بیوسنسور چیست؟

حسگر زیستی یا بیوسنسور (Biosensor) نام گروهی از حسگرها است که به گونه ای طراحی شده اند تا بتوانند تنها با یک ماده خاص واکنش نشان دهند. نتیجه این واکنش به صورت پیام هایی در می آید که یک ریزپردازنده میتواند آن ها را تحلیل کند. این حسگرها مختلف اند اما جدا از نوعشان، همگی دارای ساز و کاری مشترک اند و در مسیر سال های اخیر پیشرفت های زیادی در عرصه های گوناگون داشته اند. طبق تعریف اتحادیه بین المللی شیمی کاربردی و اتحادیه بین المللی شیمی محض (IUPAC)،حسگر زیستی عبارت است از مجموعه ابزارهایی که با استفاده از واکنش های بیوشیمیایی خاصی، به واسطه آنزیم های ایزوله، بافت ها، سلول ها یا هر عنصر شیمیایی ماده مورد نظر را معمولاً به صورت الکتریکی، اُپتیکی یا گرمایی آشکارسازی می کند.

اگر از دید کلی به بیوسنور ها نگاه بیندازیم در واقع شبیه به حسگر های طبیعی بدن ما هستند.

بیوسنسور ها به دلیل آنکه در تماس مستقیم با بدن یک موجود پیچیده قرار دارند، نیازمند طراحی خاصی هستند. آن ها باید به گونه ای طراحی شوند که تنها پارامتر هایی که ما نیاز داریم را اندازه‌گیری کنند. بیوسنسور هایی که طراحی می شوند تا در مجاورات بدن قرار بگیرند نباید پی اچ قسمت های مختلف،دما،آنزیم های بی ربط و … در سیگنال های پایانی ما تاثیر گذاشته باشند.

مواد مختلفی در ساخت یک بیوسنسور بکار می رود. مواد مورد استفاده در حسگرهای زیستی بر اساس مکانیسم‌هایشان به سه گروه دسته‌بندی می‌شوند: گروه بیوکاتالیستی شامل آنزیم‌ها، گروه بیوافینیتی شامل آنتی‌بادی‌ها و اسیدهای نوکلئیک و میکروارگانیسم‌های حاوی میکروارگانیسم.

انواع بیوسنسورها

بیوسنسور هایی که امروزه در صنعت و سلامت کاربرد گسترده ای دارند مبتنی بر انواع مختلفی از ویژگی های یک ماده هستند.

1-آنزیمی

حسگرهای زیستی آنزیمی بر روی روش‌های بی‌حرکتی ابداع شده‌اند، یعنی جذب آنزیم‌ها توسط نیروهای واندروالس، پیوند یونی یا پیوند کووالانسی.  آنزیم‌هایی که معمولاً برای این منظور استفاده می‌شوند، اکسیدوردوکتازها، پلی فنل اکسیدازها، پراکسیدازها و آمینو اکسیدازها هستند.

2-بافتی

مبتنی بر اندامک بوده و با استفاده از غشا میتوکندری و کلزدپلاست و میکروزوم اطلاعاتی را از بافت استخراج میکنند.

3-ایمنی

حسگرهای ایمنی بر این اساس ساخته شدند که آنتی بادی ها میل ترکیبی بالایی نسبت به آنتی ژن های مربوطه خود دارند، یعنی آنتی بادی ها به طور خاص به پاتوژن ها یا سموم متصل می شوند یا با اجزای سیستم ایمنی میزبان تعامل دارند.

4-مغناطیسی

بعضی از مواد خاصیت مغناطیسی دارند و استفاده از سنسور هایی که می‌توانند اثر مغناطیسی را ثبت کنند می تواند اطلاعات خوبی به ما بدهند.

5-پیزوالکتریک

دونوع هستند، یک نوع میکروبالانس کریستال کوارتز و یک نوع مبتنی بر موج صوتی سطحی.این نوع از زیست حسگر بر اساس تغییرات میزان فرکانس یک پیزوالکتریک هستتد.که این تغییرات در واقع براساس تغییرات جرم این کریستال پیزوالکتریک است.

6-حرارتی

بر اساس دمای اجسام کار مکینند که ساده ترین این نوع را برای اندازه گیری دمای بدن  استفاده میکنیم.

7-نوری

از یک منبع نور،انتقال دهنده نور با ویژگی خاص،سرحسگر و آشکارساز تشکیل شده اند.

