بیوسنسور چیست؟ اجزا، انواع و روش‌های عملکرد

بیوسنسورها یک گروه از سیستم‌های اندازه‌گیری می‌باشد و طراحی آنها بر مبنای شناسایی انتخابی آنالیت‌ها (Analyte) بر اساس اجزای بیولوژیک و آشکارسازهای فیزیکی و شیمیایی صورت می‌پذیرد.

در حقیقت بیوسنسورها ابزار آنالیتیکی بشمار می‌روند که می‌توانند با بهره‌گیری 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 کند.

در حقیقت اساس شناسایی و سنجش ترکیبات در این سیستم‌ها، اتصال ویژه آنالیت مورد اندازه‌گیری به سنسور توسط بیورسپتورها می‌باشد.

حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعم‌های مختلف می‌پردازد و یا سیستم ایمنی بدن که میلیون‌ها نوع مولکول مختلف را شناسایی می‌کند، نمونه‌هایی از بیو سنسورهای طبیعی هستند.

در حال حاضر بیوسنسور گلوکز از موفق‌ترین بیوسنسورهای موجود در بازار بوده و برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می‌شود.

اجزای بیو سنسورها

• عنصر بیولوژیکی (Biologocal Rrecongition Element)
• آشکارساز (Detectot)
• مبدل (Transducer)

در این سیستم‌ها اندازه‌گیری تغییرات فیزیکی و شیمیایی انجام شده در سطح بیورسپتور و تبدیل آن به انرژی قابل‌اندازه‌گیری توسط مبدل انجام می‌شود. همچنین هدایت سیگنال‌های فرستاده شده از مبدل به میکروپروسسور تقویت آنالیز، و در نهایت تبدیل آن به واحد غلظت توسط آشکارساز انجام می‌گیرد.

تقسیم‌بندی بیو سنسورها بر اساس نحوه شناسایی آنالیت‌ها:

1. بیوسنسور ها با اساس شناسایی مستقیم آنتی ژن

واکنش پذیرنده با آنالیت مستقیما توسط سنسور شناسایی می‌گردد (عناصر بیولوژیک مورد استفاده: گیرنده‌های سلولی و آنتی بادی‌ها)

2. بیو سنسور ها با اساس شناسایی غیر مستقیم آنتی ژن

واکنش پذیرنده با آنالیت به طور غیرمستقیم توسط سنسور شناسایی می‌گردد (عناصر بیولوژیک مورد استفاده: آنتی بادی‌های نشاندار و یا ترکیباتی با خاصیت کاتالیتی مانند آنزیم‌ها)

عناصر بیولوژیکی (Biologocal Rrecongition Element)

آنزیم‌ها

آنزیم‌ها از جمله بیومولکول‌های حیاتی هستند که بر اساس قدرت اتصال اختصاصی و همچنین خاصیت کاتالیزوری در طراحی بیو سنسورها کاربرد گسترده‌ای دارد.

آنزیم‌ها ممکن است در حالت خالص یا به‌صورت موجود در ریزاندامگان یا در قطعه‌ای از بافت مورداستفاده گردد.

این مواد کاتالیزورهای بیولوژیکی برای واکنش‌های خاص بوده و می‌توانند به‌سرعت، سوبسترای اختصاصی خود را به محصول تبدیل سازد.

مزایای استفاده از آنزیم‌ها

1. به آنالیت مورد تشخیص متصل میگردد
2. قدرت گزینش بالایی دارند
3. به علت کاتالیکی حساسیت سنجش را افزایش می‌دهد

عملکرد آنها سریع است.

معایب استفاده از آنزیم‌ها

1. بالا بودن هزینه استخراج و جداسازی آنزیم‌ها
2.  عدم پایداری، به طوری که در اغلب موارد هنگام تثبیت آنزیم‌ها روی مبدل، آنزیم‌ها بخشی از فعالیت خود را از دست می‌دهند.

آنتی‌بادی

ساختمان معمول آنتی‌بادی از دو زنجیره مشابه و یکسان سنگین (H) و دو زنجیر مشابه و یکسان سبک (L) که با پیوندهای دی سولفیدی به یکدیگر متصل‌اند.

