بیوسنسورها و نانو بیوسنسورها

بیو سنسور ها ( حسگرهای زیستی)

بيوسنسورها ( زيست حسگر ها ) یک گروه از سیستمهای اندازه گیری می باشند و طراحی آنها بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیتها بر اساس اجزا بیولوژیک وآشکارسازهای فیزیکو شیمیايي صورت می پذیرد. بیوسنسور ها متشکل از سه جزء عنصر بیولوژیکی ، آشکار ساز و مبدل می باشند. طراحی بیوسنسور ها در زمینه های مختلف علوم بیولوژی، پزشکی در دو دهه گذشته گسترش چشمگیری داشته است.

فناوری بيوسنسور در حقیقت نشان دهنده ترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژی مولکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتراست. یک بيوسنسور در حقیقت شامل یک حسگر کوچک و ماده بیولوژیک تثبیت شده بر آن می باشد. از آنجا که بیوسنسور ها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول های زیستی می باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشكي، صنايع شيميايي، صنايع غذايي، مانيتورينگ محيط زيست ، توليد محصولات دارويي، بهداشتي و غیره بهره مي گيرند.در واقع اين سنسورها ابزاري توانمند جهت شناسايي مولكولهاي زيستي مي باشند. حواس بويايي و چشايي انسان كه به شناسايي بوها و طعمهاي مختلف مي پردازد و یا سيستم ايمني بدن كه ميليونها نوع مولكول مختلف را شناسايي مي كند، نمونه هایی از بیوسنسور های طبیعی می باشند. در حقيقت بيوسنسور ها ابزارهاي آناليتيكي بشمار می روند كه مي توانند با بهره گيري از هوشمندي مواد بيولوژيك، تركيب يا تركيباتي را شناسايي نموده ، با آنها واكنش دهند. و بدین ترتیب یک پيام شيميايي، نوري و يا الكتريكي ایجاد نمایند. بيشترين كاربرد بيوسنسور ها در تشخيص هاي پزشكي و علوم آزمايشگاهي است ، در حال حاضر بيوسنسور هاي گلوكز از موفق ترين بيوسنسور هاي موجود در بازار بوده که برای اندازه گيري غلظت گلوكز خون بيماران ديابتي استفاده می شود. همانگونه که ذکر گردید، اساس کار یک بیوسنسور تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک پیام است. بیوسنسورها مرکب از سه بخش 1))بیورسپتور یا پذیرنده زیستی (2) آشکار ساز و( 3) مبدل می باشند
بیورسپتور هایی که در بیوسنسور ها مورد استفاده قرار می گیرند به شرح ذیل می باشند:
1. آنزیم
2. آنتی بادی
3. گیرنده های سلولی
4. اسیدهای نوکلئیک DNA) یا RNA ) (

5. میکرو ارگانیسم یا سلول کامل
6. بافت
7 .گیرنده های سنتتیک

در این سیستمها اندازه گیری تغییرات فیزیکیوشیمیایی انجام شده در سطح بیورسپتور و تبدیل آن به انرژی قابل اندازه گیری توسط مبدل انجام میشود. همچنین هدایت سیگنالهای فرستاده شده از مبدل به میکرو پروسسور، تقویت، آنالیز و در نهایت تبدیل آن به واحد غلظت توسط آشکار ساز انجام میگیرد.

انواع متداول مبدل های مورد استفاده در بیوسنسورها شامل:
1. الکتروشیمیایی
2. نوری( لومینسانس، جذب و تشديد پلاسمون سطح )
3. حساس به تغییر جرم و
4. حرارتی می باشند.

