پاورپوینت بیوسنسور زیست حسگر

بیوسنسور(زیست حسگر)

مقدمه
امروزه در زمینه های مختلفی از جمله پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست و تولید محصولات دارویی و بهداشتی از بیوسنسورها بهره می گیرند. این سنسورها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکولهای زیستی می باشند. به عنوان مثال حواس بویایی و چشایی انسان نمونه ای از یک زیست حسگر طبیعی است که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می پردازد. سیستم ایمنی بدن نیز یک زیست حسگر طبیعی است، که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می کند.
در حقیقت زیست حسگرها ابزارهای آنالیتیکی هستند که می توانند با بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده و با آنها واکنش دهند. محصول این واکنش می تواند یک پیغام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی باشد.

بیشترین کاربرد زیست حسگرها در تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است. در حال حاضر بیوسنسورهای گلوکز از موفق ترین بیوسنسورهای موجود در بازار هستند که به اندازه گیری غلظت گلوکز خون می پردازند. در پانکراس بیماران دیابتی به میزان کافی انسولین تولید نمی شود. در اینگونه موارد برای تنظیم مصرف انسولین، سنجش مداوم میزان گلوکز خون ضروری است. این ابزار به بیماران مبتلا به دیابت کمک می کند تا در طول روز به سنجش سطح گلوکز خون خود پرداخته و در زمانهای مورد نیاز انسولین تزریق کنند.

تعریف بیوسنسور
در یک بیوسنسور،عنصر حسگر که به ماده ای بیولوژیکی پاسخ می دهد،دارای طبیعت بیولوژیکی است.این عنصر باید به نوعی مبدل متصل شود تا یک پاسخ قابل مشاهده با چشم را تولید کند.بیو سنسور به طور کلی به احساس و اندازه گیری مواد شیمیایی خاصی که ممکن است فیزیولوژیکی نیز باشد،مربوط می شوند.معمولا این مواد را سوبسترا می نامند،در حالی که واژه ی کلی تر آن آنالیت است.
یک بیوسنسور را می توان به عنوان ابزاری که از تلفیق یک حسگر بیولیوژیکی متصل به یک مبدل حاصل می شود،تعریف نمود.

بررسی اجزای بیوسنسور
به طور کلی هر بیوسنسور شامل اجزای زیر می باشد:
1-آنالیت
2-عناصر بیولوژیکی
3-مبدل
(4-پردازشگر)
(5-نمایشگر)

Block Diagram of a Biosensor
(a)بیوکاتالیست
(b)مبدل
(c) آمپلیفایر
(d)پردازنده
(e)نمایشگر

Block Diagram of a Biosensor
Sample (Analyte or Substrate)
BiorecognitionElement
Transducer
Signal Processing Device
Olfactory Membrane
Olfactory Nerve Cell
Introduction to Biophotonics – Prasad – John Wiley & Sons © 2003

آنالیت(سوبسترا)
در عمل،هر ماده ای که در یک فرآیند شیمیایی مصرف یا تولید شود،مستعد اندازه گیری با یک بیوسنسوراست.برخی نمونه ها به شرح زیر است:
قند ها،اوره،کلسترول،اتانول،گلوتامیک اسید،لاکتیک اسید،فسفات،پنی سیلین،آسپرین،بسیاری از آمینو اسیدها و …

عناصر بیولوژیکی
اهمیت این اجزا در عملکرد بسیار اختصاصی آن نسبت به سوبسترای خاص 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. استفاده از آنزیم به عنوان جزء بیولوژیکی ، بیش تر از دیگر مواد متداول است.
عناصر بیولوژیکی عامل اصلی گزینش در بیوسنسورها محسوب می شوند.این عناصردارای چنان قدرتی هستند که تنها به سوبسترای خاصی متصل میشوند و با دیگر سوبستراها واکنشی نشان نمی دهند.

