بیوسنسورها

در گذشته جهت انجام آنالیزهای مختلف ابزار هایی استفاده می شد که اکثر این آنالیزها به پالایش پیشین نیازداشتند که نسبت به زمان عمل آوری، زمان بیشتری لازم بودکه انجام آنلاین آنها را برای اهداف کنترلی غیر ممکن می ساخت . با این وجود ، در ارگانیسم های زنده ، ترکیبات بیولوژیکی مثل آنتی بادی ها و آنزیم ها به عنوان دستگاه های کنترل کننده و سنسورهای طبیعی عمل می کنند. قابلیت ایزوله سازی و تصفیه کردن این پروتئین ها و سایر عناصر بیولوژیکی همچون سلول ها و اندامک ها ادغام آنها را با دستگاه های تبدیل فیزیکوشیمیایی برای تولید بیوسنسورها امکان پذیر می سازد . 

 

تعریف بیوسنسور:دستگاه آنالیتی کاملی است که ماده بیولوژیکی اکتیو را در تماس نزدیک با یک عنصر تبدیلی مناسب قرار می دهد تا غلظت یا فعالیت گونه های شیمیایی را در هر نوع نمونه شناسایی کند.

تاریخچه :

•  سال 1916 : اولین گزارش از بی تحرک کردن پروتئین ها ارائه شد . نخستین بار مفهوم حسگرهای زیستی توسط  Dr. Leland C Clark در اوایل سالهای ۱۹۶۰ با “enzyme electrode” برای اندازه گیری غلظت گلوکز برای بیماران دیابتی توسط آنزیم گلوکز اکسیداز معرفی شد.سال 1975 : اولین بیوسنسور میکروبی و اولین ایمنوسنسور ارائه شد.

اساس بیوسنسور :

اصل شناسایی بیوسنسور بر مبنای واکنش بین آنالیت مورد نظر و سیستم های بیولوژیکی است.در نتیجه این فعل و انفعال خاص تغییراتی در یک یا چند خاصیت فیزیکی و شیمیایی (pH،انتقال الکترون،انتقال حرارت،تغییر پتانسیل یا جرم،تغییر در خواص نوری و...) صورت میگیرد.این تغییرات  و فعل و انفعالات توسط یک مبدل اندازه گیری می شوند.

نمایی کلی از یک بیوسنسور:

اجزای اصلی بیوسنسور

1.      گیرنده های زیستی(بیورسپتورها)             2. مبدل زیستی یا عنصر شناساگر

3.      پردازشگر سیگنال                                4. خروجی

·        گیرنده های زیستی : یک گیرنده زیستی ماده ای است که با آنالیت تحت مطالعه واکنش میدهد.بیوسنسورها می توانند مطابق با انواع رایج فعل وانفعالات بیورسپتور طبقه بندی شوند.

تقسیم بندی بیوسنسورها بر اساس گیرنده های زیستی :

1.      بیوسنسور آنزیمی:غالبا آنزیمهای اکسیدوردوکتازها به کار می روند. آنزیم ها در سطح مبدل توسط جذب سطحی ، چسبندگی کووالانسی ، به دام افتادن در ژل یا پلیمر تولید شده به صورت الکتروشیمیایی در غشاهای بی لیپید bilipid) )یا در محلول پشت غشای انتخابی ساکن می شوند.

2.      بیوسنسور بر مبنای آنتی بادی :آنتی بادی ها معمولا بر روی سطح مبدل توسط اتصال کووالانسی در مجاورت گروه های آمینو ، کربوکسیل ، آلدئید یا سولفیدریل بی حرکت می شوند. سطح مبدل باید با گروه های آمینو ، کربوکسیل ، هیدروکسیل و غیره عملگر شود این رویدادهای پیوندی منجر به تغییر فیزیکوشیمیایی میشوند که در ترکیب با یک ردیاب همچون مولکولهای فلورسنت،آنزیمها یا رادیو ایزوتوپ ها میتوانند یک سیگنال تولید کنند.