به عبارتی دیگر یک بیوسنسور به طور کلی شامل یک سیستم بیولوژیکی تثبیت شده می باشد که در حضور آنالیت مورد اندازه گیری باعث تغییر خواص محیط اطراف می شود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید می نماید که متعاقباً به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل می گردد. اختصاصیت و قدرت شناسایی یک آنالیت از میان دیگر آنالیتهای موجود در نمونه مورد آزمایش از ویژگی های یک بیوسنسور میباشد. قابلیت انتخاب یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده و مبدل آن تعیین می شود .
بدین ترتیب مزایای بیوسنسور ها بر سایر سیستمهای اندازه گیری موجود را می توان در 3 مورد زیر خلاصه نمود:
1. سیستمهای اندازه گیری موجود توانایی سنجش مولکولهای غیرقطبیی که در بافتهای حیاتی تشکیل می گردند را ندارند در حالی که بیوسنسورها میتوانند این ترکیبات را شناسایی و سنجش کنند.
2. از آنجایی که مبنای کار بيوسنسور ها بر اساس سیستم بیولوژیکی تثبیت و تعبیه شده در خود آنهاست، بنابراین آنها ها اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
3. کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورها امکان پذیر است.
بیوسنسور ها بر اساس نحوه شناسایی آنالیت به دو گروه عمده تقسیم می گردند:
1. بیوسنسورها با اساس شناسایی مستقیم آنتی ژن: که واکنش پذیرنده با آنالیت مستقیما توسط سنسور شناسایی می گردد. عناصر بیولوژیک مورد استفاده در این گروه ، گیرنده های سلولی و آنتی بادی ها می باشند.
2. بيوسنسورها با اساس شناسایی غیر مستقیم آنتی ژن: واکنش پذیرنده با آنالیت به طور غیر مستقیم توسط سنسور شناسایی می گردد. عناصر بیولوژیک مورد استفاده در این گروه ترکیبات نشاندار، مثل آنتی بادیها ی نشاندار شده و یا ترکیباتی با خاصیت کاتالیتیکی مانند آنزیم ها می باشند.

توسعه بیوسنسورها ازسال 1962 با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور همچنین بنام سازنده ی آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده میشود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH4 + بیو سنسوری ساخته شده که می توانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. این دو بیوسنسور از مبدل های متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده می کردند. بطوریکه در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری می شد (آمپرومتریک). و درنوع دوم اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودها صورت می پذیرفت (پتانسیومتریک)
ویژگی های بیوسنسور ها :

1. عناصر بیولوژیکی:
همانطور که ذکر گردید بيوسنسور ها سیستمهای اندازه گیری بسیار دقیق، حساس و اختصاصی می باشند و وجود بیورسپتورهاي خاص علت ویژگیهای منحصر به فرد این سیستمهای اندازه گیری می باشد. در حقیقت اساس شناسایی وسنجش ترکیبات در این سیستمها، اتصال ویژه آنالیت مورد اندازه گیری به سنسور توسط بیورسپتورها میباشد. اهمیت این اجزا در عملکرد بسیار اختصاصی آنها نسبت به آنالیت خاصی است که بدین وسیله از مداخله ی مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاری از روشهای اندازه گیری است، جلوگیری می کند. جزء بیولوژیک ممکن است واکنش سوبسترا را کاتالیز کند (آنزیم) یا به طور انتخابی به سوبسترا متصل شود. آنزیم ها یکی از متداولترین عناصر بیولوژیکی هستند که در این سیستمها مورد استفاده قرار می گیرند.

عناصر بیولوژیکی عامل اصلی گزینش در بیوسنسورها محسوب می شوند که عمدتا در چهار گروه تقسیم بندی میگردندکه به شرح زیر میباشد:

1. آنتی بادی
2. آنزیم
3. اسید نوکلئیک
4. ساختار هاي سلولي/ سلول ها

2. روش های تثبیت اجزای بیولوژیکی:
به منظور ساخت یک بیوسنسور پایدار،باید جزء بیولوژیکی به طرز خاصی به مبدل ها متصل گردد، چنین فرآیندی را تثبیت گویند. برای این منظور پنج روش به شرح زیر ارائه شده است:
1. جذب سطحی
2. ریزپوشینه سازی
3. محبوس سازی
4. پیوند عرضی
5. پیوند کووالانسی
3. مبدل:
مبدل، تغییر قابل مشاهده فیزیکی یا شیمیایی را به یک پیغام قابل اندازه گیری، که بزرگی آن متناسب با غلظت ماده یا گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل می نماید، چنین عملی ازتلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می شود؛ این وسیله ویژگی و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می نماید. بیشتر بیوسنسورها از مبدل های الکتروشیمیایی ساخته شده اند.

مبدل ها را میتوان به انواع زیر تقسیم بندی نمود:
1. مبدل های نوری
2 . مبدل های الکتروشیمیایی
3. مبدل های پیزوالکتریک
4. مبدل های گرمايي
نتیجه :
بیوسنسور سیستمی با اندازه کوچک، حساسیت بالا وقابل حمل بوده که میتواند آنالیت مورد نظررا درغلظتهای بسیار کم در نمونه های بیولوژیک اندازه گیری کند.