چهار دسته ی اصلی این مواد به شرح زیرند:
1-آنزیم ها
2-آنتی بادی ها
3-اسید های نوکلئیک
4-گیرنده ها
دسته های دیگر عبارتند از:
میکروارگانیسم ها،بافت،سلول،ارگان و…

آنزیم
از عناصر بیولوژیکی هستند که بیشتر به کار برده میشوند و ممکن است در حالت خالص یا به صورت موجود در ریزاندامگان یا در قطعه ای از بافت مورد استفاده قرار گیرند.این مواد کاتالیزورهای بیولوژیکی برای واکنش های خاص بوده و می توانند خود را به سوبسترای خاصی متصل سازند.کارایی این مواد در ساخت بیوسنسور مربوط به عمل کاتالیزوری آنها می باشند.
آنزیم ها یک ماکرو مولکول پیچیده و درشت است که بخش اعظم آن پروتئینی است با یک گروه پروستیتک که غالبا حاوی یک یا چند اتم فلزی است.عملکرد بسیاری از آنزیم ها شامل فرآیند اکسید یا احیا است که با روشهای الکتروشیمیایی قابل آشکارسازی است.

مزایا و معایب آنزیم های خالص
مزایا:
به جسم مورد سنجش متصل است.
از قدرت گزینش بالایی برخوردارند.
چون دارای فعالیت کاتالیکی هستند حساسیت را افزایش می دهند.
عملکرد آنها سریع است.
از جمله مواد بیوتوژیکی هستند که بیشترین مصرف را دارند.

معایب:
گران هستند.هزینه ی استخراج،جداسازی و خالص سازی آنزیم ها خیلی بالاست.در برخی موارد ممکن است قیمت منبع آنزیم نیز گران باشد.
غالبا در هنگام تثبیت آنزیم ها روی مبدل،بخشی از فعالیت خود را از دست میدهد.
این مواد به دلیل غیر فعال شدن،پس از مدت کوتاهی فعالیت خود را از دست می دهند.

آنتی بادی ها
آنتی بادی تولید شده در اندامها،پروتئینهایی هستند که با مواد متخاصم به نام آنتی ژن پیوند یافته ،آن ها را دفع و از آسیبشان جلوگیری می کند.
آنتی ژن های نا شناخته را میتوان با آنتی بادی های نشاندار تعیین نمود.نشاندار کردن را می توان با رادیو ایزوتوپ ها،پروب های فلورسنت و یا پروبهای شیمی لو مینسنس انجام داد.
پیوند آنتی بادی با آنتی ژن،در مقایسه با پیوند آنزیم با سوبسترای مربوط،بسیار قوی تر و اختصاصی تر است.در حقیقت،آنها نسبت به گونه های مختلف از یک ماده بسیار اختصاصی عمل می کنند.این مواد غالبا به صورت نشاندار مورد استفاده قرار می گیرند.

مزایا:
این مواد دارای قدرت گزینش بالا هستند.
بسیار حساسند.
پیوند آنها بسیار قوی است
معایب:
فاقد اثر کاتالیکی هستند.

نوکلئیک اسید
عملکرد اختصاصی بین بازهای دو رشته ی نوکلئیک اسید،منشا کد ژنتیکی است که مشخصات تمام قسمت های سلول زنده را در بر دارد.پروبهای ِِِِDNA برای تشخیص بیماری های ژنتیکی،سرطان و عفونت های ویروسی مفید هستند.همانند آنتی بادی ها سنجش DNA نیز غالبا با افزودن DNA نشانداربه محلول سنجش همراه است.

گیرنده ها
پروتئینهایی هستند که درون غشای دو لایه ی لیپیدی که پلاسمای سلول را احاطه کرده قراردارند و از قدرت شناخت مولکولی برخوردارند.
اتصال یک لیگاند به یک گیرنده،موجب صدور ناگهانی یک پاسخ قوی فیزیولوژیک از قبیل باز شدن کانال یون،سیستمهای پیغام بر ثانوی و فعال شدن آنزیم ها می شود.چنین گیرنده های بیولوژیکی به جای اینکه نسبت به ماده ی خاصی واکنش نشان دهند،نسبت به گروهی از ترکیبات با مشارکت ساختمانی تمایل نشان می دهند.این گیرنده ها غالبا به همراه مواد نشان دار مورد استفاده قرار می گیرند.