توانایی ویژه آنتی‌بادی در تشخیص و اتصال به آنتی‌ژن است.

اسیدنوکلئیک

شناساگر یک قطعه اسیدنوکلئیک است که دارای توالی بسیار اختصاصی مکمل یک ژن می‌باشد و به‌منظور شناسایی قطعات خاص DNA و پیداکردن محل آنها در ژن استفاده می‌شود.

در واقع خاصیت جفت بازهای مکمل اساس تشخیص زیستی در DNA بیوسنسورها تشکیل می‌دهد که معمولاً ژنوستور نامیده می‌شود.

ساختارهای سلولی

گیرنده‌های زیستی شامل سلول، میکروارگانیسم یا یک ترکیب سلولی خاص که قادر به اتصال ویژه با آنالیت خاص هستند.

این گروه خود به 3 گروه طبقه‌بندی می‌شوند.

1. سیستم های سلولی
2. آنزیم ها
3. پروتئین های غیر آنزیمی

روش‌های تثبیت اجزای بیولوژیک

به‌منظور ساخت یک بیو سنسور پایدار، باید جزء بیولوژیکی به طرز خاصی به مبدل‌ها متصل گردد، چنین فرایندی را تثبیت گوید. برای این منظور پنج روش زیر مورداستفاده خواهد شد:

1. جذب: ساده‌ترین روش مورد استفاده است. همانطور که می‌دانیم بسیاری از مواد قادر به جذب پروتئین‌ها روی سطح خود می‌باشند مثل خاک چینی و… . این روش برای کارهای اکتشافی با نیمه‌عمر کوتاه استفاده می‌شود. در این روش نیاز به ماده خاصی نیست از این رو کمترین احتمال تخریب پروتئین وجود دارد.
2. ریز پوشینه‌سازی: در این روش یک غشای بی اثر برای به دام انداختن مواد زیستی بر روی یک مبدل به کار می‌رود (این روشی است که برای ساختن اولین بیو سنسور گلکوز روی الکترود اکسیژن استفاده شد) اصلی‌ترین غشاهای مورداستفاده عبارت است از: استات سلولز، پلی‌کربنات، تفلون، کلاژن و…
3. محبوس‌سازی: دراین روش ماده بیولوژیک با محلول مونومر مخلوط می‌شود، سپس مونومر پلیمیزه شده به ژل مبدل می‌گردد و با این وقوع این فرایند ماده زیستی به دام می افتد (دراین روش واکنش به کندی انجام می‌شود)
4. پیوند عرضی: در این روش مواد بیولوژیکی به یک حامل جامد یا موادی از قبیل ژل متصل می‌شوند، برای این منظور از موادی نظیر گلوتارالدئید استفاده می‌شود (در این روش احتمال آسیب آنزیم وجود دارد)
5. پیوند کوالانسی: برخی از گروه‌های عاملی که در فعالیت پروتئین نقش اساسی ندارند،میتوانند به پیکره جسم نگهدارنده (مبدل یا غشاء) متصل شوند.در این روش برای پیوند از گروه‌های نوکلئوفیلیک مانند COOH، NH2 ،OH و SH استفاده می‌شود.

مبدل‌ها (Transducer):

• مبدل‌های رسانایی سنجی: محلول‌ها حاوی یون هادی الکترون هستند، بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می‌یابد، رابطه بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.
• مبدل‌های پیزوالکتریک: اندازه‌گیری تغییرات کوچک ایجاد شده در جرم، اساس طراحی این نوع از بیوسنسورها می‌باشد، ویژگی کریستال‌های استفاده شده در این بیوسنسورها بدین ترتیب است که وقتی در معرض فشار قرار می‌گیرد یک ولتاژ تولید می‌کند (اختلاف ایجاد شده در جرم متناسب با غلظت ماده یا گروهی از مواد مورد سنجش است).
• مبدل گرمایی: تمام فرایندهای شیمیایی با تولید یا جذب انرژی همراه است، این حرارت را می‌توان با یک حرارت‌سنج حساس اندازه‌گیری نمود و آن را به میزان واکنش نسبت داد.