دو عامل در طراحی یک بیوسنسور مناسب نقش ایفا میکند:
1.روش مناسب تثبیت بیورسپتور در سطح جامد که موجب افزایش طول عمر، حساسیت وپایداری آن میگردد.
2. انتخاب مبدل مناسب.

استفاده از بیوسنسور ها به دليل دقت و حساسيت روش‌ و همچنین در مواردی به دليل عدم نياز به وسايل پیشرفته و صرف زمان و هزينه زياد براي تشخيص آناليت‌ها در مراكز كوچك و در مراكز با امكانات كم و حتي در منزل نیز کاربرد دارد. این روشها می توانند در شناخت مکانیسم برخی بیماریها و اختلالات، در امر تشخیص و درمان بیماریها و عوارض آنها و شناسایی علل و زمینه های به وجود آورنده آنها و نیز در سایر علوم مرتبط نظیر داروسازی، سامانه های پیشرفته دارورسانی و شناسایی داروهای جدید و ارزیابی فعالیت بیولوژیک آنها فعالیّت نماید.

کاربردهای مختلفی برای بيوسنسور ها در پزشکی و بالین وجود دارد که در ذیل اشاره می شود:

1. تشخیص ودرمان بیماریها ( سرطان، دیابت و...)

2.تشخیص بیماریها در سطح ژن( سرطان، دیابت و ...)

3. تشخیص عوامل بیماریزا

4. اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها

5. ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک

6. تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.

نانو بیوسنسور ها (نانو حسگرهای زیستی):

از مهمترین آنزیمهایی که در علم نانوتکنولوژی مورد توجه است ، آنزیم هیدروژناز باکتریایی است که کاربرد اصلی آن در حذف آلودگی و استفاده از آن به عنوان نانو کاتالیزورهایی برای حفظ و بقای انرژی است. این آنزیم کارهای زیادی انجام می دهد که عبارت است از:

1.کاهش فلزات سنگین و حذف آلودگی ناشی از آنها
2.تولید Bio-pdکه خود کاربرد های گوناگون در علم نانو تکنولوژی دارد.

هیدروژناز و احیاء بیولوژیکی فلزات
بسیاری از میکرو اورگانیسم ها قادر به احیاء فلزات سمی با مکانیسم متفافتی هستند که سبب کاهش میزان سمیت و اثرات زیان آور آنها می شوند که یکی از مهمترین این روش ها فعالیت آنزیم هیدرژناز است. به عنوان مثال یک آنزیم که سبب اورانیوم (U) و سلونیوم (IV) می شود و یا حتی توانایی ایجاد حالت احیاء در فلزات رادیواکتیو مشکل زا از جمله TC)VII) می شود که این عمل توسط آنزیم فرمات هیردروژن لیاز آشریشیا کلی صورت می گیرد و سبب رسوب این ماده رادیواکتیو وکاهش سمیت آن می شود. علاوه بر آشریشیای کلی باکتری دسولفو ویبریو نیز قادر به حذف آلودگی تکنتیوم TC VII می باشد. رودوکتاز فلزات نیز قادر به احیاء فلزات گران بها از فاضلاب پساب خواهد بود که برای این عمل، مولکول هیدروزن را مصرف می کنند. دانشمندان با ایجاد موتاسیون قادر به کشف 3نوع هیدروژناز در باکتری دسولفو ویبریو فروکتو ورانس شده اند که قادر است فلز پالادیوم pd)II) را احیا نموده و تولید (.) pd نماید که در این حالت رسوب کرده و یک الگو و حفاظت نانو کریستال فلزی را در سطح سلول برعهده دارد.
احیای میکروبی pd بر کاربوردهای آن
همان طور که گفته شد فلز pd)II) از طریق میکروبی احیا شده و به شکل pd(.) درون سلول رسوب می کند. این ترکیب (Bio-pd) دارای خواص و کاربورد های گوناگون است از جمله:
1-این ترکیب دارای خواص کاتالیزوری فراوانی نسبت به نوع تجاری است که قادر است فلز کروم (VI) که سمی است را به نوع (III) که سمیت کمتری دارد تبدیل کند.
2-سبب کاهش و با فعالیت بیوکاتالیزوری قادر به حذف پلی کلورونیت های فنیل از پساب ها خواهد بود.
3-کاربورد دیگر آن در نانو تکنولوژی است که Bio-pd به واسطه ی خاصیت مغناطیسی که دارد، قادر به تشخیص نانو کریستال ها خواهد بود.
4-ساخت و روشد قابل کنترل نانو پارتیکل ها (نانو ذرات).
نانو ذرات به دو طریق ساخته می شوند: روش شیمیایی و روش میکروبی. در روش شیمیایی در سنتز نانو ذرات، احتیاج به یک هسته ی اولیه است که سایر نانو ذرات به ان متصل می شوند معمولا در روش های شیمیایی روشت نانو ذرات سخت و گران و غیر قابل کنترل است و برای تولید نانو ذرات بزرگتر بایستی نانو ذرات کوچکتر را به نانو ذرات قبلی اضافه کرد و این کار را چندین بار تکرار نمود. ولی سیستمهای باکتریایی این طور نیست و یک باکتری منفرد میتواند یک مرکز و یک ماتریکس برای رشد قابل کنترل نانو ذرات باشد از جمله باکتری هایی که تولید Bio-pd میکنند. این ترکیب در این باکتریها به واسطه خاصیت فرو مغناطیسی و کاتالیزوری یک هسته ای و الگویی برای نانو ذرات خواهد شد.
یکی دیگر از کاربورد های هیدروژناز تولید انرژی و الکتریسیته است. در واقع در ابتدا مواد آلی فاضلاب ها توسط یک باکتری مانند آشریشیا کلی تخمیر و تولید ترکیبات آلی ساده تر و هیدروژن میکند. هیدروزن تولیدی توسط آنزیم هیدروژناز شکافته و تولید الکترون مورد نیاز برای ساخت سل های سوختی میشود که این سل ها آلودگی زیست محیطی نخواهند داشت.

