تحقیق زیست حسگر

چکیده

بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی و تلفیق آن با دانش الکترونیک، منجر به پیدایش ابزارهای آنالاتیکی هوشمندی شده است که نام آن را زیست حسگر(bio-sensor) نهاده اند. ترنر (P.F Turner) از اولین کسانی است که تلاش نمود تا تعریف جامعی از زیست حسگر ارائه دهد. وی در مجله "بیوسنسور و          بیو الکترونیک"، زیست حسگرها را چنین تعریف نموده است: "زیست حسگرها ابزارهای آنالاتیکی هستند که از تلفیق یا ارتباط نزدیک یک ماده بیولوژیکی (بافت،ریزاندامگان ،اندامکها،یاخته ها، گیرنده ها، آنزیم ها، آنتی بادی ها، نوکلئیک اسیدها یا امثال آنها)، مشتق یک ماده بیولوژیکی یا ترکیبی با رفتار مشابه آن، از یک سو، و یک مبدل شیمی – فیزیکی یا یک ریز مبدل (که ممکن است نوع نوری ، الکترو شیمیایی، حرارت سنجی، پیزوالکتریکی یا مغناطیسی باشد)، از دیگر سو ، پدید می آیند. زیست حسگرها معمولاً چنان قابلیتی دارند که می توانند با بهره گیری از ویژگی عمل ماده بیولوژیک خود ، یک ترکیب یا گروهی از ترکیبات مشابه را شناسایی نموده و با  آن برهم کنش نمایند و نتیجه را به صورت یک پیام الکتریکی گزارش کنند.این پیام همواره با غلظت ترکیب مورد سنجش دارای تناسب کمّی است. بسته به تقاضای مصرف کننده ، زیست حسگر ممکن است یکبار مصرف بوده یا در مدت مدیدی از آن استفاده شود. این ابزارها در گستره ی وسیعی از کاربردهای آنالاتیکی از قبیل تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی ، کنترل های زیست محیطی ، کنترل فرآیندهای صنعتی و سرانجام هشدار دهنده های ایمنی و دفاعی کارایی دارند. بیشترین بازار زیست حسگرها، مربوط به تشخیص های پزشکی است. آمار نشان می دهد که در سال 1990 بازار این محصول تنها در اروپا بالغ بر 4 میلیارد دلار بوده است. تا کنون کتاب های متعددی توسط ناشران معتبر بین المللی در معرفی زیست حسگرها نگاشته شده است، ولی غالب آنها به صورت مجموعه مقالات است و مطالب آنها از پیوستگی مناسب برخوردار نبوده و جامعیت لازم را ندارد.

مقدمه

زیست حسگر چیست؟

همه ما دو نمونه از زیست حسگرها را داریم؛ بینی و زبان! ولی اجازه دهید ابتدا سوالی کلی تر طرح کنیم: حسگر چیست؟ یکی از بهترین نوع حسگر ها ، کاغذ لیتموس (تورنسل) است که برای آزمایش اسید یا قلیا مورد استفاده قرار می گیرد و با واکنش رنگی، به طور کیفی حضور یا غیاب اسید را نشان می دهد. روش دقیق تر برای نشان دادن درجه اسیدیته اندازه گیری  PH، با استفاده گسترده تری از واکنش های رنگی حاصل از محلول های معرف یا بهره گیری از کاغذ PH است؛ اگر چه بهترین روش برای تعیین مقدار اسید، استفاده از دستگاه  PH متر است. PH متر یک دستگاه الکتروشیمیایی است که پاسخ الکتریکی آن را می توان با یک عقربه که روی مقیاس حرکت می کند با یک شمارشگر عددی یا یک ریز پردازشگر خواند.در این روش ها ، حسگری که درجه اسید را گزارش می کند ، یک ترکیب شیمیایی مثل رنگ لیتموس یا مخلوطی از چند ترکیب شیمیایی موجود در محلول های معرف PH یا الکترود دارای غشای شیشه ای مربوط به یک PH متر است.پاسخ شیمیایی یا اکتریکی، باید به یک علامت قابل مشاهده با چشم تبدیل شود. این امر در کاغذ لیتموس آسان است ، چرا که در محدوده طول موج مرئی ، به وسیله خود ترکیب شیمیایی ، تغییر جذب نوری صورت پذیرفته و تغییر رنگ مشاهده می شود، به طوری که در یک اتاق روشن، فوراً توسط چشمان ما دیده می شود. در مورد PH متر، پاسخ الکتریکی (تغییر ولتاژ)  باید به یک پاسخ قابل مشاهده مثل حرکت عقربه روی مقیاس یا تغییر اعداد روی صفحه نمایش تبدیل شود. بخشی از دستگاه که عملیات تبدیل را انجام می دهد، مبدل نامیده می شود.در یک زیست حسگر، عنصر حسگر که به ماده مورد اندازه گیری  پاسخ می دهد، دارای طبیعت بیولوژیکی است. این عنصر باید به نوعی مبدل متصل شود تا یک پاسخ قابل مشاهده با چشم تولید بنماید.

