNA پلیمراز روی نمی دهد.
به نظر می رسد که ساختار برگ شبدری شکل در 5´- UTRرشته مثبت می تواند بر این موضوع که آیا ترجمه انجام شود یا تکثیر انجام شود نشان داده شده که پروتئین های متصل شونده به Poly ( c) ساختار برگ شبدری شکل پولیو ویروس سبب تحریک سنتز پروتئین می شود (68و69).

شکل 15- مدل سنتز ssRNA پولیوویروس:تصویر شماتیکی از کمپلکس RNA که در108 نوکلوتید ابتدایی از +ssRNA یک ساختار برگ شبدری را به وجود می اورد . به منظور باند شدن 3CD ویروس به s---loop D ابتدا باید پروتئین متصل شونده به poly r(C) به s---loop B بچسبد(این کمپلکس برای سنتز dsRNA ± ضروری می باشد.
1-12) چگونگی تشخیص RNA ویروسی و سلولی از یکدیگر:
در پیکورنا ویروس ها آنزیمRNA پلی مراز وابسته به RNA یک آنزیم خاص الکو می باشد. پروتئاز 3D تنها می تواند RNA ویروسی را کپی کند و قادر به کپی RNA سلولی در سلول آلوده نمی باشد. البته آنزیم خاص می تواند بخوبی هر نوع RNA پلی آدنیلی را در صورت وجود یک پرایمر اولیگو کپی کند. بخش 3´- UTRدر رشته مثبت دارای یک RNA pseudoknotاست که عنوان می شود نقش خاصی در اختصاصی بودن محل کپی برداری RNA توسط 3D polایفا می نماید. ایجاد موتاسیون در این ناحیه منجر به تولید ویروسهایی می گردد که در آنها سنتز RNAمختل می شود این موضوع دلالت بر اهمیت pseudoknot سنتزRNAهایزنجیره ای منفی دارد (26). زمانیکه میزان 3ABزیاد است پلی مراز 3D یا 3CD نمی تواند به انتهای RNAپولیو ویروس متصل گردد و به نظر می آید کمپلکس 3AB- 3D به طور اختصاصی به 3´این شبه گره متصل می گردد. علی رغم این نتایج که دلالت بر اهمیت pseudoknot در سنتز RNA دارد. پولیو ویروس های فاقد 3´- UTRقادر به تکثیر هستند (26). به نظر می رسد که تشخیص اولیه و انتخاب الگو توسط پلی مراز صورت می گیرد.
1-13) مرحله تجمع و تشکیل ذرات عفونی:
در این مرحله RNA وارد کپسید شده، ویریون با کلیواژ نهایی بالغ می شود. در طی سنتز پروتئین های کپسید دومن های β- barrelمرکزی شکل می گیرد و تداخلات درون مولکولی در سطح این دومن ها منجر به تشکیل واحدهای ساختمانی می گردد. پس از اینکه پیش ساز P1 از 2Aجدا شد اتصال بین Vpo- Vp3 و Vp3-Vp1 توسط 3CD pro کلیواژ می گردد. جایگاه کلیواژ در بخش های انعطاف پذیر بین دومن های β- barrel واقع شده اند. در کپسید بالغ، انتهای کربوکسیلی سه پروتئین Vp1, Vp2, Vp3 در سطح کپسید قرار می گیرد. در حالیکه انتهای آمینی آنها در سطح داخلی ویریون است و شبکه ای وسیع از تداخلات در بین پروتومرها بوجود می آید. این مرحله اولین مرحله تجمع در پیکورنا ویروس ها است و ایجاد پروتومرهای 5s می نماید.(شکل 16)
واحدهای ساختاری نابالغ دارای یک کپی از Vp1, Vp2, Vp3 هستند سپس 5 پروتومر به صورت یک پنتامر تجمع می یابند و ذرات 14s شکل می گیرد این ذرات می توانند به طور خود به خودی به 80s (کپسید خالی) تبدیل شوند. کپسیدهای توخالی که در سلول های آلوده یافت می شوند به عنوان مخزنی برای پنتامرهای 14sمی باشند (70و16و14).
در آخرین مرحله مرفوژنز اغلب مولکولهای VP0 به VP4 , VP2کلیواژ می شوند (شکل 17) (16و14).

شکل 16) مراحل ساخته شدن واحدهای ساختمانی و عملکرد 3CD pro..

شکل 17) مراحل مرفوژنز پیکورنا ویروسها. ابتدا پیش ساز p1 از p2 جدا شده , سپس توسط 3CDpro به vp2 وvp1 وvp3 کلیواژ می گردد.پروتومرهای5S به طور خودبخودی به شکل 14S درمی ایند و پنتامرهای کپسید های خالی 80 S را به وجود می اورند در دو مسیر ذرات پیش ویریون 150S تشکیل میگردد ودر نهایت کلیواژ نهایی انجام شده VP0 به VP4 و VP2 می شکند.
1-14) پاراکو ویروسها Parechoviruss :
پاراکو ویروس شامل 2 تیپ یک و دو (HPEV1 , 2) می باشد. این دو تیپ قبلاً به عنوان اکوویروس تبپ 22 و 23 طبقه بندی شدند. مطالعات ژنومیک این ویروسها نشان داد که این دو ویروس تنها 30درصد از لحاظ اسید آمینه ای با پیکورنا ویروسهای دیگر تشابه دارند. از طرف دیگر کپسید این ویروسها تنها سه پروتئین دارد و Cleavageپپتید Vpo به Vp2و Vp4 صورت نمی گیرد. این موضوع منجر به طبقه بندی مجدد این ویروسها و قرار دادن آنها در جنس جداگانه ای به نام پاراکو ویروس گردید (10).
1-14-1) جداسازی و خصوصیات اولیه پاراکوویروسها:
در سال 1956 در طی مطالعه اسهال تابستانی Sabinو Wigandمشخص کردند که عامل آن دو تا ویروس جدید است که پیش از آن جدا نگردیده بود و از روی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی تحت نام اکو ویروس 22 و اکوویروس 23 نامگذاری گردیدند (71) که اخیراً نام پاراکوویروس تیپ 1و2 نامیده شده اند.
HPEV1 و HPEV2 با انواع دیگر انتروویروس ها متفاوت هستند برای مثال کشت دادن و سازگار کردن این ویروسها در سلول های کلیه مشکل است و میزان CPE در کشت سلولی تک لایه محدود می باشد (71). ظاهراً سلولهای آلوده در زیر میکروسکوپ نوری و الکترونی با سلول های آلوده با پیکورنا ویروسهای دیگر فرق داشتند که در این میان، از بین هستک وکروماتین هسته ای گزارش شده است (73و72) و بعداً مشخص گردید که ساختار ثانویه ژنوم پاراکو ویروسها با RNA پولیو ویروس تفاوت دارد (74).
یکی دیگر از فرق های مهم این دو ویروس با بقیه انترو ویروسها عدم جلوگیری از سنتز پروتئین سلولی میزبان است، و با اینکه سلول با ویروس آلوده شده است ولی همچنان قدرت سنتز پروتئین های سلولی خود را دارد ولی انترو ویروسها از سنتز پروتئین سلول میزبان با شکستن مولکول پروتئین P220 (فاکتور لازم برای سنتز پروتئین) جلوگیری می کنند (75و76).
پروب های cDNA که در روشهای هیبریداسیون جهت تشخیص پیکورنا ویروسها بکار می رفت، قادر به اتصال و شناسایی ژنوم پاراکوویروسها نمودند. این یافته ها موجب شد اندازه گیری های دقیق تری بر روی (HPEV1 , 2)صورت بگیرد (77و78و79). ماحصل این مطالعات منجر به رده بندی جدیدی در خانواده پیکورنا ویریده گردیده و نهایتاً جنس جدیدی به نام پاراکوویروس بوجود آمد (8).
1-14-2) پروتئین های پاراکوویروسها:
وقتی (HPEV1) توسط PAGE مورد بررسی قرار گرفت طرح پروتئینی متفاوت از انترو ویروسهای تیپیک نشان داد. به منظور تشخیص پروتئین های کپسید سه باند اصلی با وزن مولکولی 38، 5/30، 30 کیلو دالتون با کمک روش N- terminal sequencing آنالیز گردید (76). در آنالیزهای اولیه هیچ نتیجه ای از پلی پپتید 38 کیلو دالتونی حاصل نگردید. سپس این پروتئین تخلیص شد و به کمک تریپسین هضم گردید و به دنبال آن پپتیدهای مجزا سکانس شدند در نهایت مشخص گردید که این پلی پپتید دارای هر 2 بخش Vp4و Vp2 می باشد و محل کلیواژ Vp4 / Vp2 نیز در توالی آن وجود دارد. از این مشاهدات نتیجه گرفتند که در اغلب پارتیکل های HPEV1 مولکولهای VPO دستخوش پردازش به Vp4 وVp2 نمی گردند (8).
HPEV1و هر دو استرین HPEV2 توالی ها و ساختار بسیار مشابهی دارند و وجود این لوپ ها باعث می شود که 2 تیپ 1و2 ظاهری مسطح به خود بگیرند (80).پروتئین های غیر ساختمانی پاراکو ویروس ها شبیه بقیه پیکورنا ویروس ها است پروتئین 3D که RNA پلی مراز وابسته به RNA است و پروتئین 3c که یک پروتئاز و از خانواده تریپسین می باشد و مسئول اغلب مکانیسم های شکست پروتئینی در پیکورنا ویروس ها می باشد و فکر می کنند که این دو درگیر در فعالیت های کاتالیتیکی هستند (به ترتیب GxcGGو YGDD) و پروتئین 2C که فعالیت هلیکازی در پیکورنا ویروس ها داردو به نظر می رسد که همین نقش را در پاراکوویروس ها نیز داشته باشند. در عوض 3A , 2B , 2A پاراکوویروس ها تشابه کمتری با پیکورنا ویروس های دیگر دارد (76و81).
1-14-3) پردازش پروتئین در پاراکو ویروسها:
پردازش پروتئولیپتیک نقش مهمی در بیان ژنهای پیکورنا ویروسها ایفا می کنند بعلاوه پروتئازها نقش های دیگری از جمله,متوقف نمودن سنتز ماکرومولکول های سلول میزبان و ممانعت نمودن از رونویسی , ژن های سلولی بعهده دارند. اولین کلیواژ در پیکورنا ویروسها سریع اتفاق می افتد و منجر به جداشدن پیش سازما نهای ساختمانی و غیر ساختمانی (P1 – P2- P3) می گردد. در انترو ویروسها این عمل توسط 2A pro انجام می شود و انتهای آمینی 2A کلیواژ می گردد تا پیش سازهای پروتئین های کپسید (P1) جدا گردد. 2A pro درآفتو ویروسها کوتاه می باشد. در این جنس انتهای کربوکسیلی از 2A کلیواژ می گردد. 2A در کاردیو ویروسها طویل تر است و با همان روش کلیواژ می گردد. در عوض 2A هپاتو ویروسها با 4 گروه قبلی متفاوت است و فاقد خاصیت پروتئولیپتیکی می باشد (82و83).
در افتو ویروسها و کاردیو ویروسها یک پروتئاز دیگر هم وجود دارد که پروتئین L نامیده می شود. این Lproبا اثر خودش از پلی پروتئین جدا می گردد اما در این عمل وجود 3C نیز ضروری است. فعالیت پروتئولیتیکی پروتئین L را در ردیف ویروس تیپ 2 اسبی نیز می بینیم (80).
پروتئین L ، 2A هر یک عملکرد مشخص دارند و با ید در پاراکو ویروس ها هم عمل آن مشخص گردد. در پاراکو ویروس ها یک پلی پپتید کوتاه به طول 12 اسید آمینه پروتئین L را می سازد دقیقاً مانند هپاتو ویروس ها. (80) این قسمت برای میریستیله شدن انتهای N ضروری است و این قسمت در هپاتو ویروس ها فاقد فعالیت پروتئولیتیک بوده است. Lproکه در ابتدای ژنوم کاردیو و آفتو ویروسها قرار دارد خاصیت پروتئازی دارد و خودش را از ابتدای پلی پروتئین آزاد میکند . در ابتدا عقیده داشتند که HPEV1,2 دارای Lpro کوتاهی می باشد. این حالت در مورد هپاتو ویروسها نیز پیشنهاد شده بود ولی همه این فرضیات رد شد و معلوم نگردید که تنها کاردیو و آفتو ویروسها واجد Lproدر ابتدای ژنوم خود هستند (80).
در پاراکو ویروسها تنها 3C pro خاصیت پروتئازی دارد مانند هپاتو ویروسها (شکل18)

(شکل18) کلیواژ اولیه پروتئین پیکورنا ویروسها : در سلولهای آلوده با انتروویروسها و رینو ویروسها با عمل پروتئازی 2Apro بخش p1 از بخشp2 جدا می گردد. در سلولهای آلوده با کاردیو ویروسها و آفتو ویروسها توسط 3Cpro اتصال P1-P2 قطع می گردد. در این ویروسها پروتئین 2A , پروتئاز نمی باشد . اما اتصال خودش(2A ) با 2B را قطع میکند. در تمام این ویروسها اتصال P2-P3 با عمل پروتئازی 3Cpro قطع می گردد. از طرفی در هپاتو ویروسها 3Cpro اتصال 2A-2B را نیز قطع می نماید. Lpro در FMDV باعث آزاد شدن پروتئین L از ابتدای ژنوم می گردد.1-14-4) 5´- UTRدر پاراکو ویروسها :
این قسمت در پیکورنا ویروسها بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است و مشخص گردید که 5´- UTRدر ترجمه پروتئین و همانند سازی RNA دخالت دارد و با انجام موتاسیون در این ناحیه 5´- UTRمشخص گردیدکه 5´-UTRدر تعیین سلول هدف و بیماریزایی نیز نقش دارد. در این ناحیه تعدادی از عناصر ساختمان ثانویه و ساختار سوم به چشم می خورد موتاسیون در این نقطه با تغییراتی در پاتوژ نیسیتی همراه می باشد این ناحیه در طبقه بندی پیکورنا ویروسها نیز بکار می رود. تاکنون سه طرح از این ساختار گزارش شده 1- در رینو وانترو ویروسها 2- در کاردیو و آفتو ویروسها 3- در هپاتو ویروسها (8) (شکل19) نیمه انتهای ´3 از 5´- UTR پاراکو ویروسها مشابه نواحی 5´- UTRآفتو و کاردیو ویروسها می باشد. در این قسمت دومن هایی نظیرساختار چکشی شکل برجسته، نواحی پلی پیریمیدنی و کدون AUG که در شروع ترجمه دخالت دارد موجود است (81و84) .

شکل19: دیاگرام شماتیک ساختار ثانویه
5´- UTRدر پاراکو ویروس (A) درEMCV (B) و پولیوویروس .(C) همه پیکورنا ویروسها 20 نوکلوتید پائین دست نقطه شروع (AUG ) واجد Polypyrimidine tract هستند. در کاردیو ویروسها و آفتو ویروسها پس از این ناحیه یک ORF بزرگ وجود دارد; در حالیکه در انترو ویروسها و رینو ویروسها پائین تر از AUG یک توالی دیگر AUG نیز وجود دارد و پس از دومین AUG یک ORF وجود دارد. اتصال کوالانت VPg به ابتدای 5΄ ژنوم در شکل مشخص است.
1-14-5) ارتباط ژنتیکی پاراکوویروسها با پیکور نا ویروسهای دیگر:
با مشخص شدن سکانس ژنومی در پاراکوویروس معلوم شد که 5´- UTRاین ویروس متفاوت از دیگر پیکورنا ویروس ها است. (در تصویر 16) ارتباط ژنتیکی پاراکوویروس ها را با ویروس های این خانواده بر پایه پروتئین VP3نشان می دهد. در این قسمت انترو ویروس ها و رینو ویروس ها به همدیگر شباهت بیشتری دارند و پاراکوویروس ها و هپاتو ویروس ها دو دسته کاملاً مجزا هستند که ارتباط مولکولی کمتری با دیگر پیکورنا ویروسها دارند ولی آفتو ویروسها و کاردیو ویروسها در یک محدوده قرار می گیرند (8و81) .(شکل20)
26035061595

(شکل20) – دندروگرامی بر اساس پروتئین VP3در پیکورنا ویروسها.در این تصویر ارتباط ژنتیکی پیکورنا ویروسها و میزان شباهت های بین آنها مشخص شده است.
1-14-6) تداخلات بین HPEV1 و HPEV2 با سطح سلولهای حساس :
با تعیین توالی ژنوم پاراکو ویروس ها در قسمت انتهای کربوکسیلی پروتئین VP1یک سکانس ویژه به نام RGD ( آرژنین- گلایسین- اسید اسپارتیک) معلوم گردید (76و80). که در تشخیص سلول میزبان فعال است و این سکانس RGD در تماسهای سلول به سلول و سلول به ماتریکس فعالیت دارد. از این سکانس برای اتصال و ورود پاتوژنها زیاد استفاده می کنند. و در بین پیکورنا ویروسها FMDV و کوکساکی ویروس A9 که یک انتروویروس است از این سکانس RGD برای ورود استفاده می کنند. RGD در تماس اولیه ویروس با رسپتورهای سطح سلول واکنش می دهد (16و10و8). (شکل21)

(شکل21)– مقایسه توالی اسید آمینه ای در انتهای کربوکسیلی از VP1 در بین پاراکوویروسها CAV9
در HPEV1 با کمک پپتیدهای سنتتیک واجد RGD می توان این ناحیه را بلوک نمود. از طرف دیگر مشاهده شده که تیپ 1 برای اتصال به سطح سلول با کوکساکی ویروس A9 رقابت می کند. گیرنده این دو ویروس همان گیرنده ویترونکتین ( اینتگرین α vβ3) است. در مورد کوکساکی ویروس A9. توالی RGD برای حیات ویروس ضروری نیست و می توان بدون از دست رفتن کامل عفونت زایی این ناحیه را با کمک ایجاد موتاسیون یا هضم با تریپسین تخریب نمود. ولی، حذف توالی RGDدر تیپ 1 پاراکوویروس کشنده است که این موضوع دلالت بر نقش حیاتی RGD در چرخه تکثیری HPEV1دارد. (شکل 22)

(شکل 22) نتایج Plaque assay پاراکو ویروس انسانی تیپ 1 :سلولCHOαvβ1 (فلاسک A ), سلول CHOαvβ3 (فلاسک B), و CHOwt (فلاسک C ). سلولهای تخمدان هامستر چینی با پلاسمیدهای حاوی ژن 1,2αvβ ترانسفکت گردید و سپس این دو سلول ترانس ژن به همراه سلول وحشی توسط HPEV-1 آلوده شد. تعداد پلاک و مورفولوژی آنها توسط تست Plaque assay مورد ارزیابی قرار گرفت.
عفونت با پاراکو ویروس ها را می توان با استفاده ازAnt α i و Anti β1 بلوک کرد و با استفاده از آنتی بادی) آنتی (MM-Matrix metalloproteinase- 9 به کمترین حد ممکن می رساند (76). در نتیجه پیشنهاد می کنند که ویروس ممکن است از اینتگرینα βاستفاده بکند و معلوم گردید که این تماس بینRGD و اینتگرین αβ برای ورود ویروس ضروری است و این تنها راه ورود ویروس برای داخل به سلول است. در حالی که کوکساکی ویروس A9از دو راه متفاوت با سطح سلول تماس پیدا کرده و داخل می گردد در مورد بعضی گونه های ویروس الزاماً از تماس RGD – اینتگرین αβ برای ورود استفاده می کنند ولی تعدادی از گونه ها توانایی تماس با هپارین سولفات را نیز دارند (10و8و76).
1-14-7) عوارض کلینیکی و اپیدمیولوژی پاراکوویروسها:
HPEV-1 اولین بار در طی یک اپیدمی اسهال تابستانی در سال 1956 ایزوله شد.WHOدر سالهای 1967 تا 1974 ، 60 درصد از عفونتهای تیپ 1 در کودکان کمتر از یک سال دیده می شود و این آمار در مورد سایر اکوویروسها 15 درصد می باشد (85). میزان گرفتاری CNS در عفونتهای HPEV-1حدود 12 درصد است که این میزان کمتر از عفونتهای انتروویروسی می باشد در حالیکه علائم گاسترو آنتریت (29%) و علائم تنفسی (26%) بیشتر دیده می شود (86و87).
در فنلاند یک مطالعه سرواپیدمیولوژی بر روی 110 عفونت انجام شد و معلوم گردید که 95 درصد نوزادان آلوده دارای آنتی بادی علیه HPEV-1 هستند در حالیکه تنها 20 درصد از بچه های بین 2 تا 12 ماه سرم مثبت می باشند (86). اما درصد افراد سرم مثبت بعد از اولین سال زندگی افزایش می یابد. بطوریکه 97 درصد از بالغین از لحاظ HPEV-1 سرم مثبت هستند که در این میان تنها 30 درصد آنها دارای آنتی بادی علیه اکوویروس تیپ 30 می باشند. این موضوع دلالت بر شیوع زیاد عفونت های HPEV-1 دارد (10).
یافته های خودمان (دکتر قاضی) در ایران نشان داد که مهمترین فصل شیوع در نوزادان کمتر یک سال , فصل بهار و پائیز می باشد و در این مطالعه نشان داده شد که پسر ها بیشتر از دختران دجار علائم بالینی اسهال بودند( 124). مهمترین فصل شیوع در تابستان و پاییز است و متداول ترین نشانه بالینی وجود اسهال می باشد و بعد از آن عوارض تنفسی مشاهده می شود و عوارض جسمی به میزان کمتری شیوع داشته است و کمتر آنسفالومیلیت و انواع دیگر عوارض عصبی گزارش گردیده است. ایزوله های تیپ 2 پاراکوویروس به میزان کمتری شیوع داشته در عفونت با این تیپ از ویروس نیز علائم ناراحتی گوارشی دیده می شود (90و88و89).
1-14-8) ویروس های مرتبط با پاراکوویروسها در حیوانات:
در کشور سوئد از یک موش ساحلی اروپایی یک پاراکوویروس جدیدی به نام L jungan virus ایزوله نمودند (91). که موجب میوکاردیت در موش ها می شود و با بررسی سکانس این ویروس معلوم گردید که به جنس پاراکوویروس شباهت داد (8)، توالی اسیدهای آمینه VP3 در این ویروس حدود 70 درصد به پاراکوویروس شباهت دارد. قبلاً این توالی فقط در پاراکوویروس انسانی مشاهده شده بود و جدا سازی این ویروس یک نظریه مهم را شدت بخشید که جدا سازی پاراکوویروس از یک موش ساحلی اروپایی دلیل مهمی برای زنونوز (zeonoz)بودن این ویروسها می باشد (8 و 91).

Text of Final Project -فایل پروژه - ریسرچ-.Pdf)

ماشین31
-1-5-2 محاسبه راکتانسهای ماشین 33..................................................................................
-2-5-2 محاسبه ثابت زمانی های ماشین35
5
-6-2 مراتب مختلف مدلهای ماشین سنکرون بر اساس مدل دو محوری پارک37
فصل سوم: بررسی روشهای شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون..39
-1-3 مروری بر پیشینه شناسایی پارامترهای ژنراتورهای سنکرون 40..............................
-2-3 انواع روشهای تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون 42................................
-1-2-3 روشهای کلاسیک اندازه گیری پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای شبکه42
-2-2-3 روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون43
فصل چهارم: شناسایی بلادرنگ پارامترهای ژنراتور سنکرون با استفاده از شبکه عصبی
مصنوعی ....45
-1-4 کلیات و اصول کارشبکه های عصبی 46....................................
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها46
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی.48
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر50
-3-4 نتایج 51...................................................................
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر53
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج .89
فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات ...97
ضمیمهها100
ضمیمهالف- طرحهای بکار گرفته شده برای شبیهسازی ژنراتور سنکرون101
ضمیمهب- نمودار پارامترهای بکار گرفته شده در شبیهسازی ژنراتور سنکرون..105
منابع و ماخذ.110
6
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
1-2 : مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون 24
1-4 : فهرست پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون 38
2-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه فراوانی خطا 81
3-4 : نتایج شبکه عصبی در دوره آموزش و تست از دیدگاه دامنه خطا 82

7
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
: 1-1 نمای کلی فرایند ارزیابی و بهبود سیستمهای قدرت 3
: 1-2 مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون 9
:2-2 مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک 13
:3-2 توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار 18
:4-2 مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار 19
:5-2 مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا 20
:6-2 مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا 20
:7-2 مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز 21
: 8-2 مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز 22
: :1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان 32
:2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی 33
:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته 33
:4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون 35
:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی 36
:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی 37
:7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd" 39
:8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 39
:9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 40
:10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 40
:11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 41
:12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 41
:13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 42

8
:14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 42
:15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 43
:16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 43
:17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 44
:18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 44
:19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd" 45
:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 45
:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 46
:22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd" 46
:23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 47
:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 47
:25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq" 48
:26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 48
:27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 49
:28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 49
:29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 50
:31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 51
:32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 51
:33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 52
:34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq" 52
:35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 53
:36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 53
:37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq" 54
:38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 54
:39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 55
9
:40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq" 55
:41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 56
:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 56
:43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td" 57
:44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 57
:45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 58
:46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 58
:47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 59
:49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 60
:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 60
:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 61
:52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 61
:53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 62
:54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 62
:55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td" 63
:56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 63
:57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 64
:58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td" 64
:59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 65
:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 65
:61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq" 66
:62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 66
:63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 67
:64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 67
:65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 68
10
:66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 68 :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 69 :68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 69 :69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش 70 :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq" 70 :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 71 :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 71 :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq" 72 :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش 72 :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش 73 :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq" 73 :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست 74 :78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست 74 ض-:1 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 88 ناگهانی تحریک ض-:2 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متـصل بـه شـین بینهایـت بـا اغنـشاش 89 اتصالکوتاه درترمینال ژنراتور ض-:3 طرح شبیه سازی ژنراتور سنکرون متصل به شین بینهایت با اغتشاش تغییر 90 ناگهانی توان ورودی ض-:4 تغییرات مقادیر Xd بکار گرفته شده 92 ض-:5 تغییرات مقادیر Xd' بکار گرفته شده 92 ض-:6 تغییرات مقادیر Xd" بکار گرفته شده 92 ض-:7 تغییرات مقادیر Xq بکار گرفته شده 93 ض-:8 تغییرات مقادیر Xq" بکار گرفته شده 93 ض-:9 تغییرات مقادیر Xl بکار گرفته شده 93 ض-:10 تغییرات مقادیر Td' بکار گرفته شده 94 ض-:11 تغییرات مقادیر Td" بکار گرفته شده 94 11
ض-:12 تغییرات مقادیر Tq" بکار گرفته شده 94
ض-:13 تغییرات مقادیر Rs بکار گرفته شده 95
ض-:14 تغییرات مقادیر WR بکار گرفته شده 95
ض-:15 تغییرات مقادیر H بکار گرفته شده 95
12
چکیده پایاننامه:
این پروژه روشی نو را برای بکارگیری رؤیتگرهای شبکه عـصبی در جهـت شناسـایی و تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری ارائه کرده است. اطلاعات بهـرهبـرداری از طریق اندازهگیریهای بلادرنگ بعمل آمده در قبال اغتشاشات حوزه بهرهبرداری فراهم مـیشـود. دادههـای آموزشی مورد نیاز شبکه عصبی از طریق شبیهسازیهای غیرهمزمـان بهـرهبـرداری از ژنراتـور سـنکرون در محیط یک ماشین متصل به شین بینهایت فراهم شده است. مقـادیر نمونـه ژنراتورهـای سـنکرون در مـدل مذکور بکار گرفته شدهاند. شبکه آموزش دیده در قبال اندازهگیریهای بلادرنگ شبیهسازی شـده در جهـت تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون تست شده است. مجموعه نتایج بدست آمده نشان دهنـده قابلیتهای نوید بخش شبکه عصبی مصنوعی در حوزه تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهـای سـنکرون، بصورت بلادرنگ و با استفاده از اطلاعات بهرهبرداری میباشد. اگرچه برای دست یـابی بـه خطـای تخمـین قابل قبول در مسیر شناسایی کلیه پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون، پارهای اصلاحات ضروری بـه نظر میرسد. در نگاه کلّی این اقدامات تکامل بخش را میتوان به دو مجموعه: پیشنهادات مربوط به اصـلاح شبکه عصبی رؤیتگر در حوزه شبیهسازی و آموزش و بخش دیگر را به عنوان گامهای تکاملی تلقی نمود، که سازماندهی این گامها در مبادی ورودی و خروجی شبکه عصبی، زمینه مناسبتـری را بـرای بهـرهگیـری از قابلیتهای آن فراهم خواهد کرد.
کلید واژه:
ژنراتور سـنکرون، پارامترهـای دینـامیکی، شناسـایی بلادرنـگ، شـبکههـای عـصبی مـصنوعی، اطلاعـات بهرهبرداری
13
14
مقدمه:
در سالهای اخیر با پیشرفت سیستمهای کامپیوتری, سیستمهای هوش مصنوعی نیز متولد شده و رشد کرده است. یکی از سیستمهای هوش مصنوعی, شبکه های عصبی مصنوعی هستند. این شبکه ها به علت عواملی چون قطعیت در پاسخ, سادگی در اجرا, قابلیت انعطاف بالا و .... جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند. با توجه به ساختار و کارکرد شبکه های عصبی مصنوعی و اهمیت تعیین پارامترهای دینامیکی اجزاء سیستمهای قدرت از جمله ژنراتورهای سنکرون, بهره گیری از شبکه های عصبی مصنوعی در این حوزه قابل طرح است. از طرف دیگی نتایج ارائه شده از بکار گیری این شبکه ها در حوزه های مشابه, کارکردهای نوید بخشی را نشان می دهد. با توجه به مراتب فوق این پروژه بر آنست تا با طراحی و اجرای طرح شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از شیکه عصبی مصنوعی, قابلیت های این سیستم را در حوزه شناسایی بلادرنگ پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون نیز بیازماید.
15
فصلاول:

کلیات
16
سیستم های قدرت متشکلند از مجموعه ای از مراکز تولید(نیروگاهها) که توسط شبکه های انتقال و توزیع و تجهیزات حفاظتی و کنترل آن به مراکز مصرف متصل می گردند. وظیفه اصلی یک سیستم قـدرت تولیـد و تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کنندگان با حفظ شرایط سه گانه:
-1 ارزانی قیمت انرژی
-2 کیفیت بالا
-3 امنیت تامین انرژی میباشد. مراد از امنیت، پیوستگی و تداوم در تولید و تامین انرژی می باشد. عوامل مؤثر در امنیـت عبارتنـد از:
-1 سرمایه گذاری اولیه (تجهیزات سیستم ) -2 روشها و امکانات نگهداری و تعمیرات سیستم قدرت.
همانگونه که در کلیه وسایل و سیستم های غیرالکتریکی همواره دو ویژگی ارزانـی و بـالا بـودن کیفیـت-
امنیت با یکدیگر متعارض و متقابل می باشند در مقوله انرژی الکتریکی و سیستم هـای قـدرت نیـز بهمـان گونه خواهد بود. امنیت یک سیستم قدرت در حقیقت درجه و میدان توانایی آن سیستم در مواجهه با حـوادث
اغتشاشات می باشد . امنیت کلی یک سیستم به دو زیر شاخه:
امنیت دینامیکی
امنیت استاتیکی
قابل تقسیم است. از توانایی سیستم قدرت برای حفظ و نگهداری خود در دوره وقوع اختلال (که خود از سـه دامنه فوق گذرا-گذرا-دینامیک تشکیل شده است) با عنوان امنیت دینامیکی تعبیر مـی گـردد. بـا توجـه بـه اهمیت بسیار زیاد امنیت سیستمهای قدرت، فرایند ارزیابی وبهبود آن همواره مورد توجه مهندسـین طـراح و بهرهبردار بوده، به قسمی که عملیات ارزیابی و بهبود امنیت سیستم های قدرت یکی از وظایف بسیار مهـم و اساسی مراکز کنترل و بهره برداری شبکه های قدرت می باشد. شکل کلی فرایند ارزیـابی و بهبـود سیـستم های قدرت در شکل1-1 بیان شده است. باتوجه به اهمیت امنیت در سیستم های قدرت و همچنین تغییرات مستمری که در حین عملیات بهره برداری 24 ساعته در شبکه اتفاق می افتد ضرورت دارد که دائماً از طرف بهره بردار، عملیات بهره برداری به شکلهای مختلف بر روی سیستم های قدرت اعمال گردد،اما با توجه بـه ویژگی بالا بودن امنیت نباید این عملیات بگونه ای باشدکه سبب بروز اغتشاش در رفتار سیستم و در نتیجـه نقض غرض گردد. از طرفی سیستم قدرت هر کشور منحصر بفرد بوده به قسمی که نمونه دومی نمی تـوان برای آن ایجاد نمود. بنابر این با توجه به ویژگی منحصر بفرد بودن سیستمهای قدرت و ضـرورت اجتنـاب از عملیات بهره برداری بررسی نشده، برای ارزیابی اولیه از نتایج عملیات بهره برداری و یا طراحی ضرورتاً مـی باید از یک نمونه مشابه سیستم قدرت استفاده نمود تا بتوان ابتداً نتایج مانورهای طراحی یا بهـره بـرداری را برآن آزمایش و در صورت اطمینان از بی خطر بودن، نتایج آن مانورها را بر شبکه واقعی اعمال نمود.
17

نمونه مشابه سیستم قدرت را شبیه ساز1 و عملیات آزمایشی بـرروی نمونـه مـشابه را محاسـبات و مطالعـات شبیه سازی2 گویند. فرایند شبیه سازی سیستمهای قدرت فارغ از اینکه دیجیتال باشد یـا آنـالوگ از مراحلـی بدین ترتیب تشکیل شده است:
_1 شناسایی اجزاء سیستم قدرت
_2 ساخت و یا استخراج معادلات حاکم بر اجزاء
_3 ترکیب اجزاء و یا معادلات آنها
_4 حل معادلات با روشهای ریاضی بوسیلهکامپیوتر
_5 استخراج نتایج که در این میان مدلسازی اجزاء سیستم قدرت که همان شناسایی و استخراج معـادلات حـاکم بـر اجـزاء آن
است یکی از قدم های اصلی این فرایند بشمار میرود. به بیان دیگر یک متخـصص شـبکه در روش کـاری خود اولویت بندی هایی دارد که اولین آنها رساندن انرژی الکتریکی تولیدی به مصرف کننده است، در مرحله
دوم به تامین امنیت شبکه اهتمام می ورزد. و نهایتاً تلاش خویش را در جهت بهبود هر چـه بیـشتر کیفیـت انرژی که به مصرف کننده تحویل داده می شود مصروف می دارد. اگر چه بسیاری از اقداماتی که در جهـت امنیت سیستم های قدرت انجام می شود کیفیت توان را نیز ارتقاء می دهد. تامین امنیت سیستم خود شـامل مراحل و اولویتهایی است که اولین گام آن را مقاوم سازی و پایدار سازی شبکه در حالت های گذرا می باشد

1-simulator 2-simulation
18
و دومین گام شامل پایدار سازی دینامیکی شبکه می شود. از دیدگاه فرکانسی می توان حالت هـای گـذرا در شبکه را با نوسانات فرکانس بالا و حالت های دینامیکی آن را با نوسانات فرکانس پایین معرفی کرد. در اکثر شبکه های دنیا خاصه با پیچیده شدن شبکه ها پدیده نوسانات فرکانس پایین مشاهده شده است. ژنراتورهـا به عنوان تولید کننده نقش اصلی در ارتباط با این نوسانات دارند. اینها از نوع نوسان در پارامترها هستند و با اغتشاشات حالتهای گذرا متفاوتند. گاه این اغتشاشات بدون رخ دادن هیچ واقعهای در طی کار معمول شـبکه بوجود می آیند مثلاً با تغییر تپ ترانس درکم باری و مواردی از این قبیل. اگرچه در مرحله بعد از حالت هـای گذرای شبکه (از دیدگاه زمانی) نیز چنین بحثی مطرح می شود. بایـد توجـه داشـت کـه ایـن نوسـانات را در مقایسه با فرکانس شبکه، فرکانس پایین نام نهاده اند. دامنه فرکانسی مطرح از کسر یک تا چند هرتـز اسـت که بطور معمول بازه 0.5-2.5HZ را در بر می گیرند و در موارد حدی 0.1-4HZ می باشد. این نوسانات را به انواع :
-1 محلی
-2 بین ناحیه ای تقسیم کرده اند. که نوسانات یک ماشین نسبت به شبکه بزرگ یا شین بی نهایت متّصل به آن را محلّی نـام
نهاده اند. نوسانات بین ناحیه ای نمونه هایی مانند دو ژنراتور که با خطوطی به هم متصل هستند یا مجموعه دو ناحیه با یکدیگر را در برمی گیرد. از دیدگاه فرکانسی نیز این دو نوع نوسانات دینامیکی باهم تفاوت دارند.
ثابت می شود عامل این نوسانات، مد مکانیکی توربوژنراتور است. همانگونه کـه پـیشتـر توضـیح داده شـد تامین امنیت سیستم های قدرت در برابر نوسانات دینامیکی مانند سایر شاخه ها نیازمند شبیه سازی شبکه از این زاویه دید میباشد. مقادیر پارامترهای دینامیکی اجزاء در این شبیه سازی دارای نقش کلیدی هـستند. بـا توجه به نقش ژنراتور در میان اجزاء شبکه از دیدگاه نوسانات دینامیکی تعیین پارامترهـای آن بـسیار مهـم و تعیین کننده خواهد بود. صحت و دقّت تعیین این پارامترها وابسته است به روش بکار گرفته شده برای بـرای تعیین آنها . این مطالب موجب پیدایش روشهای گوناگون برای تعیین این پارامترها شده است. از طرف دیگـر این پارامترها برای هر ژنراتور مقدار ثابتی نیستند و بخـاطر عـواملی چـون پیرشـدن ژنراتـور، ایجـاد بعـضی خطاهای داخلی و ..... تغییر می کنند. این شرایط موجـب طـرح روشـهای بلادرنـگ1 در تعیـین پارامترهـای دینامیکی ژنراتور سنکرون شده است. از جهت دیگر روش بکارگیری و تبعات عملی یک تکنیک شناسـایی و ملزومات آن نیز حائز اهمیت است. گروهی از این روشها اگر چه نتایج نسبتاً دقیق و قابل اعتمادی نیز فراهم می آورند لیکن به علت خطر های ناشـی از تـست هـای مطـرح در آنهـا (ماننـد آزمـایش اتـصال کوتـاه2 و
باربرداری( 3 و یا ملزوماتشان چون جداسازی ژنراتور از شبکه چندان مطلـوب نیـستند. بعـضی از اجـزاء ایـن گروه روشها به مرور مطرود شده اند. مقالات جدید ارائه شده در سایر اجزاء این گروه با هـدف بهبـود آنهـا و حذف مشکلات مذکور شکل گرفتهاند. دسته دیگر این روشها نمونههـایی هـستند کـه بـا چنـین مـشکلاتی

3-On-Line 4-Short Circuit 5-Load Rejection
19
مواجه نیستند(مانند استفاده از تخمینگر شبکه عصبی مصنوعی.(1 کارهای انجام شده درباره ایـن روشـها در راستای بهبود هرچه بیشتر آنها و یا اطمینان از نتایج حاصله توسط آنها شکل گرفته اند. با توجه بـه مقدمـه ذکر شده ابتداً لازم است کلیات روشهای مدل سازی ژنراتور سنکرون مورد بررسی قرارگیـرد تـا درگـام بعـد نسبت به بررسی روشهای شناسایی پارامترهای آن اقدام شود.

