پاورپوینت بیوسنسور یا حسگرهای زیستی

1

2
بیوحسگرها

3
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.

4
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.

5
بررسی اجزای بیوسنسور
به طور کلی هر بیوسنسور شامل اجزای زیر می باشد:
(a)بیوکاتالیست
(b)مبدل
(c) آمپلیفایر
(d)پردازنده
(e)نمایشگر

Biosensor:

Incorporation of a biomolecule in order to detect something
Species to be detected
(analyte)
Filter
Recognition Layer
Transducer
Electronics
Signal
Recognition Layer
6

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.
7

8
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.

9
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.

10
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.

11
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.

12
نانولوله ها
هدایت الکتریکی بالایی نسبت به مس دارند.
جذب و دفع مولکولی:
اولین اثر جذب مولکولی بر روی تک دیواره ها درخلال اندازه گیری خواص هدایت الکتریکی نانولوله ها دیده شد.
تفاوت مقاومت نانولوله های نیمه هادی در هوا و خلاء .
اندازه گیری خواص الکتریکی نانولوله ها در محیط های مختلف
ضریب هدایت الکتریکی نانولوله ها در معرض مقادیر اندکNO2سه برابر نانولوله های معمولی
ضریب هدایت در معرض NH3 دو برابر
NO2 و O2 به شدت جذب فیزیکی نانولوله ها شده و سرعت دفع آن ها در دمای اطاق ناچیز است.
جذب فیزیکی NH3 ضعیف بوده و می توان آنرا با پمپ ساده در خلاء از روی نانولوله ها جدا نمود، زیرا NH3 با پیوندهای ضعیف واندروالس به نانولوله ها متصل می شود. علیرغم این پیوندهای ضعیف، NH3 تغییرات زیادی در ضریب هدایت الکتریکی نانولوله ها ایجاد می کند.

13
Succinimidyl ester

14
O2
H2O2
Glucose
Gluconic Acid
e-

15
O2
H2O2
Glucose
Gluconic Acid
e-

16
e-
e-
e-
e-
e-
Effectively increases electrical current

17
CNT Uncoated vs. Coated

18
DNA Structure
DNA structures—double helix (complementary)
4 bases:
Adenine (A), Guanine (G),
Thymine (T), and Cytosine (C)
sugar (deoxyribose)
phosphate group

19
DNA Stability
Hydrogen bonding between base pairs

Stacking interaction between bases along axis of double-helix
Size and base content and sequence

20
Principles of DNA biosensors
ssDNA (Probe)
(Target Sequence)
(Hybridization)
(Stable dsDNA)

21
“Stem-loop”
s

22
“Stem-loop”
Target
s
Gold electrode

23

24

25
منابع
Kazunori Ikebukuro, Yumiko Kohiki, Koji Sode 2002. Amperometric DNA sensor
using the pyrroquinoline quinone glucose dehydrogenase-avidin conjugate.
Biosens. Bioelectron. 17,1075—1080
K McKimmie. “What’s a Biosensor, Anyway?”, Indiana Business Magazine, 2005, 49, 1:18-23.
N Zimmerman. “Chemical Sensors Market Still Dominating Sensors”, Materials Management in Health Care, 2006, 2, 54.
K Odenthal, J Gooding. “An introduction to electrochemical DNA biosensors”, Analyst, 2007, 132, 603–610.
S V Lemeshko, T Powdrill, Y Belosludtsev, M Hogan, “Oligonucleotides form a duplex with non-helical properties on a positively charged surface”, Nucleic Acids Res., 2001, 29, 3051–3058.
F Ricci, R Lai, A Heeger, K Plaxco, J Sumner. “Effect of Molecular Crowding on the Response of an Electrochemical DNA Sensor”, Langmuir, 2007, 23, 6827-6834.
M Heller. “DNA Microarray Technology”, Annual Review of Biomedical Engineering, 2002, 4, 129-153.
E Boon, D Ceres, T Drummond, M Hill, J Barton, “Mutation Detection by DNA electrocatalysis at DNA-modified electrodes”, Nat. Biotechnol. 2000, 18, 1096-1100.
Biomaterial science by Buddy D.ratner & Allan S.hafman & …
En.wikipedia.org
www.irbme.ir
www.lsbu.ac.ir/biosensor

26