بایوسنسورها
بایوسنسورها یا حسگرهای زیستی ابزارهای تحلیلی کوچکی هستند که از یک سیستم تشخیص بیولوژیکی برای بررسی یا شناسایی مولکول‌ها استفاده می‌کنند و همچنان نقش مهمی را در زمینه‌های بی شماری از جمله تشخیص زیست‌پزشکی، نظارت بر پیشرفت و درمان بیماری، کشف دارو، کنترل غذا و پایش محیطی ایفا می‌کنند.
تاریخچه بایوسنسورها
اولین مفهوم از بایوسنسورها مربوط به سال 1906 می شود، زمانی که کرمر (Cremer) کشف کرد که غلظت اسید موجود در یک محلول آبی معادل پتانسیل الکتریکی تولید شده بین بخش های محلول در هنگام جدا شدن توسط یک غشای شیشه ای است. این منجر به توسعه مفهوم PH در سال 1909 شد که با توسعه الکترودی برای اندازه گیری PH در سال 1922 توسط هیوز( Hughes )دنبال شد. در سال 1959 توسط Leland C. Clark، که به عنوان پدر حسگرهای زیستی شناخته می شود، با استفاده از الکترود گلوکز اکسیداز که حضور اکسیژن یا پراکسید هیدروژن را تشخیص می‌دهد، حسگری برای تشخیص گلوکز در نمونه‌های بیولوژیکی ایجاد کرد. از آن زمان، گام‌های بزرگی در توسعه دستگاه‌های حسگر زیستی بسیار حساس و انتخابی برداشته شده است.
یک بایوسنسور از دو جزء اصلی تشکیل می شود. یک گیرنده بیولوژیکی و یک مبدل. همچنین یک واحد پردازش سیگنال که معمولاً حاوی نمایشگر یا چاپگر است و معمولاً به همراه حسگر زیستی استفاده می‌شود.
گیرنده بیولوژیکی
این جزء به عنوان یک حسگر یا آشکارساز نیز شناخته می شود و وظیفه سنجش یا تشخیص حضور و یا غلظت آنالیت یا ماده مورد نظر را بر عهده دارد. گیرنده بیولوژیکی به عنوان یک گیرنده بیوشیمیایی عمل می کند و به طور خاص آنالیت هدف را تشخیص می دهد. هنگامی که گیرنده بیولوژیکی با آنالیت هدف تعامل می کند، سیگنالی به شکل نور، گرما، PH ،بار یا تغییر جرم تولید می کند. این ماده باید در شرایط ذخیره سازی پایدار و بی حرکت باشد. علاوه بر این، گیرنده بیولوژیکی باید قادر به تشخیص انتخابی ترکیب یا آنالیت هدف در نمونه آزمایش باشد.
این جزء می تواند یک بافت، میکروارگانیسم، اندامک، گیرنده سلولی، آنزیم، آنتی بادی یا اسید نوکلئیک و غیره باشد. گروه کاتالیزوری گیرنده های بیولوژیکی در حسگرها در غلظت های میلی مولار یا میکرومولار استفاده می شود و شامل آنزیم ها، بافت ها و میکروارگانیسم ها هستند. گروه غیر کاتالیزوری عمدتاً در دستگاه‌های حسگر زیستی استفاده می‌شود که آنالیت‌هایی مانند استروئیدها، داروها، و سموم و غیره را اندازه‌گیری می‌کنند و معمولاً در غلظت‌های بسیار پایین (محدوده میکرو تا پیکومولار) استفاده میشوند. چنین گیرنده هایی شامل آنتی بادی ها، آنتی ژن ها، اسیدهای نوکلئیک و غیره است.
مبدل
مبدل دومین جزء اصلی بایوسنسورها را تشکیل می دهد. به طور کلی، مبدل ماده ای است که قادر به تبدیل یک شکل از انرژی به شکل دیگری است. در یک حسگر زیستی، یک مبدل مسئول تبدیل سیگنال بیوشیمیایی دریافتی از گیرنده بیولوژیکی به یک سیگنال قابل اندازه گیری است که در نتیجه برهمکنش بین آنالیت هدف و گیرنده بیولوژیکی است. مبدل تغییری را که در طول برهمکنش گیرنده بیولوژیکی و آنالیت رخ می دهد را تشخیص می دهد و اندازه گیری می کند. نمونه ای از مبدل، حسگر، PH دربیوسنسور گلوکز است. آنزیمی به نام گلوکز اکسیداز به عنوان یک گیرنده بیولوژیکی استفاده می شود که گلوکز را متصل میکند و در حضور اکسیژن به اسید گلوکونیک تبدیل می کند. سپس تغییر Ph (به دلیل تولید اسید گلوکونیک) را تشخیص می دهد و آن را به تغییر ولتاژ تبدیل می کند.