6- Artificial-Neural Network
20
فصل دوم:

مدل سازی ماشین سنکرون
21
-1-2 پیشگفتار:
شبیه سازی رفتار ژنراتورهای سنکرون برای انجام مطالعات گوناگون دینامیکی در سیستمهای قدرت، مستلزم انتخاب یک مدل مناسب جهت مدلسازی ماشین میباشد. مدل ارائه شده برای هر سیستم شامل یک ساختار و تعدادی پارامتر میباشد که جهت پیشگویی رفتار آن سیستم در حالتهای مورد نظر بکار گرفته میشود. مدل مورد استفاده برای یک سیستم باید به سادگی قابل فهم بوده، بکارگیری آن سهل باشد و در عین حال بتواند رفتار سیستم را با دقت و صحت قابل قبولی برای یک محدوده مشخص پیشگویی نماید.
بعبارت بهتر رفتار پیشبینی شده سیستم بواسطه شبیهسازی براساس مدل ارائه شده تا حد قابل قبولی به رفتار واقعی سیستم نزدیک باشد. هر چند این دو خاصیت از مدل یعنی سادگی و واقعی بودن همواره در تضاد با یکدیگر هستند، (یعنی مدلهای واقعی به ندرت ساده هستند و مدلهای ساده به ندرت میتوانند واقعی باشند)، اما میتوان جهت رسیدن به پاسخ دلخواه مصالحهای منطقی مابین این دو خاصیت برقرار کرد. مدل دو محوری پارک از معمولترین و پذیرفتهترین مدلهای ماشین سنکرون میباشد. در این فصل ابتدا اصول مدلسازی ماشین سنکرون براساس تئوری دو محوری پارک به اختصار بررسی میشود، سپس پارامترهای ماشین سنکرون معرفی شده و نحوه محاسبه پارامترها براساس مدل دو محوری پارک و همچنین نحوه مدلسازی ماشین با داشتن پارامترهای آن بررسی میگردد. همچنین در این فصل ارتباط میان مرتبههای مختلف مدل پارک با نوع ژنراتور و نوع مطالعه مورد نظر تشریح میشود.
-2-2 ساختار فیزیکی ماشین سنکرون:
-1-2-2 ساختار روتور و استاتور:
بزرگترین و شاید متداولترین ماشین های الکتریکی که با سرعت سنکرون می چرخند، ماشین های سنکرون سه فاز میباشند. اگرچه ساخت ماشین های سنکرون سه فاز پر هزینه میباشد، اما بازده بالای این ماشینها در قدرتهای بالا بزرگترین مزیت آنها میباشد.
استاتور ماشینهای سنکرون معمولاً متشکل از یک هسته مورق فرومغناطیس با شیارهایی جهت قرار گیری سیم پیچیهای سه فاز گسترده میباشد. روتور ماشین نیز میتواند بصورت قطب برجسته یا قطب صاف ساخته شود. ماشینهای قطب برجسته اغلب به عنوان ژنراتورهای آبی جهت تطبیق سرعت پائین توربین-
های آبی با سرعت سنکرون استفاده میشوند. قطبهای روتور این نوع ماشین به صورت جداگانه ساخته شده و سپس بر روی یک استوانه سوار میشوند. ساختار روتور گرد یا قطب صاف نیز برای کاربردهای سرعت بالا مناسب است. ماشینهای سنکرون با روتور گرد با دو یا چهار قطب به عنوان ژنراتورهای واحدهای بخاری جهت تطابق با سرعت بالای توربین به کار میروند. همچنین در این ماشینها میتوان نسبت قطر به طول روتور را به منظور محدود کردن تنش های مکانیکی ناشی از نیروهای گریز از مرکز کوچک گرفت.
22
-2-2-2 سیمبندیهای ماشین
ماشین سنکرون سه فاز معمولاً متشکل از یک سیم پیچی سه فاز به عنوان آرمیچر و یک سیم پیچی تحریک میباشد که بنام سیم پیچی میدان نیز نامیده میشود. سیمپیچی آرمیچر معمولاً در ولتاژی بسیار بالاتر از ولتاژ تحریک کار میکند و از این رو نیازمند فضایی بیشتر برای عایقبندی مناسب میباشد.
همچنین با توجه به اینکه جریانهای گذرای شدیدی از این سیمپیچیها عبور می کند، باید قدرت مکانیکی کافی داشته باشند. از این رو معمول است که سیمپیچی آرمیچر را بر روی استاتور ماشین قرار دهند. از نظر فضایی سیمپیچیهای سه فاز آرمیچر، 120º با یکدیگر اختلاف مکان دارند و این موضوع سبب میشود که با چرخش یکنواخت روتور و به تبع آن چرخش یکنواخت میدان تحریک، در این سیمپیچیها ولتاژهایی القا شود که از نظر زمانی 120º با یکدیگر اختلاف فاز دارند. سیم پیچی تحریک یا میدان معمولاً بر روی روتور قرار داده میشود. در ماشینهای قطب برجسته معمولاً میله های مسی یا برنجی در سطح قطب جای می-
گیرند که عموماً این میلهها در دوانتها به وسیله حلقههایی به یکدیگر متصل میشوند تا یک قفس سنجابی شبیه آنچه در یک موتور القایی وجود دارد، ساخته شود. مجموعه این میلهها و حلقهها به عنوان سیم پیچی میراکننده میباشند.
روتور ژنراتورهای قطب صاف بصورت استوانهای است که از فولاد یکپارچه ساخته میشود. سیم پیچیهای میدان در این گونه روتورها بصورت یکنواخت در شکافهای بدنه روتور توزیع شدهاند که معمولاً به کمک گوههایی در جای خود محکم میشوند. اغلب در چنین ماشینهایی سیم پیچی میراکننده وجود ندارد، زیرا که روتور یکپارچه فلزی اجازه عبور جریانهای گردابی را فراهم می آورد که تاثیری مشابه جریانهای سیمپیچی-
های میراکننده دارد. برخی از سازندگان تاثیر میرایی بیشتر و قابلیت عبور جریان مولفه منفی را با استفاده از گوههای فلزی مستقر در شکافهای سیمپیچی تحریک (که در انتها به یکدیگر متصل شدهاند) یا با استفاده از میلههای مسی مستقل زیر گوههای نگه دارنده، فراهم میآورند.
-3-2 توصیف ریاضی ماشین سنکرون
-1-3-2 معادلات ریاضی حاکم بر ماشین سنکرون
در این قسمت مدل ریاضی ماشین سنکرون بر اساس تئوری دو محوری بصورت خلاصه پارک تشریح می-
شود. شکل (1-2) مدارهای در نظر گرفته شده برای استاتور و روتور ماشین را نشان میدهد. مدار استاتور شامل یک سیم پیچی سه فاز است و روتور نیز یک سیم پیچی تحریک و یک سیمپیچی میراکننده بر روی محور d و دو سیم پیچی میراکننده بر روی محور q دارد. تعداد سیم پیچیهای میراکننده در نظرگرفته شده به عوامل متعددی از جمله نوع ژنراتور بستگی دارد که در قسمتهای بعدی به آن اشاره خواهد شد. مدل نشان داده شده در شکل (1-2) مدل 2-2 براساس استاندارد IEEE Std 1110 میباشد.
23
i fd d ωr a e fd q ib i1d ikq Ψb Ψa θ eb i1q b a ia ea ec
c

Ψc
ic

شکل :(1-2) مدارهای استاتور و روتور ماشین سنکرون
:c , b, a سیم پیچی های سه فاز استاتور : fd سیم پیچی تحریک

: 1d سیم پیچی میرا کننده محور d

1q و : 2q سیم پیچی های میراکننده محور q : ωr سرعت زاویه ای روتور برحسب رادیان بر ثانیه
: θ زاویه مابین محور مغناطیسی روتور و محور مرجع (محور مغناطیسی فاز (a
در بدست آوردن معادلات ماشین سنکرون برای ساده سازی فرضیات زیر درنظر گرفته میشود:
الف ) شکافهای موجود بر روی سطح داخلی استاتور تاثیر قابل توجهی بر اندوکتانسهای روتور درحال حرکت ندارند.
) پسماند مغناطیسی آهن استاتور و روتور قابل صرف نظر کردن است.
) از نظر تاثیر متقابل استاتور و روتور، سیم پیچیهای استاتور بصورت سینوسی در امتداد فاصله هوایی
توزیع شدهاند.
هر چند در مدل ارائه شده اثر اشباع مستقیماً منظور نشدهاست، اما با تصحیح راکتانسهای دو محور با استفاده از ضرایب اشباع و یا با داخل کردن مولفههای جبرانکننده درتحریک میدان اصلی، پدیده اشباع نیز لحاظ میشود.
با فرض حالت ژنراتوری معادلات ولتاژ مربوط به سیم بندی های استاتور و روتور را میتوان به شکل روابط
(1-2) و (2-2) نوشت.
Ψs d vs  −is Rs  dt (1-2) d vr  −ir Rr  Ψr dt که در آن :
24
vs  v a vb vc t vr  v f v1d v1q v2q t is  i a ib ic t ir  i f i1d i1q i2q t Ys  Ya Yb Yc t Yr  Y f Y1d Y1q Y2q t Ra 0 0 0 Rb Rs  0 0 0 Rc Rf 0 0 0 R1d Rr  0 0 0 0 0 R1q 0 0 0 0 R2q :درک نایب ریز لکش هب ناوت یم ار روتور و روتاتسا یاهرودراش تلاداعم Ψs  Lssis  Lsrir (2-2) Ψ  Lt .i  L i r sr srr r : نآ رد هک
Lss  − −

Lls  L0 − Lms cos 2θr 1 L0 − Lms cos 2(θr − π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π − 3 ) − 3 ) 2 2 1 π 2π 1 2 L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) Lls  L0 − Lms cos 2(θr − 3 ) − 2 L0 − Lms cos 2(θr −π) 1 L0 − Lms cos 2(θr  π 1 L0 − Lms cos 2(θr  π) Lls  L0 − Lms cos 2(θr  2π ) − ) 2 3 2 3 25
0 0 L f 1d Llf  L f 0 0 L L L  L 1d l1d 1df L1q 2q Ll1q  L1q 0 0 rr Ll 2q  L2q L2q1q 0 0 Ls 2q cosθr Ls1q cosθr 2π Ls 2q cos(θr − 2π ) ( cos(θr − 3 3 2π Ls 2q cos(θr  2π ) 3 ( 3 cos(θr 
s1q
s1q

L L

Ls1d sin θr
Ls1d sin(θr − 23π )

Ls1d sin(θr  23π )

Lsf sin θr 2π t ( − r sin(θ sf L  rs L sr L 3 ( 2π sin(θr  Lsf 3 با استفاده از دسته معادلات (2-1) و((2-2 میتوان بطور کامل ماشین سنکرون را بررسی نمود. اما همچنانکه در این معادلات نیز دیده میشود، معادلات دارای عباراتی هستند که با θ تغییر میکنند. با توجه به اینکه θ نیز تابعی از زمان میباشد، این موضوع سبب پیچیدهتر شدن تحلیل ماشینهای سنکرون می-
شود. میتوان با تبدیل مناسبی متغیرهای استاتور را به شکل سادهتری درآورد. این تبدیل به نام تبدیل پارک معروف است. تبدیل پارک به صورت رابطه (3-2) میباشد.
2π cos(θ  Sa ) 3 (3-2) Sb ) 2π −sin(θ  3 1 Sc 2
( 2π − cos(θ cosθ 3 2 2π 3 ) −sin(θ − 3 −sinθ 1 1 2 2
Sd
Sq S0
که S میتواند هر کدام از متغیرهای ولتاژ، جریان یا شاردور ماشین باشد. عکس تبدیل پارک نیز بصورت رابطه (4-2) بیان میشود.
1 −sinθ Sd 2 (4-2) Sq 1 ( 2π −sin(θ − 2 3 S0 1 ( 2π −sin(θ  2 3
cosθ 2π 2 ( cos(θ − 3 3 ( 2π cos(θ  3
Sa
Sb Sc
با اعمال تبدیل، معادلات حاکم بر ماشین و متغیرهای متناظر بسیار ساده میشوند. این ساده شدن در دو مفهوم کلیدی زیر ریشه دارد:
الف: با اعمال این تبدیل در شرایط بهرهبرداری عادی و حالت ماندگار تمامی جریانها و شارهای سیم-
پیچیهای استاتور و روتور دارای مقدار ثابتی خواهند بود.
26
ب: با انتخاب دو محور d و q که 90درجه اختلاف فاز دارند، شارهای تولید شده توسط جریانها بر روی یک محور هیچ پیوندی با شارهای محور دیگر نخواهند داشت. بنابراین دو دسته متغیر متعامد بدست خواهد آمد که این موضوع باعث ساده سازی بسیاری خواهد شد، زیرا هم باعث ساده سازی مقادیر راکتانسها میشود و هم می توان مدار معادل ماشین را بصورت دو مدار مستقل از هم در نظر گرفت.
معادلات نهایی پریونیت شده در دستگاه مرجع روتور به شکل روابط (5-2) و (6-2) میباشند. جزئیات بدست آوردن این معادلات در مراجع مختلف تشریح شدهاست و در اینجا از تکرار مجدد آن خودداری می-
شود. باداشتن روابط فوق، رفتار الکتریکی ماشین شبیه سازی می شود.
(5-2)
(6-2)

Yd 1 d Yq + wr V d = - i d Ra - w0 dt w0 Y d 1 Y + wr + a R q = - i q V q w0 dt d w0 Yfd 1 d efd = i fd Rfd + w0 dt Y d 1 + 1d R 1d 0 = i 1d w0 dt Y d 1 + 1q R 1q 0 = i 1q w0 dt Y2q d 1 0 = i 2q R 2q + w0 dt id Xad Xad Xl  Xad 1 Yd i fd Xad Xlf  Xad Xad  Yfd Xad Xad W0 Xl1q  Xad i1d Y1d i Xaq Xaq Xl  Xaq Yq i q Xaq Xl1q  Xaq Xaq 1  Y1q W 1q Xaq Xaq 0 Xl2q  Xaq i2q Y 2q x 0i 0 1 Y0 = - w0 براساس روابط ولتاژ و شار ارائه شده میتوان مدار معادل ماشین سنکرون را بدست آورد. این مدار درشکل
(2-2) نشان داده شده است.
27

الف: محور طولی،

ب: محور عرضی، q
xl i 0 R0
+
V 0
ج: محور صفر

-
شکل :(2-2) مدار معادل ماشین بر اساس تئوری پارک
-2-3-2 معادلات حرکت
معادلات حرکت معادلاتی هستند که اهمیت اساسی در مطالعات پایداری سیستمهای قدرت دارند. این معادلات که بعنوان معادلات لختی چرخشی نیز نامیده میشوند، تاثیر عدم تعادل بین گشتاور الکترومغناطیسی و گشتاور مکانیکی ماشین سنکرون را بیان مینمایند. در این بخش نیز معادلات حاکم بدون ذکر جزئیات بیان میشوند که برای دسترسی به جزئیات کامل میتوان به مراجع مختلف موجود مراجعه نمود.
زمانی که عدم تعادل بین گشتاورهای اعمال شده بر روی روتور وجود داشته باشد، گشتاور خالص اعمال شده، باعث شتاب گرفتن (یا کندشدن حرکت) روتور میشود. این گشتاور برابر است با:
Ta  Tm −Te(5-2)
: Ta گشتاور شتاب دهنده برحسب N.m
28
: Tm گشتاور شتاب مکانیکی برحسبN.m : Te گشتاور الکترومغناطیسی برحسب N.m معادله حرکت نیز به صورت رابطه (6 - 2) میباشد: (6-2) TaTm−Te dωr J dt در شبیه سازیهای ماشین سنکرون معمولاً شارها به عنوان متغیرهای حالت فرض میشوند. در این صورت توان الکتریکی ماشین در مبنای واحد به شکل رابطه (7-2) خواهد بود.
Pe ωr (ψd iq −ψqid )(7-2)
با تقسیم رابطه توان الکتریکی بر سرعت مکانیکی روتور، رابطه گشتاور الکترومغناطیسی به شکل رابطه -2) (7 در میآید :
Te ψd iq −ψqid(8-2)
-4-2 پارامترهای ماشین سنکرون
در معادلات حاکم بر ماشین سنکرون که در قسمت 3-2 ارائه شد، اندوکتانسها و مقاومتهای مدارهای استاتور و روتور به صورت پارامتر ظاهر شدند. این پارامترها موسوم به پارامترهای اصلی یا اساسی ماشین هستند و بصورت اجزای مدارهای معادل دو محور d و q در شکل (2-2) قابل تشخیص هستند. هر چند این پارامترها بطور کامل مشخصههای الکتریکی ماشین را بیان میکنند، اما آنها را نمیتوان از عکسالعملهای قابل اندازهگیری ماشین مستقیماً بدست آورد. از اینرو، روش مرسوم در تعیین اطلاعات ماشین این است که آنها را برحسب پارامترهایی بیان میکنند که از رفتار قابل مشاهده ماشین در پایانههای آن قابل تشخیص بوده و تحت آزمایشهای مناسب، قابل اندازهگیری هستند. در این قسمت انواع پارامترهای ماشین و ارتباط آن با پارامترهای اساسی مورد بررسی قرار میگیرد.
-1-4-2 پارامترهای اساسی ماشین
پارامترهای اساسی ماشین یا پارامترهای مدار معادل، از اعمال تبدیل پارک بر روی معادلات حوزه زمان ماشین سنکرون بدست میآیند و مشخص کننده عناصر مدارهای معادل محورهای طولی و عرضی ماشین هستند. تعداد این پارامترها با مرتبه مدل تغییر میکنند. از مشکلات عمده کار با این پارامترها، مشخص نبودن دقیق مقدار همگی آنها است. بعبارت دیگر روشی برای تعیین مقادیر دقیق این پارامترها بصورت یک-
جا وجود ندارد و روشهای موجود همگی مقادیر تقریبی مربوط به این پارامترها را بدست می دهند.
29
بعنوان نمونه اگر مدل 2-2 استاندارد IEEE Std1110 که در شکل (1-2) نشان داده شدهاست را درنظر بگیریم، کلیه عناصر مداری که در شکل نشان داده شدهاند، پارامترهای مدار معادل بوده و به راحتی قابل محاسبه و اندازهگیری نمیباشند. حتی بعضی از آنها مخصوصاً بعضی از پارامترهای برخی از شاخههای مدار محور q وجود فیزیکی خارجی نداشته و صرفاً جهت مدل سازی رفتار ماشین در نظر گرفته میشوند.
-2-4-2 پارامترهای عملیاتی
همانگونه که از نام این پارامترها پیداست، پارامترهای عملیاتی، ماشین سنکرون را از دید سیستمی بیان می-
کنند و معین کننده رابطه ورودی و خروجی ماشین سنکرون هستند. در این حالت تغییرات شار محور طولی و عرضی، تغییرات جریان محورهای طولی و عرضی و تغییرات ولتاژ سیستم تحریک بعنوان ورودی یا خروجیهای سیستم در نظرگرفته شده و با استفاده از پارامترهای عملیاتی این ورودیها و خروجیها به یکدیگر مرتبط میشوند.
در شکل عملیاتی, معادلات روتور را میتوان به صورت سیستمی با پارامترهای گسترده محسوب کرد. این پارامترها را می توان از طریق محاسبات طراحی و یا آسانتر از طریق آزمایش پاسخ فرکانسی بدست آورد.
زمانیکه تعداد محدودی مدار برای روتور در نظر گرفته شود، می توان این پارامترها را بصورت نسبت دو چند جملهای برحسب S (عملگر لاپلاس) بیان نمود. درجه چند جملهای مخرج حداکثر برابر تعداد مدارهای فرض شده بر روی روتور است. پارامترهای عملیاتی نسبت به پارامترهای مدار معادل کاربرد بیشتری داشته و به ماشین وجهه سیستمی میدهند. این پارامترها درحقیقت مشخصههای فرکانسی ماشین سنکرون هستند و عبارتند از یک دسته منحنیهای مشخصه یا روابط تحلیلی که رابطه بین امپدانس مختلط (یا عکس آن) را نسبت به لغزش در فرکانس نامی مشخص مینمایند. در زیر سه مشخصه فرکانسی مهم ماشین معرفی می شوند .
الف ) امپدانس عملیاتی محور طولی ( ( Zd(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی و ماندگار ولتاژ آرمیچر (ناشی از مولفه محور طولی جریان آرمیچر) به دامنه مولفه اصلی و مختلط این جریان که بصورت تابعی از فرکانس بیان میشود، تعریف شده و آن را Zd(s) مینامند. این مشخصه را در حالتی که سیم بندی میدان اتصال کوتاه گردیده است، برای فرکانسهای مختلف اندازهگیری مینمایند.
ب) امپدانس عملیاتی محور عرضی ( ( Zq(s)
این مشخصه بصورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر تولید شده توسط شار مغناطیسی محور عرضی ناشی از مولفه جریان آرمیچر در جهت محور عرضی به دامنه مولفه اصلی این جریان تعریف شده و بر حسب تابعی از فرکانس(لغزش) بیان میگردد.
ج) مشخصه فرکانسی G(s) بین سیم بندی میدان و آرمیچر
30
این مشخصه به صورت نسبت بین دامنه مولفه اصلی ولتاژ آرمیچر ناشی از جریان سیمبندی میدان در فرکانسهای مختلف به دامنه مولفه اصلی ولتاژ اعمالی در سیم بندی میدان تعریف میگردد.
-3-4-2 پارامترهای دینامیکی
این پارامترها به لحاظ سابقه، اهمیت و کاربرد فراوان آنها پارامترهای استاندارد ماشین نامیده میشوند، اما از آنجائیکه بیشتر حالتهای گذرا و دینامیکی ژنراتور را مدنظر دارند، به آنها پارامترهای دینامیکی نیز اطلاق می شود. یکی از دلایل اهمیت این پارامترها، قابلیت تشخیص و اندازهگیری آنها میباشد. این پارامترها را میتوان با استفاده از آزمایشهای خاصی که بعضی استانداردها نیز به آن اشاره دارند، مستقیماً بدست آورد. با استفاده از این پارامترها میتوان ژنراتور سنکرون را بویژه در حالات گذرا و دینامیکی تحلیل نمود. آزمایشات مربوط به استخراج این پارامترها سابقه نسبتاً زیادی دارد. تقسیم بندی این پارامترها که شامل اندوکتانسها و ثابت زمانیها هستند، به صورت پارامترهای دینامیکی محور طولی،محور عرضی همچنین پارامترهای
تندگذر و کندگذر میباشند که بسته به نوع تحلیل، جهت بررسی یک پدیده، پارامترهای مورد نیاز متفاوت
خواهد بود. این پارامترها بطور خلاصه شامل راکتانسهای سنکرون ( X q , X d )، راکتانسهای تندگذر و کندگذر محورهای طولی و عرضی( ( X ′q′, X ′d′, X ′q , X ′d ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر مدار باز محورهای طولی و عرضی ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do و ثابت زمانیهای کندگذر و تندگذر اتصال کوتاه محورهای طولی و عرضی ( ( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ می باشند.
-5-2 محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون بر اساس پارامترهای
اساسی ماشین
در محاسبه مقادیر اولیه شارهای گذرا در مدارهای تزویج شده از تئوری ثابت بودن شار دور استفاده میشود.
این تئوری بطور خلاصه عبارتست از اینکه شاردور مدار القائی با مقاومت و emf کوچک نمیتواند بطور لحظهای تغییر یابد. در حقیقت اگر emf یا مقاومتی در مدار موجود نباشد، شاردور آن ثابت خواهد ماند. این تئوری را میتوان در محاسبه جریانها بلافاصله بعد از تغییر شرایط مدار برحسب جریانهای قبل از تغییر استفاده کرد. هنگامی که یک اغتشاش همانند اتصال کوتاه در سمت استاتور ماشین اتفاق میافتد، شار استاتور تغییر میکند. پاسخ ماشین به اغتشاش براساس نحوه تغییرات جریانها و شارها عموماً به سه دوره زیرگذرا، دوره گذرا و ماندگار تقسیم میشود. در دوره زیرگذرا تغییر در جریان سیمپیچیهای میراکننده مانع از نفوذ شار ایجاد شده توسط استاتور به روتور میگردد. با کاهش جریان سیم پیچیهای میراکننده، دوره گذرا آغاز میشود که در آن تغییر جریانهای سیمپیچی میدان همان اثر را، اما ضعیفتر خواهد داشت. در نهایت در حالت ماندگار شار ایجاد شده استاتور به داخل روتور نفوذ خواهد کرد. شکل (3-2) توزیع شار در دورههای زیر گذرا، گذرا و ماندگار ماشین پس از وقوع یک اغتشاش سمت استاتور را نشان میدهد که بر اساس مسیر شار در هر یک از این حالتها میتوان راکتانسهای سنکرون، گذرا و زیرگذرای ماشین را تعریف کرد.
31

دوره زیرگذرا

دوره گذرا

حالت ماندگار

25%

25%

90 9090

90 9090

25%
25%
شکل (3-2) توزیع شار در ماشین سنکرون طی دورههای زیرگذرا، گذرا و ماندگار
در این قسمت نحوه محاسبه پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون برحسب پارامترهای اساسی یا همان پارامترهای مدار معادل ماشین تشریح میشود. همچنین مدار معادل ماشین برای هر یک حالتهای ماندگار، گذرا و زیرگذرا ارائه میشود. مدل در نظر گرفته شده برای ژنراتور بر اساس استاندارد IEEE Std1110،
32
مدل 2-2 میباشد. در صورت استفاده از مدلهایی با مرتبه متفاوت، رابطه پارامترهای دینامیکی تغییر یافته اما نحوه محاسبه آنها بصورت مشابه میباشد.
-1-5-2 محاسبه راکتانسهای ماشین
الف – راکتانسهای سنکرون
معمولاً اندوکتانس را به عنوان نسبت شاردور به جریان تعریف می کنند. وقتی که قله mmf گردان در امتداد محور d قرار گرفت، نسبت شاردور استاتور به جریان استاتور اندوکتانس محور (Ld) d نامیده میشود.
با بدست آمدن اندوکتانسها بدیهی است که راکتانسهای متناظر نیز به سادگی قابل محاسبه هستند.
همچنین وقتی قله mmf گردان در امتداد محور q قرار بگیرد، نسبت شاردور استاتور به جریان آن، اندوکتانس سنکرون محور (Lq) q خواهد بود. شکل (4-2) مدار معادل ماشین در شرایط حالت ماندگار را نشان می دهد.
x fd xl x1q xl i fd i1q  0 x1d X d → x2q X q → xad xaq 0 i i2q  0 1d الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq شکل :(4-2) مدار معادل ژنراتور سنکرون در حالت ماندگار
در حالت ماندگار، راکتانسهای سنکرون محور d و q به ترتیب با توجه به شکل (4-2) محاسبه می شوند.
مقادیر این راکتانس ها در روابط (9-2) و (10-2) ارائه شده است.
(9-2) X d  xl  xad
(10-2) X q  xl  xaq
ب- راکتانسهای گذرا
برای محور مستقیم، با توجه به اینکه مقاومت سیمپیچیهای میراکننده معمولاً بزرگتر از مقاومت سیم بندی میدان میباشد، جریان القایی در این سیم پیچیها بسیار سریعتر از جریانهای القایی در سیم بندی میدان میرا میشود. برای دوره گذرا فرض میشود که حالت گذرای میراکننده با میرایی فوقالعاده زیاد تمام شده است، در حالیکه جریانهای القایی در سیم بندی میدان هنوز برای مخالفت با تغییر شاردور ناشی از جریان-

های استاتور تغییر میکنند. مدارهای معادل ماشین در دوره گذرا مطابق شکل (5-2) می باشد. مدار معادل محور q نیز به طریق مشابه قابل توجیه است.

33
x fd xl Vfd x1d X ′d → xad i1d  0 الف-مدار معادل محور d ب-مدار معادل محورq
شکل :(5-2) مدار معادل ماشین سنکرون در دوره گذرا
براساس مدارهای معادل بدست آمده، راکتانس های گذرای محورهای d و q به شکل روابط (11-2) و(-2 (12 محاسبه می گردند.
(11-2) xad x fd x fd xl  X ′d  xl  xad xad  x fd (12-2) xaq x1q x1q xl  X ′q  xl  xaq x aq x 1q ج-راکتانس های زیر گذرا
در دوره زیرگذرا، جریانهای گذرای القا شده در سیم بندیهای روتور سعی دارند تا شاردور هر یک از مدارهای روتور را در ابتدا ثابت نگه دارند. براین اساس مدارهای معادل محورهای d و q ماشین سنکرون در این حالت مطابق شکل (6-2) میباشد.

الف-مدار معادل محور dب-مدار معادل محورq
شکل :(6-2) مدار معادل ماشین سنکرون طی دوره زیر گذرا
در این حالت برای محور d راکتانس دیده شده معادل سه راکتانس موازی xad ، x fd و x1d میباشد که با xl سری شده است. راکتانس زیر گذرای مدار باز محور q نیز مشابه محور d محاسبه میشود. براساس مدار معادل های ارائه شده، این راکتانس ها طبق روابط (13-2) و (14-2) محاسبه میشوند.
(13-2) xad x fd x1d xl x fd  x1d X ′d′  xl  xad xad x fd  xad x1d  x fd x1d 34
(14-2) xad x fd x1d xl x1d x fd  X ′d′  xl  xad x x x ad x fd x ad x fd 1d 1d -2-5-2 محاسبه ثابت های زمانی ماشین
حضور دو مجموعه سیم بندی برروی روتور، دو مجموعه ثابت زمانی مختلف را سبب شدهاست. مجموعه با مقادیر بزرگتر مربوط به ثابت زمانیهای گذرا و مجموعه با مقادیر کوچکتر مربوط به ثابت زمانیهای زیرگذرا هستند. معمولاً سیم بندیهای میراکننده که مقاومت بیشتری نسبت به سیم بندیهای میدان دارند، با ثابت زمانیهای زیرگذرا متناظرند.
ثابت زمانیهای گذرا و زیرگذرا بر روی محورهای d و q معمولاً در دو حالت تعریف میشوند. در یک حالت که استاتور مدار باز است و ثابت زمانیهای مدار باز تعریف میشود، ( ( T ′′qo ,T ′′do ,T ′qo ,T ′do، و درحالت دیگرسیم پیچی استارتور بصورت اتصال کوتاه فرض می شود( .( Tq′′,Td′′,Tq′,Td′ میتوان نشان داد که نسبت ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور اتصال کوتاه به ثابت زمانی گذرای محور d با استاتور مدار باز برابر است با نسبت راکتانس ظاهری که جریان استاتور با سیم بندی میدان اتصال کوتاه شده می بیند، به راکتانسی که جریان استاتور با سیم بندی میدان مدار باز میبیند.
الف -ثابت زمانی های گذرا
مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای گذرای مدار باز محور d و q در شکل (7-2) نمایش داده شدهاست.