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 وجود دارد:
1-جذب سطحی 4-پیوند عرضی
2-ریزپوشینه سازی 5-پیوند کووالانسی
3-محبوس سازی

ریز پوشینه سازی (microencapsulation)
در این روش یک غشای بی اثربرای به دام انداختن مواد زیستی بر روی یک مبدل به کار می رود.این روشی است که برای ساخت اولین حسگر گلوکز روی الکترود اکسیژن استفاده شد.
اصلی ترین غشا هایی که در این روش مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
-استات سلولز(مانع خروج پروتئینها شده و ورود گونه های مزاحم مانند آسکوربات را کند می کند)
-پلی کربنات(ماده ی سنتزی فاقد قدرت گزینش)
-کلاژن(یک پروتئین طبیعی)
-تفلون(دارای قابلیت تراوایی همراه با گزینش برای گاز هایی مانند اکسیژن است)

محبوس سازی(entrapment)
در این روش ماده ی بیولوژیک با محلول مونومر مخلوط می شود.سپس مونومر پلیمریزه شده به ژل مبدل می گردد.با وقوع این فرآیند ماده ی زیستی به دام می افتد.متاسفانه در این روش نفوذ سوبسترا با مانع همراه است و واکنش به کندی صورت می گیرد.با از دست رفتن ماده ی بیولوژیکی از طریق منافذ ژل،فعالیت کاهش می یابد.البته با پیوند عرضی می توان از این مشکل پیشگیری کرد.پلی آکریل آمید بیشترین ژلی است که در این زمینه مورد استفاده قرار گرفته است.

پیوند عرضی
در این روش مواد بیولوژیکی به یک حامل جامد یا موادی از قبیل ژل متصل می شوند.برای این منظور از موادی نطیر گلوتارآلدهید که دارای دو گروه عاملی است،استفاده می شود.در این روش احتمال آسیب آنزیم وجود دارد و نفوذ سوبسترا هم محدود می شود.

پیوند کووالانسی
برخی از گروه های عاملی که در فعالیت کاتالیکی آنزیم نقش اساسی ندارند،می توانند به پیکره ی جسم نگه دارنده(مبدل یا غشا)متصل شوند.در این روش برای پیوند از گروه های نوکلئوفیلیک مانند SH,OH,COOH,NH2 استفاده می کنند.لازم است که واکنش در دمای پایین و PH خنثی صورت گیرد.در این روش در طی استفاده از بیوسنسور،آنزیم از دست نمی رود.

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:

مبدل های الکتروشیمیایی
پتانسومتری: این روش مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل یک پیل در جریان صفر است.این پتانسیل با لگاریتم غلظت ماده ی مورد سنجش متناسب است.
ولتامتری: یک پتانسیل به پیل اعمال می گردد تا اکسایش (یا کاهش)ماده ی مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش یا کاهش در جریان پیل ایجاد شود.این روش به آمپرمتری معروف است.
رسانایی سنجی: محلول های حاوی یون هادی الکترون هستند.بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می یابد.رابطه ی بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.

حسگرهای مبتنی بر FET: گاهی اوقات با به کارگیری یکی از روشهای بالا روی یک تراشه ی ترانزیستور اثر میدان،میتوان بیوسنسورهای بسیار کوچکی ساخت.این عمل بیشتر در بیوسنسورهای پتانسومتری صورت میگیرد.
مبدل های نوری: روش های مورد استفاده در بیوسنسورهای نوری شامل طیف سنجی جذب،طیف سنجی فلورسانس،طیف سنجی انعکاس داخلی،تشدید پلاسمون سطح و پراش نوراست.
ابزار های پیزوالکتریک: این ابزارها مبتنی بر تولید جریان در اثر ارتعاش در یک بلورند.فرکانس ارتعاش توسط جرم جذب شده بر روی سطح تحت تاثیر قرار می گیرد.
روشهای گرمایی: تمام فرآیندهای شیمیایی با تولید یا جذب انرژی همراهند. این حرارت را می توان با یک ترمیستور حساس اندازه گیری نمود و آن را به میزان واکنش نسبت داد.