هنگام طراحی مبدل، ویژگی های زیر توصیه می شود. ویژگی آنالیت هدف، محدوده غلظت آنالیت، زمان پاسخ و مناسب بودن برای کاربردهای عملی. در حالت ایده‌آل، یک مبدل باید برای آنالیت بسیار خاص باشد، اندازه‌گیری را در کمترین غلظت آنالیت و در کوتاه‌ترین زمان ممکن انجام دهد.
ویژگی های مهم بایوسنسورها
همانطور که در بخش های بالا ذکر شد، بایوسنسورها از یک گیرنده بیولوژیکی همراه با یک مبدل و واحد پردازش سیگنال تشکیل می شوند و بر اساس انتقال سیگنال عمل می کند. در ابتدا، مولکول مورد نظر در نمونه به گیرنده بیولوژیکی متصل می شود یا برهمکنش می کند و در نتیجه یک تغییر فیزیولوژیکی ایجاد می شود. این امر باعث تغییر بیشتر خواص فیزیکوشیمیایی مبدلی می شود که در مجاورت گیرنده بیولوژیکی قرار دارد.
سیگنال تولید شده توسط مبدل بسته به نوع گیرنده بیولوژیکی، جریان یا ولتاژ می باشد. اگر خروجی از مبدل به صورت جریان باشد، آنگاه به یک ولتاژ معادل تبدیل می شود. همچنین ولتاژ خروجی معمولاً بسیار کم است و توسط یک سیگنال نویز با فرکانس بالا پوشانده می شود، و نیاز به تغییرات، پردازش و تقویت بیشتر از طریق فیلترها در واحد پردازش سیگنال دارد. در نهایت، خروجی تولید شده از واحد پردازش سیگنال باید با کمیت بیولوژیکی اندازه گیری شده قابل مقایسه باشد.
با توجه به ماهیت کاربردهایی که در آن از حسگرهای زیستی استفاده می شود، هنگام طراحی یک حسگر زیستی باید چندین ویژگی یا پارامتر رعایت شود. این ویژگی ها عملکرد و سودمندی یک حسگر زیستی را مشخص می کند.
حساسیت
به عنوان مهمترین ویژگی بایوسنسورها در نظر گرفته می شود. حساسیت یک حسگر زیستی رابطه بین تغییر در غلظت آنالیت و شدت سیگنال تولید شده از مبدل میباشد. در حالت ایده آل، یک بیوسنسور باید در پاسخ به نوسانات کوچک در غلظت آنالیت هدف سیگنال تولید کند.
گزینش پذیری
به توانایی بایوسنسورها برای اتصال انتخابی و پاسخ به آنالیت مورد نظر در حضور مولکول ها یا مواد دیگر اشاره دارد. هنگامی که سیگنال یا پاسخی از برهمکنش با آنالیت متفاوت از آنالیت هدف ایجاد می شود، نتیجه مثبت کاذب نامیده می شود. این امر در حسگرهای زیستی با گزینش ضعیف رایج است، بنابراین در کاربردهای بالینی شکست می‌خورد. گزینش پذیری یک ویژگی بسیار مهم به ویژه در کاربردهای پزشکی است که در آن نمونه آزمایشی حاوی مولکول های متعددی است که کاملاً شبیه به آنالیت هدف هستند و برای اتصال به گیرنده بیولوژیکی رقابت می کنند.
ثبات
پایداری حسگر زیستی یک ویژگی بسیار مهم به ویژه برای حسگرهای زیستی است و برای نظارت مداوم استفاده می شود. این ویژگی توانایی دستگاه حسگر زیستی را برای مقاومت در برابر تغییر عملکرد خود در یک دوره زمانی در پاسخ به وقفه های ناشی از عوامل خارجی تعیین می کند. اینها می توانند به صورت دما، رطوبت یا سایر شرایط محیطی باشند. چنین وقفه‌هایی باعث ایجاد عدم دقت در سیگنال خروجی در طول اندازه‌گیری می شوند و در نتیجه بر دقت و صحت دستگاه حسگر زیستی تأثیر می‌گذارند. این به این دلیل است که مبدل ها و سایر اجزای الکترونیکی که دستگاه حسگر زیستی را تشکیل می دهند، عمدتاً به دما حساس هستند و می تواند تا حد زیادی بر پایداری آنها تأثیر می گذارد.