حسگرها ویا سنسورها به طور معمول ترکیبی از بیوملکول و مبدل هستند. برحسب هدف مورد تجزیه وتحلیل، انواع مختلفی از سنسورهای شیمیایی و زیستی وجود دارد. از حسگرهای زیستی ، عنصر حساس که به جسم مورد اندازه گیری پاسخ میدهد عمدتا بیولوژی است مانند آنزیم ها یا آنتی بادی ها که به سوبسترای خود یعنی سوبسترای آنزیم و آنتی ژن حساس هستند. علامت های (سیگنال) ایجاد شده در حسگرهای زیستی متناسب با غلظت آنالیت در نمونه است که این سیگنال ها را میتوان در نهایت با روش های مختلف نوری و الکتروشیمیایی شناسایی نمود ، یعنی میتوان سیگنال های زیستی را به دیگر سیگنال ها مانند سیگنال های الکتریکی، نوری و یا سایر سیگنال ها تبدیل نموده و به این ترتیب به این وسیله وجود ملکول زیستی را از نظر کیفی یا کمی اندازه گیری نمود.
اولین حسگر زیستی الکترود آنزیمی نام داشت که توسط کلارک و لیون برای شناسایی گلوکز استفاده گردید. در این حسگر، آنزیم گلوکز اکسیداز اکسیداسیون گلوکز به گلوکرونیک اسید را کاتالیزور میکند، براین اساس یک حسگر زیستی ساخته میشود. در حسگرهای اخیر از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده به کار می رود.
امروزه حسگرهای زیستی کوچکی به اندازه ی یک سلول و حتی در حد نانومتر ساخته شده اند که به راحتی در مجاورت سلولها قرار میگیرد و تغییرات را گزارش میدهد. قبلا از الکترودهای میکروارایه برای اندازه گیری پتانسیل عمل نورون ها استفاده میشد. مثال دیگر سیستم حسگر زیستی تهیه شده که قادر به نشان دادن تولید پروتئین خاصی میباشد. از این روش از فاکتورهای نوترکیب بیان پروتئین فلورسانس استفاده می شود.
برای ساخت نانو حسگرهای زیستی می توان از نانو لوله ها استفاده کرد به این صورت که پلی مری خاص را به نانو لوله های کربنی به صورت غیر کوالان (هیدروفوب) متصل می کنند که با این عمل امکان وارد کردن گروه های فعال مانند کربوکسیل و یا آمین به سطح نانو لوله ها فراهم می شود. حال این گروه های فعال می توانند به لیگاندهای زیستی متصل و ایجاد علائم کند.
مثال دیگر: حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی DNAرا میتوان نام برد که در این حسگرها جفت بازهای واتسون و کریک را به صورت علائم قابل بررسی و قابل خواندن بر می گردانند. یک حسگر زیستی DNAبه وسیله تثبیت یک اولیگونو کلئوتید: تک رشته ای برروی سطح یک مبدل طراحی می گردد و DNA دو رشته ای که حاصل هیبریداسیون آنالیت با DNA تثبیت شده بر روی الکترود است، تشخیص داده می شود. این وقایع در نهایت به صورت سیگنال آنالیتیکی به وسیله مبدل که می تواند دستگاه الکتروشیمیایی نوری و گرادیمتری و.... باشد به کمیت قابل اندازه گیری ترجمه می شود. از آن جایی که حسگرهای زیستی الگتروشیمیایی قادر به شناسایی سریع ساده و ارزان قیمت نمونه ها هستند. معمولا این روشها نتایج بهتری را نسبت به سایر سیستمهای اندازه گیری از خود نشان می دهند بیو سنسورهای الکتروشیمیاییDNA به علت حساسیت بالا، انتخابی بودن زیاد، قیمت مناسب و استفاده ی آسان از آنها در همه جا در آینده نزدیک به صورت چیپ های کوچک و قابل حمل در دسترس قرار میگیرد.
نانو لوله های کربن نیز برای تشخیص الکترو شیمیایی هیبریداسیون DNA مورد استفاده قرار میگیرد که در این روش پروب الیگونوکلئوتیدی به صورت انتخابی به انتهای یک نانو لوله چند لایه ای متصل میشود. به علت سطح زیاد و خاصیت هدایتی بالا آنها می توان با استفاده از نانو لوله ها سیگنال قوی را در آزمایشات الکتروشیمیایی به دست آورد.