پتانسیومتریک
غشا نیمه تراوا(a)،بیوکاتالیست (b)را که در پشت غشا شیشه ای فعال (c)پروب (d) PHمحاط کرده است. پتانسیل الکتریکی (e) بین الکترود مرجع خارجی و الکترود داخلی (f) AGCL/AG که در HCL رقیق ((gو الکترود خارجی مرجع (h) قرار دارد ،برقرار می شود.

آمپرمتریک
بیوسنسور آمپرومتریک گلوکز پتانسیلی بین کاتد مرکزی (پلاتین) و آند حلقوی (نقره) اعمال می شود که عامل ایجاد جریان بین دو الکترود است. الکترودها با یک غشای پلاستیکی نازک تراوا نسبت به اکسیژن از بیوکاتالیست (گلوکز اکسیداز) جدا می شوند. محلول آنالیت نیز با غشای دیگری که نسبت به سوبسترا و محصول ترواست، از بیوکاتالیست جدا می شود. قطر این بیوسنسور در حدود 1 سانتی متر است ولی با استفاده از سیم کاتدی پلاتین داخل آند فلزی روکشدار سوزنی و با بهره گیری از غشاهای dip coated قطر آن به 0.25 میلی متر کاهش یافته است.

کالریمتریک
شماتیک کلی یک بیوسنسور کالریمتریک بخار نمونه (a) از داخل محفظه ی بیرونی عایق شده می گذرد (b) و به تبادلگر گرمایی (c) داخل محفظه ی آلمینیومی (d) می رسد سپس از ترمیستور مرجع عبور کرده (e) و وارد بستر آکنده ی بیورآکتور (1 میلی لیتر) می شود ((f (این بسترحاوی بیوکاتالیست بوده و واکنش در این قسمت صورت می گیرد) تغییرات دما توسط مقاومت گرمایی ثبت شده (g) و محلول به سمت پسماندها هدایت می شود (h) مدارات خارجی (l) تفاوت در مقاومت و در نتیجه اختلاف دما را بین ترمیستورها معین می کنند.

اثرمیدان
شماتیک کلی از مقطع عرضی یک ENFTES. ابعاد حقیقی قسمت فعال آن: 500 میکرومتر طول، 50 میکرومتر عرض و 300 میکرومتر قطر دارد. بدنه ی اصلی بیوسنسور از تراشه ی سیلیکونی نوع P با دو ناحیه ی سیلیکونی نوع n تشکیل شده است. تراشه با لایه ی نازک سیلیسی که ورودی FET را تشکیل می دهد، عایق شده است. بالای این ورودی یک لایه ی نازک از ماده ی حساس به H+ (اکسید تانتال)، غشای محافظ یون گزین، بیوکاتالیست و محلول آنالیت قرار دارند که با استفاده از فوتوپلیمر پلی آماید از قسمتهای حساس FET جدا شده اند. هنگام اعمال پتانسیل بین الکترودها، جریانی در FET برقرار می شود که مستقل از پتانسیل مثبت موجود در ورودی یون گزین بوده و باعث جذب الکترونها به ناحیه ی تخلیه می شود

Source: Hayes & Horowitz, 1989
FET
Drain
Gate
Source
–
+
+
+
+
+
+
+
Insulator

FET
Drain
Gate
Source
–
–
–
–
–
–
Insulator
+
+
+
+
+
(Electron Channel)
(Not conductive enough)

FET
Drain
Gate
Source
–
Insulator
+
+
+
+
+
Threshold Voltage

FET
Drain
Gate
Source
–
–
–
–
–
–
–
–
Insulator
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–

منابع
Biomaterial science by Buddy D.ratner & Allan S.hafman & …
En.wikipedia.org
www.irbme.ir
www.lsbu.ac.ir/biosensor
and ….