بیوسنسور

بیوسنسور چیست؟

بیوسنسور، زیست حسگر، حسگرهای زیستی یا به اصطلاح “Biosensor” ابزارهای الکترونیکی یا نوری هستند که عناصر حسگر بیولوژیکی مانند آنزیم‌ها، آنتی بادی‌ها یا سلول‌ها را با سیستم‌های الکترونیکی برای تشخیص و اندازه گیری غلظت مولکول‌ها در نمونه‌های بیولوژیکی ترکیب می‌کنند.

از این فناوری‌ برای تشخیص موارد مختلف مانند بیماری‌ها، عفونت‌ها، مواد شیمیایی و غیره در نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌شود.

بیوسنسورها معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده اند:

عنصر حسگر: این عناصر معمولاً تغییرات بیولوژیکی یا شیمیایی را در نمونه های بیولوژیکی تشخیص می دهند. به عنوان مثال، آنزیم ها می توانند واکنش های شیمیایی را تشخیص دهند و آنتی بادی ها می توانند به مواد خاصی متصل شوند.

سیستم تشخیص: این قسمت اطلاعات را از عنصر حسگر به سیگنال الکترونیکی یا نوری تبدیل می کند که می تواند توسط دستگاه های الکترونیکی تجزیه و تحلیل شود.

نمایش و خروجی: اطلاعات شناسایی شده اغلب از طریق دستگاه نمایشگر به کاربر نمایش داده می شود.

حسگرهای زیستی در زمینه های مختلفی مانند پزشکی، زیست شناسی مولکولی، کشاورزی، نظارت بر محیط زیست، صنایع غذایی، تحقیقات علمی و غیره کاربرد دارند. حسگرهای زیستی به دلیل دقت و حساسیت بالایی که در تشخیص مواد بیولوژیکی دارند، برای تشخیص بیماری ها، کنترل کیفیت محصولات، نظارت بر محیط زیست و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده می شوند.

ساختار بیوسنسور

ساختار یک حسگر زیستی معمولاً از چندین جزء کلیدی تشکیل شده است که با هم کار می‌کنند تا آنالیت‌های بیولوژیکی یا شیمیایی خاص را در یک نمونه شناسایی و اندازه گیری کنند.

در حالی که ساختار دقیق بیوسنسورها می‌تواند بر اساس طراحی خاص و کاربرد بیوسنسور مورد نظر متفاوت باشد، در اینجا به اجزای کلی یک زیست حسگر اشاره می‌کنیم:

• عنصر تشخیص یا عنصر حسگر بیولوژیکی (Recognition Element) : این بخش، یکی از اجزا اصلی یک حسگر زیستی است و با ویژگی‌های آنالیت هدف خود را تطبیق می‌دهد.

عناصر تشخیصی مولکول‌های بیولوژیکی مانند آنزیم، آنتی بادی، DNA یا سلول هستند که با آنالیت مورد نظر تعامل دارد. عنصر شناسایی به آنالیت هدف متصل می‌شود و سیگنالی تولید می‌کند که می‌تواند اندازه گیری شود.

• مبدل (Transducer) : مبدل تعامل بیولوژیکی بین عنصر شناسایی و آنالیت هدف را به یک سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال اغلب ماهیتی الکتریکی، نوری یا الکتروشیمیایی دارد. وظیفه مبدل این است که سیگنال را تقویت کرده تا تشخیص و اندازه گیری دقیق را انجام شود.
• پردازش و خروجی سیگنال (Signal Processing and Output) : سیگنال تبدیل شده توسط مدارهای الکترونیکی یا سیستم‌های نوری پردازش و تجزیه و تحلیل می‌شود.

تکنیک‌های پردازش سیگنال با فرآیندهای گوناگون اندازه گیری‌های دقیقی را ارائه می‌دهد. خروجی نهایی می‌تواند روی صفحه نمایش داده شود، به صورت الکترونیکی ضبط شود یا به یک سیستم تجزیه و تحلیل داده ارسال شود.

• محفظه نمونه (Sample Chamber) : محفظه نمونه، نمونه بیولوژیکی حاوی آنالیت مورد آزمایش را نگه می‌دارد. نمونه با عنصر تشخیص تعامل می کند تا پاسخی را ایجاد کند.
• الکترود مرجع/ موجود در در بیوسنسورهای الکتروشیمیایی (Reference Electrode) : در بیوسنسورهای الکتروشیمیایی، از الکترود مرجع برای ایجاد پتانسیل الکتریکی پایدار برای اندازه‌گیری دقیق استفاده می‌شود.
• محفظه (Housing and Protection) : اجزای زیست حسگرها اغلب در یک محفظه محافظ قرار می‌گیرند تا از آلودگی جلوگیری شود و از پایداری حسگر در حین کار اطمینان حاصل شود.
• کالیبراسیون و کنترل کیفیت (Calibration and Quality Control) : بیوسنسورها ممکن است مکانیسم‌هایی برای کالیبراسیون و کنترل کیفیت برای اطمینان از اندازه گیری‌های دقیق و مطمئن داشته باشند.