Rfd
′ T do ← R1d
i1q=0
xfd
Rsxl
x1d
xad
الف :
محور dب: محورq
شکل :(7-2) مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های گذرای مدار باز
براساس فرضیات فوق و مدارمعادل شکل (7-2) ثابت زمانیهای مدارباز ماشین بصورت روابط (15-2) و
(16-2) بدست می آیند. (15-2) xfdxad 1 T ′do  ω0 R fd (16-2) x1qxaq 1 T ′qo  R ω 0 1q 35
همچنین مقادیر ثابت زمانیهای گذرا با استاتور اتصال کوتاه شده بر اساس روابط (17-2) و (18-2) محاسبه میشوند.
(17-2) x′d  Td′ xd T ′do (18-2) x′q  Tq′ xq T ′qo ب- ثابت زمانیهای زیر گذرا
ثابت زمانی زیرگذرای مدار باز محور d عبارتست از زمان لازم برای کاهش مولفه d جریان به مقدار 1e ام مقدار اولیه خود، هنگامی که در ترمینال ماشینی که با سرعت نامی می چرخد، بطور ناگهانی اتصال کوتاهی رخ دهد. بعبارت دیگر این ثابت زمانی عبارتست از ثابت زمانی جریان سیمبندی میراکننده d وقتی سیمبندی میدان اتصال کوتاه شده و سیمبندیهای استاتور مدار باز باشند. از مقاومت سیم بندی میدان در این دوره کاهش ولتاژ صرف نظر میشود. ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز محور q نیز به طریق مشابه تعریف میشوند. مدار معادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز مطابق شکل (8-2) میباشد.

براساس فرضیات فوق و مدار معادلهای ماشین در دوره زیرگذرا و ثابت زمانیهای زیرگذرای مدار باز ماشین بر اساس روابط (19-2) و (20-2) محاسبه میگردند.

الف : محورdب:محورq
شکل :(8-2) مدارمعادل ماشین جهت استخراج ثابت زمانی های زیر گذرای مدار باز
(19-2)
(20-2)

 x fd xad x fd  xad x1q xaq  aq x x 1q
1 1 ′′ xad  ω x1dxfd x1d R R 0 Tdo  ω 1d 0 1d 1 1 ′′ xaq  ω x2qx1q x2q 2q R 0 R 0 Tqo  ω 2q 36
-6-2 مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون براساس مدل دو محوری پارک
روابط ارائه شده در قسمت (3-2) تا حدود قابل قبولی عملکرد الکتریکی دینامیکی یک ماشین سنکرون را بیان می کنند. اما گاهی این روابط را نمی توان بطور مستقیم برای مطالعات سیستمهای قدرت بزرگ بکار برد. از طرفی برخی از اوقات نیز لازم است رفتار ماشین سنکرون با جزئیات بیشتری مدل شود. در مدل دو محوری پارک همانگونه که قبلاً هم تشریح شد، مقادیر استاتور به دو سری مقادیر در دو جهت تبدیل می-
شوند که یکی در راستای محور مغناطیسی سیم پیچی میدان بوده (محور (d و دیگری با 90 درجه اختلاف با محور d عمود بر محور مغناطیسی سیم پیچی میدان میباشد (محور .(q محور d روتور شامل سیم پیچی میدان و سیم پیچیهای میراکننده میباشد. محور q نیز شامل سیم پیچیهای میراکننده این محور است.
باتوجه به تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d و q روتور، مراتب مختلفی برای مدل ژنراتور سنکرون متصور است. براساس استاندارد IEEE Std 1110، مدل ژنراتور بایک شماره دورقمی Model AB مشخص میشود که A تعداد سیم پیچیهای درنظر گرفته شده برای محور d روتور و B

تعداد سیمپیچیهای منظور شده برای محور q روتور میباشد. جدول (1-2) مراتب مختلف ژنراتور سنکرون را نشان میدهد. نوع مدل انتخاب شده برای ژنراتور سنکرون وابسته به پارامترهای مختلفی از جمله نوع ژنراتور و ساختار فیزیکی روتور و انواع مطالعه مورد نظر است که در قسمتهای بعدی تشریح میشود.
37
جدول :(1-2) مراتب مختلف مدلهای ژنراتور سنکرون

فصل سوم:

بررسی روشهای شناسایی پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون
39
-1-3 مروری بر پیشینه شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
بحث پارامترهای دینامیکی ماشین سنکرون و یا به عبارت دیگر این مطلب کـه بـرای بیـان رفتـار ماشـین سنکرون در حالتهای گذرا از راکتانسهای مربوط به حالت دائم نمیتوان استفاده کرد، برای اولین بار در سـال
1920 با طرح مفهوم راکتانس اتصال کوتاه مطرح گردید. بعدها این ایده بعنوان پایه و اسـاس اولیـه تئـوری
"ثابت بودن شاردور در برگیرنده" قرار گرفت و در مقالاتی توسط دوهرتی1 درسال 1923 و بیـولی2 در سـال
1929 دوباره عنوان گردید.
آقای کری3 این مطلب را به این صورت طرح کرد که در هر مدار بسته بلافاصله بعد از هر تغییر بوجود آمـده در جریان، ولتاژ ویا موقعیت فیزیکی این مدار نسبت به موقعیت مدارات دیگـر کـه بـا آن بطـور مغناطیـسی درگیر میباشند، شار دور در برگیرنده ثابت باقی خواهد ماند . با توجه به مقاومت موجود در سیم پیچی میدان و دیگر سیم پیچیهای روتور (دمپرها) و در نتیجه تغییرات حاصله در شاردور در بر گیرنده در طی مدت زمان بعد از وقوع تغییرات ناگهانی، لزوم معرفی ثابت زمانیهای گوناگون ماشین نیز بعدها بـرای تحلیـل دقیـق تـر مورد ملاحظه قرار گرفت.
بر این اساس پارک4 و روبیرتسون5 در سال 1928 راکتانسهای دیگری از قبیل راکتانسها و ثابـت زمانیهـای محور عرضی و محور طولی را برای رژیم های تندگذر و کندگذر و به همین صورت مفاهیم دیگری همچون حالات کندگذر و تندگذر را در شارها، ولتاژها و جریانها نیز مطرح نمودند. گام بعدی در همین رونـد معرفـی مدار معادل ماشین بود. بسط منطقی این طریقه تحلیـل رفتـار ماشـین (بعـد از هـر تغییـر ناگهـانی) معرفـی مدارهای مربوط به محورهای طولی و عرضی ماشین با این فرض بود که بتوان یک اندوکتانس متقابل بـین سیم بندیهای موجود در روتور و استاتور تعریف نمود. بدین ترتیب و با در نظر گرفتن یک اندوکتانس متقابـل برای کوپلاژ بین سیم بندیهای روتور و استاتور و همچنین انتساب یک اندوکتانس پراکندگی به هـر کـدام از سیم بندیها (استاتور، میدان وبدنه روتور) مدار معادل مربوط به محور طولی ماشین. در سال 1931،کیلگوری6
در طی یک پروژه - ریسرچفاکتورهای مؤثر در محاسبات مربوط به بدست آوردن راکتانسهای ماشین سـنکرون را کـه مبنای خواص فیزیکی و ابعاد هندسی ماشین(استاتور، روتور و سیم پیچی میدان) میباشند بیان نمود. در ایـن مسیر در سال 1929، پارک نیز ایده محورهای طولی و عرضی برای ماشین را که قبلا توسط خـود او مطـرح شده بود به تبدیلات d-q که طی آن کمیات مربوط به سه فاز به متغیرهای q-d مرتبط می گردیـد بـسط داده و به این ترتیب پایه معادلات ماشین بر مبنای تئوری دو محوری بنا نهاده شد.

1-Doherty 2- Biowly 3- Cary 4- Park 5- Robertson 6- Kilgore
40
در سال 1931، شروین1 روابط لازم جهت بدست آوردن پارامترهای ماشین سنکرون را بـرای حالـت دائـم و گذرا، از طریق نتایج آزمایش ارائه نمود و این در حقیقت اولین روش پذیرفته شده بطور عام برای آزمایشهای ماشین سنکرون بود.که در سال 1945 میلادی توسط کمیته مربوط به ماشین سنکرون AIEE چاپ گردید.
از لحاظ تاریخی کمیته ماشینهای الکتریکی و استاندارد شماره 115 مربوط به IEEE ماحصل همان کمیتـه و همان روش آزمایشی ارائه شده در طی سالهای بعدی می باشد.
در طی اوائل دهه 60 میلادی به همان صورت که ابزار و تکنیکهای محاسباتی کـه در تحلیـل سیـستمهای قدرت بکار می رفت از لحاظ ابعاد و سرعت با روند رو به رشدی روبرو بود نیاز به مـدلهای دقیـقتـر ماشـین سنکرون جهت مطالعات پایداری نیز محسوس شده و بـرای ایـن خـاطر روشـهای کلاسـیک بدسـت آوردن پارامترهای ماشین سنکرون نیز دوباره مورد توجه بیشتر و دقیقتر قرار گرفت. در طی ایـن سـالها عـلاوه بـر مقالات متعددی که در این رابطه به چاپ رسید، استانداردهایی نظیر اسـتانداردBS, IEC, IEEE مربـوط به بخش ماشین نیز به دفعات متعدد چاپ و مورد تجدید نظر قـرار گرفتنـد. ایـن اسـتانداردها از میـان انـواع روشهای متفاوت و گوناگونی که ارائه میگردیدند و با توجه به رعایت نکات عملی و تکنیکهای انـدازهگیـری در طی جلسات متعدد کمیتههای ماشینهای الکتریکی، آنهایی را که تا حدی قابل قبول تشخیص مـی دادنـد انتخاب کرده و در استانداردها به عنوان روشهای کلاسیک مطرح و مورد تایید قرار می دادنـد. از مشخـصات مهم آزمایشات کلاسیک مربوط به قبل از دهه 80 تاکید روی آزمایش اتصال کوتاه سه فاز ناگهـانی و سـعی در بدست آوردن پارامترهای ماشین بـا اسـتفاده از چنـین آزمایـشی بـود کـه در حـال حاضـر هنـوز هـم در مشخصات ارائه شده در نیروگاهها نتایج حاصل از آزمایش اتصال کوتاه ناگهانی ارائه می گردد.
از جمله نکات محدودکننده اینگونه آزمایشها عدم دسترسی به پارامترهای مربـوط بـه محـور عرضـی، عـدم صرفه اقتصادی و قابلیت انجام آن در محل نیروگاهها و در تحت ولتاژ نامی بود. در حقیقت تـا قبـل از سـال
1983 روشهای دسترسی به پارامترهای مربوط به محور q در استانداردها مسکوت گذارده شده بود.
در طی سالهای 1960 الـی 1980 آزمایـشات گونـاگونی جهـت پاسـخگویی بـه سـؤالاتی از قبیـل اهمیـت پارامترهای مربوط به محور عرضی و همچنین درجه دقّت مورد لزوم برای پارامترهای ماشین و یا درجه مدل بکار رفته برای ماشین مطرح شده است. آزمایشات نیروگاه نورث فلیت2 در سال 1969 و تحقیقات انجام شده مؤسساتی چون EPRI, NPCC & Ontario-Hydro از این دسـتهانـد. ایـن مجموعـه فعالیـتهـا نتایجی از این قبیل را به همراه داشت:
در شبیه سازی دینامیکی رفتار ماشینهای الکتریکی، اطلاع دقیـق از پارامترهـای ماشـین بـه انـدازه درجه مدل انتخابی اهمیت دارد. این اهمیت در باب پارامترهای محور عرضی بارزتر است.
در تعیین پارامترهای ماشین همواره آزمایشاتی که منجر به تغییرات کوچک(بزرگ) در مقادیر ولتاژ و جریانهای ماشین گردند، اطلاعات مناسبی از پارامترها برای مطالعات مربوط بـه اغتـشاشات بـزرگ (کوچک) را در اختیار قرار نمیدهد.

7- Shervin 8- North Fleet
41
با توجه به این نکته پارامترها باید بسته به نوع مطالعه تصحیح و بهینه سازی شوند.
ارزش پارامترهای محور عرضی در شبیه سازی رفتار توربوژنراتورهای با روتـور یکپارچـه بـه حـدی است که انجام آزمایشهای جداگانه در این جهت راتوجیه میکند.
بدین ترتیب در سالهای بعد از 1980 آزمایشهای جدیدتری چون میرائی شار1 جایگاه ویژهای در حوزه تعیـین پارامترهای دینامیکی ماشینهای سنکرون پیدا کردند.
-2-3 انواع روشهای تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
به طور کلی آزمایشهای موجود در حوزه تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون را می توان به دو دسته :
روشهای کلاسیک
روشهای جدید
تقسیم بندی کرد. روشهای کلاسیک، آزمایشهایی محدود را تشکیل میدهند که عموماَ از نظر زمانی نیز، بـر روشهای جدید تقدم دارند. مهمترین معیارهای مطرح در انتخاب روشهای مورد استفاده عبارتنداز:
انجام آزمایش در آن کشور ممکن باشد و به ابزار پیچیده نیاز نداشته باشد.
استانداردهای معتبر آن را تایید کند.
با بکارگیری آن تعداد بیشتری از کمیتها را بتوان شناسایی کرد.
آن روش قادر به اندازهگیری پارامترهای محور عرضی نیز باشد.
-1-2-3 روشهای کلاسیک اندازهگیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون:
روشهای کلاسیک روشهایی محدود هستند که عموما قبل از دهه 80 میلادی ابداع شدهاند و بـا انجـام آنهـا تنها یک یا چند پارامتر شناسایی میشود. این روشها برروی هر ژنراتـوری قابـل اجـرا بـوده و بـه تجهیـزات پیشرفته و پیچیده نیاز ندارد. تغییرات این روشها در خلال این سالها عموما از جنس اصلاح روابط محاسـباتی میباشد. اغلب آنها استاندارد شدهاند، ولی متاسفانه با انجام هر یک از این آزمایشها تنهـا تعـداد محـدودی از پارامترها بدست میآیند. از نقاط ضعف این روشها مساله تعیین پارامترهای محور q اسـت. از معایـب عمـده دیگر بعضی از این روشها مخرب بودن آنهاست. با این شرایط مجوز استفاده از این روشها علیرغم اسـتاندارد بودن آنها صادر نمیگردد.
به عنوان نمونه آزمایش اتصال کوتاه سهفاز اگر چه نتایج خوبی را از جهت تعیین پارامترها در بر داشته باشد، به علت آثار مخرب الکتریکی و مکانیکی جبران ناپذیر آن چندان مورد توجـه نیـست. اغلـب کمیتهـایی کـه توسط آزمایشهای کلاسیک تعیین میشود بر پایه مدل استاندارد IEEE تبیین شـدهانـد بـا یـک سـیمپـیچ میرایی محور طولی و عرضی. بسیاری از این روشها در تعیین پارامترها برای مدلهایی از مرتبـه بـالاتر ناکـام خواهند بود.

9- dc decay
42
-2-2-3 روشهای جدید در تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون:
همگام با رشد سیستمهای کـامپیوتری، توسـعه تجهیـزات انـدارهگیـری و پدیـد آمـدن سیـستمهای هـوش مصنوعی، مجموعه جدیدی از روشها برای شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون پدیـد آمدنـد.
بطور کلی در این روشها با اعمال ورودیهای مناسب در وضعیتهای متفاوت روتور(ایـستا یـا متحـرک) و ثبـت خروجیها، توابع انتقال ماشین شناسایی شده است. سپس با فرض یک مدل خاص بـرای ماشـین مـیتـوان پارامترهای ماشین را با روشهای مناسبی تخمین زد. اخیرا مدلهایی با مرتبه بالاتر نیز در اسـتانداردها مطـرح شدهاند. شناسایی پارامترهای دیگری که همگام با رشد درجه مدل مطرح شدهاند را صرفا میتوان با اسـتفاده از روشهای جدید تعیین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون شناسایی کرد، اگر چه توانایی روشهای مذکور در تعیین این پارامترها متفاوت است. در مجموع روشهای جدید را میتوان تلاشـهایی بـرای دسـتیـابی بـه اهداف زیر دانست:
أ- دستیابی به روشهای بلادرنگ در تخمین پارامترها ب- استفاده از اطلاعات بهره برداری برای شناسایی پارامترها ت- شناسایی پارامترها با دقت هرچه بیشتر ث- تلاش در سادهسازی مکانیزم تخمین
به عنوان نمونه از مهمترین روشهای مطرح در این دسته به موارد زیر میتوان اشاره کرد: (1 روشهای بنا شده برپایه سیستمهای هوش مصنوعی:
(a تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از شبکه عصبی (b تخمین پارامترهای دینامیکی با استفاده از الگوریتم ژنتیک
(2 روشهای بنا شده بر پایه تکنیکهای معادلات معادلات جزئی: (a تعیین پارامترها با استفاده از تکنیک اجزاء محدود
(3 شناسایی پارامترها ماشین سنکرون با استفاده از تست پاسخ فرکانسی
(4 شناسایی پارامترها با استفاده از دامنه وسیع تحریک
(5 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات تست باربرداری
(6 شناسایی پارامترها با استفاده از اطلاعات میرایی شار
(7 شناسایی پارامترها با اطلاعات بدست آمده از اغتشاشات بهره برداری (a تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات بزرگ بهره برداری (b تخمین پارامترها با استفاده از اغتشاشات کوچک بهره برداری
عموم این روشها غیر مخرب بوده و نتایج خوبی را در تخمین پارامترها نشان داده اند. از نکات قابـل توجـه در این روشها توانایی آنها در تعیین پارامترهای محور عرضی علاوه بر محور طولی و همچنـین امکـان تخمـین پارامترها، متناظر مدلهایی با درجههای مختلف است. البته این به معنی توانایی برابر این روشها برای تخمین
43
و شناسایی پارامترها در جهات مختلف نیست. البته همه این روشـها در حـال تکامـل و بهبـود مـیباشـند و
بسیاری از آنها هنوز استاندارد نشدهاند.
44
فصل چهارم:

شناسایی بلادرنگ پارامترهای
دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با
استفاده از رویتگر شبکه عصبی
45
-1-4 اصول کار شبکه های عصبی:
یکی از روشهای مشهور در حوزه هوش مصنوعی شبکه عصبی مصنوعی است. شبکههای عصبی مـصنوعی الهام گرفته از شبکه عصبی انسان هستند که توانایی بالایی در تقلید رفتار توابـع غیـر خطـی از خـود نـشان دادهاند. انسان با استفاده از تجربیاتی که از وقایع پیرامون خود دارد و ارتباطی که بین آن وقایع و عوامل مؤثر بر آنها برقرار میکند، نسبت به تخمین وقایع آتی بر پایه وضـعیت عوامـل مـؤثر اقـدام مـینمایـد. براسـاس تحلیلهای موجود شبکه عصبی مغز انسان از لایههای مختلفی تشکیل شده که لایه خـارجی آن(کـورتکس)
متصل به مجاری ورودی است. این ورودیها در انسان حواس او هستند. تجربیات ما به صورت تفاوت قوت و ضعف نقاط اتصال سلولهای عصبی به یکدیگر(سیناپسها) بروز مـیکنـد. هـر یـک از نـرونهـا پیونـدهای متعددی با سلولهای لایه بعد دارند.

شکل:1-4 طرح کلی سلول عصبی انسان
مسلم است که هرچه تعداد پیوندهای عرضی بیشتر باشد شبکه توانایی بیشتری در آموزش رفتـار توابـع غیـر خطی خواهد داشت.
-2-4 اصول کار شبکه عصبی تخمین گر پارامترها:
با درنظر گرفتن مبادی ذکر شده، مراحل شبیهسازی شبکههای عصبی بدین صورت خواهد بود:
ساخت نرون مصنوعی
ساختاربندی آن در قالب لایههای مختلف
تهیه بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه عصبی
تست شبکه
46

شکل :2-4 شکل کلی سلول عصبی مصنوعی
لایههای شبکه عصبی را به سه دسته لایه ورودی، لایه خروجی، و لایه (لایههای) مخفی تقسیم مـیکننـد.
تعداد عناصر لایه ورودی و خروجی باید برابر تعداد ورودی، خروجیهای در نظـر گرفتـه شـده بـرای شـبکه باشند. افزایش تعداد لایههای مخفی در شبکه عصبی دو اثر متضاد را به همراه دارد. از یک طرف تقلیـد هـر چه بهتر رفتار هر تابع غیر خطی را امکان پذیر می سـازد و از طـرف دیگـر مـشکلات شـبیه سـازی و مـدت آموزش را افزایش میدهد. در عمل باید بسته به شرایط، بین این دو عامل بهینهسازی شود. در عمل در طـی تحقیقات متعدد انجام شده شبکه عصبی با یک لایه مخفی به عنوان حالت بهینه مطرح شده است.

شکل:3-4 ساختار شبکه عصبی توسعه یافته
همانگونه که پیشتر مطرح شد تعداد نرونهای لایه خروجی شبکه عصبی برابـر تعـداد خروجـیهـای در نظـر گرفته شده برای آن شبکه است. در این طرح، شبکه عصبی با یک خروجی در نظر گرفته شده است. بنابراین برای تخمین هر یک از پارامترهای مورد نظر باید یک شبکه مستقل تـشکیل شـده، آمـوزش دیـده و مـورد استفاده قرار گیرد. این روش اگرچه مشکلاتی را در تشکیل و آموزش شبکههای متعدد به همـراه دارد لـیکن گامی در جهت دستیابی به حداکثر قابلیت شبکههای عصبی در تخمین پارامترهـای دینـامیکی ژنراتورهـای سنکرون بر اساس دادههای بهرهبرداری است. همانگونه که همواره بهینهسازیهای تک هدفه نتایج بهتـری از جهت دستیابی به نتیجه مورد نظر دارند، با توجه به تشابه ساختاری این معنی در باب شـبکههـای عـصبی نیز صادق است. تعداد نرونهای لایه ورودی نیز برابر تعداد ورودیهای در نظر گرفته شده برای شبکه عـصبی
47
است. تعداد شش ورودی برای شبکه مورد نظر در نظر گرفته شده است. تعداد ورودیها در این طرح با توجه به مجموعه پارامترهای قابل اندازهگیری در خروجی ژنراتورهای سنکرون انتخاب شده است. البته انتخـاب و ترتیب آرایش این پارامترها برپایه رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون در رفتار دینـامیکی آن شکل گرفته است. این بحث در طی مطالعات پیشین انجام شـده در مرکـز مطالعـات دینامیـک ایـران مـورد بررسی قرار گرفته است.
-1-2-4 دادههای آموزشی و آموزش شبکه عصبی تخمینگر:
از نکات بسیار مهم در تشکیل شبکه عصبی مـصنوعی، بانـک اطلاعـات آموزشـی مـورد اسـتفاده اسـت. در تجربیات گذشته که در حوزه استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی مطرح است، گاه اصلاح مکانیزم تهیـه و تغییر دامنه دادههای آموزشی، یک شبکه عصبی با نتایج ضعیف را به شبکهای بـا نتـایج قابـل قبـول تبـدیل کرده است. شاید بتوان مهمترین نکته در گردآوری اطلاعات آموزشـی را شـمول و فراگیـری آن نـسبت بـه حالتهای مختلف رفتاری مطرح در حوزه مورد نظر دانست. اگرچه این شمول را نباید با بزرگی ابعـاد اشـتباه گرفت. عامل مهم نگاه ریشهای و بنیادین به حالات مطرح در آن حوزه است. از آنجا که این شبکه بر آنـست تا بر پایه اطلاعات بهرهبرداری نسبت به تخمین پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون اقدام نماید، لـذا بایـد بانک اطلاعات لازم برای آموزش شبکه عصبی در این حوزه فراهم شود. مجموعه اغتـشاشاتی کـه در طـی بهرهبرداری از ژنراتورها رخ میدهد را میتوان به سه دسته عمده تقسیم کرد:
اغتشاشاتی که در حوزه تحریک رخ می دهند
اغتشاشاتی که در حوزه توان ورودی رخ میدهند
اغتشاشاتی که در شبکه تحت تغذیه رخ میدهند
بدین ترتیب از هر یک از این حوزههای سهگانه یک نمونه شایع به عنوان نماینده آن گروه بـدین ترتیـب در
نظر گرفته شده است:
تغییر ناگهانی %10 در تحریک ژنراتور
تغییر ناگهانی %10 در توان ورودی ژنراتور
وقوع اتصال کوتاه سهفاز 10-5)میلی ثانیه) در خروجی ژنراتور
48

شکل :4-4 شکل کلی روش تهیه اطلاعات بهرهبرداری ژنراتورهای سنکرون
(برای آموزش و تست شبکه عصبی)
60 مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون به عنوان مقـادیر پایـه در تـشکیل بانـک اطلاعات آموزشی شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. این مجموعه از دادههایی مربوط به:
واحدهای بخاری- فسیلی
واحدهای بخاری-فسیلی با پیوند عرضی
واحدهای بخاری- هستهای
واحدهای آبی
واحدهای با توربین احتراقی
تشکیل شده است. برای هر مجموعه از این پارامترها دو گام افزایشی و دو مرحله کاهش در نظر گرفته شده
است. هر یک از این مراحل تغییرات %10 پارامترها را بهمراه خواهد داشت. مجموعه نهایی دربرگیرنـده 225
مجموعه از مقادیر نمونه پارامترهای دینامیکی ژنراتور سنکرون میباشد. مجموعه یک ژنراتور متصل به شین
بینهایت برای شبیه سازی رفتار ژنراتور سنکرون در نظر گرفته شده است. برای این که آثـار تفـاوت سـاختار
شبکه در رفتار ژنراتور نیز لحاظ شده باشد در هر مرحله از شبیهسازی بصورت همگام با تغییرات پارامترهـای
ژنراتور، تغییراتی در حوزه پارامترهای شبکه نیز در نظر گرفته شده است. در هر دوره شبیه سازی از خروجـی
ژنراتور 1000 نمونهگیری با فاصله زمانیهایی برابر0,01 ثانیه بعمل آمده است. 20 نمونه از اندازهگیری های
انجام شده و پارامترهای متناظر با آن به عنـوان مجموعـه اطلاعـات آموزشـی در نظـر گرفتـه شـده اسـت.
نمونههای منتخب از میان اندازهگیریهای انجام شده با گامهای متغیر و قابل کنترل گزینش شـدهانـد، ایـن
رویکرد امکان تهیه تصویری بهتر از رفتار دینامیکی ژنراتور سنکرون در قبال یک اغتـشاش را بـا رعایـت دو
مشخصه حداقل حجم اطلاعات و حفظ حداکثر مشخصات رفتاری فراهم میآورد.
49

شکل:5-4 آلگوریتم آموزش شبکه عصبی
آموزش شبکه بر پایه الگوریتم پسانتشار و با استفاده از راهبرد مارکوئیس_لونبرگ انجام شده است. برای هر یک از انواع سهگانه اغتشاشات ذکر شده بانک اطلاعات آموزشی مستقلی در نظـر گرفتـه شـده اسـت. ایـن روش امکان مقایسه بین نتایج اخذ شده در قبال هر یک از انواع اغتشاشات را فـراهم مـیآورد. ایـن راهبـرد امکان مقایسه درجه قابلیت اطمینان نتایج حاصل از تخمین پارامترهای گوناگون در قبال اغتشاشات مختلـف را نیز فراهم میĤورد.
-2-2-4 تست شبکه عصبی تخمینگر:
تست شبکه عصبی با استفاده از اطلاعات بهره برداری که در مجموعه آموزشی لحـاظ نـشده، شـکل گرفتـه است. بدین ترتیب تصویر واقعگرایانهتری از قابلیتهای شبکه مذکور خواهیم داشت. برای تحقق این معنـی اطلاعات مربوط به 75 ژنراتور سنکرون متفاوت با نمونه های مطـرح شـده در مجموعـه آموزشـی، دادههـای حاصل از اندازهگیریهای بعمل آمده در قبال رفتار دینامیکی آنهـا و مقـادیر حقیقـی پارامترهـای دینـامیکی متناظر با آن به عنوان مجموعه دادههای تست شبکه عصبی در نظر گرفته شده است. طرح کلی روش تست و بهرهبرداری شبکه عصبی مذکور در شکل4-6 بیان شده است. هریک از مراحـل آمـوزش و تـست شـبکه عصبی تخمینگر با مشخصات ذکر شده در قبال سه اغتشاش نمونه مطرح در نظر گرفته شده است.
50

شکل:6-4 طرح کلی روش تست و بهرهبرداری از شبکه عصبی
-3-4 نتایج:
مجموعه نتایج در سه بخش سازماندهی شده است. هربخش در برگیرنده نتایج آموزش و تست شبکه عصبی بر پایه یکی از انواع سهگانه اغتشاش میباشد. این طریقه بررسی امکان مقایسه بهتر نتایج را فراهم سـاخته، شاهدی بر رؤیت پذیری پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون در ازای اغتشاشات مختلف مـیباشـد. از طرف دیگر بررسی مقایسهای نتایج درجه دقـت شـبکه عـصبی در تخمـین پارامترهـای دینـامیکی بـر پایـه اطلاعات مختلف بهرهبرداری را نیز بیان میکند. برداشتهای مقایسهای امکان تعیین بهتر قابلیتهای شبکه عصبی را بدور از آثار ناشی از الگوی آموزشی فراهم میآورد، زیرا ابعاد و مکانیزم تشکیل مجموعـه آموزشـی در تخمین همه این پارامترها مشابه بوده است.
برای بررسی رفتار هر شبکه عصبی دو معیار اصلی دامنه و توزیع فراوانی خطا در نظر گرفتـه شـده اسـت. در تحلیل بر اساس توزیع فراوانی خطا، درصد فراوانی غالب و دامنه خطای متناظر با آن بیان شدهاند. با توجه به حجم زیاد مجموعه نتایج، چند نمونه از شبکههای تخمینگر و دادههای بدست آمده از طریق آنها در مرحلـه آموزش و تست ارائه شده است. این مجموعه به سه حوزه آموزش و تست بر اساس اطلاعـات بهـرهبـرداری شکل گرفته برپایه تغییر ناگهانی تحریک، تغییر ناگهانی تـوان ورودی و اغتـشاش حـوزه شـبکه متـصل بـه ژنراتور تقسیم شده است. برای فراهم سازی امکان مقایسه بیشتر، نتایج متناظر هر پارامترکه با استفاده از هر یک از بانکهای اطلاعاتی سهگانه مذکور بدست آمده اسـت در اختیـار خواننـده محتـرم قـرار گرفتـه اسـت.
پارامترهای دینامیکی مطرح برای ژنراتورهای سنکرون _در نگاه اشتراکی بین انواع مختلف آن _کـه مـا بـه تخمین آنها همت گماشته ایم مجموعهای بدین صورت را تشکیل خواهد داد:
51
جدول( (1-4 ردیف نام پارامتر مشخصه واحد
1 راکتانس سنکرون محور d Xd pu
2 راکتانس حالت گذرا محور d Xd' Pu
3 راکتانس فوق گذرا محور d Xd" Pu
4 راکتانس سنکرون محور q Xq pu
5 راکتانس فوق گذرا محور q Xq" Pu
6 راکتانس پوتیه Xl pu
7 ثابت زمانی محور d در دوره گذرا Td' s
8 ثابت زمانی محور d در دوره فوق گذرا Td" s
9 ثابت زمانی محور q در دوره فوق گذرا Tq" s
10 ثابت اینرسی H s
52
-1-3-4 نمونههایی از نتایج شبکه عصبی تخمینگر:
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :7-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :8-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
53

شکل :9-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :10-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
54

شکل :11-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :12-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
55
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :13-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل :14-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
56

شکل :15-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :16-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
57

شکل :17-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :18-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
58
پارامتر مورد تخمین: X"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :19-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xd"

شکل:20-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
59

شکل:21-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :22-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xd"
60

شکل :23-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:24-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
61
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :25-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :26-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
62

شکل :27-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :28-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
63

شکل :29-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :30-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
64
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :31-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :32-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
65

شکل :33-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :34-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین xq"
66

شکل :35-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :36-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
67
پارامتر مورد تخمین: X"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :37-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین xq"

شکل :38-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
68

شکل :39-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :40-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین xq"
69

شکل :41-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:42-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
70
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :43-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند برای تخمین Td"

شکل :44-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
71

شکل :45-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :46-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
72

شکل :47-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :48-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
73
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل :49-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل:50-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
74

شکل:51-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :52-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
75

شکل :53-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :54-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
76
پارامتر مورد تخمین: T"d
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :55-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Td"

شکل :56-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
77

شکل :57-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :58-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Td"
78

شکل :59-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:60-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
79
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی تحریک

شکل :61-4 نمودار خروجی شبکه عصبی درفرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :62-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
80

شکل :63-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :64-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
81

شکل :65-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :66-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش
82
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: وقوع اتصال کوتاه در شبکه متصل به ژنراتور

شکل :67-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

.
شکل:68-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
83

شکل:69-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحلهآموزش

شکل :70-4 نمودار خروجی شبکه عصبی تحت تست برای تخمین Tq"
84

شکل :71-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل :72-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
85
پارامتر مورد تخمین: T"q
اغتشاش مورد استفاده: تغییر ناگهانی توان ورودی

شکل :73-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند آموزش برای تخمین Tq"