یکی از انواع اختصاصی بیوسنسورها (حسگرهای زیستی) که در شناسایی مولکولهای زیستی مورد مصرف قرار می گیرد، به وسیله ی رزونانس سطحی می باشد که اساس آن بر آشکار سازی تغییرات در ویژگی های نوری لایه ی سطحی می باشد. پروتئین های کریستالین مربوط به ساختار لایه سطحی باکتریها به عنوان یک شبکه کریستالی و یک سطح آب گریز به کار رود . برای این کار ترجیحا از باکتری به نام لاکتو باسیلوس پلانتاروم استفاده می شود. زیرا پروتئین های سطحی این باکتری به خوبی در محیط های آب گریز به حالت کریستالی در می آیند و با این ترتیب یک تک لایه ایجاد می شود ونیز این لایه می تواند تغییر یابد بدون این که خصوصیت پارا کریستالین آن نقصان یابد. برای استفاده از لایه سطحی در بیوسنسورها یک لایه دکستران را به طور کووالانس به آن متصل میکنند. از این نوع پوشش ها در بیوسنسور کاربوردهای متنوعی میتوان نمود مانند شناسایی بیوملکولها در مایعات بدن مثل خون ، اوره، مایه لنفاوی، مایعات مغزی نخاعی ویا در مواد غذایی مانند ماست، شیر، سوپ، نوشابه های غیر الکلی، نوشیدنی انرژی زا، آبجو، آبگوشت، آب سبزی جات پخته و یا شناسایی پروژسترون در شیر گاو که باعث تشخیص زمان تخمک گذاری و کنترول دقیق شیر گاو و بازده بالا تره کارخانجات لبنی و افضایش شیر بدست آمده به ازاء هر گاو میگردد، اساسا تمام بیومولکولها با این نوع سنسورها قابل شناسایی میباشد . برای این کار باید پذیرنده های اختصاصی برای هر بیوملکول بکار برد . نمونه هایی میتوان نام برد مانند قندها، آنتی زن ها، آنتی بادی ها، آنتی بیوتیک ها، هرمونها سموم قارچی و علف کشها میباشند. همچنین ذرات آلوده کننده های محیطی مانند فسفات ها و یا ترکیبات نیترات دار ویا آزمایش مواد غذایی از نظر حضور ذرات نا خواسته، مانند توکسین ها ( آفلا توکسین، انتروتکسین باکتری استافیلو کوکوس ارئوس) و هورمونها از این نوع بیوسنسورها استفاده کرد

بیوسنسورها و نانو بیوسنسورها

بیو سنسور ها ( حسگرهای زیستی)

مطالب مشابه :

دپارتمان تخصصی شیمی

شیمی هسته ای

چرا الکل صنعتی رنگی است؟

حلالیت چیست؟

مصاحبه دپارتمان شیمی با کشاورز.رتبه 4 ارشدشیمی از دانشکده علوم پایه یاسوج

نقش جلبک‌ها در کاهش آلودگی آب‌ها

بیوسنسورها و نانو بیوسنسورها