3.      بیوسنسور بر مبنای میکروب:استفاده از میکروارگانیسم ها به عنوان عناصر بیولوژیکی در بیوسنسورها براساس سنجش متابولیسم آنها است در بسیاری از موارد از طریق مصرف اکسیژن و دی اکسید کربن انجام می شود و در اکثر موارد، بصورت الکتروشیمیایی اندازه گیری می شود.

4.      بیوسنسور بر مبنای هیبرید شدن اسید نوکلئیک : شوند.فرایند شناختی بر مبنای اصل جفت شدن بازهای آلی مکمل:آدنین-تیمین و سیتوزین-گوانین در DNA میباشد.اگر توالی هدف اسید نوکلئیک شناخته شده باشد،توالی های مکمل میتوانند سنتز شده ونشانه دار شوند و سپس روی سنسور ساکن شوند.کاوشگر هیبرادیسیون میتواند با توالی های هدف جفت شده و یک سیگنال نوری تولید کند.اصل تبدیل مطلوب به کار رفته در این نوع سنسور شناسایی نوری است.

5.      بیوسنسور ها بر مبنای ارگانل ها:ارگانلها اتاقکهای جداگانه ای را داخل سلول ها تشکیل میدهند و معمولا عملکرد مستقلی را انجام میدهند. ارگانلهایی که معمولا استفاده میشوند شامل لیزوزیم،کلروپلاست ومیتوکندری میباشند.میتوکندری برای شناسایی آلودگی آب مورد استفاده قرار میگیرد.

6.       بیوسنسور بر مبنای سلول ها :سلولها غالبا به عنوان بیورسپتور استفاده میشوند زیرا آنها نسبت به محیط اطراف حساس هستند و میتوانند به تمام انواع محرکها واکنش دهند.سلولها تمایل دارند به سطح بچسبند بنابراین میتوانند به آسانی ساکن شوند. بهترین مزیت این سیستم این است که می تواند سلولهای زنده را تشخیص دهد.

·        مبدل زیستی:سیگنال بیولوژیکی رابه سیگنال دیگری تبدیل میکند که میتواند به آسانی اندازه گیری شود.

تقسیم بندی بیوسنورها بر اساس مبدل زیستی:

1.      الکتروشیمیایی: مبدل های پوتنتومتریک ( پتانسیل سنج ) ‏Potentiometricو آمپرومتریک Amperometric (جریان سنج)‏  وسنجش مقاومت یا  ‏Impedimetric رایج ترین مبدل های الکتروشیمیایی بکار رفته هستند.

2.      مبدل های آمپرومتریک:این روش شاید معمول ترین روش الکتروشیمیایی ‏بکار رفته در بیوسنسورها باشد که براساس رابطه خطی موجود بین غلظت آنالیت و شدت جریان ‏عمل می کند.

3.      روش سنجش پتانسیل یا ‏Potentiometric‏:از یک ‏غشاء با نفوذپذیری انتخابی نسبت به یون و برخی مواد بیواکتیو مانند آنزیم تشکیل شده است. در طی ‏واکنشی که توسط آنزیم کاتالیز می شود، موادی مصرف یا تولید می گردد که به وسیله الکترود ‏تشخیص داده می شوند. با استفاده از این سنسور می توان تغییرات خیلی کوچک از غلظت را نیز ‏تشخیص داد.

4.      روش سنجش مقاومت یا ‏Impedimetric:اساس این روش اندازه گیری قابلیت هدایت مواد ‏می باشد و در ابتدا برای تعیین کمّی بیومس یا جرم بیولوژیکی در یک نمونه استفاده می گردید.

·        بیوسنسور نوری ( اپتیکی ):اساس کار این نوع بیوسنسورها، اندازه گیری تغییرات ضریب شکستی است که از ‏تغییر ساختاری لایه نازکی از سطح فلزی ناشی می شود. این بیوسنسورها بطور موفقیت آمیزی در ‏تشخیص باکتریهای بیماریزا بکار رفته است.

