پژوهشگاه علوم غدد و متابولیسم

صفحات سایت / گروه اصلی

   ۱۳۹۸/۰۴/۱۹

بیوسنسور ها

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.

بیوسنسور ها

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.

مقدمه: 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
  5. RNA ). 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. شکل زیر شمایی از یک بیوسنسور را نشان می دهد. بدین ترتیب مزایای بیوسنسور ها بر سایر سیستمهای اندازه گیری موجود را می توان در 3 مورد زیر خلاصه نمود: 

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.

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.

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 : 

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 پنج گروه تقسیم بندی میگردندکه به شرح زیر میباشد: 

آنتی بادی

آنزیم

اسید نوکلئیک

ساختار هاي سلولي/ سلول ها

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:

  • جذب سطحی
  • ریزپوشینه سازی
  • محبوس سازی
  • پیوند عرضی
  • پیوند کووالانسی

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 نوری 
  • مبدل های الکتروشیمیایی 
  • مبدل های پیزوالکتریک 
  • 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: 

روش مناسب تثبیت بیورسپتور در سطح جامد که موجب افزایش طول عمر، حساسیت و پایداری آن میگردد. 

انتخاب مبدل مناسب.

استفاده از بیوسنسور ها به دليل دقت و حساسيت روش‌و 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 متصور است که در ذیل اشاره می شود:  تشخیص ودرمان بیماریها ( سرطان، دیابت و ......)  تشخیص بیماریها در سطح ژن( سرطان، دیابت و ......)  تشخیص عوامل بیماریزا  اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها  ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک  تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.