شکل :74-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله آموزش
86

شکل :75-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله آموزش

شکل :76-4 نمودار خروجی شبکه عصبی در فرایند تست برای تخمین Tq"
87

شکل :77-4 هیستوگرام خطای شبکه عصبی در مرحله تست

شکل:78-4 نمودار خطای تخمین شبکه عصبی در مرحله تست
88
-2-3-4 بررسی تحلیلی نتایج:
در طی این پروژه، شبیه سازیهای مربوطه در جهت تخمین کلیه پارامترهای مذکور انجام شده و بـر اسـاس اغتشاش بکار گرفته شده در تهیه دادههای بهرهبرداری تقسیم بندی و مقایسه شـده اسـت. بررسـی تحلیلـی نتایج در قالب شاخصبندیهای زیر ارائه شده است:
.1 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره آموزش:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحلـه آمـوزش، شـکل گرفتـه است. در مسیر تخمین هر یک از پارامترها نتایج سهگانه بدست آمده به ترتیب بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا مرتب شده است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گذاری و در جـدول
2-4 جای گرفتهاند.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شـاخص حـداکثر خطـا ارزیـابی و اولویت بندی شدهاند. نتایج این تحلیل به ترتیب بیان شده در گام قبل نامگذاری و در قالـب جـدول
3-4 در اختیار قرار گرفته است.
.2 بررسی مقایسهای رفتار شبکه عصبی تخمینگر در دوره تست:
.A تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه توزیع فراوانی خطا:
این بررسی بر پایه توزیع فراوانی خطای شبکه عصبی تخمینگر در مرحله تست، شکل گرفته است.
در مسیر تخمین هر یک از پارامترها، نتایج سهگانه بدست آمده بر اساس برازندگی از دیدگاه حداقل خطا ترتیب یافته است. این نتایج برپایه اغتشاش متناظر با آنها نام گـذاری و در جـدول 2-4 جـای گرفتهاند. به علّت اهمیت خاص نتایج حاصل در این بخش، علاوه بر تحلیلهای فوق شاخص خطای متناظر با فراوانی غالب و درصد فراوانی مربوطه در بهترین حالت نیز ارزیابی و در جدول 2-4 ارائـه شده است.
.B تحلیل نتایج بدست آمده بر پایه حداکثر دامنه خطا:
89
نتایج سهگانه بدست آمده در تخمین هریک از پارامترها بر اساس شاخص حداکثر خطا ارزیابی و بـر اساس برازندگی مرتب شده است. نتایج این تحلیل به همان صورت نامگذاری و در جدول 3-4 ارائه شده است.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :Xd
با مقایسه نتایج بدست آمده با استفاده اغتشاشات مختلف هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش بهتـرین توزیع فراوانی را در وقوع قبال اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور نشان میدهـد نتـایج حاصـله بـر پایـه تغییـر ناگهانی تحریک و تغییر توان ورودی در مراتب بعدی قرار میگیرند.
از نظر دامنه خطا نیز در این مرحله بهترین نتایج به ترتیب در قبال نتایج حاصله از وقوع اتصال کوتاه, تغییـر توان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته اند.
در مرحله تست بهترین توزیع فراوانی در مرحله اول مربوط به نتـایج حاصـل از تغییـر ناگهـانی تحریـک، در مرحله دوم مربوط به نتایج حاصله بر پایه وقوع اتصال کوتاه و نهایتًا از تغییر توان ورودی بدست میآید.
کمترین دامنه خطا به ترتیب متعلق به تخمین برپایه نتایج حاصل از وقوع اتصال کوتاه، تغییر تـوان ورودی و نهایتًا تغییر تحریک میباشد.
در مرحله تست محدودترین دامنه خطا مربوط به وقوع اتصال کوتاه است. نتایج حاصل از تغییر تـوان ورودی و تغییر ناگهانی تحریک در مراتب بعدی قرار دارند.
%73,3 از نتایج دارای خطای کمتر از %9,2 دامنه تغییرات Xd هستند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X'd
هیستوگرام خطای شبکه در مرحله آموزش نتایجی بدین ترتیب را در بر داشته است: در مرحلـه اول بهتـرین نتایج همراستا با تغییر ناگهانی تحریک شکل گرفته است، در مرحله دوم با تغییـر تـوان ورودی و در مرحلـه سوم با استفاده از وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور.
کمتریم دامنه خطا در مرحله آموزش مربوط به وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مرحله دوم و سـوم
مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و توان ورودی ژنراتور میباشد.
در مرحله تست نمودار خطای شبکه نتایج مشابهی را در قبال اغتشاشهای سهگانه بجای گذاشته است و بـه سختی میتوان بین آنها تمایز قائل شد. شاید بتوان نتایج مربوط به تغییر توان ورودی، و در گامهـای بعـدی مربوط به تغییر ناگهانی تحریک و وقوع اتصال کوتاه در خروجی ژنراتور دانست.
90
کمترین دامنه خطا در این مرحله بترتیب مربوط به تغییر ناگهانی تحریک، وقوع اتصال کوتـاه و تغییـر تـوان ورودی میباشد.
%70 نتایج دارای خطای کمتر از %8,9 دامنه تغییرات X'd میباشند.
درباب عملکرد شبکه عصبی در تخمین :X"d
نمودارهای بدست آمده در مرحله آموزش از دیدگاه توزیع فراوانی خطا بهترین نتایج را متناظر با وقوع اتصال کوتاه در ترمینال ژنراتور و در مراحل بعدی همراستا با تغییر توان ورودی و تغییر تحریک، نـشان مـیدهنـد.
اگرچه دو مورد اخیر نتایج مشابهی را نشان میدهند و به سختی میتوان بین آنها تفاوت قائل شد.
در این مرحله از نظر دامنه خطا، کوچکترین محدوده مربوط به نتایج حاصل از وقوع اتصال کوتاه و در مرحله
دوم و سوم مربوط به تغییر در تحریک و توان ورودی است.
در مرحله تست، هیستوگرام خطا بهترین نتایج را در قبال وقوع اتصال کوتاه نشان میدهد. همچنین اولویـت

MS Thesis

مقدمه5
-1 کلیات5
-1-1پیشینه موضوع5
-2-1وضعیت کنونی موضوع7
-3-1هدف پروژه9
-2 مفاهیم کلی عیبیابی وحفاظت ترانسفورماتورها12
-1-2اهداف کلی پایش ترانسفورماتور ها13
-2-2ساختار کلی سیستم پایش14
-3-2روشهای مختلف تشخیص عیب21
-4-2عیوب مرسوم در ترانسفور ماتور ها22
-3 اصول و مبانی روش آنالیز پاسخ فرکانسی25
-1-3 روشهای مختلف شناسائی عیوب مکانیکی. 26
-2-3 تئوری روش آنایز پاسخ فرکانسی27
-3-3 روش اندازه گیری در ترانسفورماتورها28
-1-3-3 روش جاروی فرکانسی30
-2-3-3 روش ولتاژ ضربه31
-3-3-3 مزایا و معایب روش جاروی فرکانسی و ولتاژ ضربه31
-4-3 انواع روشها برای مقایسه نتایج حاصل از اندازه گیریها32
-5-3 مراحل پیشرفت روش تابع تبدیل برای پایش ترانسفورماتورها36
-1-5-3 تابع تبدیل برای آزمایش ترانسفورماتورهای بزرگ36
-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش38
-1-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش به صورت همزمان با بهرهبرداری و در حالت خروج از مدار39
-2-2-5-3 تابع تبدیل به عنوان یک روش تشخیص عیب مقایسهای39
-6-3 عوامل کلیذی موثر بر اندازه گیری های 41FRA
فهرست مطالب

عنوان مطالبشماره صفحه
-1-6-3 تاثیر مقدار امپدانس موازی 41................................
-2-6-3 تاثیر بو شینگهای فشار قوی 43................................
-3-6-3 تاثیر اتصال نقطه خنثی سیم پیچ فشار قوی 44................................
-4-6-3 تاثیر سیمهای رابط اندازه گیری 45................................
-7-3 دقت پردازش سیگنال در روش زمانی 47................................
-1-7-3 فرکانس نمونه برداری 47................................
-2-7-3 مدت زمان نمونه برداری 48................................
-3-7-3 تبدیل آنالوگ به دیجیتال 50................................
-4 انواع روشهای مدلسازی ترانسفورماتورها51
-1-4 روشهای مدلسازی جعبه سیاه52
-2-4 بررسی روشهای مدلسازی فیزیکی53
-1-2-4 مدل خط انتقال چند فازه54
-2-2-4 مدل مشروح 55................................
-1-2-2-4 مدلسازی براساس اندوکتانسهای خودی و متقابل 56................................
-3-4 مدل هایبرید 62................................
-4-4 انتخاب مدل مناسب برای مانیتورینگ63
-5 مدل فرکانس بالای سیم پیچ ترانسفور ماتور65
-1-5 مدل ترانسفور ماتوربر پایه ساختار فیزیکی سیم پیچ 66................................
-2-5 مدل مشروح ترانسفور ماتور68
-1-2-5 محاسبه ظرفیتهای الکتریکی 69................................
-1-1-2-5 تخمین ظرفیت طولی یک سیمپیچ بشقابی واژگون71
-2-1-2-5 تخمین ظرفیت الکتریکی بین دو سیمپیچ و یا بین یک سیمپیچ و زمین 74................................
-2-2-5 محاسبه اندوکتانسهای خودی و متقابل75
-1-2-2-5 محاسبه اندوکتانس متقابل 76................................
-2-2-2-5 محاسبه اندوکتانس خودی77
-3-2-5 محاسبه مقاومتهای عایقی موازی78
-4-2-5 محاسبه مقاومتهای اهمی سری79
فهرست مطالب

عنوان مطالبشماره صفحه
-6 نتایج شبیه سازی انواع عیوب ترانسفور ماتور81
-1-6 بررسی جابجائی محوری سیم پیچها نسبت بهم83
-2-6 نتایج آنالیز حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل شعاعی 88..................................
-3-6 تاثیر اتصال کوتاه بین حلقه ها روی پارمترهای مدل مشروح92
-7 تشخیص نوع عیوب ترانسفورماتوربه کمک شبکه عصبی95
-1-7 استخراج ویژگیها97
-2-7 شبکه های عصبی مصنوعی98
-1-2-7 ساختار شبکه های عصبی 99................................
-2-2-7 شبکه های عصبی پرسپترون چند لایه100
-3-7 بکار گیری شبکه عصبی جهت شناسائی نوع عیب ترانسفور ماتور102
-8 نتیجهگیری و پیشنهادات108
منابع111
چکیده انگلیسی116
فهرست جداول

عنوانشماره صفحه
جدول -1-3 فرکانس fmax که در آن طیف یک ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد در نویز لبریز میشود، به
صورت تابعی از تفکیکپذیری مبدل 50(A/D)
جدول -1-6 تغییرات فرکانسهای تشدید در اثر جابجائی محوری سیمپیچ87
جدول -2-6 تغییرات فرکانسهای تشدید در اثر تغییر شکل شعاعی سیمپیچ91
جدول -1-7 انواع حالتهای خطا و کد خروجی شبکه برای آن نوع خطا 103................................
جدول -2-7 بردار ورودی متناسب با نوع خطای مربوطه جهت آزمایش103
جدول -3-7 داده های خروجی شبکه و کد خطای مربوطه103
جدول 4-7 بردار ورودی 3 ×16 متناظر بانوع خطای مربوطه جهت آزمایش 105.................................
جدول -5-7 بردار خروجی شبکه ونوع خطای مربوطه 106................................
فهرست شکلها

عنوانشماره صفحه
شکل -1-2 ارتباط بخشهای مختلف یک سیستم پایش18
شکل -2-2 ساختار مدیریت بهربرداری19
شکل -3-2 نتایج آماری از انواع عیبهای مرسوم در ترانسفورماتور23
شکل -1-3 ترانسفورماتور بصورت شبکه دو قطبی خطی27
شکل -2-3 اندازه گیری تابع انتقال در حوزه فرکانس29
شکل -3-3 اندازه گیری تابع انتقال در حوزه زمان29
شکل -4-3 مدار اندازه گیری تابع انتقال در روش جاروی فرکانس30
شکل -5-3 روشهای مختلف مقایسه توابع انتقال33
شکل -6-3 مقایسه بین فازها برای ترانسفورماتور34
شکل -7-3 مقایسه بین فازها برای ترانسفورماتور با ثانویه زیگزاگ35
شکل -8-3 اثر مقاومت شنت روی پاسخ فرکانسی تا 4210MHZ
شکل -9-3 اندازه گیریهای FRAدر بالا وپایین بوشینگ44
شکل -10-3 اثر وضعیت نقطه خنثی در اندازه گیریها( دردو حالت شناور و زمین شده).45
شکل -11-3 مقایسه اثرسیمهای رابط کوتاه و بلند در اندازه گیریها تا 4610MHZ
شکل -1-4 نمایش ترانسفورماتور به صورت یک چهار قطبی52
شکل -2-4 مدل یک ترانسفورماتور تشکیل شده از یک سیمپیچ بشقابی و یک سیمپیچ لایهای
براساس اندوکتانسهای خودی و متقابل58
شکل -1-5 ساختار فیزیکی سیم پیچی دیسکی ترانسفورماتور ومدل هر دیسک از آن67
شکل -2-5 مدل مداری معادل هر دیسک RLC) معادل).. 68
شکل (a -3-5 زوج دیسک واژگون، (b زوج دیسک درهم70
شکل -4-5 نمایش ظرفیتهای بین بشقابها و پتانسیل زمین و یا سیمپیچ مجاور71
شکل -5-5 توزیع ظرفیتهای الکتریکی در یک سیمپیچ بشقابی واژگون71
شکل -6-5 لایه های مختلف عایقی بین دو سیمپیچ75
شکل -7-5 دو حلقه موازی76
شکل -8-5 تعریف پارامترهای یک حلقه77
فهرست شکلها

عنوانشماره صفحه
شکل -1-6 مدار بررسی شده با شرایط پایانههای سیمپیچ فشارقوی و سیمپیچ فشارضعیف84
شکل -2-6 تأثیرات تغییرات جابجائی محوری سیمپیچها روی پارامترهای مدل مشروح84
شکل -3-6 مقایسه نتایج شبیه سازی حالت سالم و معیوب توابع تبدیل ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ
ورودی در حوزه زمان ، به منظور بررسی توابع تبدیل نسبت به جابجائی محوری85
شکل -4-6 مقایسه نتایج شبیه سازی حالت سالم و معیوب توابع تبدیل ولتاژخروجی نسبت به ولتاژ
ورودی در حوزه فرکانس ، به منظور بررسی حساسیت نسبت به جابجائی محوری86
شکل -5-6 نما از بالای سیمپیچ فشارقوی (HV) تغییر شکل یافته و سیمپیچ فشارضعیف((LV در اثر
نیروی مکانیکی شعاعی در چهار جهت88
شکل -6-6 تأثیرات تغییرات مکانیکی سیمپیچها روی پارامترهای مدل مشروح دررابطه با تغییر شکل
مکانیکی89
شکل -7-6 اثر ماتریس اندوکتانس روی توابع تبدیل جریان زمین نسبت به ولتاژ ورودی در خصوص
تغییر شکل شعاعی89
شکل -8-6 مقایسه نتایج محاسبات توابع تبدیل ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی در حوزه زمان، به
منظور بررسی حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل مکانیکی شعاعی سیم پیچ90
شکل -9-6 مقایسه نتایج محاسبات توابع تبدیل ولتاژ انتقالی حوزه فرکانس در ، به منظور بررسی
حساسیت توابع تبدیل نسبت به تغییر شکل مکانیکی شعاعی سیم پیچ90
شکل -10-6 درنظرگرفتن اتصال کوتاه بین حلقهها در مدل مشروح93
شکل -11-6 تابع تبدیل ولتاژ انتقالی برای یک اتصال کوتاه بین انشعابهای 22و9323
شکل -12-6 تأثیر اتصال کوتاه بین حلقههای73 و 74 سیمپیچ روی تابع تبدیل ولتاژ انتقالی94
شکل -1-7 مراحل عیب یابی ترانسفورماتور96
شکل -2-7 مراحل محاسبه ویژگی زمانی98
شکل -3-7 ساختار و ارتباطات نرون99
شکل -4-7 فرم ساده شبکه پرسپترون با دو لایه میانی 101................................
شکل -5-7 نمودار دو بعدی کلاسهای تشخیص داده شده توسط شبکه 104................................
شکل -6-7 متوسط مجذور خطا برای داده های آموزشی106
چکیده
ترانسفورماتورها به تعداد زیاد در شبکههـای بـرق بـرای انتقـال و توزیـع انـرژی الکتریکـی در
مسافتهای طولانی مورد استفادهقرارمیگیرند.قابلیت اطمینان ترانسفوماتورها در این میان نقشی اساسی
در تغذیه مطمئن انرژی برق بازی میکند. بنابراین شناسائی هر چه سریعترعیبهای رخ داده در داخـل
یک ترانسفورماتورضروری به نظر می رسد.یکیازچنین عیبهائی که به سختی قابـل تـشخیص اسـت،
تغییرات مکانیکی در ساختار سیمپیچهای ترانسفورماتور است. اندازهگیـری تـابع تبـدیل تنهـا روش
کارامدی است که در حال حاضـر بـرای شناسـائی ایـن عیـب معرفـی شـده و بحـث روز محققـین
میباشد.استفاده روش مذکور با محدودیتها و مشکلاتی روبرو می باشـد کـه تـشخیص انـواع عیـوب
مختلف را به روشهای متداول و مرسوم محدود ساخته اسـت.از ایـن رو امـروزه تحقیقـات بـر روی
استفاده از الگوریتمها و روشهای هوشمندی متمرکز شده است که بتواند یـک تفکیـک پـذیری نـسبتا
خوبی بین انـواع عیـوب و صـدمات وارده بـه ترانـسفورماتور را فـراهم سـازد. در ایـن پایـان نامـه
سیمپیچهای ترانسفورماتور به منظورپایش با روش تابع تبدیل مطالعه و شبیهسازی شدهاند. برای ایـن
کار مدل مشروح سیمپیچها مورد استفاده قرار گرفته و نشان داده شده که این مدل قادر به شبیهسـازی
عیبهائی (اتصال کوتاه بین حلقهها، جابجائی محوری وتغییر شکل شعاعی) است که توسط روش تابع
تبدیل قابل شناسائی میباشند. شبیهسازیهای مربوطه توسط مدل مشروح نشان میدهند که بـه کمـک
این مدل میتوان به طور رضایتبخش توابع تبدیل محاسبه شده در محدوده از چند کیلـوهرتز تـا یـک
١
مگاهرتز را ارائه نمود. این مدل مشخصههای اساسی توابع تبدیل (فرکانسهای تـشدید و دامنـههـا در
فرکانسهای تشدید) را به طور صحیح نتیجه میدهد. مقادیر عناصر مدار معادل از روی ابعـاد هندسـی
سیمپیچها و ساختار عایقی مجموعه محاسبه میشوند. با محاسبه و تخمین این مقادیر در حالتهائی که
تغییراتی در ساختار سیمپیچ بوجود آمده اند، اثرات عیبهای مکانیکی در مـدل درنظرگرفتـه شـدهانـد.
دقت مدل مشروح علاوه بر تعداد عناصر آن به دقت محاسبات پارامترهای آن نیز بستگی دارد. ارتباط
بین عیبهای بررسی شده (اتصال کوتاه بین حلقـههـا، جابجـائی محـوری و تغییـر شـکل شـعاعی) و
تغییرات ناشی از آنها در توابع تبدیل به خوبی توسـط مـدل نتیجـه مـیشـوند. تغییـر نـسبی مقـادیر
فرکانسهای تشدید در حوزه فرکانس وزمان فرونشست1 درحوزه زمان در یک تابع تبـدیل بـه عنـوان
معیار تغییرات در تابع تبدیل در اثر یک عیب مورد اسـتفاده قـرار گرفتـهانـد. ارزیـابی توابـع تبـدیل
محاسبه شده برای شناسایی عیب، به کمک توابع تبدیل گوناگون تعریف شـده درمقـالات مختلـف ،
منجر به حصول نتایج زیر شدهاند:
•نتایج محاسبات تغییرات یکسانی را در توابع تبدیل در اثر هر کدام از عیبهای فوقالذکر نشان
میدهند.
•نتایج محاسبات در خصوص آنالیز حساسیت جابجائی محوری نشان میدهد که اثـر جابجـائی
محوری روی تابع تبدیل در محدوده فرکانسی بالاتر از 100 کیلوهرتز به طورواضح بیشتر ازمحـدوده
کمتر از 100 کیلوهرتز میباشد.

1 Setteling Time
٢
نتایج محاسبات برای آنالیز تغییر شکل شعاعی سیم پیچ نشان می دهد که تغییر شکل شعاعی روی کل محدوده فرکانسی تابع تبدیل تأثیر تقریباً یکسانی می گذارد.
بعضی از فرکانسهای تشدید در یک تابع تبدیل درمقایسه با سایر فرکانـسهای تـشدید در اثـر
بروز یک عیب حساستر میباشند.
برای بدست آوردن نتایج بیشتر در مورد وابستگیهای بین مدل مشروح و تغییرات محاسـبه شـده
در توابع در اثریک عیب، اثرات پارامترهای مدل روی توابع تبدیل بـه طـور مجـزا بررسـی و تحلیـل
شدهاند. این تحلیلها نشان میدهند که:
تغییرات ظرفیتهای خازنی بـین دو سـیمپـیچ در اثـر جابجـائی محـوری قابـل چـشم پوشـی میباشند.
تغییرات توابع تبدیل در اثر تغییر شکل شعاعی عمدتاً از تغییرات ظرفیتهـا ناشـی مـیشـوند. درنظرگرفتن تغییرات اندوکتانسها در اینحالت ضروری نمیباشند.
چشم پوشیهای فوق باعث کاهش قابل ملاحظهای در زمان محاسـباتی مـیشـوند و اعمـال آنهـا
درپایش ترانسفورماتورها مفید است.
٣
مقدمه
از آنجائیکه قدرت شبکههای برق همواره در حال افزایش بوده و بایـستی تاحـد ممکـن تغذیـه
انرژی برق مطمئن انجام شود، بالا بودن قابلیت اطمینان، طول عمروکیفیت تکتک عناصر وتجهیزات
موجود در شبکه ضروری است. ترانسفورماتورهای مـرتبط کننـده سـطوح ولتـاژمختلف درشـبکه از
مهمترین عناصر شبکهاند که خروج از مدار آنها به قابلیت اطمینان توزیـع انـرژی آسـیب جـدی وارد
کردهو باعثهدررفتن هزینه زیادی میشود. برای افزایش قابلیت اطمینان تغذیه انرژی برق، شناسـایی
سریع عیبهای رخ داده در ترانسفورماتورها الزامی میباشد. بر این اساس در پا یان نامـه مـذکور ابتـدا
مقدمه ای بر روشهای مختلف عیب یابی وپایش ترانسفورماتورهای قدرت بیان شده است.در ادامه در
فصل سوم،روش آنالیز پاسخ فرکانسی به عنوان روش جدید در عیبیابی ترانسفورماتورهـا معرفـی و
اصول و مبانی آن تشریح میگردد.به منظور تحلیل انواع عیوب متداول وارده به ترانسفور مـاتور (کـه
معمولا در حالت کار عادی برای ترانسفور ماتور قدرت اتفاق می افتد)سـیم پـیچترانـسفور مـاتور بـا
روش تابع تبدیل مطالعه و شبیه سـازی شـده اسـت.ایـن مطالعـه بـا تمرکـز بـر روی مـدل مـشروح
ترانسفورماتور انجام پذیرفته است که جزئیات آن در فصول چهارو پنج ارائـه شـده انـد.فـصل شـش
نتایج حاصل از شبیه سازی یک ترانسفورماتور قدرت30MVA, 63/20 kV را نشان مـی دهـد و
حالتهای مختلف صدمات فیزیکی ترانسفورماتور و اثرات آن بر روی تابع انتقال را مورد بررسی قـرار
میدهد. نتایج حاصل از شبیه سازیها ، این امکان را فراهم ساخته است تا الگوهای مناسبی متنـاظر بـا
۴
خطاها و عیوب مختلف ترانسفورماتور استخراج گـردد. نهایتـا در فـصل هفـت یـک شـبکه عـصبی
هوشمند ارائه شده است که می تواند با استفاده از الگوهـای اسـتخراج شـده مـذکور ، یـک راهکـار
مناسب برای تشخیص دقیق و مطمئن از خطای وارد شده بدست دهد.
۵
فصل 1
کلیات
۶
-1-1 پیشینه موضوع
وظیفه یک سیستم تشخیص عیب مدرن این است کـه بـا تعیـین وضـعیت کـار ترانـسفورماتور،
استفاده بهینه آنرا با درنظرگرفتن قدرت انتقالی و مدت کارکرد تضمین کند، بدون آنکه قابلیت اطمینان
ترانسفورماتور تحت تأثیر قرار گیرد. برای انجام این کـار روشـهای مختلفـی همچونپـایش حرارتـی،
تجزیه و تحلیل گازهای حل شده در روغن، اندازهگیریهای تخلیه جزئی (الکتریکی، صـوتی)، تحلیـل
تابع تبدیل، اندازهگیری ولتاژ بازگشتی و غیره مورد بررسی و تحقیق قرار گرفتهاند. هـر کـدام از ایـن
روشها دارای خواص خصوص به خود بوده و قادر به شناسائی نوع به خصوصی از عیب مـیباشـند.
روش تابع تبدیل امروزه برای تشخیص تغییرات مکانیکی در سیمپیچ مورد بحث میباشد. تحقیقـات
عملی نشان میدهند که جابجائی محوری و تغییر شکل شعاعی سیمپیچها روی توابع تبدیل تأثیر مـی
گذارند .[4] بایستی با انجام تحقیقات بیشتر مشخص کرد که تا چه اندازهای میتوان چنین عیبهائی را
تشخیص داده و محل بروز آنهارا تخمین زد. روش تابع تبـدیل یـک روش مقایـسهای اسـت، یعنـی
اندازهگیریهای جدید را باید با اندازهگیریهای مرجعی در کنار هم قرار داد. کنتـرل مـنظم تـابع تبـدیل
پایش2 پیوستهای را امکان پذیر میسازد که میتوان به تغییرات بوجود آمده در کارکرد ترانـسفورماتور
به موقع پی برد. اگر انحرافات قابل ملاحظهای در نتایج اندازهگیریها مشاهده شد، باید این انحرافـات
را مورد بررسی و تحلیل قرار داد که آیا ممکن است عیبی رخ داده باشد. همچنین اگر عیبی روی داده
است، آیا میتوان نوع و محل آنرا برآورد کرد.

2 Monitoring
٧
-2-1 وضعیت کنونی موضوع
تا به امروز روش تابع تبدیل برای ترانسفورماتورها در حالت کلی به کمـک نتـایج انـدازهگیـری
انجام شده است. به منظور تقویت روشهای اندازهگیری توصیف شده و تحقیق نظـری رفتارفرکانـسی
ترانسفوماتورها، شبیهسازی سیمپیچهای ترانسفورماتور ضروری است.
مدلسازی ساختار پیچیدهای مثل قسمت فعال ترانسفورماتورها یک مصالحه بین هزینه محاسبات
و دقت آنها را میطلبد. تعداد عناصر قابل تعریف در مدل و لذا دقت مدلسازی محدود است. درمیان
روشهای زیاد مدلسازی، مدلهای زیر بیشتر مطرح میباشند:
مدلهای جعبه سیاه (Black-Box)
مدلهای فیزیکی:
(1 مدل خط انتقال n فازه
(2 مدل مشروح:
الف) مدلسازی بر پایه اندوکتانسهای خودی و متقابل
ب) مدلسازی بر اساس اندوکتانسهای نشتی
ج) مدلسازی به کمک اصل دوگانی
د) مدلسازی با استفاده از تحلیل میدانهای الکترومغناطیسی
- مدل هایبرید:
٨
ترکیبی از مدلهای فیزیکی و جعبه سیاه
برای مدلسازی تغییرات بوجود آمده در سیمپیچها، مدلهای جعبه سیاه مناسـب نمـیباشـند. زیـرا
برای چنین مدلسازی بایستی وابستگی بین قطبها و صفرهای سیستم و ساختار سیمپیچ ترانسفورماتور
معلوم باشد. در حالی که مدل جعبه سیاه از روی نتایج اندازهگیری شده در پایانههای ترانـسفورماتور
ساخته میشود.
در مدلسازی فیزیکی، ابعاد هندسی سیمپیچهـا بـرای توصـیف محاسـباتی ترانـسفورماتور مـورد
استفاده قرارمیگیرند. مدلهای فیزیکی که به صورت مدار معادل میباشـند، در محـدوده مشخـصی از
حوزه فرکانسی معتبر میباشند .[5]
با مدلسازی سیمپیچها به صورت یک مدار RLCM (مدل مشروح) مـیتـوان مقـادیر جریانهـا و
ولتاژها را توسط نرم افزارهای مرسوم برای حل مدارهای الکتریکی (به عنوان مثـال 3ATP، Pspice،
...) محاسبه کرد. بر خلاف مدل خط انتقال چند فازه، میتوان توسط مدل مـشروح پدیـدههـای غیـر
خطی (هیسترزیس، اشباع) و وابسته به فرکـانس (تلفـات جریانهـای فوکـو، تلفـات عـایقی) را وارد
محاسبه کرد. علاوه بر این بهکارگیری مدل مشروح نـشان داده اسـت کـه سـاختارهای سـیمپیچهـای
پیچیدهتر با تعداد سیمپیچهای بیشتر را میتوان تا حد قابل قبولی شبیهسازی نمود.
با توجه به مطالعات انجام شده در [6] دیده میشود که از میان مدلهای مشروح ذکر شـده، مـدل
متکی براندوکتانسهای خودی و متقابل سادهتر و مفیدتر میباشد. گرچه ممکن است نتوان عناصر مدار

3 Alternative Transients Program
٩
معادل را کاملاً دقیـق تعیـین کـرد، بیـشتر شـبیهسـازیهای انجـام شـده توسـط ایـن مـدل محاسـبات
رضایتبخشی را نتیجه دادهاند. بنابراین مدل مشروح متکی براندوکتانـسهای خـودی و متقابـل در ایـن
پایان نامه مورد توجه قرار گرفته است.
-3-1 هدف پروژه
نیاز روز افزون به انرژی برق ساخت ترانسفورماتورهای با قدرت و ولتاژ بالاتر را ایجاب میکند.
مسائل مربوط به چنـین ترانـسفورماتورهائی همچـون اطمینـان کـارکرد، وزن بـالای حمـل ونقـل و
نیازمنـدی بـه مـواد بیـشتر یکپـایش کامـل از ترانـسفوماتورها را ضـروری مـیکنـد تـا بتـوان ایـن
ترانسفورماتورهای گران قیمت را از بروز صدمات شدید محافظت کرده و هزینههای ناشی از آنهـا را
تاحد ممکن پائین نگاه داشت. به ویژه اینکه میتوان صدمات وارد برسـیمپیچهـای ترانـسفورماتور را
بوسیله روش تابع تبدیل شناسائی کرد. برای اینکه از آزمایشهای عملی پرهزینه اجتناب شود میتـوان
از نتایج شبیهسازیهای کامپیوتری برای بدسـت آوردن اطلاعـات مـوردنظر لازم اسـتفاده نمـود. ایـن
اطلاعات را میتوان برای هر کدام از اهداف زیر مورد استفاده قرار داد:
• اگر هیچگونه نتیجه اندازهگیری از ترانسفورماتور در حالت سالم موجـود نباشـد، مـیتـوان
نتایج محاسباتی را به عنوان مرجع برای مقایسه با نتایج اندازهگیری جدید مورد اسـتفاده قـرار
داد.
١٠
• میتوان اثرات عیبهای شناخته شده روی توابـع تبـدیل را بـه کمـک شـبیهسـازیها بررسـی
وتحلیل کرد.
• با استفاده از آموزش شبکه عصبی هوشمند میتوان نوع عیب را در یک ترانسفورماتور
معیوب تعیین کرد.
برای حصول این اهداف، کارهای زیر به ترتیب انجام داده شدهاند:
شبیهسازی سیمپیچهای ترانسفورماتور درحالت سالم برای ارزیابی دقت مدل.
مدلسازی یک سیمپیچ که بین چند حلقه آن اتصال کوتاه شده، به منظـور تعیـین تغییـرات ناشی از اتصال کوتاه.
محاسبه توابع تبدیل یک ترانسفورماتور که دو سیمپیچ آن را مـیتـوان نـسبت بـه هـم در جهت محوری جابجا کرد. بوسیله این محاسبات حساسیت اثر جابجائی محوری روی توابـع تبدیل مورد تحلیل قرار گرفته و همچنین تغییرات توابع تبدیل و پارامترهـای مـدل مطالعـه و بررسی شدهاند.
تعیین اثرات تغییر شکل شعاعی روی توابـع تبـدیل و پارامترهـای مـدل بـه کمـک نتـایج شبیهسازیها.
استخراج ویژگیها و پارامترهای مناسب و مرتبط با عیوب مختلف به منظور آمـوزش شـبکه عصبی هوشمند
١١
فصل 2
مفاهیم کلی عیب یابی و حفاظت
ترانسفورماتور
١٢
ترانسفورماتورهای بزرگ به عنوان عناصر ارتباطی بین نیروگاهها وشبکههای توزیع انرژی یا بین
شبکهها با سطوح ولتاژمختلف مورد استفاده قرارمیگیرند تا انرژی الکتریکی به طور اقتصادی توزیـع
شود. لذا همواره در دسترس و سالم بودن آنها پایه و اساس یک توزیع انرژی مطمئن میباشد.
با افزایش تواناییهای سیستمهای اندازهگیری و کامپیوترها و پیـشرفت نـرم افزارهـای کـامپیوتری
بهبود روشهای تشخیص عیب نیز امکان پذیر میشود. به عنوان نمونهای از آن میتوان بـه محاسـبه و
تحلیل تابع تبدیل از روی سیگنالهای گذرائی کـه در طـول بهـرهبـرداری و عملکـرد ترانـسفورماتور
اندازهگیری میشوند اشاره کرد. این تابع تبدیل دربرگیرنده اطلاعاتی از وضعیت داخل ترانسفورماتور
میباشد. وجود اختلاف بین توابع تبدیل اندازهگیری شده در زمانهـای مختلـف نـشان دهنـده وجـود
تغییراتی در ساختار ترانسفورماتور میباشد که میتوانند باعث عملکرد نامطلوب ترانسفورماتورشوند.
در حال حاضر روش قابل اطمینانی وجود ندارد که بتوان توسط آن خطاهای مکانیکی و تغییـرات در
ساختار سیمپیچهای ترانسفورماتور را تشخیص داد. چنین خطاهایی میتوانند بـه عنـوان مثـال تغییـر
شکل مکانیکی و جابجائی سیمپیچها باشند کـه در اثـر نیروهـای وارده بـر سـیمپـیچ در اثـر اتـصال
کوتاههای رخ داده در نزدیکی ترانسفورماتور ایجاد میشوند. تغییر شکل و یـا جابجـائی سـیمپیچهـا
باعث تغییر در ظرفیتها واندوکتانسهای ترانسفورماتور میشود. بنابراین محاسبات تـابع تبـدیل روش
مناسبی برای شناسایی چنین عیبهایی میباشد. با ترکیب نتـایج حاصـل از روشـهای تـشخیص عیـب
١٣
گوناگون میتوان قابلیت اطمینان سیستمهای پایش1 ترانسفورماتورها(عیـب یـابی) را بـه میـزان قابـل
توجهی افزایش داد.
-1-2 اهداف کلی پایش ترانسفورماتورها
پایش ترانسفورماتورها با گذشت زمان تکامل یافته و با پیشرفت صنعت وتکنولوژی انتظارات از
سیستمهای پایش نیز افزایش یافتهاند. با مطالعات انجام یافته میتوان اهداف زیر را برای یک سیـستم
تشخیص عیب نتیجه گیری کرد :[7]
اهداف اجتماعی:
کاهش خطرات و صدمات در محیط زیست با شناخت به موقع عیبهایی که خود به خود به وجود آمده اند،
بدست آوردن اطلاعات فنی با انجام عملیات آگاهانه برای پیشگیری ازافزایش عیب،
افزایش ایمنی کارکنان سیستم،
کاهش اضطراب ونگرانی کارکنان سیستم.
اهداف اقتصادی:
کاهش هزینههای کارکرد توسط مراقبت منظم و دقیق،
کاهش تعداد کارکنان مراقبت،