تعریف و توضیح اجمالی زیست حسگر و انواع آن

 زیست حسگرها به طور کلی به احساس و اندازه گیری مواد شیمیایی خاصی که ممکن است غیر بیولوژیکی نیز باشند، مربوط می شوند. ما معمولاً این مواد را با نام سوبسترا یاد می کنیم، در حالی که واژه کلی ترآن غالباً مورد استفاده قرار می گیرد، آنالیت است. تصویر1 طرح کلی یک زیست حسگر را نشان می دهد.

علامت 

الکتریکی   

عنصر آشکار ساز بیولوژیکی

 طرح کلی یک زیست حسگر

پردازشگر

علامت

الکتریکی

آنالیت

(سوبسترا)

مبدل

 آنچه ما با بینی احساس می کنیم  ، مقادیر جزئی از مواد شیمیایی است.  بینی عضوی است که با حساسیت ادراک می کند و دارای قدرت گزینش است، بنابراین مشابه سازی مصنوعی آن امری مشکل است. بینی قادر است به طور کیفی مواد مختلف را از هم تمایز داده و تخمین مقدار آن را تا مقادیر بسیار کم ارئه می دهد. مواد شیمیایی مورد نظر، از غشای بویایی عبور نموده و به پیاز های بویایی می رسند که اجزای بیولوژیکی حسگر بو هستند. پاسخ، یک علامت الکتریکی است که از طریق اعصاب به مغز منتقل می شود، ادراک این پاسخ  توسط مغز، آن چیزی است که به آن بو گفته می شود. زبان نیز عمل مشابهی را انجام می دهد.

تصویر 2 ، مقایسه طرح کلی سیستم بویایی بینی را با کلیات طرح یک زیست حسگر نشان می دهد. حفره های بینی، بوی نمونه را جمع آوری نموده سپس بو توسط غشای بویایی که معادل غشای بیولوژیکی در زیست حسگر است، احساس می شود. پاسخ های غشای بویایی توسط سلول عصب  بویایی که معادل مبدل است  ، به علامت الکتریکی تبدیل شده  سرتاسر رشته ی عصبی را می پیماید  و برای تجزیه و تحلیل  به مغز می رسد. بنابراین مغز به عنوان یک ریز پردازشگر عمل نموده  ، علامت  الکتریکی را به  ادراک مبدل می سازد که ما آن را  بو می نامیم .

آشکارساز بیولوژیکی

مبدل

نمونه

دستگاه اندازه گیری

شکل 2- بینی به عنوان یک زیست حسگر

 یک زیست حسگر را می توان به عنوان ابزاری که از تلفیق یک عنصر حسگر بیو لوژیکی متصل به یک مبدل حاصل می شود ، تعریف نمود .

مبدل ، تغییر قابل مشاهده (فیزیکی یا شیمیایی) را به یک  پیام قابل اندازه گیری ، که متناسب با غلظت ماده و گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل می نماید چنین عملی از تلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می شود . این وسیله ویژگی عمل و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می نماید .

اولین زیست حسگرها  

اولین زیست حسگرها ، غالباً به نام الکترودهای آنزیمی خوانده شده و اولین بار توسط کلارک و لیونز در سال 1962 برای اندازه گیری گلوکز ساخته شدند .