بایوسنسور بطور کلی یک گروه از سیستم های اندازه گیری می باشد و طراحی آن بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیتها بر اساس اجزا بیولوژیک و آشکارسازهای فیزیکی و شیمیایی صورت می پذیرد. یک بیوسنسور در حقیقت شامل یک حسگر کوچک و ماده بیولوژیک تثبیت شده بر آن می باشد. بیوسنسور ها ابزارهای آنالیتیکی بشمار می روند که می توانند با بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیک، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده ، با آنها واکنش دهند. و بدین ترتیب یک پیام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی ایجاد نمایند. اجزا اصلی یک بایوسنسور عبارت است از:

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.

سیستم الکترونیک شامل پردازنده و نمایشگر

این بخش از بیوسنسور شامل سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی است که سیگنال تولید شده توسط مبدل را پردازش و نتایج را نمایش می‌دهند. اجزای اصلی این سیستم عبارتند از:

پردازنده (Processor):

پردازنده مسئول تجزیه و تحلیل سیگنال الکتریکی است. این بخش ممکن است شامل مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، فیلترهای سیگنال، و واحدهای پردازش داده باشد. پردازنده داده‌های خام را پردازش کرده و آنها را به اطلاعات قابل فهم تبدیل می‌کند.

نمایشگر (Display):

نمایشگر بخشی است که نتایج پردازش شده را به کاربر نشان می‌دهد. نمایشگرها می‌توانند از انواع مختلفی مانند نمایشگرهای LCD، LED، یا نمایشگرهای لمسی باشند. اطلاعاتی که نمایش داده می‌شوند ممکن است شامل غلظت ماده مورد نظر، نمودارهای زمانی، یا هشدارهای سیستم باشند.

محققان و پزشکان به نقطه ای از تاریخ رسیده اند که به ابزارهای ایمن و همچنین ارزانی برای انجام تحقیقات خود ،شناسایی بیماری، پیشگیری، توانبخشی، نظارت بر سلامت بیماران و مدیریت سلامت انسان نیاز پیدا کرده اند و به همین دلیل جوامع پزشکی در سال های اخیر به استفاده از حسگرهای زیستی مقرون به صرفه روی آورده اند. از روی دیگر در سال های اخیر دلایل مختلفی از جمله همه گیری سریع ویروس کرونا باعث شد تقاضای دستگاه های مراقبت بهداشتی خانگی بشدت افزایش یابد و همین امر باعث گسترش توسعه و تحقیق پیرامون دستگاه های پزشکی و بیوسنسور ها شد.

بیوسنسورها کاربرد های گسترده ای در غربالگری عفونی، شناسایی میکروارگانیسم های باکتریایی، بیماری زا و ویروسی ، تشخیص زودهنگام بیماری، درمان بیماری های مزمن، مدیریت سلامت و نظارت بر سلامتی دارد. همچنین برای آزمایش آلاینده‌های غذا و آب،آزمایش های کشاورزی، آزمایش های پزشکی قانونی، آزمایش های زیست پزشکی، کنترل و ردیابی فرآیندهای بیولوژیکی انسان، ارزیابی و تشخیص دقیق سلامت کاربرد دارد. این ابزار همچنین درها را برای کسانی که در علوم بالینی دست دارند باز می کند به این دلیل که این حسگرها میتوانند مواد شیمیایی را بدون نیاز به خونگیری در بدن انسان تشخیص دهند. مشکل ردیابی مداوم شیمی بدن که نیازمند حضور افراد در بیمارستان است نیز با بیوسنسور ها قابل حل است و به افراد این امکان را می دهد که از هر کجا به اطلاعات مواد شیمیایی موجود در بدن  دسترسی داشته باشند و حتی تمام این اطلاعات را در یک برنامه تلفن همراه جمع‌آوری کرده و با پزشک، مراقب یا هرکسی که می‌خواهند به اشتراک بگذارند.حتی جالب است بدانید در صنعت حسگرهای زیستی در بسترهای متعدد، DNA، منسوجات هوشمند، صنعت خودروسازی و انتخاب های کاملاً بی نهایت استفاده می شوند. بنابراین، با توجه به کاربردهای عظیم حسگرهای زیستی، درک پتانسیل، کاربردها و پیشرفت تکنولوژیکی آنها ضروری است.

 

References:

1-Biosensors and their applications – A review – PMC

2-معرفی حسگرهای زیستی

3-بایوسنسور – آموزشگاه نانو زیست فناوری اوژن (تکوین)

4-Biosensor : Types, Interfacing, Characteristics & Its Applications

5-Biosensors applications in medical field: A brief review – ScienceDirect