1 Monitoring
١۴
کاهش هزینههای خروج از مدار با برنامهریزی بهتر قطع مدار برای مراقبت،
برنامهریزی صحیح برای جایگزینی عنصر نو با توجه به شناخت وضعیت عنصر موجود در شبکه (تخمین میزان عمر باقیمانده عنصر موجود).
اهداف فنی:
بهینهسازی عملکرد عنصر و سیستم با توجه به شناخت بارگذاریهای موجود روی عنـصر و شبکه،
بدست آوردن رفتار عیبهای مختلف به طور مجزا از طریق سیستم تشخیص عیب پیوسته،
بدست آوردن اطلاعات کمی در مورد نحوه تغییر ورفتار کمیتهای قابل اندازهگیری مشخص
مشخص کردن وابستگیهای بین کمیات قابل انـدازهگیـری و فواصـل زمـانی مناسـب بـین اندازهگیریها.
در حقیقت وظیفه اصلی سیستم پایش ترانسفورماتور ها،آشکار سـازی علائـم اولیـه یـک عیـب
جدید به وجود آمده در ترانسفورماتور می باشد. لذا چنین سیستمی مانع توسـعه عیبهـای کوچـک و
ایجاد عیبهای بزرگ شده و به افزایش عمر ترانسفورماتور کمک می نماید. یک خطا یـا عیـب بـزرگ
ممکن است باعث انفجار یا آتش سوزی شده و منجر به صدمات جانی و مالی جبران ناپذیری گردد.
همچنین با بکارگیری یک سیستم تشخیص عیب،خروج از مدارهای مربوط به حفاظت ،غیر ضروری
شده و لذا دسترس پذیری ترانسفورماتور افزایش می یابد. گذشته از اینها تشخیص عمـر باقیمانـده و
برنامه ریزی مناسب بارگذاری ونیز امکان اضافه بارگذاری ترانسفورماتور میسر می شود.
١۵
یک سیستم تشخیص عیب و پایش ترانسفورماتورها باید بتواند پارامترهای مهم و مشخص برای
توصیف رفتار حرارتی، الکتریکی و مکانیکی را ثبت کرده و با دادههای معمولی همچون مـدت زمـان
عملکرد، منحنی بار بر حسب زمان، وضعیت تپ چنجر، دامنههای جریانهـای اتـصال کوتـاه و غیـره
ارتباط دهد. علاوه بر این انتظار می رود که توسط یک سیستم پایش بتوان عملکـرد ترانـسفورماتوررا
از نظر اقتصادی بهبود داد. برای تحلیل اقتـصادی بایـستی هزینـه کـل طـول عمـر ترانـسفورماتور را
درنظرگرفت. هزینه کل طول عمر ترانسفورماتور مجموعی از هزینههای زیر میباشد :[2]
هزینههای تهیه و نصب
هزینههای مراقبتهای برنامهریزی شده
هزینههای تعمیر
هزینههای معمولی بهرهبرداری
هزینههای خروج از مدار
هزینههای مربوط به دور انداختن ترانسفورماتور از کارافتاده در محیط زیست
با تدابیر مختلفی تلاش میشود که این هزینهها بهینه شود. به خصوص در ارتباط با تجهیزاتی که
روی آنها سرمایه گذاری زیاد انجام میشود، پایش و ارزیابی عایقی میتواند بیشتر مثمر ثمر باشد.
– 2-2 ساختار کلی سیستم پایش
همانطور که ذکر شد با سیستم تشخیص وضعیت داخلی ترانسفورماتور مـی تـوان دسـترس پـذیری و عمـر
ترانسفورماتور را افزایش داد، خروج از مدار آن را کاهش داد، از تعمیر های گران قیمت پرهیز کرد و ایمنـی
١۶
کارکنان را افزایش داد. جمع آوری و ثبت پیوسته کمیات و سیگنالهای مهم می تواند به دو صـورت همزمـان
با بهره برداری و یا موقع خروج از مدار انجام شود. در روش همزمان بـا بهـره بـرداری، ترانـسفورماتور در
حین بهره برداری در پست و نیروگاه مورد آزمایش قرار می گیرد و با دسترسی به اطلاعات لازم بـه بررسـی
وضعیت ترانسفورماتور بدون اختلال در انتقال انرژی صورت می گیرد، ایـن روش در حـال حاضـر جایگـاه
ویژه ای پیدا کرده است. در حالیکه منظور از روش پایش موقـع خـروج از مـدار، انـدازه گیـری و آزمـایش
ترانسفورماتور و اجزاء آن در هنگام عدم اتصال آن به شبکه از نظر الکتریکی است. این نوع آزمـایش ممکـن
است در آزمایشگاه یا در سایت به هنگام خارج بودن ترانسفورماتور از سرویس انجام شود. بـا توجـه بـه در
دسترس بودن کلیه پایانه های ترانسفورماتور و عدم بروز خطرات فشار قوی پیاده سازی این روش ساده تـر
است. از مرحله جمع آوری و ثبت کمیات تا مرحله ارزیابی و تخمین وضعیت داخلـی ترانـسفورماتور و در
نهایت تصمیم گیری برای انجام عملیات مناسب، ممکن است مراحل میانی مختلفی لازم شود. جزئیات کلیـه
این مراحل ونیز جوانب و روشهای تشخیص عیب امروزه با علاقه زیادی از طرف محققین مطالعه و بررسـی
می شوند.[8] در بیشتر قسمتهای یک سیستم عیب یابی تجربه نقش بسیار مهمی را بـازی مـی کنـد. تحلیـل
داده های ثبت شده و حصول یک تصمیم مناسب نیازمند یک سری داده های تجربی از عملیات پیشین است.
شکل( (1-2 قسمتهای مختلف یک سیستم پایش را نشان میدهد. ابتدا بایستی کلیه داده ها و سیگنالهای قابل
اندازه گیری و دسترس پذیر جمع آوری شوند. این داده ها عمدتا توسـط مـدلهای مناسـب بـه پارامترهـایی
تبدیل می شوند که تحلیل آنها و ابراز نظر در خصوص آنها راحتترمی باشد. این پارامترها بـه همـراه مقـادیر
مرزی و آستانه ای کمیاب و نیز اطلاعات جمع آوری شده از شرایط کار عادی ترانسفورماتور در طول بهـره
برداری، برای تجزیه و تحلیل وضعیت داخلی ترانسفورماتور لازم می باشند. بعـد از تکمیـل کلیـه اطلاعـات
١٧
ممکن قابل حصول، ارزیابی حالت و وضعیت کیفی دستگاه به کمک روشهای هوشمند همچون شبکه عصبی
و بررسی تغییرات به وجود آمده در کمیات انجام می شود. سپس بـا لحـاظ کـردن اولویـت هـای مـد نظـر
اپراتور، محدودیت های موجود در شبکه قدرت و پیش آمد خطرات محتمل سعی می شود که یـک تـصمیم
نهایی اتخاذ گردد.

شکل (1-2) ارتباط بخشهای مختلف یک سیستم پایش [9]
از آنجاییکه همواره داده های زیادی جمع آوری میشوند، به عنوان مثال حتی وضعیت موجودی انبار، ذخیره
کردن همه داده های مربوط به یک عنصر در یک بانک داده در فواصل زمانی مـشخص ضـروری مـیباشـد.
شکل((2-2 طرحی از مدیریت بهره برداری را نشان میدهد. همانگونه که از این شکل بر میآیـد، داده هـای
حاصل از پایش به صورت همزمان با بهره برداری مهم میباشند، در مدیریت بهـرهبـرداری نقـش بـازی مـی
کنند. بسته به میزان اهمیت یک کمیت یا سیگنال بخصوص در تـشخیص وضـعیت ترانـسفورماتور و هزینـه
١٨
های مربوط به پایش به صورت همزمان با بهره برداری و موقع خروج از مدار مـی تـوان در خـصوص نـوع
جمعآوری داده ها تصمیم گرفت. به عنوان مثال امروزه پایش حرارتی، به صورت همزمان با بهـره بـرداری و
تـشخیص عیـب سـیمپـیچ هـا بـا اسـتفاده از تـابع تبـدیل، موقـع خـروج از مـدار تـرجیح داده مـیشـوند.

شکل (2-2) ساختار مدیریت بهرهبرداری
لازم به ذکر است که علاوه بر تقسیم بندی سیستم پایش به دو نوع به صورت همزمان با بهره برداری و موقع
خروج از مدار، محققین یک نوع تقسیم بندی دیگر را نیز برای سیستم تشخیص عیب عنـوان مـیکننـد. ایـن
نوع تقسیمبندی در حقیقت به اجزاء مختلف سیستم پایش ارتباط داشته و بـر اسـاس ماهیـت سـیگنال و یـا
کمیت اندازه گیری تنظیم میگردد.
١٩
3-2 روشهای مختلف تشخیص عیب
از آنجاییکه داخل یک ترانسفورماتور قدرت مواد مختلف با خواص کاملا متفـاوتی همچـون آهـن، روغـن،
کاغذ، مس و ... وجود داشته و متعلقات گوناگونی مثل تپ چنجر، بوشـینگ و ... بـه آن اضـافه مـیشـوند،
پدیده های مختلفی از جمله مکانیکی، الکتریکی،شیمیایی، حرارتی و مغناطیسی در عملکرد آن نقش داشته و
در نتیجه امکان وقوع انواع مختلفی از عیوب در ترانسفورماتور وجود دارد. یـک سیـستم پـایش جـامع بایـد
بتواند این عیوب با ماهیت های مختلف را جداگانه تشخیص داده و حتـی میـزان عیـب را مـشخص نمایـد.
روش تشخیص هر نوع عیب به ماهیت آن عیب بستگی داشته و لذا روشهای مختلفی در سیستم پایش وجود
دارندکه از ترکیب آنها یک سیستم جامع تشخیص عیب حاصـل مـی شـود. گرچـه ایـن روشـها کـه توسـط
محققین توسعه یافتهاند، کاملا متنوع میباشند[10]،ولی آنها را می توان به صورت زیر در شش روش جا داد:
-1 اندازه گیری و آنالیز پاسخ فرکانسی2
-2 اندازه گیری و آنالیز تخلیه جزئی3
-3 تجزیهو تحلیل گازهای حل شده در روغن4
-4 اندازهگیری حرارتی5
-5 تحلیل پاسخ دی الکتریک6
-6 پایش متعلقات ترانسفورماتور7

2 . Frequency response analysis 3 . Partial discharge analysis 4 . Dissolved gas in oil analysis 5 .Thermal measuring 6 .Dielectric response analysis 7 .Accessories monitoring
٢٠
در هر کدام از این روشها، جهت حصول نتایج مناسب، ابزار نظری و عملی مختلفـی همچـون سیـستم هـای
خبره، شبکه های عصبی و مدلسازی مورد استفاده قرار گرفته اند. در حقیقت روشهای هوشمند نقش مـوثری
در تکمیل سیستم پایش داشته و روز به روز بر اهمیت آنها در سیستم تشخیص عیب افزوده میشود.
لازم به ذکر است که بعضی از روشهای تشخیص وضعیت ترانسفورماتور میتوانند هم بـه طـور همزمـان بـا
بهره برداری و هم موقع خروج از مدار انجام شوند. در این صورت هـر چنـد مـدار آزمـایش در دو حالـت
متفاوت است اما اصول اندازه گیری مشترک است. با رشد و پیشرفت تکنولـوژی بـالاخص در زمینـه پـایش
کامپیوتری پارامترهای زیادی از ترانسفورماتور، امکانپذیر است. ولی هزینه بالای چنین پایشی را باید در نظر
گرفت. لذا انجام یک مصالحه و تعادل بین عملیات مورد نظر سیستم پایش و هزینه ومیزان قابلیـت اطمینـان
آن ضروری میباشد. انجام چنین مصالحهای بایستی بـر اسـاس آمـار عیبهـای روی داده و ترانـسفورماتورها
ونتیجه نهایی این عیوب باشد.
4-2 عیوب مرسوم در ترانسفورماتورها
اگر بخواهیم یک تقسیم بندی ساده از عیوب ممکن ترانسفورماتورها داشته باشیم، می توانیم آنهـا را بـا سـه
نوع زیر ذکر کنیم: [9]
-1 عیوبی کهدر اثر هر نوع شکست الکتریکی بین قسمتهای مختلف داخلترانسفورماتور نتیجه میشوند.
-2 عیوبی که در اثر هر گونه افزایش دمای داخلی بوجود میایند.
-3 عیوبی که در اثر هر نوع تنش مکانیکی روی میدهند.
در واقع میتوان گفت که امکان ممانعت از رشد عیب برای دو نوع اول عیـوب فـوق الـذکر همـواره وجـود
داشتهوباپایش صحیح می توان از گسترش عیب جلوگیری کرد. در حالیکه وجود عیب نوع سوم ممکن است
٢١
پایان عمرترانسفورماتور تلقی شود.تقسیم بندی ظریفتر عیوب توسط محققین مختلف انجام شده اسـت.از آن
جمله میتوان به تقسیم بندی زیر اشاره کرد: [10]
-1 عیب هسته
-2 عیب سیم پیچها
-3 نقص در عملکرد تپ چنجر
-4 اشکال در مخزن و روغن
-5 عیب در پایانه ها
-6 نقص در متعلقات
برای حصول یک سیستم تشخیص عیب با هزینه کم درنظرگرفتن نتایج آماری عیبهای مرسوم در
ترانسفورماتورها مفید خواهد بود. شکل (3-2) یکی از چنین نتایجی را در مورد میزان انواع عیبها در
ترانسفورماتور نشان میدهد. دیده میشودکه در حدود %41 عیبها در تپ چنجر ترانـسفورماتور روی
میدهند. درصورتیکه تپ چنجر جزءمتعلقات ترانسفورماتور محـسوب مـیشـود، عیـب مربـوط بـه
متعلقات %53 خواهـد شـد.در حالیکـه عیبهـایی کـه در سـیمپیچهـا روی مـیدهنـد در حـدود %19
میباشند.بر اساس این نتایج آماری می توان عنوان کرد که مهمترین قسمتهای که باید مـانیتور شـوند،
سیمپیچ ها، عایقاصلی و تپچنجر میباشند. این نتایج در انتخاب پارامترهای مؤثر در سیـستم پـایش
قابل استفاده می باشند.
٢٢
نصب وراهاندازی
%12

تجهیزات جانبی
%12
تپ چنجر
%41
تانک و روغن
%13
هسته
%3

پیچها
%19
شکل -3-2 نتیجه آماری از انواع عیبهای مرسوم درترانسفورماتور[10]
در یک کار تحقیقاتی دیگر [12] چند نوع عیب در ترانسفورماتورهایی کـه ولتاژشـان بـین 88 و
765 کیلوولت و قدرتشان بین 20 و 800 مگاولـت آمپـر قـرار دارنـد مـورد بررسـی و مطالعـه قـرار
گرفتهاند. تحلیل نتایج نشان میدهد که عیبهای رخ داده در ترانـسفورماتورهای کوچـک بـا پیرشـدن
ترانسفورماتور در ارتباط میباشند. در ترانسفورماتورهای متوسط اغلـب عیبهـا در تـپ چنجـر روی
میدهند. در ترانسفورماتورهای بزرگ ناهماهنگی عایقی دلیل اصلی عیبهایی است که در اولـین سـال
کارکرد ترانسفورماتور رخ میدهند.تقسیم بندی عیوب به همراه میزان بروز آنهـا ،در ایـن مرجـع بـه
صورت زیر می باشد:
-1 خطاهای حاصله در اثر ولتاژهای صاعقه وکلید زنی،%12
-2 عیوب مربوط به هسته،%16
-3 نقص تپ چنجر،%23
٢٣
-4 خطاهای حاصله در اثر اتصال کوتاه های مختلف،%8
-5 عیوب ناشی از پیری ترانسفورماتور،%30
-6 سایر عیوب،%11
بر اساس این نتایج، پیری ترانسفورماتورو تپ چنجر مهمتـرین عیـوب بـوده و خطـای هـسته و
عیوب ناشی از ولتاژهای بالا در رده دوم قرار دارند.
٢۴
فصل 3
اصول ومبانی روش آنالیز پاسخ فرکانسی
25
از یک ترانسفورماتور ممکن است در طول بهره برداری جریان های اتصال کوتاه شدیدی ناشی از خطا هـای
مختلف شبکه قدرت عبور نماید. نیروهای ناشی از این جریان ها بسته به شدت خطا قادر به جابجـایی و یـا
تغییرشکل مکانیکی سیمپیچها میباشند.درعمل استحکام مکانیکی عایق هـا افـزایش مـییابـد. حمـل و نقـل
ترانسفورماتور نیز عامل دیگر ایجاد خطاهای مکانیکی در داخل آن می باشد.[13]با این وجود در بیشتر حالت
ها جابجایی و یا تغییـر شـکل مکـانیکی سـیم پیچهـا مـانع انتقـال انـرژی نـشده و باعـث خـروج از مـدار
ترانسفورماتور نمیشود. اما این خطر وجود خواهد داشت که ضربه مکانیکی وارده به عایق سیم پـیچ باعـث
فشردگی یا سـاییدگی آن شـده و در نهایـت باعـث یـک شکـست عـایقی در اثـر اضـافه ولتاژهـای بعـدی
گردد.بنابراین شناسایی جابجاییو خطاهای مختلف سیم پیچها به کمک آزمایـشهای مناسـب اهمیـت زیـادی
دارد. با انجام چنین آزمایشهایی نیاز به باز کردن ترانسفورماتور و بازرسی داخل آن (که پر هزینه و زمـان بـر
است) نمیباشد. معروفترین این آزمایشها روش اندازهگیـری و تحلیـل پاسـخ فرکانـسی (FRA) کـه روش
اندازه گیری تابع تبدیل (TF) نیز نامیده می شود، میباشد. جزئیات کامل این روش در این فصل مورد بحث
و بررسی قرار میگیرد.
1-3 روشهای مختلف شناسایی عیبهای مکانیکی
همانگونه که ذکر شد، استحکام مکانیکی ترانسفورماتورها مخصوصا موقع حمل و نقل و یا به وقوع پیوستن
اتصال کوتاه کاهش مییابد.برای تشخیص عیب تغییر شکل و یا جابجایی سیمپیچها ونیز اتـصال کوتـاه بـین
حلقه ها در سیم پیچها ، به صورت همزمان با بهرهبرداری و یا موقع خروج از مدار ترانسفورماتور روشـهای
مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. از مهمترین این روشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
26
-1 اندازه گیری تغییرات امپدانس در فرکانس قدرت
-2 اندازه گیری نسبت تبدیل
-3 آزمایش ضربه فشار ضعیف((LVI
-4 اندازهگیری و ارزیابی تابع تبدیل
کار تحقیقاتی مرجع [14] نشان می دهد کـه روش تـابع تبـدیل حـساسترین روش بـرای تـشخیص عیبهـای
مکانیکی در سیمپیچ بوده و روشهای اندازه گیری دیگر حـساسیت کـافی بـرای آشـکارسـازی جابجاییهـای
کوچک سیمپیچرا ندارد.از اینرو تابع تبدیل از میان روشهای فوق جایگاه ویـژه ای در سیـستم پـایش جهـت
تشخیص عیوب مکانیکی پیدا کرده است.
-2-3 تئوری روش آنالیز پاسخ فرکانسی[15]
اساس روش transfer function، تئوری شبکه دو قطبی میباشد.

شکل(.(1-3ترانسفور ماتور بصورت شبکه دو قطبی خطی
دراین مدل، ترانسفورماتورها بصورت یک شبکه خطی، مختلط وپسیو میباشند. این تئوری، امکان
اعمال یک ورودی و بدست آوردن خروجیهای متفاوت را میدهد. (شکل(.((1-3هرسیگنال خروجی تعریف
شده (ولتاژهای خروجی UAV وجریانهای خروجی IAV و(V=1..n یک تابع بصورت زیر تولید میکند:
27
(1-3) A,u ( f ) U : توابع انتقال ولتاژ Au,V ( f )  TF E ( f ) U (2-3) A,u ( f ) I Ai,V ( f )  TF :توابع ادمیتانس E ( f ) U FFT1ولتاژهای خروجی : UAV(f) FFT جریانهای خروجی : IA,v(f) FFT ولتاژ ورودی : UE (f) نکته قابل توجه آن است که حساسیت توابع تبدیل بـه تغییـرات وعیـوب واقـع شـده در ترانـسفورماتورهـا
متفاوت می باشد و برخی از آنها نسبت به دیگری قابلیتهای آشکار سازی بیشتری دارند.
3-3 روش اندازهگیری تابع انتقال درترانسفورماتورها [15]
بدست آوردن تابع انتقال ترانسفورماتور هم با اعمال پالس ضربه وانـدازه گیـری خروجـی وهـم بـا اعمـال
ورودیهای سینوسی با فرکانسهای مختلف، امکانپذیر است. تعیین تابع انتقال با اعمـال سینوسـی هـای تـک
فرکانس، بصورتی که در شکل (2-3) مشاهده میشـود، انجـام مـیگیـرد. فرکـانس ولتـاژ ورودی سینوسـی
میتواند در یک رنج وسیع فرکانسی تغییرکند. با اندازهگیری خروجی میتوان تابع انتقـال مخـتلط را بدسـت
آورد. (بصورت دامنه و فاز). این روش، "روش جاروی فرکانسی" نامیده می شود.
بااعمال یک تک پالس واندازه گیری خروجی هم میتوان تابع انتقال را مطابق آنچـه در شـکل (3-3) نـشان
داده شده است، بدست آورد. بدین صورت که ترانسفورماتور بوسیله یک ولتاژ ضربه (معمـولا بـین 100 تـا
2000 ولت) تحریک میشود. سپس ورودیهاوخروجیهای گذرا اندازهگیری شده و آنالیز میشوند. طیف

1 .Fast Fourier Transform
28

شکل((2-3اندازه گیری تابع انتقال در حوزه فرکانس
فرکانسی سیگنالهای اندازهگیری شده درحوزه زمـان، بوسـیله FFT محاسـبه شـده و از تقـسیم خروجـی بـر
ورودی، تابع انتقال درحوزه فرکانس بدست میآید. معمولاً ایـن روش،"ولتاژضـربه پـایین" نـام دارد.شـرح
کاملتر روشهای فوق در اندازه گیری تابع انتقال ، در ادامه بیان شده است.

شکل((3-3اندازه گیری تابع انتقال در حوزه زمان
29
-1-3-3 روش جاروی فرکانسی( SFM) 2
دراین روش که به آن روش جاروی فرکانسی نیز گفته میشود، یک موج سینوسی با فرکانس مشخص در
رنج وسیعی از فرکانس که قبلا تنظیم شده، توسط دستگاهی به نامNetwork Analyzer به سیمپیچ اعمـال و
خروجی حاصل از آن اندازه گیری میشود.به علت ساختار دستگاه، در هر بار اندازهگیری فقط یک تابع انتقال
قابل محاسبه میباشد. مدار اندازهگیری دراین روش، درشکل((4-3 نشان داده شده اسـت.S سـیگنال ترزیـق
شده ،R وT به ترتیب اندازهگیریهای مرجع و تست میباشند. Zs امپدانس منبع و ZT امپدانس سیمپیچ تحـت
تست است که امپدانس منبع Network Analyzer معمولاً 50Ω می باشد. مدت زمانی کـه Analyzer بـرای
جاروی فرکانس در رنج فرکانسی مورد نظر نیاز دارد، به میزان فیلترینگ اعمال شده بستگی دارد. معمولاً این
زمان ازکمی کمتر از یک دقیقه تا حدود چند دقیقه متغیراست. در این حالت، نتیجـه انـدازهگیـری بـصورت
دامنه یا فاز قابل بیان میباشد. باتوجه به شکل (4-3) دامنه و فاز بصورت زیر بیان میگردند.

شکل((4-3مدار اندازه گیری تابع انتقال در روش جاروی فرکانس (3-3) K  20log10 (T / R) ϕ  tan−1(T R)
2 .Sweep Frequency Method
30
در رابطه (3-3) ، K و ϕ بترتیب معرف دامنه و فاز تابع تبدیل می باشند.همچنین T وR نیز بترتیـب بیـانگر
سیگنال اندازه گیری شده و سیگنال ورودی اعمال شده می باشند.[4]
-2-3-3 روش ولتاژ ضربه(LVI) 3
در این روش یک ولتاژ ضربه با مشخصات مناسب، بطوریکه بتواند در یـک محـدوده وسـیع فرکـانس،
قطبهای سیستم را به نوسان وادارد، به یکی از ترمینالهای ترانسفورماتور اعمـال مـیگـردد. همزمـان، جریـان
عبوری از این ترمینال یا ولتاژ ترمینال دیگر و یا جریان هر سیمپیچدیگری بـه عنـوان خروجـی انـدازهگیـری
میشود. در اندازهگیریهای ولتاژ کم، دامنه ضربه معمولاً بین 100-2000 ولت میباشد. پهنای باند ورودی هم
تا حد ممکن باید بزرگ باشد. مقادیر متداول برای ضربه ورودی، زمان پیـشانی 200ns تـا 1μs و نـیم زمـان
پشت 40μs تا 200μs میباشند.[16] سیگنالهای اندازهگیری شده در حوزه زمـان، بعـداز فیلترشـدن ونمونـه
برداری به صورت دادههایی در حوزه زمان ذخیره میشوند. سپس به حوزه فرکانس منتقل شده ،تـابع انتقـال
ترانسفورماتور محاسبه میگردد.
-3-3-3 مزایا و معایب روشهای LVI وSFM
روش LVI دارای معایب زیر میباشد[17]
دقت فرکانسی ثابت.این امر موجب مشکل شدن آشکارسازی خطاها در فرکانسهای پایین میشود.
فیلتر کردن نویز سفید مشکل است.
تجهیزات اندازهگیری متعدد موردنیاز است (فانکشن ژنراتور،اسکوپ دیجیتال).

3 . Low Voltage Impulse
31
روش LVI دارای مزایای مهمی میباشد.
توابع انتقال مختلف (تابع ادمیتانس،تابع ولتاژ و... )میتوانند بطور همزمان اندازهگیری شوند.
زمان مورد نیاز برای هر بار اندازهگیری حدود یک دقیقه میباشد.
روش SFM دارای معایب اساسی زیر است
در هر بار اندازهگیری، فقط یک تابع انتقال قابل اندازهگیری است.
زمان موردنیاز برای هر بار اندازهگیری معمولاً چند دقیقه به طول می انجامد.
روش SFM دارای مزایای زیر میباشد.
نسبت سیگنال به نویز بالا( بخاطر فیلترینگ نویز سفید بوسیله .(Network Analyzer
یک محدوده وسیع فرکانسی میتواند اسکن شود.
دقت فرکانسی خوب در فرکانسهای پایین. همچنین دقت فرکانس میتواند متناسب با محدوده فرکانس
اندازهگیری تغییر کند.
+ فقط یک دستگاه اندازهگیری مورد نیاز است(.(Network Analyzer
-4-3 انـــواع روشـــها بـــرای مقایـــسه نتـــایج حاصـــل از
اندازهگیریها[18]
پس از اندازهگیری و انجام محاسبات، نهایتا تابع انتقال بصورت دامنه یا فاز بـر حـسب فرکـانس نمـایش
داده میشود. از آنجا که فاز تابع انتقال هیچگونه اطلاعات اضافیتـری نـسبت بـه دامنـه تـابع انتقـال نـدارد،
استفاده از دامنه تابع انتقال، معمولا برحسب لگاریتم ، مرسوم می باشد. اساس روش تابع انتقال، مقایسه تـابع
32
انتقال اندازهگیری شده فعلی با یک تابع انتقال مبنا می باشد. بر این اسـاس سـه روش شـناخته شـده، بـرای
مقایسه بین نتایج حاصل ازاندازه گیری توابع انتقال وجود دارد.
-1 مقایسه مبتنی بر زمان4
-2 مقایسه مبتنی بر ساختارترانسفورماتور5
-3 مقایسه مبتنی بر نوع ترانسفورماتور6
شکل((5-3 اساس این مقایسهها را نشان میدهد. روش time based از بهترین دقت برخوردار اسـت. در
این روش، اطلاعات اندازهگیری شده بـا اطلاعـات قبلـی کـه درمـورد ترانـسفورماتور وجـود دارد، مقایـسه
میگردد. (البته در شرایط تست کاملاً یکسان). این روش در مورد انواع ترانسفورماتورها کاربرد دارد. معمولاً
این اطلاعات قبلی، هنگام ساخت ترانسفورماتور و در شرایط مـشخص بدسـت مـیآیـد. هرگونـه تغییـر در
مقایسه نتایج، دال بروجود مشکلی در ترانسفورماتور میباشد. اما ازآنجا که اطلاعات مربوط به اندازهگیریهای
قبلی، برای بسیاری از ترانسفورماتورهای درحال کار وجود ندارد، باید روش مناسب دیگـری بـرای مقایـسه
بکارگرفته شود.

شکل(.(5-3 روشهای مختلف مقایسه توابع انتقال

4. Time Based 5 . Construction Based 6 . Type Based
33
یکی از این روشها، استفاده از خاصیت تقارن بکار رفته در طراحی وساخت ترانسفورماتور میباشد. این
روش Construction based نام دارد.

شکل(.(6-3 مقایسه بین فازها یا construction based برای ترانسفورماتور . (150MVA ,220/110/10 kv)
a )دامنه تابع انتقال ادمیتانسb )دامنه تابع انتقال ولتاژ
این روش وسیلهای برای مقایسه توابع انتقال بدست آمده در فازهای مختلف ترانسفورماتور میباشـد. بـرای
هر سه فاز، یک رفتار انتقالی شبیه به هم وجود دارد. تست جداگانه فازها نشان میدهد که برای فرکانـسهای
34
تقریباً بالاتر از 10KHZ ، مشخصات فرکانسی فازهای ترانسفورماتور کاملاً یکسان است. یک نمونه مقایـسه
انجام شده در فازهای ترانسفورماتور در شکل((6-3 نشان داده شده است.[18]

شکل .(7-3) مقایسه بین فازها یا construction based برای ترانس با ثانویه زیگزاگی . (150KVA ,10kv/ 400V)
a )دامنه تابع انتقال ادمیتانسb )دامنه تابع انتقال ولتاژ
دو محدودیت در استفاده از این روش مقایسه وجود دارد. یکی اینکه این روش فقط برای ترانسفورماتورهای
سه فاز ویا بانک ترانسفورماتوری کاربرد دارد. دیگری آنکه، نتایج اندازهگیریهای متعـدد نـشان مـیدهـد کـه
استفاده از این روش درفازهای با سیمپیچیزیگزاگی، برای انجام مقایسه به منظور تـشخیص عیـب ، مناسـب
35
نیست. یک نمونه از این اندازهگیریها در شکل (7-3) نشان داده شده است. روش سوم بـرای مقایـسه type
based نام دارد. در این روش نتایج بدست آمده از ترانسفورماتورهای با ساختار یکسان(معمولاً محصول یک
سازنده هستند)، مبنای مقایسه مـی باشـد. اصـطلاحاً بـه ایـن ترانـسفورماتورها، ترانـسفورماتورهای خـواهر
میگویند. تابع انتقال برای این ترانسفورماتورها، دارای تغییرات خیلی کمـی نـسبت بـه یکـدیگر مـیباشـند.
بنابراین میتواند به عنوان مبنا، برای اندازهگیریهای انجام شده، در نظر گرفته شود.البته با توجه به اینکه هـیچ
دو ترانسفورماتوری ازنظر جزئیات ساخت کاملا یکسان نیستند، این روش ممکن است عیـب یـابی را دچـار
اشکال کند.
-5-3 مراحل پیشرفت روش تابع تبدیل برای پایش
ترانسفورماتورها
تبدیل فوریه پاسخ ضربه یک سیستم خطی نامتغیر با زمان تابع تبدیل یا پاسخ فرکانـسی سیـستم
نامیده میشود. با استفاده از سیگنال تحریک و یا به عبارت دیگـر سـیگنال ورودی و سـیگنال پاسـخ
مربوط به آن میتوان تابع تبدیل را محاسبه کرد. تابع تبـدیل همـراه بـا آزمـایش ترانـسفورماتورهای
بزرگ و نیز به عنوان روشی برای پایش ترانسفورماتورها مورد استفاده قرار میگیرد.
-1-5-3 تابع تبدیل برای آزمایش ترانسفورماتورهای بزرگ
سالهای زیادی است که توابع تبدیل همراه با صنعت آزمـایش ترانـسفورماتورها مـورد اسـتفاده قـرار
میگیرند و با روشهای آزمایش مختلف از نتایج اندازهگیریها تعیین شده و به عنوان وسیلهای برای
36
کنترل کیفیت و نیز تعیین مشخصههای مهم ترانسفورماتور به کار گرفته میشوند.
برای نشان دادن استحکام مکانیکی سـاختار سـیمپیچهـای ترانـسفورماتور مـیتـوان آزمایـشهای
ضربهای را روی آنها انجام داد. به خاطر هزینههای بالای چنین آزمایشهایی تنهـا در برخـی حالتهـای
نادر و یا درصورت درخواست مشتری این گونه آزمایشها انجام داده میشوند. برای تعیین تغییر شکل
مکانیکی سیمپیچها مشخصههای نوسانی بین اندازهگیریهـای قبـل و بعـد از آزمایـشهای ضـربهای بـا
همدیگر مقایسه میشوند. یکی از چنین روشهایی که مدتهای طولانی است مـورد اسـتفاده قـرار مـی
گیرد روش آزمایش ضربه فشارضعیف (LVI) میباشد .[19] در این روش ترانسفورماتور قبل و بعـد
از آزمایش توسط یک ضربه ولتاژ پایین تحریک میشود. مقایسه سیگنال پاسخ ثبت شده قبل و بعد از
آزمایش تغییرات مکانیکی احتمالی در ساختار سیمپیچ را مشخص میکند. یـک روش دیگـر تحلیـل
پاسخ فرکانسی( FRA) 7 میباشد. در اینحالت پاسخ فرکانسی قبل و بعـد از آزمـایش تعیـین میـشود.
پاسخ فرکانسی را میتوان توسط یک آنالایزر شبکه8 مستقیماً در حوزه فرکانس اندازهگیری کرد و یـا
به کمک تبدیل فوریه سریع( FFT) 9 از نتایج اندازهگیریها در حوزه زمان محاسبه کرد (جزئیات مربوط
به روشهای بدست آوردن پاسخ فرکانسی در بخش (2-3) داده شدهاند).
تابع تبدیل یک مدار الکتریکی خطی تغییر ناپذیر با زمان ، یک توصیف کـاملی از مـدار را ارائـه
کرده و به طور نظری مستقل از سیگنال تحریک میباشد. برای حالتهای گذرای ناشی از ضربه صاعقه