محدودیت تشخیص
حد تشخیص به عنوان کمترین غلظت هدف که قادر به ایجاد سیگنال یا پاسخ قابل اندازه گیری است تعریف می شود. در حالت ایده‌آل، یک بیوسنسور باید کمترین حد تشخیص را داشته باشد، به‌ویژه اگر قرار باشد در کاربردهای پزشکی استفاده شود که آنالیت هدف ممکن است در غلظت‌های بسیار پایین وجود داشته باشد.
تکرارپذیری
به توانایی دستگاه حسگر زیستی برای تولید سیگنال‌های خروجی منطبق یا نتایج در آزمایش‌های تکراری اشاره دارد. توانایی بیوسنسور برای برآورده کردن این معیار به مبدلی بستگی دارد که باید به روشی دقیق عمل کند.
زمان پاسخگویی
مدت زمانی که طول می کشد تا بیوسنسور به دنبال برهمکنش گیرنده بیولوژیکی با آنالیت هدف سیگنال یا پاسخ ایجاد کند بسیار اهمیت دارد.
عناصر بایوسنسورها
انواع مختلفی از مواد ممکن است به عنوان عنصر زیستی در یک حسگر زیستی استفاده شود. نمونه هایی از این موارد عبارتند از اسیدهای نوکلئیک، پروتئین ها شامل آنزیم ها و آنتی بادی ها. پروتئین های گیاهی یا لکتین ها، مواد پیچیده مانند برش های بافت، میکروارگانیسم ها و اندامک ها.
انواع حسگرهای زیستی
حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی
حسگرهای زیستی ولتامتری با تعیین تغییر در جریان به عنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده، آنالیت را تشخیص می دهند. یعنی هم جریان و هم پتانسیل را اندازه گیری می کنند. مقدار جریان حداکثر برای شناسایی استفاده می شود، در حالی که چگالی جریان حداکثر متناسب با غلظت گونه های مربوطه است. از مزایای این نوع بیوسنسور اندازه گیری های دقیق و تشخیص همزمان آنالیت های متعدد است.
این حسگرهای زیستی به چهار نوع طبقه بندی می شوند.
بایوسنسور آمپرومتریک
این نوع حسگر زیستی یک دستگاه مستقل است که اطلاعات تحلیلی کمی دقیق را بر اساس مقدار جریان حاصل از اکسیداسیون ارائه می دهد. این نوع حسگر زیستی برای اندازه‌گیری جریان (جریان الکترون‌ها) ایجاد شده در طول واکنش استفاده می‌شود. به عنوان مثال، حسگر زیستی گلوکز معمولاً با یک ولتاژ ثابت از الکترودها عبور می کند که می توان تعیین کرد که یک بستر یا محصول الکترون را با سطح الکترود منتقل می کند تا اکسید یا کاهش یابد. این باعث می شود جریانی که قابل اندازه گیری است جاری شود.
بایوسنسور پتانسیومتری
این نوع بیوسنسور یک پاسخ لگاریتمی را از طریق سری های پر انرژی ارائه می دهد. این نوع حسگر زیستی برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل ناشی از واکنش ردوکس استفاده می شود. به عنوان مثال بیوسنسور اوره. تغییر در غلظت یون با استفاده از الکترود انتخاب شده یون تشخیص داده می شود. الکترود PH پر استفاده ترین الکترود انتخابی یونی است.
بایوسنسور امپدیمتری
یک شاخص تاثیرگذار برای طیف وسیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی است. تکنیک‌های امداد سنجی برای جداسازی تشخیص حسگرهای زیستی و همچنین برای بررسی پاسخ‌های کاتالیزوری آنزیم‌های لکتین، اسیدهای نوکلئیک، گیرنده‌ها، سلول‌های کامل و آنتی‌بادی‌ها استفاده شده‌اند.
بایوسنسور ولتامتری
حسگرهای زیستی ولتامتری با تعیین تغییر در جریان به عنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده، آنالیت را تشخیص می دهند، یعنی هم جریان و هم پتانسیل را اندازه گیری می کنند. مقدار جریان اوج برای شناسایی استفاده می شود، در حالی که چگالی جریان اوج متناسب با غلظت گونه های مربوطه است. از مزایای این نوع بیوسنسور الکتروشیمیایی می توان به اندازه گیری های دقیق و تشخیص همزمان آنالیت های متعدد اشاره کرد.
حسگر زیستی کالریمتریی
این نوع حسگر زیستی برای اندازه‌گیری تغییر دما به دلیل جذب انرژی واکنش گرماگیر یا به دلیل انتشار واکنش برای مثال حسگر زیستی دما استفاده می‌شود. سنسور کالری سنجی با نام سنسور دماسنجی نیز شناخته می شود.