الکترودهای آنزیمی گلوکز، زیست حسگری است که تا کنون بیشترین مطالعه و کاربری را به خود اختصاص داده است. گلوکز، به دلیل درگیری اش با فرایند های متابولیکی انسان ، دارای اهمیت خاصی است . در پانکراس بیماران خاصی که از دیابت شیرین رنج می برند، به میزان کافی انسولین تولید نمی شود تا گلوکز خون آنها در سطح مناسبی حفظ گردد. دراین گونه موارد، برای تنظیم مصرف انسولین، اندازه گیری مداوم میزان گلوکز خون بیمار الزامی است. در گذشته، نمونه های خون درآزمایشگاه تشخیص طبی با تاخیر زمانی و عدم آگاهی از شرایط بیمار اندازه گیری می شد.

با استفاده از زیست حسگرهایی که در حال حاضر برای سنجش گلوکز در دسترس اند(از قبیل اگزاتک که توسط مدی سنس تولید شده است)، خود بیمار می تواند قطره ی کوچکی از خون خود را گرفته ، غلظت آن را در کمتر از یک دقیقه مستقیماً از روی صفحه ی نمایش دستگاه قرائت کند. زیست حسگرهای گلوکز مبنی براین واقعیت ساخته شده اند که آنزیم گلوکز اکسید از اکسایش گلوکز به گلوکونیک اسید را کاتالیز می نماید. در زیست حسگر های اولیه ، از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده استفاده می شد . مصرف اکسیژن مصادف با احیای الکترو شیمیایی آن در سطح الکترود پلاتین است که در تصویر 1-3مربوط به الکترود اکسیژن کلارک ، اختراع شده در سال 1953، نشان داده شده است. واکنش اکسایش گلوکز که به وسیله ی گلوکز اکسید از((GOD کاتالیز می شود ، به قرار زیر است:       

GOD

H 2O 2  گلوکونیک اسید  +   

O2 + H 2O    + گلوکز

O2 + 2e- + H + = H2O2

بین کاتد پلاتین و آند نقره ، ولتاژ -0.7 ولت اعمال می شود . این ولتاژ برای کاهش اکسیژن کافی بوده و جریان سل که متناسب با اکسیژن مصرفی است، اندازه گیری می شود در این صورت ، غلظت گلوکز متناسب با کاهش میزان جریان (غلظت اکسیژن) است. الکترود اکسیژن با غشاء نیمه تراوا نسبت به اکسیژن ( مثل  PTFE ، پلی اتیلن یا سلوفان ) پوشانده شده است . سوبسترا (محلول گلوکز ) و اکسیژن برای واکنش با آنزیم و تولید محصول، می توانند ازغشای اول عبور کنند. تنها اکسیژن باقیمانده می تواند از غشای دوم عبور نموده ودر سطح الکترود اندازه گیری شود. اختراع این زیست حسگر، برای اولین بار در سال1970 توسط شرکت یلواسپرینگ( Yellow Spring ) ثبت شد.

به طرف

آشکارساز

آند نقره

غشای تراوای اکسیژن

کاتد پلاتین

شکل 3- الکترود اکسیژن کلارک

زیست حسگرهای اوره 

اوره آز

CO(NH2) 2 + H 2O                                                      

               CO 2 + 2NH 3                   

از دیگرزیست حسگرهای اولیه ، موردی بود که برای سنجش اوره (جزء اصلی ادرار) ساخته شد. اوره بوسیله ی آنزیم اوره آزهیدرولیز شده و تولید آمونیاک ودی اکسید کربن می نماید.

نمایش ساده ای که طرح کلی زیست حسگر ( قابل استفاده در انواع مختلف آن) را نشان می دهد، در تصویر 4 ملاحظه می شود.