7 Frequency Response Analyse 8 Network Analyser 9 Fast Fourier Transformation
37
میتوان ترانسفورماتورها را خطی درنظرگرفت. بنابراین تغییر شکل ولتاژ ضربه تحریـک، حـداقل بـه
طور نظری، تأثیری روی تابع تبدیل نـدارد. بنـابراین بایـستی مقایـسه توابـع تبـدیل بدسـت آمـده از
ولتاژهای ضربه کامل و بریده به عنوان تحریک امکان پذیر باشد .[20]
-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش
برای سازندههای ترانسفورماتورها شناخت شکستها و عیبهای عایقی کـه در ترانـسفورماتورها در
اثر ولتاژهای گذرا روی میدهند دارای اهمیت میباشد، چرا که این شناخت برای تعیین ابعاد عـایقی
سیمپیچها لازم است. به همین دلیل در گذشته همواره ولتاژهای کلیـد زنـی در شـبکه انتقـال انـرژی
اندازهگیری شدهاند .[21]
میتوان سیگنالهای گذرایی را که در اثر کلید زنی ترانسفورماتورها و کلیدزنیها در جاهای دیگری
از شبکه ایجاد شده و بر روی ولتاژها و جریانهای کار عادی ترانـسفورماتور سـوار مـیشـوند، بـرای
محاسبه یک تابع تبدیل مورد استفاده قرار داد. با مقایسه توابع تبدیل انـدازهگیـری شـده در زمانهـای
مختلف میتوان وجود تغییر احتمالی در وضعیت عایقی ترانسفورماتور را تشخیص داد. اگر تغییراتـی
در تابع تبدیل مشاهده شوند میتوان وجود یک تغییر ولذا یک عیب را در ترانـسفورماتوراحتمال داد.
اگر توابع تبدیل اندازهگیری شده در زمانهای مختلف یکسان باشند، میتوان نتیجه گرفت که وضعیت
و حالت ترانسفورماتور در فاصله زمانی بین دواندازهگیری هیچگونه تغییری نداشته است.
38
-1-2-5-3 تابع تبدیل برای پایش به صورت همزمان با
بهرهبرداری و در حالت خروج از مدار
پایش وضعیت عایقی ترانسفورماتورها در محل نصب را میتوان اساساً در وضعیت خارج بـودن
از مدار و یا به صورت همزمان با بهرهبرداری انجام داد .[22] برای پایش در وضعیت خارج بـودن از
مدار، طرف ولتاژ بالای ترانسفورماتور از شبکه جدا میشـود تـا انـدازهگیریهـای لازم انجـام شـوند.
درحالیکه در پایش به صورت همزمان با بهرهبرداری، سیگنالهای گذرایی مورد استفاده قرار میگیرنـد
که در طول عملکرد ترانسفورماتور در اثرکلیـدزنیهای ضـروری درشـبکه بـرق ایجـاد مـیشـوند. بـا
اندازهگیریهای در وضعیت خارج بودن از مدار همواره میتوان براحتی آزمایشها را تکرار کرد، چونکه
کلید قدرت تکتک فازها همزمان قطع و وصل نمیشود و شرایط حاکم بعد از کلید زنی کاملاً پایدار
است. با پایش به صورت همزمان با بهرهبرداری، ترانسفورماتور در ارتباط با سایر تجهیزات شـبکه در
حال کار میباشد و به دلیل تزویج الکترومغناطیسی در سیستم سهفاز، یک تحریک گـذرا همـواره بـه
صورت همزمان به تمام پایانههای یک مجموعه از سیمپیچها اعمال میشود.
-2-2-5-3 تـابع تبـدیل بـه عنـوان یـک روش تـشخیص عیـب
مقایسهای
39
در دیدگاه اولیه، روش تابع تبدیل برای پایش ترانسفورماتور یک روش مقایسهای میباشـد. اگـر
اندازهگیریهایی روی یک ترانسفورماتور انجام میگیرند، بایستی نتایج این اندازهگیریها با نتایج مرجعی
مقایسه شوند. برای مقایسه نتایج اندازهگیریها در مرجع [23] سه روش پیشنهاد شده اند:
نتایج اندازهگیریها در زمانهای مختلف، مشخصههای متـشابه سـاقههـای ترانـسفورماتور و نتـایج
اندازهگیریهای ترانسفورماتورهای یکسان طرح شده.
در روش مقایسه نتایج اندازهگیریها در زمانهای مختلف، نتایج جدید با نتایج حاصله در زمانهـای
قبل مقایسه میشوند .[24] چنین نتایج ثبت شده در زمانهای پـیش اغلـب موجـود نمـیباشـند و یـا
نمیتوان شرایط و یا نحوه آزمایش زمانهای قبل را مجدداً تکرار کرد. لذا این روش را میتوان تنها در
مورد ترانسفورماتورهای محدودی بکار برد. تغییرات مکانیکی قاعدتاً همزمان و به یک میزان در تمام
سـتونهای ترانـسفورماتور روی نمـیدهنـد. لـذا مـیتـوان بـه طـور متـوالی فازهـای T, S, R یـک
ترانسفورماتور سهفازه را مورد اندازهگیری قرار داده و نتایج حاصله از فازهای مختلف را با همـدیگر
مقایسه نمود. بسته به ساختمان قسمت فعال ترانسفورماتور، تشابه بین توابع تبدیل اندازهگیری شده از
سه ستون ترانسفورماتور متفاوت میباشد. لذا آشکارسازی تغییر مکانیکی احتمالی همیـشه نمـیتوانـد
حاصل شود. روش مقایسهای سوم که امکان پذیر است مرجـع قـرار دادن نتـایج انـدازهگیـری یـک
ترانسفورماتور هم نوع و هم طرح میباشد. این روش مقایـسهای نـشان مـیدهـد کـه توابـع تبـدیل
ترانسفورماتورهای یکسان در اغلب موارد مشابه میباشند. این مطلب بـه خـصوص در مـواردی کـه
سازنده و سال ساخت یکسان میباشند کاملاً معتبر است.[25]
40
-6-3 عوامل کلیدی موثر بر اندازه گیریهای [17] FRA
نتایج تست FRA فقط به شرایط سیمپیچ ترانسفورماتور بستگی ندارد و از سیستمهای اندازهگیری نیـز بـه
شدت تاثیر میپذیرد. عواملی نظیرمقدارامپدانس موازی، ترکیب سیمهای رابط(طول ونحـوه اتـصال) وغیـره
میتواند اندازهگیریها را تحت تاثیر قرار دهد که در ادامه مورد بحث قرار میگیرد.
1-6-3 تاثیر مقدار امپدانس موازی
در اندازه گیریهـای FRA ، بـرای انـدازهگیـری جریـان پاسـخ از یـک مقاومـت شـنت اسـتفاده میـشود.
اندازهگیریها در یک رنج وسیع فرکانسی انجام میشود که در آن اندازهگیریهای مرتبط با جابجاییهای خیلـی
کوچک سیمپیچ ،که در فرکانسهای بـالاتر((>1MHz آشـکار مـیگـردد، اهمیـت خاصـی پیـدا مـیکنـد. در
فرکانسهای کمتر امپدانس موازی (معمولاً 50 اهم) در مقایسه با امپدانس ترانسفورماتور چندان مهـم نیـست.
اما در فرکانسهای خیلی بالاتر، امپدانس موازی نسبت به امپدانس ترانسفورماتور قابل ملاحظه خواهد بود. در
FRA-S امپدانس موازی معمولاً 50 Ω میباشد که امپدانس ورودی اسپکتروم آنالایزر می باشد. برای ارزیابی
اثر امپدانس شنت روی اندازهگیری های FRA تحقیقات روی یـک ترانـسفورماتور توزیـع و بـا سـه مقـدار
مقاومت موازی 50و10و1 اهم انجام شده است. دو مقدار اول، مقادیر معمول برای تستهایFRA مـیباشـند.
شکل (8-3) اثرات مقاومت موازی را در محدوده فرکانسی 1-10MHz نشان میدهد. واضح است که بـرای
جابجاییهای کوچکتر در سیمپیچ، منحنیهای تابع ادمیتانس با مقاومت موازی کوچکتر، بیشتر تغییر میکنـد.
البته حساسیت نسبی آشکارسازی به اندازه و نوع ترانسفورماتور نیز بـستگی دارد. باتوجـه بـه شـکل (8-3)،
تابع ادمیتانس ورودی در محدوده 2-10MHz فرکانسهای رزونانس مختلفی دارد که این با برخی از مدلهای
41

شکل(.(8-3 اثر مقاومت شنت روی پاسخ فرکانسی تا [17]10MHZ
فرکانس بالای ترانسفورماتور که بصورت خالص خازنی است ، درتعارض میباشد. دریک اندازهگیری عملی
FRA ، تابع انتقال اندازهگیری شده، نه تنها شامل تابع شبکه ترانسفورماتور بلکـه شـامل مقاومـت مـوازی و
امپدانسهای سیمها نیز میباشد. به عبارتی مقاومت موازی علاوه بر اینکه حـساسیت انـدازهگیـری را کـاهش
میدهد، رزونانسهای مدار را نیز فرو مینشاند. این اثر میتواند خیلی مهـم باشـد. ایـن تـاثیر همچنـین بـه
)Qضریب کیفیت) مدار بستگی دارد. شبکهای با Q بالاتر، حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات سیمپیچ دارد.
هنگامیکه جریان مقاومت موازی کوچک است، مقدار Q مدار نسبتاً بالاست کـه ایـن مـورد در شـکل (8-3)
دیده میشود. بنابراین، میتوان نتیجه گرفت که حساسیت آشکارسـازی FRA، بـا افـزایش مقاومـت مـوازی
بطور قابل ملاحظهای کاهش مییابد و ماکزیمم محدوده فرکانسی که به تغییرات سیم پیچ حـساس اسـت بـا
کاهش مقاومت موازی افزایش مییابد.
42
-2-6-3 تاثیر بوشینگ فشار قوی
یک ترانسفورماتور توزیع،که بوشینگ اصلی آن با یک بوشینگ از نوع کاغذ روغنـی 27 KV جـایگزین
شده است، برای مطالعه اثر بوشینگ روی نتایج تستهای FRA بکارگرفته شده است. انـدازهگیـری در بـالای
بوشینگ (top) به مفهوم اندازهگیریهای FRA در ترمینال ورودی بوشینگ میباشـد. در انـدازهگیـری پـایین
(Bottom) ، اندازهگیریهای FRA مستقیماً در سرسیمپیچ فشار قوی درون ترانسفورماتور انجام مـیشـود. در
هر دوحالت پالس ورودی به بالای بوشینگ فشار قوی اعمال میشود. جریان کوپل شده به سیمپیچ ثانویه نیز
بوسیله یک مقاومت شنت اندازهگیری میشود. تنها تفاوت در نقطه اندازهگیری ولتاژ است که یکی در بـالای
بوشینگ ودیگری در پایین بوشینگ انجام میشود. تابع تبدیل ادمیتانس در دو حالـت در شـکل (9-3) آمـده
است. نتایج نشان میدهد که ادمیتانس اندازهگیری شده در سرسـیمپـیچ فـشار قـوی((Bottom ، کـوچکتر از
اندازهگیری در ترمینال بالای بوشینگ (top) است. در فرکانسهای بالاتر از 3MHz اندوکتانس سیم بوشـینگ،
ولتاژ خازن معادل سیمپیچ را کاهش میدهد. بنابراین ادمیتانس اندازهگیری شده در بـالای بوشـینگ بزرگتـر
میشود.
I/V(top)>I/V(Bottom):V(top)<3MHz<9MHz
ادمیتانـسهای انـدازهگیـری شـده تـا فرکـانس 3MHz ، تقریبـاً یکـسان هـستند. بـرای بـالاتر از 3MHz
اندازهگیریهای top با Bottom بطور قابل ملاحظهای تفاوت مییابند. این امر نشان میدهد که نتایج به شرایط
تست از قبیل مکان اندازهگیری و ترکیب سیمهای رابط بستگی دارد. نکته بسیار مهم اینجاست که همـه ایـن
اندازهگیریها با سیمهای رابط خیلی کوتاه انجام شدهاند. درحالیکه در یک اندازه گیری on site مخـصوصاً در
ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ، ابعاد فیزیکی مساله ساز میگردد. برای یک بوشینگ فشار قوی که
43

شکل(.(9-3اندازه گیریهای FRAدر بالا وپایین بوشینگ[17]
5 متر طول دارد سیگنالهای اعمالی باید این طول سیمرا طی کرده تا به بوشـینگ و سـپس بـه سـیمپـیچ
اعمال شوند. مولفههای فرکانس بالای سیگنال منبع بوسـیله خازنهـای بوشـینگ زمـین مـیشـوند. همچنـین
اندوکتانسهای سیم و بوشینگ درمقایسه با امپـدانس ترانـسفورماتور در فرکانـسهای بـالا قابـل ملاحظـه مـی
گردند. این بدان معناست که امپدانس سیمو بوشینگ میتواند تغییرات مورد انتظار در امپدانس ترانسفورماتور
را بپوشاند.بنابراین میتوان نتیجه گرفت که اندازهگیریهـای FRA تـا حـدود فرکـانس 3 MHz تحـت تـاثیر
بوشینگ فشار قوی و سیمرابط نیست اما در فرکانسهای بالاتر از 3 MHz این امپدانسها شروع به اثر گـذاری
کرده و در فرکانسهای بالای 4 MHz این اثرات قابل ملاحظه می گردند.
-3-6-3 تاثیر اتصال نقطه خنثای سیمپیچ فشار قوی
44
چگونگی اتصال نقطه خنثای ترانسفورماتور فشار قـوی، مـیتوانـد روی نتـایج انـدازهگیریهـای FRA تـاثیر
بگذارد. نتیجه تست انجام شده روی یک ترانسفورماتور توزیـع در دو حالـت در شـکل (11-3) نـشان داده
شده است. دریک حالت نقطه نوترال سیمپیچ فشار قوی معلق میباشد. درحالت دیگرنیـز بـه تانـک تـرانس
متصل شده است (زمین شده است). ولتاژ ورودی به یک سربوشینگ اعمـال شـده و جریـان کوپـل شـده از
طریق یک مقاومت شنت 1Ω که بین سیم پیچ فشار ضعیف و تانک قرار دارد، انـدازهگیـری شـده اسـت. بـا
توجه به شکل((10-3، می توان گفت که نتایج از نوع اتصال نوترال تاثیرپذیر است. برای فرکانسهای کمتر از
1/5 MHz این تاثیر اصلاًمهم نیست ونتایج در دو حالت کـاملاً یکـسان اسـت. امـا در فرکانـسهای بـالاتر از
2 MHz ، مقداری تفاوت وجوددارد. بنابراین در تست برای آشکارسازی تغییرات کوچک در سـیمپـیچ ایـن

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

نکته حائز اهمیت است که در مقایسه منحنیهای تابع انتقال ، شرایط اتصال زمین باید کاملاً یکسان باشد.
-4-6-3 تاثیر سیمهای رابط اندازهگیری

شکل(.(10-3 اثر وضعیت نقطه خنثی در اندازه گیریها( دردو حالت شناور و زمین شده) .[17]
45
اثرات سیمهای رابط فشار قوی و زمین با استفاده از دو سری از کابلهای کواکسیال مختلف بررسی
مـیگــردد. یکـی ســیمهای رابـط اسـتاندارد بــا طولهـای مناســب کـه بـرای انــدازهگیریهــای FRA در
ترانسفورماتورهای قدرت میباشد. و دیگری سیمهای رابـط خیلـی کوتـاه کـه در مـورد ترانـسفورماتورهای
توزیع به کار میرود. درشکل (11-3) تابع انتقال ادمیتانس یک ترانسفورماتور توزیع برای دو نوع سیم رابـط
کوتاه واستاندارد نشان داده است. این سیمها شامل سیمهای زمین پروب وسیگنال ژنراتـور و سـیمهای رابـط
بین بوشینگ و وسیله اندازهگیری بودهاند. این نکته قابل توجه است که دوتابع ادمیتـانس در رنـج فرکانـسی
0- 0/4MHz تقریباً یکسان هستند. بین 0/4MHzتا 2MHz ادمیتانـسها کمـی اخـتلاف دارنـد. ولـی بـرای
فرکانسهای بالای 2MHz اختلاف زیاد میگردد. این امر بیانگر آن است که پیکربندی بـا سـیمهای کوتـاه، در
مقایسه با سیمهای استاندارد امپدانس خیلی کوچکتری(درفرکانسهای بالاتر از (2MHz از خود نشان میدهد.
بنابراین پیکربندی با سیمهای کوتاه ،حساسیت خیلی بیشتری نسبت به تغییرات فرکـانس بـالای سـیم پیچـی
ترانسفورماتور از خودنشان میدهد. همچنین هنگام استفاده از سیمهای بلند برای فرکانسهای بالاتر از

شکل(.(11-3 مقایسه اثرسیمهای رابط کوتاه و بلند در اندازه گیریها تا 10MHZ
46
0/5MHz ادمیتانس اندازهگیری شده قابل مقایسه با ادمیتانس سیمرابط است. لـذا حـساسیت نـسبت بـه
تغییرات در سیمپیچ ترانسفورماتور به شدت کاهش مییابد.
بنابرایندر یک دستهبندی میتوان گفت که اندازهگیریهای با سیمهای بلند تـا فرکـانس 0/5MHz وانـدازه
گیریهای با سیمهای استاندارد تا فرکانس 2/3MHz تا حدود زیادی معتبرند.[26]عوامل متعدد دیگـری ماننـد
موقعیــت تــپ چنجر،دمــا، الگــوریتم نــرم افــزاری بکــار گرفتــه شــده، پیــری عــایق و... روی نتــایج اثــر
گذارند.توضیحات بیشتر در این زمینه در مرجع[27]آمده است.
-7-3 دقت پردازش سیگنال در روش زمانی
برای یک سیستم اندازهگیری دیجیتال ، فرکانس نمونهبرداری، مدت زمان نمونهبرداری وتفکیـک پـذیری10
مبـدل آنـالوگ بـه دیجیتـال، پارامترهـای بـسیار مهـم و تعیـین کننـدهای بـرای بدسـت آوردن تـابع تبـدیل
ترانسفورماتور میباشند.
-1-7-3 فرکانس نمونهبرداری
هیچکدام از طیفهای فرکانسی سیگنال نمونـهبـرداری شـده نبایـد در اثـر نمونـهبـرداری، در آن محـدوده
فرکانسی که مورد استفاده قرار میگیرند روی هـم بیفتنـد. بنـابراین طبـق تئـوری نایکوئیـست11 ، مـاکزیمم
فرکانس معتبری از اطلاعات که میتواند ذخیره شود، برابراست با fNyquist که:
(4-3) f sample f Nyquist  2 فرکانسهای بالاتر از fNyquist ، در هنگام باز تولید سیگنال، دارای مولفههای کذایی خواهند بود.

Resolution ١٠ 11 .Nyquist Theory
47
معمولا در اندازهگیریها به منظور حذف اثر نویزها و مولفه های فرکـانس بـالای غیرضـروری، سـیگنال از
یک فیلتر پایین گذر عبور داده می شود.حداقل فرکانس نمونه برداری لازم fmin را میتـوان بـا توجـه بـه بـه
کمک فرکانسهایf0 وfD به صورت زیر محاسبه کرد:
fmin= fD+ f0( 5-3)
که f0 فرکانسی است که طیف مورد نظر تا آن فرکانس محاسـبه مـی گـردد و fD فرکـانس قطـع فیلتـر
پائینگذر میباشد. با اینحال برای تضمین اجتناب از تداخل فرکانسی بایـستی فرکـانس نمونـهبـرداری از دو
برابر فرکانسfD بیشتر باشد.
fmin ≥ 2 fD(6-3)
با انتخاب یک فرکانس نمونهبرداری بالاتر (f2) از فرکانس نمونهبرداری لازمی که شرط رابطـه (6-3)
را برآورده میکند، (f1)، میتوان نویز کوانتیزهکردن12 را کاهش داد. انتخـاب چنـین فرکـانس نمونـهبـرداری
بالاتر، باعث بهبود در نسبت سیگنال به نویز به میزان زیر میشود.[16]
(7-3)

SNR 10 log f2 f1

-2-7-3مدت زمان نمونهبرداری
مدت زمان نمونهبرداری از سیگنالهای اندازه گیری شونده باید بگونـه ای باشـد کـه تفکیـکپـذیری
فرکانسی طیف محاسبه شده توسط FFT مناسب بوده وافزایش انرژی نویز کوانتیزه نیز در نظر گرفته شود که
در ادامه به آنها اشاره می شود.

12 .Quantization
48
با انتقال سیگنالهای اندازه گیری شده به حوزه فرکانس، تفکیکپذیری فرکانس از رابطـه زیـر و بوسـیله
مدت زمان نمونهبرداری T تعیین میشود.
(8-3) 1 f  T برای اینکه بتوان فرکانسهای تشدید و دامنهها در فرکانسهای تشدید یک تابع تبـدیل را تـا حـد ممکـن
صحیح محاسبه کرد، بایستی تفکیکپذیری فرکانس بهتر از ده کیلوهرتز باشد. درنتیجه حـداقل مـدت زمـان
نمونهبرداری باید 100 μs باشد. همچنین با توجه به سیگنالهای میـرا شـوندهای کـه از ضـربه ورودی ظـاهر
میشوند، میتوان یک انرژی سیگنال تعریف و محاسـبه کـرد. متوسـط انـرژی نـویز بـا ضـرب پـراش نـویز
کوانتیزهکننده که مقداری ثابت میباشد در مدت زمان نمونهبرداری حاصل میشود. بنـابراین متوسـط انـرژی
نویز، هم با افزایش مدت زمان نمونهبرداری و هم با افزایش سطح کوانتیزهکردن q مطابق رابطه زیـر افـزایش
می یابد.
(9-3) 2 q Eqf 12 T انتخاب یک مدت زمان نمونهبرداری بیشتر T2 درمقایسه با T1 نیز موجب کاهش نـسبت سـیگنال بـه
نویز با رابطه زیر میشود:
(10-3) T1 SNR 10 log T2 برای اینکه بتوان اثر نویز کوانتیزهکردن را تا حد ممکن کوچک نگه داشت، بایستی وقتی که سـیگنالها
تا اندازه کافی تضعیف شدند ثبت سیگنالها متوقف شود. از طرف دیگر اگر محاسبه صحیح دامنه فرکانـسهای
مشخصی، حتی آنهایی که در محدوده چند کیلوهرتز قرار دارند، مد نظر میباشـد، بایـستی ثبـت سـیگنال تـا
49
میرائی کامل این فرکانسها ادامه یابد. به عنوان یک مصالحه خوب مقدار مدت زمان نمونـهبـرداری برابـر μs
200 انتخاب میشود.[28]
-3-7-3 تبدیل آنالوگ به دیجیتال
تبدیل یک سیگنال زمان پیوسته به صورت دنبالهای از کلمات باینری رمزشده عـددی بـا اسـتفاده از
مبدل آنالوگ به دیجیتال صورت میپذیرد. فرآیند نمـایش یـک متغیـر بـا دسـتهای از مقـادیر متمـایز را نیـز
کوانتیزهکردن مینامند. به دلیل محدود بودن مقادیر کوانتیزهشده خطایی تحت عنوان خطای کوانتیزهکردن رخ
میدهد. این خطا خـود را تحـت عنـوان نـویز کـوانتیزهکـردن در حـوزه فرکـانس نـشان مـیدهـد. خطـای
کوانتیزهکردن به ظرافت سطح کوانتیزهکردن، یعنی به تفکیکپذیری مبـدل A/D بـستگی دارد. اگـر k تعـداد
بیتهای ADC13 باشد ، دقت دامنه سیگنال بصورت زیر تعریف میشود.
a  2−k 1(11-3)
با افزایش تعداد بیتهای ADC نسبت سیگنال به نویز افزایش پیدا کرده و ماکزیمم فرکانسی که به ازای آن
طیف سیگنال در نویزوارد می شود ، افزایش می یابد.جدول((1-3 مقایسه بین دو مبدل 8 و 10 بیتی را برای
ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد نشان میدهد.[28]
جدول(fmax.(1-3 که در آن طیف یک ولتاژ ضربه صاعقه استاندارد در نویز لبریز میشود، به صورت تابعی از تفکیکپذیری مبدل (A/D)

13 .Analog to Digital Convertor
50
فصل 4
انــــــواع روشــــــهای مدلــــــسازی
ترانسفورماتورها
51
یـک ترانـسفورماتور را مـیتـوان بـه صـورت چهـار قطبـی نـشان داده شـده در شـکل (1-4)
درنظرگرفت. برای این چهار قطبی باید مدار معادلی بدست آورد که به عنوان مثال رفتار فرکانسی آن
براساس نتایج اندازهگیری شده باشد. پارامترهای چنین مدار معادلی را میتوان به طرق مختلف تعیین
کرد. یک روش ممکن محاسبه پارامترها، بر پایه ابعاد هندسی ساختمان ترانسفورماتور میباشد. روش
ممکن دیگر روش تحلیلمـدال اسـت کـه در آن پارامترهـای تعریـف شـده در مـدل از روی نتـایج
اندازهگیریهای انجام شده روی ترانسفورماتور محاسبه میشوند.
I2(t)

U2(t) ترانسفورماتور

I1( t)
(U1(t
شکل-1-4 نمایش ترانسفورماتور به صورت یک چهار قطبی
بنابراین میتوان یک ترانسفورماتور را بـسته بـه اینکـه رفتـار ترانـسفورماتور در پایانـههـای آن
موردنظر باشد و یا توزیع ولتاژ و رفتار فرکانسی داخلی آن مورد علاقه باشد مدلسازی کرد. روشهای
مدلسازی را میتوان در سه گروه عمده تقسیم بندی کرد که در زیر توضیح داده میشوند.
-1-4 روشهای مدلسازی جعبه سیاه
اگر تأثیرات متقابل ترانسفورماتور و شبکه تغذیه کننـده مـورد علاقـه باشـد، ترانـسفورماتور بـه
صورت یک جعبه سیاه درنظرگرفته میشود. این مدل وقتی مورد استفاده قرار میگیـرد کـه حالتهـای
گذرا و اضافه ولتاژها در شبکه قدرت مطالعه و تحقیق میشوند.
52
هدف مدلسازی جعبه سیاه این است کـه از مـدل غیرپـارامتری ترانـسفورماتور، بـه فـرم پاسـخ
فرکانسی آن، به یک مدل پارامتری به شکل یک تابع تبدیل و یا به شکل یک مدار معادل [29] برسد.
با توجه به رفتار خطی ترانسفورماتور برای فرکانسهای بزرگتر از 10 kHz میتوان آن را یـک سیـستم
خطی نامتغیر با زمان( LTI) 1 دانست و روند مذکور برآن اعمال نمود. این روش میتواند هم بر مبنای
اندازهگیریهای حوزه فرکانس باشد و هم بر مبنای اندازهگیریهای حوزه زمـان . پاسـخ پلـه یـا ضـربه
اندازهگیری شده و همچنین تحریک ورودی در حوزه زمان به کمک FFT بـه حـوزه فرکـانس منتقـل
میگردند و نهایتاً از آنها تابع تبدیل سیستم مشتق میگردد. تابع تبدیل حاصله مـیتوانـد بـه صـورت
قسمتهای حقیقی و موهومی و یا به صورت تابع دامنه و تابع فاز بیان شود.
تعداد فرکانسهای تشدید در مورد ترانسفورماتورها بسیار متغیر است و میتواند بیش از 20 عـدد
نیز گردد. درنتیجه، روشهای مدلسازی با ساختار ثابت به عنوان یـک مـدل جعبـه سـیاه، آنچنـان در
مدلسازی در حوزه فرکانسی گسترده موفق نخواهند بود. بنابراین بیشتر باید روشهایی موردنظر باشـند
که دارای ساختار متغیراند.
-2-4 بررسی روشهای مدلسازی فیزیکی
در این دیدگاه، موضوع اصلی، رفتار نوسانی ترانسفورماتور و تنشهای الکتریکی بوجود آمـده در
داخل سیمپیچهاست. این روش مشاهده مربوط به مهندس طراح ترانسفورماتور است. مهندس طراح

1 Linear Time-Invariant Sys--
53
باید در مرحله طراحی در مورد عایق بندی سیمپیچها تصمیم بگیرد .[30] این تصمیمگیری بر مبنـای
شبیهسازیهای انجام شده برروی مدلهای فیزیکی است. ساختاراین مدل به صورت یک مدار است کـه
حتی الامکان باید مفاهیم فیزیکی اساسی ترانسفورماتور را دربربگیرد.
در داخل سیمپیچ امکان بروز حالتهای گذرای سریع و خیلی سریع همیشه مطرح است. علت این
پدیده میتواند برخورد صاعقه به خطوط انتقال، کلیدزنی و اغتشاشات دیگر در شـبکه ماننـد اتـصال
کوتاه یا اتصال ترانسفورماتورهای بیبار باشد . در صورت تطابق یکی از فرکانسهای تحریک با یکـی
ازفرکانسهای طبیعی ترانسفورماتور امکان بروز پدیده تشدید در داخل سیمپیچ فراهم مـیگـردد. ایـن
پدیده میتواند عایق سیمپیچ را به طور موضعی تحت تنش الکتریکی قرار دهـد و باعـث خرابـی آن
گردد. البته حفاظتهای معمول ترانسفورماتور مانند برقگیر در جلوگیری از بروز ایـن پدیـده بـیتـأثیر
نیستند. برای اینکه بتوان اضافه ولتاژهای داخلی سیمپـیچ را مطالعـه کـرده و براسـاس آن همـاهنگی
عایقی داخل ترانسفورماتور را درست طراحی کرد بایستی سیمپیچ را به کمک یک مدل پـارامتری بـه
صورت فیزیکی مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد. در رابطه با این موضوع دو روش جهت مدلـسازی و
بررسی وجود دارد که در زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت.
-1-2-4 مدل خط انتقال چند فازه
درنظرگیری سیمپیچ به عنوان یک خط انتقـال همگـن بـا پارامترهـای گـسترده مـیتوانـد نتـایج
ارضاکنندهای را در مورد سیمپیچ لایهای وهمگن ارائه دهد. مدلسازی سـیمپـیچ بـه صـورت خطـوط
54
انتقال سری شده که از لحاظ مکانی با یکدیگر موازی هستند بر اساس تئوری خط انتقـال چنـد فـازه
n)فازه) است. این تئوری بر ماشینهای الکتریکی و ترانسفورماتورها اعمال شده است. در این روش
پارامترهای سیمپیچ بصورت گسترده درنظرگرفته میشوند و رفتار سیمپیچ توسط معادلات خط انتقال
توصیف میگردد.
-2-2-4 مدل مشروح
مدل مشروح یک مدل RLC برای مطالعه و تحقیق رفتار فرکانسی یک سیمپـیچ ترانـسفورماتور
بنا میشود. در روش مدلسازی مشروح کوچکترین عنصر فضایی در سیمپیچ یک حلقه و یا گروهـی
از حلقهها (مثلاً یک بشقاب یا یک جفت بشقاب) میباشد. هر جزء در این مدل معمولاً با یک مـدار
RLC مدل میشود. مدل نتیجه شده را که از چندین جزء مختلف تشکیل شده است میتوان در حوزه
زمان و یا در حوزه فرکانس حل کرد. بسته بـه هـدف مدلـسازی و بـه دلیـل اینکـه رفتـار شـارهای
مغناطیسی درهسته ترانـسفورماتورهای فـشارقوی در فرکانـسهای مختلـف متفـاوت اسـت، مـدلهای
مشروح گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرند. محققان رفتار هسته را در سه حـوزه فرکانـسی دسـته
بندی نموده اند:
- حوزه فرکانسی f < 2 kHz :1
خطوط میدان مغناطیسی به طور عمودی وارد ستونهای هسته میشوند. ظهور جریانهای گردابـی
در هسته به نسبت ضعیف است، به طوریکه شار مغناطیسی مسیر خود را از هسته میبندد. رفتار هسته
55
مشابه رفتار آن در شرایط نامی میباشد. در این حوزه فرکانسی پدیدههای غیرخطی زیر روی میدهد

edit

۱-4. جنبه نوآوری و جدید بودن تحقیق......................................................................................8
۱-5. روش کار..........................................................................................................................9
1-6. فرضیات..........................................................................................................................11
1-7. ساختار پایان نامه..............................................................................................................11
فصل دوم:ادبیات تحقیق
2-1. معرفی شبکه های حسگر بیسیم.........................................................................................13
2-2. تاریخچه شبکه های حسگر...............................................................................................14
2-3. ساختار هر گره حسگر......................................................................................................16
2-3-1. اجزاء درونی یک گره حسگر............................................................................................................17
2-3-2. محدودیت های سخت افزاری یک گره حسگر...................................................................................18
2-4. پشته پروتکلی..................................................................................................................20
2-5. مزایای شبکه های حسگر بیسیم.........................................................................................21
2-6. کاربردهای شبکه های حسگر بیسیم..................................................................................22
2-7. طراحی شبکه های حسگر بی سیم.....................................................................................26
2-8 . طبقه بندی تکنیک های خوشه بندی.................................................................................30
2-8-1. مدل شبکه.........................................................................................................................................30
2-8-2. اهداف خوشه بندی...........................................................................................................................34
2-8-3. طبقه بندی علمی ویژگی های خوشه بندی..........................................................................................37
2-9. الگوریتم ژنتیک..............................................................................................................41
2-9-1. پیش زمینه ی بیولوژیکی ژن ها و کروموزوم ها...................................................................................41
2-9-2. تولید سلول های جدید.......................................................................................................................42
2-9- 3. توضیحات پایه..................................................................................................................................42
2-9-4 . فضای جستجو..................................................................................................................................43
2-9-5 . عملگر های الگوریتم ژنتیک.............................................................................................................43
2-9-5-1.کددهی.........................................................................................................................................44
2-9-5-2 . بررسی نحوه اعمال عملگرها در انواع کددهی................................................................................46
2-10.کلونی مورچگان............................................................................................................48
فصل سوم:پیشینه ی تحقیق
3-1. الگوریتم های خوشه بندی برای شبکه ی گیرنده ی بیسیم................................................52
3-1-1. الگوریتم های زمان همگرایی متغیر...................................................................................................52
3-1-2. الگوریتم های زمان همگرایی ثابت....................................................................................................63
3-1-3 . خوشه بندی با GA...........................................................................................................................78
3-1-3-1. نمایش مسئله..............................................................................................................................78
3-1-3-2. ارزیابی سازگاری.......................................................................................................................79
3-1-3-3 . پنجره ی مقیاس گذاری.............................................................................................................80
3-2. نتیجه گیری.....................................................................................................................81
فصل چهارم: روش کار و شرح روش پیشنهادی
4-1.صورت مساله...................................................................................................................83
4-2.فرضیات...........................................................................................................................83
4-3. انتخاب سر خوشه با الگوریتم ژنتیک.................................................................................87
4-4.خوشه بندی با ACO.........................................................................................................89
4-4-1. شبه کد ACO................................................................................................................90
4-4-2. عمل ACO...................................................................................................................91
فصل پنجم: شبیه سازی و نتایج
5-1.مقدار دهی اولیه................................................................................................................94
5-2.ماتریس ها........................................................................................................................94
5-3.شکل دهی کروموزوم ها..................................................................................................97
5-4.عملیات Crossover و Mutation.....................................................................................98
5-5.خروجی اولیه CH ها و اعمال ACO برای خوشه بندی........................................................99
5-6.مقایسه خروجی LEACH و روش پیشنهادی....................................................................100
5-7.مقایسه مصرف انرژی و عمر شبکه LEACH و روش پیشنهادی.........................................104