بایوسنسور فیزیکی
بیوسنسورهای فیزیکی یکی از اساسی ترین و پرکاربردترین حسگرها در طبقه بندی هستند. از این رو هر وسیله ای که به ویژگی های فیزیکی محیط واکنش نشان می دهد، بیوسنسور فیزیکی است. بیوسنسورهای فیزیکی به دو نوع زیر تقسیم می شوند.
بایوسنسور پیزوالکتریک
این حسگر مجموعه‌ای از دستگاه‌های تحلیلی است. پلت فرم پیزوالکتریک یک عنصر حسگر است که بر اساس قانون نوسان کار می کند و به دلیل پرش ذخیره سازی روی سطح کریستال پیزوالکتریک تبدیل می شود. در این تجزیه و تحلیل، آنتی ژن ها یا آنتی بادی ها، پلیمرهای مولکولی، و حسگرهای زیستی دارای اطلاعات ارثی سطوح اصلاح شده خود هستند. قطعات تشخیصی معمولاً با استفاده از نانوذرات مونتاژ می شوند.
بایوسنسور ترمومتریک
این حسگرهای زیستی دماسنجی را تشکیل می دهند که در آن انواع واکنش های بیولوژیکی مرتبط با تشخیص گرما وجود دارد. همچنین به عنوان حسگر زیستی حرارتی نیز شناخته می شوند. از این حسگرها برای اندازه گیری یا تخمین کلسترول سرم نیز استفاده می شود. همانطور که آنزیم کلسترول توسط اکسیداسیون کلسترول اکسید می شود، گرما تولید می شود که می توان آن را محاسبه کرد. به طور مشابه، گلوکز، اوره، اسید اوریک را می توان با این حسگرهای زیستی ارزیابی کرد.
حسگر زیستی هدایت سنجی
این نوع حسگر زیستی برای اندازه گیری تغییرات هدایت الکتریکی ناشی از واکنش استفاده می شود. به عنوان مثال بیوسنسور اوره
حسگر زیستی موج صوتی
این حسگرهای زیستی دماسنجی را تشکیل می دهند که در آن انواع واکنش های بیولوژیکی مرتبط با تشخیص گرما وجود دارد. این حسگر به عنوان حسگر زیستی حرارتی نیز شناخته می شود.
از این حسگرها برای اندازه گیری یا تخمین کلسترول سرم نیز استفاده می شود. همانطور که آنزیم کلسترول توسط اکسیداسیون کلسترول اکسید می شود، گرما تولید می شود که می توان آن را محاسبه کرد. به طور مشابه، گلوکز، اوره، اسید اوریک و پنی سیلین را می توان با این حسگرهای زیستی ارزیابی کرد.
حسگر زیستی نوری
بیوسنسور نوری وسیله ای است که از اصل اندازه گیری نوری استفاده می کند. از فیبر نوری و مبدل های نوری الکترونیکی استفاده می کند. این حسگرها عمدتاً حاوی آنزیم هایی مانند آنتی بادی ها و عناصر انتقال دهنده هستند. این حسگرها به دو نوع طبقه بندی می شوند، بیوسنسورهای تشخیص نوری مستقیم و حسگرهای زیستی تشخیص نوری برچسب دار.
حسگر زیستی آنزیمی
یک سنسور تحلیلی است که برای ادغام آنزیم ها با استفاده از یک مبدل استفاده می شود و یک سیگنال تولید می کند که متناسب با غلظت آنالیت هدف است. در مرحله بعد، این سیگنال را می توان برای تجزیه و تحلیل بعدی گسترش، ذخیره و پردازش کرد. حسگر دی ان ای می تواند بر اساس تکنیک های شناسایی اسید نوکلئیک برای تجزیه و تحلیل آزمایش ساده، سریع و اقتصادی بیماری های ژنتیکی و عفونی توسعه داد.
حسگرهای ایمنی
حسگرهای ایمنی به این عنوان شناخته می شوند که آنتی بادی ها معمولاً به سموم آنتی بادی یا پاتوژن ها متصل می شوند یا از طریق یک جزء از سیستم ایمنی میزبان واکنش نشان می دهند. چنین آنتی بادی هایی شامل میل ترکیبی با آنتی ژن های خاص خود هستند. این نوع میل حسگر زیستی به دستگاه های حالت جامد لیگاند بستگی دارد.
بایوسنسورهای مغناطیسی
این نوع حسگر زیستی برای اندازه گیری اثرات یا رفلکس های مغناطیسی در خواص مغناطیسی استفاده می شود. حسگر مغناطیسی از کریستال ها یا ذرات پارامغناطیس برای تشخیص ارتباطات بیولوژیکی با اندازه گیری تغییرات در خواص مغناطیسی مانند تغییر در مقاومت اندوکتانس استفاده می کند.