گلوکز

M1

M2

آنزیم

( گلوکز اکسیداز )

الکترود

ژل الکترولیت

شکل 4- نمایش ساده از زیست حسگر کلارک برای گلوکز

غلظت آمونیاک ،  توسط یک الکترود یون گزین آمو نیوم تعیین می شود . با این الکترود ولتاژ نسبی ، در جریان نزدیک  به صفر ،اندازه گیری  می شود . این ولتاژ  متناسب  با لگاریتم  غلظت آمونیاک است که مستقیماً با غلظت  اوره تناسب دارد.

الکترود یون گزین آمونیاک، در واقع یک الکترود شیشه ای PH اصلاح شده است . آنزیم با یک ژل  مخلوط شده و  روی توری نایلون پهن شده ودر سطح الکترود  پوشانیده می شود . لایه ی آنزیمی توسط یک  دیالیز در جای خود تثبیت می شود . این زیست حسگر ، ابتدا توسط  گیلبو ومونتا لو درسال 1969 ساخته شد . در هرآزمایشگاهی، با استفاده از الکترود شیشه ای PH معمولی ، یک الکترود ساده ی اوره قابل ساخت است .

الکترود های آنزیمی موز (موزترود) 

با استفاده ازموز می توان یک زیست حسگر بسیار ساده ساخت. چنین زیست حسگری، برای اندازه گیری دوپامین ،یک ما ده ی شیمیایی مهم در مغز توصیف شده است .

آزمایش های معتددی با بهره گیری ازتعبیه ی الکترودها درمغز حیوانات زنده برای اندازه گیری میزان تغییرات دوپامین مغز دراثر فعالیت های متفاوت به انجام رسیده است. چنانچه از زیست حسگر دوپامین استفاده کنیم ، می توانیم این آزمایش ها را به نتایج مطلوب تری برسانیم، چرا که این زیست حسگر نسبت به دوپامین دارای عملکرد اختصاصی تری بوده ،از مداخله ی  آسکوربیک اسید  ممانعت می نماید. برای ساخت این زیست حسگر ، می توان    مقداری از موز را با پودر گرافیت و  پارافین  مایع  مخلوط نموده و بخشی از مخلوط را در نوک الکترود  قرار داد.

دو پامین ،یک مشتق کاتکول است .آنزیم پلی فنل اکسید از موجود در موز، با استفاده از اکسیژن محیط ، اکسایش دوپامین فرم دی هیدروکسی را فرم کینون کاتالیز می کند. احیای الکترو شیمیایی کینون به فرم دی هیدروکسی موجب پیدایش یک جریان الکتریکی می شود که با غلظت دوپامین متناسب است. زیست حسگر با کاتکول  نیز با همان کیفیت کارمی کند.

ملاحظه ی زیست حسگر ها تحت عناوین مختلف

آنالیت یا سوبسترا

در حال حاضر ، انواع بسیار متنوعی از این زیست حسگرها وجود دارد، به طوری که عمومیت دادن این نوع طبقه بندی نا ممکن است. در عمل، هر ماده ای که در یک فرایندشیمیایی مصرف یا تولید شود، مستعد اندازه گیری با یک زیست حسگراست ، البته در صورتی که آ ن  زیست حسگر قابل ساخت باشد .برخی از نمونه ها به شرح ذیل است:

قند ها                                           کلسترول

 اوره                                             پنی سلین ها  

کریاتین                                          پاراستامول  

گلوتامیک اسید                             TNT      

لاکتیک اسید                                    بسیاری از آمینواسیدها

فسفات

اجزای بیولوژیکی                                    

اهمیت اجزای بیو لوژیکی، در عملکرد بسیار اختصاصی آن نسبت به سوبسترای خاص است که بدین وسیله از مداخله ی مواد مزاحم که موجب  عدم کارایی بسیاری از روش های 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 ، بیشتراز دیگرمواد، متداول است. البته مواد دیگری از  قبیل ریزاندامگان مثل مخمرها و باکتری ها و بافت هایی  مانند موز (که قبلاًداده شد ) و جگر، حاوی آنزیم بوده و غالباً برای این منظور مناسب هستند. آنتی بادی ها به روش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و این قابلیت را دارند که به طور گزینشی با سوبسترا پیوند یابند. نوکلئیک اسیدها نیز در برخی موارد کارایی دارند. جزییات بیشتر در فصل دوم ارائه شده است.