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فصل ششم: نتیجه گیری و کارهای آتی
6-1.نتیجه گیری....................................................................................................................107
6-2.کارهای آتی..................................................................................................................108
6-3.محدودیت ها.................................................................................................................109
منابع...................................................................................................................................110
چکیده انگلیسی.....................................................................................................................113
فهرست جدول ها
left43751500عنوانصفحه
3-1. الگوریتم های خوشه بندی................................................................................................76
3-2. طبقه بندی ویژگی های الگوریتم های خوشه بندی............................................................77
فهرست شکل ها
left43370500عنوانصفحه
2-1. معماری ارتباطات شبکه های حسگر بیسیم.........................................................................13
2-2. اجزاء درونی یک گره حسگر...........................................................................................18
2-3. پشته پروتکلی شبکههای حسگر........................................................................................20
2-4. نمونه کاربردهای شبکههای حسگر بیسیم........................................................................26
2-5.فضای حل کروموزوم ها...................................................................................................44
2-6.کددهی جایگشتی............................................................................................................45
2-7.کددهی ارزشی................................................................................................................45
2-8.کددهی درختی................................................................................................................46
2-9.ترکیب و جهش در کددهی دودویی................................................................................46
2-10.ترکیب دو نقطه ای.........................................................................................................47
2-11.ترکیب یکنواخت...........................................................................................................47
2-12.ترکیب حسابی...............................................................................................................47
2-13.ترکیب..........................................................................................................................48
2-14. کلونی مورچگان...........................................................................................................49
3-1. شکل نهایی خوشه بندی...................................................................................................57
3-2. مفهوم سلسله مراتب خوشه ها...........................................................................................58
3-3. ساختار شش گوشه سلولی مجازی....................................................................................60
3-4. الگوریتم FLOC.............................................................................................................65
3-5. پیشرفت الگوریتم ACE را بعد از 3 تکرار.........................................................................68
3-6. ساختار موقعیت درون خوشه ای.......................................................................................72
3-7. ترسیم دوباره از نمونه ای از سلسله مراتب ویژگی...............................................................75
3-8. نمونه ای از خوشه بندی....................................................................................................78
3-9. توزیع نسبی قبل و بعد از سنجش GA................................................................................81
4-1.روند کلی روش پیشنهادی.................................................................................................86
4-2. مراحل Genetic..............................................................................................................89
4-3. کلونی مورچگان.............................................................................................................90
4-4. یک شبه کد برای ACO..................................................................................................91
5-1. عمل Crossover با سیاست Bitmask..............................................................................98
5-2. انتخاب CH ها توسط Genetic........................................................................................99
5-3. نتایج پیاده سازی LEACH............................................................................................101
5-4. نتایج پیاده سازی Genetic – ACO...............................................................................101
5-5. زمان مرگ اولین گره.....................................................................................................102
5-6. مقایسه زمان مرگ گره ها..............................................................................................103
5-7. زمان از کار افتادن شبکه.................................................................................................103
5-8. مقایسه مصرف انرژی.....................................................................................................104
5-9. مقایسه ماندگاری SN ها و طول عمر شبکه......................................................................105
چکیده
این تحقیق به بهبود بهینه سازی طول عمر و مصرف انرژی در شبکه های حسگر بی سیم می پردازد و در نهایت ایجاد خوشه های مناسب در محیط های با تعداد حسگر زیاد. این دو هدف تأثیر عمیق بر روی صلاحیت خدمات شبکه و شکل گیری خوشه ها که یک راه حل مناسب برای دستیابی به آنها است می گذارد. برای حل مسائل بهینه سازی شبکه ی سنسوری، روشی کارآمد مبتنی بر الگوریتم های ژنتیک و کلونی مورچگان را ارائه می دهیم. ما از الگوریتم ژنتیک برای ایجاد سرخوشه هایی با هدف بهبود انرژی در خوشه بندی شبکه های حسگر بیسیم استفاده می کنیم. کلونی مورچگان نیز خوشه های با هدف نزدیکترین فواصل در محیط های پر جمعیت ارائه می کند. هدف اصلی انتقال داده های جمع آوری شده به ایستگاه پایه و ایجاد گره های منطقی به نام سرخوشه می باشد. این مطالعه به بررسی الگوریتم ژنتیک و کلونی مورچگان به عنوان یک روش پویا برای پیدا کردن موقعیت های مطلوب حسگر ها و خوشه ها است. ابزار شبیه سازی در این پایان نامه نرم افزار JAVA می باشد. در نهایت، اجرای الگوریتم پیشنهادی نشان می دهدکه بهره وری این الگوریتم در مقایسه با دیگر آثار شبیه سازی شده بهتر است.
مقدمه
فنآوری اطلاعات خیلی سریع به عنوان یک وسیله ضروری در جامعه مطرح شد. با رشد هر چه بیشتر این فن آوری ضرورت به کارگیری کامپیوتر، برای رفع نیازها، در جامعه روز به روز بیشتر احساس میشود. پیشرفتهای اخیر در کاهش هزینهها و کوچک کردن وسایل محاسباتی، همچنین استفاده از تکنولوژیهای ارتباطی بیسیم و سنسورها، زندگی روزمره بشر را ساده کرده است. شبکههای سنسور یکی از تکنولوژیهای کلیدی در آینده خواهند بود. در سال 1999 مجله تجارت هفتگی این شبکهها را یکی از مهمترین تکنولوژیهای قرن بیست و یکم معرفی کرد[2]. دستگاههای ارزان و هوشمند با چندین سنسور داخل خود که به صورت بیسیم شبکه شدهاند، امکانات بینظیری برای اندازهگیری و کنترل در صنعت، کشاورزی، شهرها و محیط زیست فراهم کردهاند. شبکه های سنسور این تکنولوژی را برای استفاده در طیف وسیعی از سیستمهای دفاعی، شناسایی و نظارت ارائه کردهاند.
شبکههای حسگر بیسیم[1] جهت جمع آوری اطلاعات در مناطقی که کاربر نمیتواند حضورداشته باشد مورد استفاده قرار می گیرند. در یک شبکه حسگر ، حسگرها به صورت جداگانه مقادیر محلی را نمونه برداری (اندازه گیری) می کنند و این اطلاعات را درصورت لزوم برای حسگرهای دیگر و در نهایت برای مشاهده گر اصلی ارسال می نمایند. عملکرد شبکه این است که گزارش پدیده هایی را که اتفاق میافتد به مشاهده گری بدهد که لازم نیست از ساختار شبکه و حسگرها به صورت جداگانه و ارتباط آنها چیزی بداند. این شبکه ها مستقل و خودگردان بوده وبدون دخالت انسان کار میکنند. معمولا تمامی گرهها همسان میباشند و عملاً با همکاری با یکدیگر، هدف کلی شبکه را برآورده می‌سازند. هدف اصلی در شبکههای حسگر بیسیم نظارت و کنترل شرایط و تغییرات جوی، فیزیکی و یا شیمیائی در محیطی با محدوده معین میباشد. پیشرفتهای اخیر در طراحی و ساخت تراشههای تجاری این امکان را به وجود آورده است که عمل پردازش سیگنال و حسکنندگی در یک تراشه انجام گردد که به این قطعات حسگرهای شبکه بیسیم گفته میشود که شامل سیستمهای میکروالکترومکانیکی مانند حسگرها، محرکها و قطعات رادیویی میباشد.
در شبکههای بیسیم حسگر فقط یک یا دو ایستگاه پایه‌ وجود دارد و تعداد زیادی نودهای حسگر در محیط پخش گردیدهاند. به علت محدودیت برد این حسگرها و انرژی باتری خیلی از نودها قادر به ارتباط مستقیم با ایستگاه پایه‌ نمی باشند. اما سریعاً با تکیه بر نودهای نظیر خود و نودهای حسگر دیگر، به ارتباط با ایستگاه پایه‌ می پردازد.
شبکه های حسگر بیسیم، نوع خاصی از شبکه های کامپیوتری هستند که برای انجام کارهای نظارتی تعبیه شده اند. این شبکه ها از تعداد زیادی (حتی هزاران) گره کوچک با قابلیت و قدرت پایین و همچنین ارزان قیمت تشکیل شده اند. این گره ها که هر کدام سنسور نامیده می شوند، می توانند اطلاعاتی را از محیط اطراف خود دریافت کرده و با انجام یکسری عملیات، اطلاعات را برای همسایگان خود ارسال کنند.
فصل اول
کلیات تحقیق
344904160218
1-1.شرح مساله
1-1-1 .تشریح ابعاد : شبکه های حسگر بیسیم، نوع خاصی از شبکه های کامپیوتری هستند که برای انجام کارهای نظارتی تعبیه شده اند. این شبکه ها از تعداد زیادی (حتی هزاران) گره کوچک با قابلیت و قدرت پایین و همچنین ارزان قیمت تشکیل شده اند. این گره ها که هر کدام سنسور نامیده می شوند، می توانند اطلاعاتی را از محیط اطراف خود دریافت کرده و با انجام یکسری عملیات، اطلاعات را برای همسایگان خود ارسال کنند. در شبکه های حسگر بیسیم پروتکل های بسیاری به موضوع مسیریابی پرداخته اند. این پروتکل ها می توانند از دید ساختار شبکه به دسته مسیریابی تخت، سلسله مراتبی و مبتنی بر مکان تقسیم شوند. در مدل تخت همه گره ها نقش یا کار مساوی دارند اما در سلسله مراتبی گره ها نقش مختلفی بازی می کنند و در مدل مبتنی بر مکان نیز از موقعیت گره های سنسور برای مسیردهی داده در شبکه استفاده می شود. انواع مختلف این پروتکل ها در اینجا مورد بررسی قرار گرفته و در مواردی با پارامترهایی با هم مقایسه شده اند.
1-1-2 .حدود مساله : در شبکه های حسگر بیسیم، تعداد زیادی گره با امکانات مخابره، پردازش، حسکردن محیط و غیره در محیطی با چهارچوب معین پراکنده شدهاند. رویداد اتفاق افتاده و یا سوالات پرسیده شده از سوی گره مرکزی HYPERLINK "http://www.ecg-pnum.ir/thesis/index.php?pages=thesis&opt=onel&i=134&l=7693" l "_ftn4" o "" و ماموریت محوله بر هر گره موجب میشود، ارتباطاتی بین گرهها برقرار شود. اطلاعات رد و بدل شده می‌تواند گزارشی از وضیعت محدوده که زیر نظر گرههای حسگر میباشد به گره مرکزی و یا درخواستی از سمت گره مرکزی به سمت گرههای حسگر باشد. گره مرکزی به عنوان درگاه ارتباطی شبکه حسگر با سایر سیستمها و شبکههای مخابراتی، در واقع گیرنده نهایی گزارش از گرههای حسگر میباشد و بعد از انجام یکسری پردازشها، اطلاعات پردازش شده را به کاربر ارسال میکند (با استفاده از یک رسانه ارتباطاتی مانند اینترنت، ماهواره و غیره). از سوی دیگر، درخواستهای کاربر نیز توسط این گره به شبکه انتقال مییابد.
شرح این ایده را به چند قسمت تقسیم کرده و بخش های هر قسمت را تشریح می کنیم.
1-1-3 .معرفی دقیق مسأله : با توجه به منطقه ای که به طور گسترده پوشش داده می شود، طول عمر فعالیت باتری حسگرها و امکان داشتن آسیب گره در طول استقرار، تعداد زیادی حسگر را در برنامه های کاربردی شبکه های حسگر بیسیم احتیاج داریم. پیش بینی شده است که صدها و یا حتی هزاران حسگر گره درگیر خواهد شد. طراحی و کاربرد چنین شبکه بزرگی به مدیریت استراتژی های معماری مقیاس پذیر نیاز دارد. علاوه بر این، حسگرها در چنین محیط های با انرژی محدود شده و باتری هایشان را نمی توانند شارژ کنند. بنابراین، طراحی الگوریتم انرژی آگاهانه یک فاکتور مهم ا برای افزایش طول عمر حسگر می شود. برنامه محوری دیگر اهدافی را طراحی می کنند، به عنوان مثال تشخیص و طبقه بندی وفاداری زیاد، همچنین بررسی می شود.
1-1-4 .بیان جنبه‌های مجهول و مبهم و متغیرهای مربوط به پرسش‌های تحقیق : عواملی چون اقتصادی بودن سیستم، تواناییهای مورد انتظار، تعداد انبوه گرهها و عملی شدن ایدهها در محیط واقعی، موجب گشته هر گره با برخی محدودیتهای سختافزاری مواجه باشد . این محدودیت‌ها عبارتند از:
هزینه پائین: سیستم نهایی از نظر اقتصادی باید مقرون به صرفه باشد. لذا چون تعداد گرهها در یک شبکه بسیار زیاد است، هر چه از هزینه هر گره کاسته شود، صرفه جویی بیشتری در سطح شبکه صورت می‌پذیرد.
حجم کوچک: گرهها به نسبت محدودهای که زیر نظر دارند بخشی را به حجم خود اختصاص میدهند. هر چه این نسبت (حجم گره به محدوده زیر نظر) کمتر باشد، عملکرد شبکه بهتر میباشد و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گرهها جلب توجه نکنند و یا بتوانند در برخی مکانها قرار بگیرند لازم است که حجم بسیار کوچکی داشته باشند.
انرژی مصرفی پائین: منبع تغذیه گرهها محدود میباشد و در عمل معمولاً امکان تعویض یا شارژ مجدد غیرممکن میباشد. لذا باید از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده گردد.
نرخ بیت پائین: به خاطر وجود برخی محدودیتها (انرژی و غیره)، عملا میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در یک گره حسگر پائین است.
خودمختار بودن: هر گره بایستی از سایر گرهها مستقل باشد و بتواند عملکرد خود را طبق تشخیص و شرایط خود انجام دهد.
قابلیت تطبیق پذیری: در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن است شرایط در هر زمانی دچار تغییرات شود. مثلا برخی از گرهها خراب گردند. لذا هر گره باید بتواند وضعیت خود را با شرایط بوجود آمده جدید تطبیق دهد.
1-1-5 .منظور تحقیق : هر سیستم طراحی شده، با توجه به ویژگیهای ذاتی خودش یکسری شرایط و موقعیتهای خاص را میطلبد و در مواقع استفاده در آن شرایط و موقعیتها، نسبت به سیستمهای مشابه خود دارای یکسری مزیتها و معایب میباشد که بایستی در نهایت با یک برآورد ضمنی و با توجه به تمام شرایط موجود، سیستمی که بهترین کارایی نسبت به هزینه را دارد، انتخاب کرد.
پرسش اصلی : آیا می توان روشی برای بهبود عمر شبکه در محیط های بزرگ و ناشناخته ارائه داد و عمر حسگر ها و شبکه را افزایش داد؟
1-2. اهداف
با توجه به سوالات تحقیق اهداف تحقیق را بیان می کنیم :
بررسی شبکه های حسگر بیسیم , الگوریتم ژنتیک و کلونی مورچگان.
ارائه روشی برای خوشه بندی شبکه های حسگر بیسیم و در نهایت بالا بردن عمر شبکه.
ارزیابی خوشه بندی شبکه های حسگر بی سیم بر اساس زمان مرگ اولین حسگر و عمر شبکه.
1-3. سوالات تحقیق
۱- الگوریتم های تکاملی مبتنی بر خوشه بندی کدامند؟
۲- چگونه می توان در شبکه های حسگر بیسیم الگوریتمی مبتنی بر کلونی مورچگان و الگوریتم ژنتیک ارائه داد تا عمر شبکه را بهبود داد؟
3- چگونه می توان روش های بهتری را اعتبار سنجی کرد؟
1-4. جنبه نوآوری و جدید بودن تحقیق
جدید بودن این تحقیق در ترکیب دو الگوریتم می باشد. این دو الگوریتم , الگوریتم ژنتیک و الگوریتم کلونی مورچگان می باشد که هر کدام دارای مزایای مربوط به خود می باشند. الگوریتم ژنتیک در محیط های با تعداد گره زیاد به خوبی کار می کند و الگوریتم کلونی مورچگان در محیط های ناشناخته کارایی بالایی دارد.
1-5. روش کار
روش کار خود را بر اساس سوالات تحقیق بیان می کنیم :
الف) تکنیک های خوشه بندی برای شبکه های حسگر بیسیم در تحقیقات می تواند به طور کلی بر اساس همپوشانی شبکه معماری و مدل عملیاتی و هدف فرآیند خوشه بندی گره ارائه گردد. در این بخش ما بر روی طبقه بندی های مختلف بحث می کنیم و طبقه بندی علمی از ویژگی های خوشه بندی را ارائه می کنیم. ما سپس از این گونه صفات، برای دسته بندی و مقایسه الگوریتم خوشه بندی استفاده می کنیم.
ب) در این تحقیق سعی بر این داریم که مصرف انرژی را در شبکه های حسگر بیسیم کاهش دهیم. ابتدا باید از یک الگوریتم مناسب برای انتخاب سر خوشه ها استفاده کنیم [1]. از الگوریتم ژنتیک برای انتخابCH ها استفاده می کنیم. هر نود معمولی از روش های جبری برای تعیین نزدیکترین سرخوشه بهره می برد.در الگوریتم ژنتیک باید تمام گره ها را به کروموزوم تبدیل کرده و کروموزوم های برگزیده را به عنوان CH انتخاب کنیم. در هنگام تولید سلول های جدید یک تلفیق توسط عمل ادغام صورت می گیرد.در این فرآیند ژن های والد، کروموزوم های جدید را شکل می دهد. این مولود های جدید جهش یافته، یعنی DNA آنها تحول یافته است. این تغییرات ممکن است همراه با خطا در کپی شدن ژن های والد صورت بگیرد. معیار مناسب بودن یک ارگانیسم، با توجه به موفقیت این ارگانیسم در ادامه ی حیات آن تعیین می شود. ما در اینجا تمام گره ها را به کروموزوم تبدیل کرده و شایسته ترین ها را بر می گزینیم. در قسمت بعدی و برای تشکیل خوشه ها از الگوریتم کلونی مورچگان استفاده می کنیم[3]. هر مورچه به سمت یکCH حرکت می کندکه به او نزدیکتر است. در واقع ما دو عمل تنظیمات و ارتباطات داریم. در مرحله ی Setup با استفاده از الگوریتم ژنتیک CH , را انتخاب می کنیم و در مرحله Communication با استفاده از الگوریتم ACO خوشه ها را تشکیل می دهیم. این چرخه در طول عمر شبکه چندین بار اجرا می شود. زیرا در هر عمل انتقال انرژی گره ها کاهش می یابد. با بازگشت به قسمت Setup باید CH جدید را با استفاده از الگوریتم ژنتیک انتخاب کرده و مجددا در قسمت Communication خوشه های جدید را بسازیم. در الگوریتم ژنتیک سعی بر این داریم که یک fitness function کارا و بهینه معرفی کنیم تا به CH هایی با بهتری برسیم. در ACO هرمورچه با توابعی که برای آن معرفی می کنیم به سمت CH با فاصله ی کمتر نسبت به خود حرکت می کند. در نهایت این ایده به افزایش عمر شبکه کمک می کند.
ج) در ادامه ی مشکلات خوشه بندی همچنان می توان با ارائه روش هایی که معیار های بهبود خوشه بندی را جزئی تر مورد بررسی قرار می دهند نتایج بهتری گرفت. در ارائه ی این الگوریتم پیشنهادی فاکتور عمر شبکه در محیط های بزرگ و ناشناخته در نظر گرفته شده است.
1-6.فرضیات
در این تحقیق نود ها همگن هستند یعنی همه ی آنها دارای خصوصیات یکسانند.
عملیات انتقال داده ها به صورت تک قطبی می باشد.
فقط یک ایستگاه پایه وجود دارد که همه ی خوشه ها اطلاعات خود را به آن می فرستند.
فرض بر این است که فضای مساله بزرگ و تعداد گره ها زیاد است.
گره ها ایستا می باشند و متحرک نیستند.
1-7. ساختار پایان نامه
در فصل دوم پایان نامه ادبیات تحقیق را بررسی می کنیم. در فصل سوم ایده ها , روش ها و الگوریتم های گذشته را در مورد شبکه های حسگر بیسیم مورد بررسی قرار می دهیم. در فصل چهار روش پیشنهادی خود را ارائه کرده و تشریح می کنیم. نتایج شبیه سازی , نتیجه گیری و کارهای آتی در دو فصل آخر مورد بررسی قرار می گیرد.
فصل دوم
ادبیات تحقیق
523034156589
2-1 .معرفی شبکه های حسگر بیسیممعماری ارتباطات شبکههای حسگر بیسیم در شکل 2-1 دیده میشود . در شبکه های حسگر بیسیم، تعداد زیادی گره با امکانات مخابره، پردازش، حسکردن محیط و غیره در محیطی با چهارچوب معین پراکنده شدهاند. رویداد اتفاق افتاده و یا سوالات پرسیده شده از سوی گره مرکزی و ماموریت محوله بر هر گره موجب میشود، ارتباطاتی بین گرهها برقرار شود. اطلاعات رد و بدل شده می‌تواند گزارشی از وضیعت محدوده که زیر نظر گرههای حسگر میباشد به گره مرکزی و یا درخواستی از سمت گره مرکزی به سمت گرههای حسگر باشد. گره مرکزی به عنوان درگاه ارتباطی شبکه حسگر با سایر سیستمها و شبکههای مخابراتی، در واقع گیرنده نهایی گزارش از گرههای حسگر میباشد و بعد از انجام یکسری پردازشها، اطلاعات پردازش شده را به کاربر ارسال میکند (با استفاده از یک رسانه ارتباطاتی مانند اینترنت، ماهواره و غیره). از سوی دیگر، درخواستهای کاربر نیز توسط این گره به شبکه انتقال مییابد.

شکل2-1: معماری ارتباطات شبکه های حسگر بیسیم
یک گره حسگر می‌تواند یکی از دو نقش تولید کننده داده‌ها و یا رله کننده داده‌های تولید شده توسط سایر گره‌ها را بر عهده بگیرد. عموماً در شبکه‌های حسگر، اغلب گره‌ها هر دو نقش را به صورت توأم ایفا می‌کنند. برپایی و طراحی ساختار و معماری ارتباطات بین گرههای شبکه نیازمند رعایت فاکتورهای مختلف و زیادی از جمله تحملپذیری خطا، مقیاس پذیری، هزینه تولید، محیط عملیات، توپولوژی شبکه حسگر، محدودیتهای سخت افزاری، ابزار و رسانه ارتباط، انرژی مصرفی و غیره میباشد.
2-2 .تاریخچه شبکه های حسگراولین نمونههای شبکه های حسگر برای کاربردهای نظامی طراحی و اجرا شدند تا نیروهای ارتشی بتوانند در یک منطقه جدید، بدون نیاز به برپا کردن تجهیزات خاص مرتبط با زیر ساخت شبکه با هم ارتباط داشته باشند. طبیعت پویا و متغیر محیط فعالیت ارتشها باعث میشود استفاده از تجهیزات شبکههای ثابت چندان مناسب به نظر نرسد. از سوی دیگر روشهای دیگر ارتباطات بیسیم در فرکانسهای بالای Mhz100 کار میکنند، پس تنها هنگامی که دید مستقیم وجود داشته باشد ارتباط برقرار است. این مشکلات به خوبی با استفاده از شبکههای حسگر برطرف میشود. زیرا ارتباط در این شبکهها چندگامه است یعنی بین مبدا و مقصد لازم نیست دید مستقیم وجود داشته باشد و یا حتی این دو در محدوده امواج یکدیگر باشند، بلکه با استفاده از تعدادی گره میانجی، ارتباط مبدا و مقصد برقرار میشود. لازم به یادآوری است که اجزای تشکیل دهنده شبکههای حسگر تنها همان گرهها هستند و نیازی به تجهیزات از پیش تعیین شده ندارند.
تاریخچه‌ی شبکه‌های حسگر به دوران جنگ سرد (اواسط دهه‌ی 1950 میلادی)[3] و سیستم نظارت صوتی باز می‌گردد. این سیستم توسط ایالات متحده و به منظور شناسائی و ردیابی زیردریائی‌های اتحاد جماهیر شوروی در بستر اقیانوس ارام شمالی تعبیه شده بود. این شبکه یک توری گسترده از هایدروفونها می‌باشد که توسط کابل به یکدیگر متصل شده و محیط اقیانوس را تحت پوشش قرار داده‌اند. این سیستم در حال حاضر توسط مؤسسه‌ی ملی NOAA به منظور نظارت بر پدیده‌های جاری در بستر اقیانوس مورد استفاده قرار می‌گیرد.
روند استفاده از شبکههای حسگر در سالهای پایانی دهه 80 و سالهای اغازین 90 توسط وزارت دفاع امریکا، DARPA و چند کشور دیگر ادامه داشت و نوآوریهایی هم توسط گروه های تحقیقاتی در دانشگاهها انجام میشد. در اواسط دهه 90 با تعریف برخی استانداردها از جمله IEEE 1999 فناوری‌های تجاری هم پا به عرصه وجود گذاشتند و گروههای مختلف تحقیقاتی فعال در زمینه ارتباطات بیسیم وارد بازار وسیع بالقوه غیرنظامی شدند. در حقیقت نمونههایی هم که اکنون کاربرد تجاری پیدا کردهاند حاصل تلاشهای انجام شده در محیطهای تحقیقاتی سالهای نخستین بوده است.
2-3 .ساختار هر گره حسگر
شبکه های سنسور بی سیم در دامنه گسترده ای از کاربردهای بالقوه استفاده می شوند همچون کنترل محیط، عملیات ارتشی، مسیریابی هدف، سیستم نظارت، کنترل حرکت وسایل نقلیه، تشخیص زلزله، سیستم های کنترل بیماری، سیستم کنترل آلودگی و غیره. این شبکه ها شامل گره حسگر هایی هستند که قادر به کنترل و پردازش داده ها از مکان های جغرافیایی خاص و ارسال موارد مشابه به مکان های دور دستی می شود که ایستگاه پایه نامیده می شود. WSN شامل ابزار الزامی منابع به صورت کوچک و ارزان است که در میان یکدیگر با استفاده از ارتباطات بی سیم چند مرکزی مرتبط می شوند. هر گره از WSN بعنوان SN نامیده می شود که حاوی یک سنسور، پردازشگر موجود، حافظه محدود شده، رادیوی کم – توان است و بصورت نرمال با باتری کار می کند. از انجا که گره حسگر بعنوان کوچکترین عنصر خودمختار یک شبکه حسگر شناخته میشود، برای طراحی الگوریتم‌ها و پروتکل‌های مناسب برای این شبکه‌ها لازم است که اجزاء و تجهیزات یک گره و محدودیتهای سختافزاری آن شناخته شود. در این بخش پس از معرفی اجزاء یک گره حسگر، مشخصات یک نمونه گره واقعی بیان میشود.
2-3-1 .اجزاء درونی یک گره حسگرهر گره حسگر به یکسری تجهیزات درونی مجهز است که وجود هر کدام، طبق وظیفه و شرایط احتمالی هر گره، ضروری میباشد. اجزاء درونی یک گره در شکل2-2 آمده است.وظایف هر یک از این اجزاء به شرح زیر می‌باشد :
حسگر: حسگر با حس محیط، میزان تغییرات پارامتر خاصی از محدوده حس خود در محیط را در قالب یک سیگنال الکتریکی ارائه میدهد.
مبدل انالوگ به دیجیتال: ممکن است سیگنال دریافتی از بخش حسگر ماهیت آنالوگ داشته باشد. لذا این بخش سیگنال مربوطه را به دیجیتال تبدیل میکند تا در بخشهای بعدی پردازش براحتی صورت گیرد.
پردازنده: پردازنده مرکزی گره میباشد. تمام کنترل روال کاری گره و همچنین عملیات محاسباتی و پردازشی بر روی اطلاعات گره در این بخش صورت میگیرد.
حافظه: جهت ذخیره سازی اطلاعات لازم برای پردازش و یا دادههای دریافت شده به طور موقت و ریز برنامههای مورد نیاز استفاده میشود.
فرستنده و گیرنده: جهت برقراری ارتباط با سایر گرهها میباشد.
منبع تغذیه: جهت فراهم سازی و تخصیص انرژی مصرفی مورد نیاز برای هر کدام از اجزاء به کار می‌رود. در هر گره قطعاً از یک باتری استفاده میشود که با توجه به شرایط خاص مورد استفاده ممکن است با نور آفتاب نیز قابل شارژ باشد، ولی اکثراً چنین نیست. درون گره نیز هر جزء به نیروی مصرفی خاصی نیاز دارد که بایستی قدرت و انرژی مصرفی کل، بطوری بین اجزاء تقسیم و کنترل شود که صرفاً موقع نیاز صرف گردد.
سیستم موقعیتیاب: در برخی از گرهها تعبیه شده است و در بسیاری نیز وجود ندارد و جهت انجام عملیات موقعیتیابی گرهها میباشد.
واحد متحرکساز: در برخی از گرهها تعبیه شده است و در بسیاری نیز وجود ندارد و جهت متحرک ساختن گره به منظور خاصی مثل چرخیدن و یا جابجایی جزئی گره است.

شکل2-2: اجزاء درونی یک گره حسگر
2-3-2. محدودیت های سخت افزاری یک گره حسگر
عواملی چون اقتصادی بودن سیستم، تواناییهای مورد انتظار، تعداد انبوه گرهها و عملی شدن ایدهها در محیط واقعی، موجب گشته هر گره با برخی محدودیتهای سختافزاری مواجه باشد . این محدودیت‌ها عبارتند از:
هزینه پائین: سیستم نهایی از نظر اقتصادی باید مقرون به صرفه باشد. لذا چون تعداد گرهها در یک شبکه بسیار زیاد است، هر چه از هزینه هر گره کاسته شود، صرفه جویی بیشتری در سطح شبکه صورت می‌پذیرد.
حجم کوچک: گرهها به نسبت محدودهای که زیر نظر دارند بخشی را به حجم خود اختصاص میدهند. هر چه این نسبت (حجم گره به محدوده زیر نظر) کمتر باشد، عملکرد شبکه بهتر میباشد و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گرهها جلب توجه نکنند و یا بتوانند در برخی مکانها قرار بگیرند لازم است که حجم بسیار کوچکی داشته باشند.
انرژی مصرفی پائین: منبع تغذیه گرهها محدود میباشد و در عمل معمولاً امکان تعویض یا شارژ مجدد غیرممکن میباشد. لذا باید از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده گردد.
نرخ بیت پائین: به خاطر وجود برخی محدودیتها (انرژی و غیره)، عملا میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در یک گره حسگر پائین است.
خودمختار بودن: هر گره بایستی از سایر گرهها مستقل باشد و بتواند عملکرد خود را طبق تشخیص و شرایط خود انجام دهد.
قابلیت تطبیق پذیری: در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن است شرایط در هر زمانی دچار تغییرات شود. مثلا برخی از گرهها خراب گردند. لذا هر گره باید بتواند وضعیت خود را با شرایط بوجود آمده جدید تطبیق دهد.
2-4 .پشته پروتکلیمطابق شکل2-3 پشته پروتکلی شبکههای حسگر از یک طرف دارای پنج لایه شامل لایه های فیزیکی، پیوند و کنترل رسانه انتقال، شبکه، انتقال و کاربرد و از طرفی دارای سه فاز مدیریت انرژی، مدیریت حرکت و مدیریت وظیفه است . وظیفه لایه فیزیکی عملیات مدولاسیون و ارسال و دریافت در سطح پایین میباشد. لایه کنترل دسترسی رسانه باید قادر باشد با حداقل تصادم به روش پخش همگانی با هر گره همسایه ارتباط برقرار کند. لایه شبکه وظیفه مسیریابی را بر عهده دارد. لایه انتقال وظیفه مدیریت جریان انتقال بستهها را در صورت نیاز کاربرد بر عهده دارد. بسته به کاری که شبکه برای آن طراحی شده انواع مختلف نرمافزارهای کاربردی میتواند روی لایه کاربرد استفاده شود و خدمات مختلفی را ارائه نماید.