·        بیوسنسور موج اکوستیک :شناساگرهای حساس جرم هستند که براساس بلور نوسانی عمل می کنند که در فرکانس اصلی تشدید می شوند.تحقیق بر روی استفاده از دستگاه موج اکوستیک سطحی با کانال دوگانه برای شناسایی Legionella و E.coliگزارش شد .

·        بیوسنسور کالریمتریک:مبدل های کالریمتریک حرارت واکنش بیوشیمیایی را در عنصر حسی اندازه گیری می کنند .

·        بیوسنسور پیزو الکتریک : اساس این بیوسنسور آشکارسازی تغییرات ایجاد شده در جرم یا نیروهای مکانیکی میباشد.

·        بیوسنسور پتانسیومتریک :در این نوع مبدل، اختلاف پتانسیل بین یک نمایشگر و یک الکترود مرجع یا دو الکترود مجزا (هنگامیکه جریانی بین آنها برقرار نباشد)، اندازه گیری می شود.

پردازشگر سیگنال:این بخش، سیگنال الکترونیکی را تقویت و فیلتر می کند و بر روی آن کار می کند تا یک سیگنال الکتریکی تولید کند که قادر باشد دستگاههای خروجی را بکار اندازد یا قابل نمایش باشد.

خروجی: تبدیل سیگنالهای پردازش شده الکتریکی به شکلی است که افرادی که این ابزار را به کار می برند، بتوانند آن را مشاهده نموده یا در برخی موارد، اطلاعات را برای مشاهدات وتحلیلهایی در آینده ذخیره نمایند.

بیوسنسورهادر صنعت غذا:

1-    بیوسنسور آنزیم برای شناسایی ترکیبات غذایی

میروند.بیوسنسورهای آنزیمی در صنایع غذایی برای تعیین تازگی محصولات بکار میروند.بافرض اینکه شناسایی آنزیمها و ترکیبات معطر و طعمهایی که از مرحله پژمردگی محصول منشا میگیرند امکان پذیر باشد.

2-    بیوسنسورها برای شناسایی باکتریها در غذا

•         شناسایی مستقیم:

§        بیوسنسور نوری : این بیوسنسورها برای شناسایی مستقیم باکتریها استفاده میشوند.

§        بیوسنسور بیولومینسانس: استفاده از فوتون ها به عنوان محصول جانبی واکنش برای سنسور تحلیلی زیستی منجر به بیوسنسور بیولومینسانس می شود که ممکن است برای شناسایی حضور یا حالت فیزیکی سلول به کار رود.

§        بیوسنسور آمپدانس الکتریکی : در این نوع بیوسنسور متابولیسم میکروبیال در ظرفیت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی افزایش می یابد و از اینرو منجر به کاهش آمپدانس میگردد.

§        شناسایی غیر مستقیم :

§        بیوسنسورهای طبقه بندی شده با فلورسانس :اساس این روش بر مبنای نور ساطع شده از یک الکترون تحریک شده در اثر ‏جذب نور می باشد.مثل:استفاده از یک آنتی بادی برای پروتئین حفاظتی با توکسین آنتراکس

§        بیوسنسورهای بر مبنای متابولیسم میکروبیال : میکروارگانیسم قادر به تبدیل واکنش متابولیکی Redox خود و تعیین میزان سیگنالهای الکتریکی با استفاده از واکنش ردوکتاز اکسید و یک واسطه هستند.با استفاده از باکتریها محققان میتوانند آلاینده ها را در نمونه ها شناسایی کنند.

§        سنسورهای ایمن جریان : امروزه بسیاری از ارزیابی ها برای میکروبها بر اساس الایزا با استفاده ازصفحات میکروتیتراسیون در تکمیل واکنش کروموژنیک میباشند،تعیین کمی با استفاده از الایزاریدر مثل شناسایی اشریشیا کلی انجام میشود.