شکل 2-3: پشته پروتکلی شبکههای حسگر
فاز مدیریت انرژی با دخالت در کلیه لایهها، چگونگی مصرف انرژی برای گره را تعیین می‌کند. در واقع برای کاهش مصرف انرژی به الگوریتمها و پروتکلهای انرژی آگاه نیازمندیم. مثلا اینکه یک گره پس از دریافت یک پیغام از یکی از همسایگانش، دریافت کنندهاش را خاموش کند باعث جلوگیری از دریافت دوباره پیغام و در نتیجه کاهش مصرف انرژی می‌گردد. ایده دیگری که میتواند همزمان استفاده شود این است که گرهای که به سطح پایین انرژی رسیده به همسایههایش اعلام همگانی میکند که انرژیاش در حال اتمام است و نمیتواند در مسیردهی پیغامها شرکت داشته باشد. گرههای همسایه پس از آن، پیغامها را از طریق گرههای دیگر مسیردهی خواهند کرد. فاز مدیریت حرکت، که به بکارگیری روشهای مکان آگاه در لایههای مختلف بر میگردد، جابجایی گره را تشخیص داده و ثبت میکند بنابراین رد گره متحرک دنبال و در صورت لزوم مدیریت میشود. فاز مدیریت وظیفه وظایف گرهها را زمانبندی کرده و متعادل میسازد. مثلا اگر وظیفه حس به یک ناحیه معین محول شد همه گرههای حسگر آن ناحیه لازم نیست عملیات حس را بطور همزمان انجام دهند بلکه این وظیفه میتواند بسته به کاربرد به برخی گرهها مثلا به گرههایی که قابلیت اطمینان بیشتر یا ترافیک کمتر یا انرژی بیشتر دارند محول شود.
2-5 .مزایای شبکه های حسگر بیسیم
هر سیستم طراحی شده، با توجه به ویژگیهای ذاتی خودش یکسری شرایط و موقعیتهای خاص را میطلبد و در مواقع استفاده در آن شرایط و موقعیتها، نسبت به سیستمهای مشابه خود دارای یکسری مزیتها و معایب میباشد که بایستی در نهایت با یک برآورد ضمنی و با توجه به تمام شرایط موجود، سیستمی که بهترین کارایی نسبت به هزینه را دارد، انتخاب کرد. در ذیل ابتدا مزایای شبکه های حسگر بیسیم و سپس یکسری کاربردهای چنین شبکه های لیست شده است.
طبق ساختار گرهها و شبکه و نحوه معماری ارتباطات که در بخشهای گذشته مشاهده شد، میتوان یک سری مزیتهای شبکه های حسگر بیسیم، نسبت به سایر سیستمها برای انجام کارهای مشابه، استخراج نمود و به ترتیب ذیل لیست نمود.
برپایی سریع در مواقع اضطراری و فوری
مناسب بودن در محیطهای که بایستی پارازیت و اختلال نباشد
اجتناب از قرار گرفتن در محیطهای خطرناک و غیر عاقلانه برای مطالعات مکرر
شیوه اقتصادی مقرون به صرفه برای جمع آوری اطلاعات در طولانی مدت
2-6 .کاربردهای شبکه های حسگر بیسیم
از ویژگی‌های مناسب یک تکنیک یا یک سیستم، قابلیت استفاده از ان در سناریوها و کاربردهای متعدد و مختلف می‌باشد. [2]مخصوصاً اگر یک سیستم بتواند وظیفه خود را بصورت مستقل و کامل انجام دهد و قابلیت تبادل اطلاعات با سایر سیستم‌ها از طریق پروتکل‌های استاندارد را داشته باشد. شبکههای حسگر بیسیم برای مشاهده و بررسی آماری و همینطور پیگردی یک یا چند هدف معین در محیط مدنظر میباشد. با توجه به ویژگیهای ذاتی شبکههای حسگر میتوان از انها در کاربردهای مختلف استفاده کرد. از این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
میدانهای جنگی:
همانطور که در قسمت (الف) و (ب) شکل 2-4 دیده میشود، در میدانهای جنگی میتوان جهت شناسایی و بررسی اماری تجهیزات و نیروی دشمن، کلاسبندی و پیگیری نحوه ارایش و مسیر حرکت نیروهای دشمن و یا نیروهای خودی از شبکه‌های حسگر استفاده نمود.
شناسایی محیطهای الوده:
در محیطهای مختلف امکان وجود الودگیهای مختلفی است. لذا با استفاده از چنین شبکههایی میتوان وجود الودگیهای مشخصی را در سطح محیط تحت نظر، چک کرد و حتی میزان غلظت الودگی در قسمت‌های مختلف را بررسی نمود.
نظارت بر محیط زیست:
از دیرباز انسان به دنبال کشف مجهولات و زیباییهای جهان بوده است. بسیاری از تحقیقات در زمینه محیط زیست نیازمند انجام مطالعات مکرر و متمرکز و صرف زمان زیادی جهت جمع آوری اطلاعات میباشد که معمولا از حوصله و توانایی انسان خارج میباشد. لذا می‌توان در اینگونه تحقیقات از دستگاههای دیدهبانی، تحلیلگر و ذخیره کننده نتایج استفاده کرد. ازسوی دیگر، به خاطر وجود برخی شرایط محیط زیست اکثر کارهای تحقیقاتی باید در سکوت و آرامش صورت گیرد تا وجود انسان و تجهیزات در محیط اثر منفی در عملکرد غریزهای و واقعی موجودات نداشته باشد و موجب کاهش کیفیت تحقیق نگردد. از این رو معمولا تمام سیستمهای نظارتی قابلیت کنترل از راه دور را دارند. همانطور که در قسمتهای (پ) و(ت) شکل 2-4 دیده میشود، کوچک بودن گرههای حسگر، قابلیت قرار گرفتن در هر گوشه کناری حتی لابلای برگ درختان، کسب اطلاعات در حد جزئیات زیاد، نداشتن تاثیرات مضر زیست محیطی، ذخیره اطلاعات در صورت اتفاق افتادن رخداد مدنظر و عدم تداخل با سایر سیستمهای مخابراتی میتواند دلایل مناسبی جهت توجیه استفاده از شبکههای حسگر نسبت به سایر سیستمهای مشابه در اینگونه کاربردهای نظارتی باشد. در مواردی همچون بررسی وضعیت آب و هوای جوی محیط، بررسی وضعیت ظاهری محیط بخصوص محیط سرسبز و جنگلی، بررسی رشد و نمو گیاهان و موجودات، موقعیتیابی و پیگیری موجودات معین در محیط زیست میتوان از قدرت بالای شبکههای حسگر در امر نظارت استفاده کرد.
بررسی و تحلیل وضعیت بناهای ساختمانی:
بسیاری از سازمانها و موسسات تحقیقاتی در زمینه عمران و مسکن برای انجام مطالعات و تحقیقات خود از وضعیت بناهای مدنظر در طول زمان یا در هنگام بروز حوادث طبیعی بخصوص زلزله نیازمند استفاده از تجهیزات نظارتی میباشند تا اطلاعاتی مانند میزان فشار و تحمل مصالح، وجود ترک، میزان اسیب وارده، وضعیت فرسودگی، امنیت و حفاظت ساختمان و سایر جزئیات مرتبط با هدف تحقیقات را در مورد بناهائی مثل ساختمانهای قدیمی، پلها، سدها، موزهها وغیره جمع اوری کنند (قسمت (ث) شکل2-4). با توجه به تواناییهای شبکههای حسگر میتوان مدعی شد که این سیستم بهترین و کارسازترین تکنیک در این زمینه تحقیقات میباشد.
در جادهها و بزرگراههای هوشمند:
امروزه یکی از مشکلات بزرگ شهری، کنترل وضعیت ترافیک در سطح شهر میباشد. همانطور که در قسمت (ج) شکل 2-4 دیده میشود با برپایی شبکهای از گرههای حسگر در سطح شهر و قرار دادن گرهها در بزرگراهها و خیابانهای شهر میتوان بزرگراهها و خیابانها را هوشمند ساخت و از وضعیت تراکم عبور و مرور وسایل نقلیه و یا بروز حوادث در نقاط تحت نظر گرههای حسگر، اطلاع یافت و در نهایت در کل سطح شهر وضعیت ترافیک و تصادفات را شناسایی و پیگیری نمود .
کاربردهای مختلف در زمینه پزشکی:
در زمینه بررسی و مطالعات پزشکی در مورد موجودات و یا گیاهان جهت آگاهی از وضعیت جسمانی میتوان از گرههای حسگر استفاده نمود. این استفاده می‌تواند در موارد مختلفی از جمله قرار دادن گرهها در لایههای زیر پوست برای انجام مطالعات مکرر در طی مدت نسبتاً طولانی، دستگاههای پزشکی و بخصوص در زمینه فیزیک پزشکی و غیره باشد.

شکل 2-4:  نمونه کاربردهای شبکههای حسگر بیسیم
2-7 .طراحی شبکه های حسگر بی سیمعوامل متعددی در طراحی شبکههای حسگر موثر است و موضوعات بسیاری در این زمینه مطرح است که بررسی تمام آنها در این نوشتار نمیگنجد از این رو تنها به ذکر برخی از انها بطور خلاصه اکتفا میکنیم.
1- مسیریابی : ماهیت اصلی شبکههای حسگر به این صورت است که کارهایی که انجام میدهند باید به صورت محلی باشد چرا که هر گره تنها میتواند با همسایه های خود ارتباط برقرار کند و اطلاعات کلی و سراسری از شبکه چندان در دسترس نیست (جمعاوری این اطلاعات هزینه و زمان زیادی را مصرف میکند). اطلاعات بدست امده توسط گرهها، باید با استفاده از تکنیکهای مسیریابی، به نحوی به گره مرکزی ارسال گردد.
2- تنگناهای سختافزاری : هرگره ضمن اینکه باید کل اجزاء لازم را داشته باشد باید به حد کافی کوچک، سبک و کم حجم نیز باشد. در عین حال هر گره باید انرژی مصرفی بسیار کم و قیمت تمام شده پایین داشته و با شرایط محیطی سازگار باشد. اینها همه محدودیتهایی است که کار طراحی و ساخت گره‌های حسگر را با چالش مواجه میکند. ارائه طرحهای سختافزاری سبک و کم حجم در مورد هر یک از اجزای گره بخصوص قسمت ارتباط بیسیم و حسگرها از جمله موضوعات تحقیقاتی است که جای کار بسیار دارد. پیشرفت فناوری ساخت مدارات مجتمع با فشردگی بالا و مصرف پایین، نقش بسزایی در کاهش تنگناهای سختافزاری داشته است.
3- تحملپذیری خطا و قابلیت اطمینان : هر گره ممکن است خراب شود یا در اثر رویدادهای محیطی مثل تصادف یا انفجار بکلی نابود شود یا در اثر تمام شدن منبع انرژی از کار بیفتد. منظور از تحمل‌پذیری یا قابلیت اطمینان این است که خرابی گرهها نباید عملکرد کلی شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. در واقع میخواهیم با استفاده از اجزای غیر قابل اطمینان یک شبکه قابل اطمینان بسازیم.
4- توپولوژی : توپولوژی شبکه یکی از مفاهیم اولیه در شبکههای حسگر است که دیگر موارد نظیر مسیریابی و غیره بر روی آن تعریف میشود. ساختارهای زیادی در توپولوژی مطرح است که بر اساس اولویتهای مختلف و در شرایط متفاوت یکی بر دیگری برتری دارد. از جمله مواردی که در انتخاب یک ساختار تاثیر میگذارد میتوان به مصرف انرژی کمتر، تنک بودن ساختار، کم بودن درجه گره، تحملپذیری خطا و تداخل اشاره کرد.
5- مقیاسپذیری : شبکه باید هم از نظر تعداد گره و هم از نظر میزان پراکندگی گرهها مقیاسپذیر باشد. بعبارت دیگر شبکه حسگر از طرفی باید بتواند با تعداد صدها، هزارها و حتی میلیونها گره کار کند و از طرف دیگر، چگالی توزیع متفاوت گرهها را نیز پشتیبانی کند. در بسیاری کاربردها توزیع گرهها تصادفی صورت میگیرد و امکان توزیع با چگالی مشخص و یکنواخت وجود ندارد یا گرهها در اثر عوامل محیطی جابجا میشوند. بنابراین چگالی باید بتواند از چند عدد تا چند صد گره تغییر کند. موضوع مقیاسپذیری به روشها نیز مربوط میشود برخی روشها ممکن است مقیاسپذیر نباشند یعنی در یک چگالی با تعداد محدود از گره کار کند. در مقابل برخی روشها مقیاسپذیر هستند.
6- شرایط محیطی : طیف وسیعی از کاربردهای شبکههای حسگر مربوط به محیطهایی میشود که انسان نمیتواند در آن حضور داشته باشد. مانند محیطهای آلوده از نظر شیمیایی، میکروبی، هستهای و یا مطالعات در کف اقیانوسها و فضا و یا محیطهای نظامی به علت حضور دشمن و یا در جنگل و زیستگاه جانوران که حضور انسان باعث فرار انها میشود. در هر مورد، شرایط محیطی باید در طراحی گرهها در نظر گرفته شود مثلا در دریا و محیطهای مرطوب گره حسگر در محفظهای که رطوبت را منتقل نکند قرار می‌گیرد.
7- رسانه ارتباطی : در شبکههای حسگر ارتباط گرهها بصورت بیسیم و از طریق رسانه رادیویی، مادون قرمز، یا رسانه‌های نوری صورت میگیرد. در رسانه رادیویی که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد از باندهای مختلف صنعتی، علمی و پزشکی که در اکثر کشورها آزاد است استفاده میشود. تعیین فرکانس در این رسانه با توجه به برخی محدودیتهای سختافزاری، کارائی آنتن و مصرف انرژی است. به خاطر لزوم دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده، رسانه مادون قرمز چندان مورد استفاده شبکههای حسگر نیست هرچند ساختن انها ارزان و آسان است. اخیرا، رسانه نوری به عنوان رسانه ارتباطی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله این توجهات میتوان به استفاده از آن در ذره غبار هوشمند اشاره کرد . انتخاب رسانه ارتباطی از بین این سه رسانه (رادیویی، مادون قرمز و نوری) با توجه به محدودیتها و ویژگیهای کاربرد مورد نظر از مسائل مطرح در طراحی شبکههای حسگر است.
8- افزایش طولعمر شبکه : طولعمر گرهها بعلت محدودیت انرژی منبع تغذیه کوتاه است. علاوه بر آن در برخی مواقع، موقعیت ویژه یک گره در شبکه مشکل را تشدید میکند. مثلاً گرهای که در فاصله یک قدمی گره مرکزی قرار دارد از یک طرف بخاطر بار کاری زیاد خیلی زود انرژی خود را از دست میدهد و از طرفی از کار افتادن آن باعث قطع ارتباط گره مرکزی با کل شبکه و در نتیجه موجب از کار افتادن شبکه میشود. مشکل تخلیه زود هنگام انرژی در مورد گرههای نواحی کم تراکم در توزیع غیر یکنواخت گرهها نیز صدق میکند در اینگونه موارد داشتن یک مدیریت انرژی در داخل گرهها و ارائه راهحلهای انرژیآگاه بطوری که از گرههای بحرانی کمترین استفاده را بکند مناسب خواهد بود. با توجه به مطالب بیان شده تمام الگوریتمها و تکنیکهای مورد استفاده در شبکههای حسگر به انرژی بعنوان یک محدودیت جدی نگاه میکنند و سعی میکنند با آگاهی از سطح انرژی مصرفی عمل کنند تا کمترین انرژی مصرف گردد و در نتیجه افزایش طولعمر شبکه حسگر را به دنبال داشته باشد.
2-8. طبقه بندی تکنیک های خوشه بندی
ما بر اساس یکسری معیار ها که شرایط را برای ما تعیین می کنند می توانیم خوشه بندی های متفاوتی را به شبکه ی خود اعمال کنیم. این تکنیک ها را می توانیم طبقه بندی کنیم.
2-8-1. مدل شبکه
معماری های مختلف و طراحی اهداف / محدودیت ها برای برنامه های مختلف WSN ها بررسی شده است. در زیر برخی از پارامترهای مربوطه معماری و مشخص کردن پیامدهایشان در شبکه خوشه بندی آمده است:
• پویایی شبکه: اصولا WSN ها از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند: گره های حسگر، ایستگاه پایه و رویدادهای نظارتی. گذشته از این چند راه اندازی که از شبکه های سیار استفاده می کند ، بسیاری از معماری های شبکه فرض می کنند که گره های حسگر ثابت هستند. گاهی اوقات حمایت از تحرک ایستگاه پایه یا CH ضروری است.
تحرک گره خوشه بندی بسیار چالش برانگیزی را از زمان عضویت گره تا تغییرات دینامیکی، اجبار خوشه بندی در طول زمان تکامل را داشته است. از سوی دیگر، اتفاقاتی که توسط یک حسگر می تواند به طور متناوب یا پیوسته انجام شود مورد نظارت قرار می گیرد. مثلاً در یک هدف برنامه شناسایی / ردیابی، رویدادی (پدیده) پویا است که نظارت درخت کاری برای پیشگیری از آتش گیری درخت یک مثال از وقایع متناوب است.
نظارت بر وقایع متناوب به شبکه اجازه کار در یک حالت واکنشی، به سادگی ایجاد ترافیک در هنگام گزارش را می دهد. رویدادهای مستمر در اکثر برنامه های کاربردی نیاز به گزارش های دوره ای و به تبع آن تولید ترافیک قابل توجهی به مسیرهای گود افتاده دارند.
اگرچه رویدادهای مستمردر اغلب خوشه های پایدار اتفاق می افتند، اما ممکن است به طور نامنظمی CH های مربوط به گره ها را در خوشه بندی پر نکند و یک چرخش نقش CH ممکن است لازم باشد اگر CH به طور تصادفی از جمعیت حسگر برداشته شود. رویداد های تناوبی از استراتژی های خوشه تطبیقی حمایت می کند اگر تعداد رویدادها به میزان قابل توجهی نوسان کند.
• پردازش داده ها در شبکه: از آنجایی که گره های حسگر ممکن است داده های حشو قابل توجهی تولید کند، بسته بندی های مشابه از گره های متعدد را می توان جمع آوری کرد به طوری که تعدادی از انتقالات کاهش می یابند. تجمع داده ها از اطلاعات منابع مختلف با استفاده از توابعی مثل (با حذف موارد تکراری)، حداقل، حداکثر و میانگین ترکیب می شوند.
برخی از این توابع می تواند تا حدی یا به طور کامل در هر گره حسگر توسط گره حسگر بازدید کنندگان برای هدایت کاهش داده های شبکه اجرا شوند. شناختی که مصرف انرژی کمتر از ارتباطات را محاسبه می کند، انرژی قابل توجهی صرفه جویی را می تواند از طریق تجمع داده ها به دست آورد. این روش برای دستیابی به صرفه جویی انرژی و بهینه سازی ترافیک در تعدادی از پروتکل مسیریابی استفاده شده است.
در بعضی از ساختارهای شبکه ای، همه توابع تجمع به گره های قدرتمند تر و تخصصی تر اختصاص داده می شوند. تجمع داده ها نیز از طریق تکنیک های پردازش سیگنال امکان پذیر است. در آن صورت، این موضوع اشارده می کند که به عنوان همجوشی داده ها که در آن یک گره با کاهش سر و صدا قادر به تولید یک سیگنال دقیق تر است با استفاده از برخی از تکنیک ها مانند پرتودهی به ترکیب سیگنال ها می پردازند.
این موضوع برای انتظار CH ها مشهود خواهد بود تا تجمع / همجوشی داده ها را انجام دهد که ممکن است انتخاب CH تنها گره تخصصی را محدود کرده و یا نیاز به محدود کردن تعداد حسگرها در هر خوشه به منظور حصول اطمینان دارد که بیش از حد سنگین نشود.
این نکته نگران کننده گاهی برای گرفتن بک آپ CH برای یک خوشه و یا چرخش نقشCH در میان حسگرها در خوشه بندی لازم است. بدیهی است، چنین طراحی انتخابی/ محدودیت بر روی نوع خوشه بندی موثر باشد.
• استقرار گره و قابلیت ها : یکی دیگر از ملاحظات به کارگیری مکانی گره است. این برنامه وابسته و تحت تاثیر نیاز و هدف خوشه بندی شبکه است. استقرار قطعی یا خود سازماندهی است. در شرایط قطعی، حسگری به صورت دستی قرار گرفته و داده ها از طریق مسیرهای از پیش تعیین شده مسیریابی می شوند. بنابراین، خوشه بندی مانند راه اندازی و نیز از پیش تعیین نمودن یا غیر ضروری است.
با این حال در سیستم خود سازماندهی، گره های حسگر به صورت تصادفی پراکنده شده موجب ایجاد زیرساخت ها به صورت تک کاره می شود. در این زیرساخت ها، ایستگاه پایه پایه یا CH از نظر بهره وری عملکرد انرژی نیز حیاتی است. هنگامی که توزیع گره ها یکسان نیست، خوشه بندی بهینه یک مسئله مبرم برای فعال کردن انرژی کارآمد عملیات شبکه است.
علاوه بر این، در برخی از نصب ها، کارکردهای متفاوت را می توان با گره های مستقر در مرتبط نمود و انتخاب CH ممکن است محدود شود. در شبکه های گره های حسگر همگن، یعنی همه دارای ظرفیت برابر از نظر محاسبات، ارتباطات و قدرت هستند، CH ها از حسگرهای مستقر برداشته می شوند.
اغلب در این مورد، CH ها با دقت کار نموده، به عنوان مثال از دریافت وظایف سنجش، به منظور جلوگیری از تخلیه ا نسبتاً سریع نرژی خود ممانعت می کند. علاوه بر این، دامنه ارتباطات و نزدیکی CH نسبت به ایستگاه پایه نیز ممکن است محدودیت ها / معضلاتی شوند که باید در نظر گرفته شود. دامنه ارتباط حسگر معمولاً محدود بوده و CH قادر به رسیدن به ایستگاه پایه نخواهد بود. حتی اگر یک گره به طور مستقیم با ایستگاه پایه ارتباط برقرار نماید، باز هم پیگیری مسیرهای چند هوپی بهتر است. بنابراین، اتصال بین CH عامل مهمی است که طرح خوشه بندی را تحت تاثیر قرار می دهد.
از سوی دیگر، از آنجایی که برخی از گره ها ممکن است برای انجام دادن کارهای خاصی طراحی شده یا دارای قابلیت های متمایز باشند شبکه گیرنده بیسیم ناهمگن ممکن است محدودیت های بیشتری را در فرآیند خوشه بندی اعمال کنند. آنگاه ممکن است برای حفظ منابع یا محدودیت انتخاب CH برای زیر مجموعه ای از این گره ها جلوگیری از چنین گره های خاصی لازم باشد.
2-8-2. اهداف خوشه بندی
اهداف الگوریتم های خوشه بندی در تحقیقات متفاوت است. غالباً هدف خوشه بندی انجام تنظیمات به منظور تسهیل در مواجهه با الزامات برنامه های کاربردی است. به عنوان مثال اگر برنامه ای به تاخیر داده ها، اتصال درون و بین خوشه ای و طول مسیر داده ها در مسیریابی حساس باشد معمولاً به عنوان معیار انتخاب CH و گروه بندی گره در نظر گرفته می شوند. بحث زیر بر اهداف عمومی خوشه بندی شبکه تاکید می کند:
• تعادل بار: حتی در توزیع حسگرها در میان خوشه ها که معمولاً یکی از اهداف نصب است CH ها پردازش داده ها یا وظایف مهم مدیریت داخل خوشه را انجام می دهند . با توجه به وظایف CH ها، موازنه بار در میان آنها بدیهی است به طوری که آنها می توانند به اهداف عملکرد مورد انتظار برسند.
تعادل بار مسئله مهم تری در شبکه گیرنده بیسیم است که در آن CH ها از حسگرهای موجود برداشته می شوند. در این شرایط، تنظیم خوشه های هم اندازه برای گسترش طول عمر شبکه با ممانعت از فرسودگی انرژی زیر مجموعه CH ها با سرعت بالا و ناکارآمدی پیش از موعد آنها بسیار مهم است. حتی توزیع حسگرها نیز می تواند به تاخیر داده های اهرم بینجامد. هنگام گردآوری دادها توسط CH ها، داشتن همین تعداد گره در خوشه ها ضروری است به طوری که گزارش داده های ترکیبی تقریباً در یک زمان برای پردازش بیشتر در ایستگاه پایه یا لایه بعدی در شبکه آماده می شود.
• تحمل خطا: در بسیاری از برنامه های کاربردی، شبکه گیرنده بیسیم در محیط های نامناسب موثر بوده و به این ترتیب گره ها معمولاً بیشتر در معرض خطر ابتلا به نقص و آسیب های فیزیکی قرار می گیرند. تحمل نقص CH به منظور جلوگیری از از دست دادن داده های مهم حسگرها معمولاً در چنین برنامه های کاربردی ضروری است. راه مشهودتر بازیابی نفص CH برای خوشه بندی مجدد شبکه می باشد.
با این حال، خوشه بندی دوباره نه تنها یک منبع را به گره ها تحمیل می کند بلکه غالباً برای عملیات جاری بسیار مخل است. بنابراین، تکنیک های تحمل خطا همزمان بدین منظور مناسب تر معاصر خواهند بود. تعیین پشتیبان CH ها قابل توجه ترین طرحی است که در تحقیقات برای بازیابی از نقص CH دنبال می شود.
انتخاب یک نسخه پشتیبان و یدکی مانند CH در طول عملیات عادی شبکه نقش های متفاوتی بازی می کند. هنگامی که CH ها دارای طیف رادیویی بلندند، CH های مجاور می توانند در حسگرهای موجود در خوشه ناقص پذیرفته شوند. چرخش نقش CH ها در میان گره های خوشه نیز می تواند ابزاری برای تحمل خطا علاوه بر مزیت توازن بار آنها باشد.
• افزایش اتصال و کاهش تاخیر: مگر در مواردی که CH ها دارای قابلیت کشش بالای ارتباطی هستند، به عنوان مثال یک پیوند ماهواره ای، اتصال بین CH یکی از ملزومات مهم بسیاری از برنامه های کاربردی است. این مساله به ویژه در زمانی که CH ها از جامعه حسگرها برداشت می شوند صدق می کند.
هدف اتصال تنها می تواند به اطمینان از دسترسی به مسیر از هر CH به ایستگاه پایه یا محدودیت بیشتر با تحمیل یک محدوده در طول مسیر منحصر شود. هنگامی که برخی از حسگرهی نقش CH را تقبل می کنند، هدف اتصال خوشه بندی شبکه را یکی از گونه های مختلف بسیاری از مجموعه مشکلات غالب اتصال می نماید.
از سوی دیگر، هنگامی که تاخیر داده ها موضوعیت داشته باشد، اتصال درون خوشه یکی از اهداف طراحی یا محدودیت می شود. تاخیر معمولاً در شرایطی که حداکثر تعداد هاب '' k'' در یک مسیر داده مجاز است عامل خواهد بود. خوشه بندی k - هاب از مجموعه مشکلات k - غالب است.
• تعداد خوشه حداقل: این هدف به خصوص زمانی رایج است که CH ها گره های از منابع تخصصی غنی می باشند. طراح شبکه اغلب دوست دارد تا حداقل تعداد این گره ها را به کار بگیرد چرا که آنها تمایل به حسگرهای گران تر و آسیب پذیرتر دارند.
برای مثال، اگر CH ها رایانه های لپ تاپ، روبات یا یک رسانه همراه باشند ذاتاً محدودیت هایی تعداد گره وجود خواهد داشت. محدودیت می تواند به دلیل پیچیدگی بکارگیری این نوع گره ها باشد مثلاً وقتی که WSN در یک منطقه جنگی یا یک جنگل کار می کند.
علاوه بر این، اندازه این گره ها به طور قابل توجهی بزرگتر از حسگرهاست که باعث می شود آنها به راحتی قابل تشخیص باشند. دید گره در بسیاری از برنامه های کاربردی شبکه گیرنده بیسیم مانند حفاظت از مرز، شناسایی نظامی و زیرساخت های امنیتی بسیار نامطلوب است.
• حداکثر طول عمر شبکه: از آنجایی که گره های حسگر محدودیت انرژی دارند طول عمر شبکه یکی از دغدغه های اصلی به ویژه برای برنامه های کاربردی شبکه گیرنده بیسیم در محیط های نامساعد است. هنگامی که CH ها در منابع غنی تر از حسگرها هستند تقلیل انرژی برای ارتباطات درون خوشه ای ضروری است.
در صورت امکان، CH ها باید نزدیک به اغلب حسگرها در خوشه های خود باشند. از سوی دیگر هنگامی که CH هاحسگرهای منظمی هستند، طول عمر آنها را می توان با محدود کردن بارشان همانگونه که پیشتر ذکر کردیم افزایش داد. خوشه بندی ترکیبی و راه اندازی مسیر نیز برای بیشینه سازی طول عمر شبکه لحاظ می شوند. خوشه بندی تطبیقی نیز انتخاب مناسبی برای دستیابی به طول عمر شبکه است.
2-8-3. طبقه بندی علمی ویژگی های خوشه بندی
در این بخش انتخاب ما برگزیدن مجموعه ای از ویژگی هایی است که می توان از آنها برای طبقه بندی و تمایز الگوریتم های خوشه بندی شبکه گیرنده بیسیم استفاده نمود. با توجه به مبحث فوق، ما می توانیم ویژگی های زیر را شناسایی کنیم:
1. خواص خوشه : غالب طرح های خوشه بندی می کوشند تا به برخی از ویژگی برای تولید خوشه ها دست یابند. چنین ویژگی هایی را می توان به ساختار داخلی خوشه یا کیفیت آن را به دیگران مرتبط دانست. موارد زیر در برگیرنده ویژگی های مربوطه اند:
• تعداد خوشه : در برخی از رویکردهای منتشر شده مجموعه ای از CH ها از پیش تعیین شده و در نتیجه تعداد خوشه ها از پیش نشانده شده است. انتخاب تصادفی CH ها از حسگرهای بکار رفته معمولاً منجر به تنوع تعداد خوشه می شود.
• ثبات : وقتی تعداد خوشه ها متفاوت است و عضویت گره در طی زمان بیشتر تکامل می یابد گفته می شود طرح خوشه تطبیقی است در غیر این صورت، از آنجا که حسگرها در میان خوشه ها تعویض نمی شوند در ثابت در نظر گرفته شده و تعداد خوشه ها در سراسر طول عمر شبکه یکسان می ماند.
• وضعیت درون خوشه ای : بعضی از روش های خوشه بندی مبتنی بر ارتباط مستقیم بین حسگر و طراحی CH هستند. با این حال، حسگر چند هاپ نسبت با اتصال CH گاهی ضروری است، به ویژه هنگامی که دامنه ارتباطات حسگر و یا تعداد CH محدود است.
• اتصال بین CH: وقتی CH قابلیت کشش بلند ارتباطی را نداشته باشند، اتصال CH ها به ایستگاه پایه مشروط خواهد بود. در این صورت، طرح خوشه بندی باید از امکان برقراری یک مسیر بین CH از هر CH به ایستگاه پایه مطمئن باشد. برخی از آثار چاپ شده فرض نمودند که CH قادر به دستیابی مستقیم به ایستگاه پایه خواهد بود.
2. قابلیت های سر خوشه : همانطور که پیشتر بحث شد الگوی شبکه بر رویکرد خوشه به ویژه قابلیت های گره و دامنه پردازش در شبکه تاثیر می گذارد. ویژگی های گره CH زیر عوامل افتراق در میان طرح های خوشه اند:
• تحرک: هنگامی که یک CH سیار است، عضویت حسگر به صورت پویا تغییر می کند و خوشه ها را باید به طور مداوم حفظ نمود. از سوی دیگر، CH ثابت به خوشه های با عملکرد پایدار تمایل دارد و مدیریت شبکه درون و بین خوشه ای را تسهیل می کند. گاهی اوقات، CH ها می توانند در فواصل محدود سفر کنند تا برای عملکرد بهتر شبکه موقعیت خود را تغییر دهند.
• نوع گره : همانطور که پیشتر اشاره شد، در برخی موارد راه اندازی یک زیر مجموعه حسگرهای بکار رفته به ضورت CH طراحی شده در حالی که در دیگر CH ها با منابع محاسباتی و ارتباطاتی بسیار بیشتری مجهز شده است.
• نقش : یک CH به سادگی می تواند به صورت یک تقویت برای ترافیک تولید شده توسط حسگرها در خوشه خود عمل کند یا تجمع / تلفیق داده های گرد آمده حسگر ها را انجام دهد. گاهی اوقات، یک CH به عنوان یک مخزن یا یک ایستگاه پایه بر اساس تشخیص پدیده یا اهداف اقداماتی انجام دهد.
3. فرآیند خوشه بندی : هماهنگی فرآیند کامل خوشه بندی و ویژگی های الگوریتم ها در میان طرح های خوشه بندی منتشر شده تفاوت قابل توجهی دارد.
ویژگی های زیر مناسب انگاشته می شوند:
• روش : زمانی که CH ها فقط گره های حسگرهای منظم هستند، خوشه بندی باید به شیوه توزیعی بدون هماهنگی انجام شود. در برخی رویکردها، یک منبع قدرتمند متمرکز گره های آفلاین را تفکیک نموده و تحت کنترل اعضای خوشه را اداره می نماید. طرح های ترکیبی نیزبه ویژه هنگامی که CH ها سرشار از منابع هستند یافت می شوند. در مورد اخیر، بین CH ها هماهنگی به شیوه توزیع انجام می شود در حالی که هر CH مجزا مسئول شکل گیری خوشه خود است.
• هدف گروه بندی گره : همانگونه که در بخش قبل بحث شد، از تشکیل خوشه چندین هدف دنبال می شود. مثال ها عبارتند از: تحمل خطا، تعادل بار، اتصال به شبکه و غیره.
• انتخاب سر خوشه : CH ها را می توان از پیش تعیین نمود یا به صورت تصادفی از مجموعه گره های موجود برداشت.
• پیچیدگی الگوریتم : بسته به هدف و روش، الگوریتم های خوشه بندی متعددی پیشنهاد شده است. نرخ پیچیدگی و همگرایی این الگوریتم ها می تواند ثابت یا وابسته به تعداد CH ها و یا حسگرها باشد.
مایلیم متذکر شویم که برخی از این ویژگی ها متقابلاً انحصاری هستند به عنوان مثال از پیش تعیین شدن یا تعداد متغیر خوشه و برخی دیگر اینگونه نیستند. برای نمونه یک فرآیند خوشه بندی ممکن است اهداف چندگانه ای داشته باشد. همچنین شایان ذکر است که خوشه بندی شبکه می تواند بر برنامه ریزی شبکه و پروتکل های لایه پیوند تاثیر بگذارد یا آنکه تحت تاثیر آنها قرار گیرد.
2-9.الگوریتم ژنتیک
الگوریتمهای ژنتیک ابزاری می باشند [5,6,7,8,9] که توسط آن ماشین می تواند مکانیزم انتخاب طبیعی را شبیه سازی نماید. این عمل با جستجو در فضای مسئله جهت یافتن جواب برتر و نه الزاما بهینه صورت می پذیرد.
الگوریتم های ژنتیک با توجه به نظریه داروین در مورد تکامل، شکل گرفتند. سپس نظریه محاسبات تکاملی ، توسط ریچنبرگ درسال 1960 معرفی شد و این نظریه توسط محققان دیگر توسعه یافت تا درسال 1975 منجربه اختراع الگوریتم های ژنتیک توسط هالند Holland ودانشجویانش شد.
2-9-1.پیش زمینه ی بیولوژیکی ژن ها و کروموزوم ها
همه ی ارگانیسم های زنده از سلول ها تشکیل شده اند. در هر سلول مجموعه ای از کروموزوم ها به شکل رشته ای از DNA وجود دارد که به صورت مدلی از کل ارگانیسم تعبیر می شود. هر کروموزوم از یک سری ژن در بلوک های DNA تشکیل شده است.هر ژن یک الگوی خاصی را رمز گشایی می کند. به عبارت دیگر هر ژن یک صفت را دیکود می کند. مثلا رنگ چشم یک فرد به عنوان یک صفت است. مجموعه ای از صفت ها را Alleles می گوییم. از سوی دیگر هر ژن دارای موقعیت مشخصی در کروموزوم است که به این موقعیت لوکاس می گویند. مجموعه ی کامل ماده ی ژنتیکی را ژنوم می گویند و یک مجموعه ی به خصوصی از ژن ها را در ژنوم ژنو تابپ می نامند. که این Genotype اساس فنو تایپ بوده و ویژگی های فیزیکی و فکری مثل رنگ چشم و هوش و مثل آن را به وجود می آورد.
2-9-2.تولید سلول های جدید
در هنگام تولید سلول های جدید یک تلفیق توسط عمل ادغام صورت می گیرد.در این فرآیند ژن های والد، کروموزوم های جدید را شکل می دهد. این مولود های جدید جهش یافته، یعنی DNA آنها تحول یافته است. این تغییرات ممکن است همراه با خطا در کپی شدن ژن های والد صورت بگیرد. Fitness Function یک ارگانیسم، با توجه به موفقیت این ارگانیسم در ادامه ی حیات آن تعیین می شود.2-9-3.توضیحات پایه
روش الگوریتم ژنتیک با یک مجموعه از نقاط فضای جستجو آغاز می شود که جمعیت نامیده می شود و با کروموزوم ها نشان داده می شوند. هر نقطه از فضای جستجو با یک کروموزوم نشان داده می شود و مجموعه چند نقطه یک جمعیت را تشکیل می دهند. جواب های گرفته شده از یک جمعیت برای تولید جمعیت جدید به کار گرفته می شود. این کار با این امید صورت می گیرد که جمعیت جدید بهتر از جمعیت قبلی باشد. جواب هایی که برای تولید جواب های جدیدتر به کار گرفته می شوند بر اساس میزان شلیستگی انتخاب می شوند. بدین معنی که جواب های مناسب شانس بیشتری برای تولد مجدد خواهند یافت و این روند ادامه پیدا می کند تا آنکه بعضی از شرایط الگوریتم مانند تعداد دفعات تکرار یا بهبود جواب ها اقناع شود.
2-9-4.فضای جستجو
وقتی که مسئله ای را حل می کنیم هدف ما، پیدا کردن بهترین جواب از میان جواب های مختلف است. فضای همه ی حالت های ممکن در حل یک مسئله را فضای جستجو می نامند. هر جواب می تواند با مقداری که بیانگر مناسب بودن (Fitness) آن است، نشان داده شود. جستجو برای جواب یعنی، جستجو برای پیدا کردن اکسترمم (ماکسیمم یا مینیمم) در آن فضای جستجو.