به طور کلی، ساختار یک حسگر زیستی برای تسهیل برهمکنش خاص بین عنصر شناسایی و آنالیت هدف، تبدیل این برهمکنش به یک سیگنال قابل اندازه گیری و ارائه اطلاعات دقیق در مورد حضور یا غلظت آنالیت در نمونه طراحی شده است.

عملکرد بیوسنسور

همانطور که گفته شد، بیوسنسور با استفاده از عناصر حسگر بیولوژیکی برای برهمکنش با مولکول‌ها یا آنالیت‌های هدف در یک نمونه عمل می‌کند و سپس این برهمکنش را با استفاده از سیستم‌های الکترونیکی یا نوری به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.

در ادامه به طور کلی نحوه عملکرد حسگرهای زیستی را بررسی می‌کنیم:

1. شناسایی و اتصال: عنصر تشخیص، مانند آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها یا سلول‌ها، با دقت انتخاب یا طراحی شده‌اند تا به طور خاص به مولکول هدف مورد نظر متصل شوند. این رویداد اتصال بسیار انتخابی است و اساس کار حسگر زیستی را تشکیل می دهد.
2. واکنش بیولوژیکی: هنگامی که عنصر شناسایی به مولکول هدف متصل می‌شود، یک واکنش بیولوژیکی یا برهمکنش صورت می‌گیرد. این تعامل ممکن است شامل واکنش‌های آنزیمی، اتصال آنتی ژن به آنتی بادی، هیبریداسیون DNA یا سایر فرآیندهای بیولوژیکی خاص باشد.
3. انتقال سیگنال: واکنش بیولوژیکی یک سیگنال قابل تشخیص تولید می‌کند. حسگر زیستی دارای یک مبدل است که این تعامل بیولوژیکی را به یک سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال می‌تواند ماهیت الکتریکی، نوری یا الکتروشیمیایی داشته باشد.
4. تقویت و پردازش: مبدل حسگر زیستی سیگنال را تقویت و پردازش می‌کند تا آن را قابل تشخیص و اندازه گیری کند. تکنیک‌های پردازش سیگنال اغلب برای افزایش دقت استفاده می‌شود.
5. خروجی و نمایش: سیگنال پردازش شده سپس از طریق یک دستگاه نمایشگر به کاربر نمایش داده می‌شود؛ این خروجی اطلاعاتی در مورد حضور یا غلظت مولکول هدف در نمونه ارائه می‌دهد.

کل فرآیند، از شناسایی تا تولید سیگنال و خروجی به حسگرهای زیستی اجازه می‌دهد تا تشخیص و اندازه‌گیری سریع مولکول‌های خاص را در نمونه‌های بیولوژیکی مختلف ارائه دهند. حساسیت و سرعت بیوسنسورها، آن‌ها را به ابزارهای ارزشمندی در زمینه‌هایی مانند تشخیص پزشکی، نظارت بر محیط زیست، ایمنی مواد غذایی و غیره تبدیل می‌کند.

انواع مختلف حسگرهای زیستی، از جمله حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی یا نوری، از مکانیسم‌های متفاوتی برای انتقال سیگنال استفاده می‌کنند، اما فرایندهای اصلی بیولوژیکی برای تشخیص ثابت است.

انواع بیوسنسور

حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند که هر کدام از اصول و فناوری‌های حسی متفاوتی برای شناسایی و اندازه‌گیری آنالیت‌های بیولوژیکی یا شیمیایی استفاده می‌کنند. برخی از انواع رایج حسگرهای زیستی عبارتند از:

بیوسنسور الکتروشیمیایی  (Electrochemical Biosensor)

این بیوسنسورها از واکنش‌های الکتروشیمیایی برای تبدیل برهمکنش بیولوژیکی به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند. گلوکز متر برای مدیریت دیابت نمونه شناخته شده‌ای از حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی است.

بیوسنسور نوری (Optical Biosensor)

زیست حسگر های نوری از تکنیک‌های مبتنی بر نور برای تشخیص فرایند اتصال بین عنصر شناسایی و آنالیت هدف استفاده می‌کنند.

بیوسنسور پیزوالکتریک (Piezoelectric Biosensor)

بیوسنسور پیزوالکتریک یک نوع بیوسنسور است که از اصول پیزوالکتریک برای تشخیص و اندازه‌گیری تغییرات مولکولی یا بیولوژیکی در نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند.

این بیوسنسورها به دلیل حساسیت بالا و توانایی در تشخیص تغییرات کوچک در محیط‌های بیولوژیکی، در تحقیقات علمی گوناگون از جمله پزشکی، بیوشیمی، بیوفیزیک، و نانوبیوتکنولوژی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بیوسنسور آکوستیک (Acoustic Biosensor)

یوسنسور آکوستیک یک نوع بیوسنسور است که از اصول آکوستیکی برای تشخیص و اندازه‌گیری تغییرات مولکولی یا بیولوژیکی در نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. آکوستیک به مطالعه صوت، امواج صوتی و تغییرات مکانیکی مرتبط با آن اشاره دارد.

در حسگر زیستی آکوستیک، تغییرات بیولوژیکی یا مولکولی در نمونه‌های بیولوژیکی منجر به تغییرات در امواج صوتی می‌شوند. این تغییرات می‌تواند توسط دستگاه‌های آکوستیکی اندازه‌گیری شود و به عنوان یک سیگنال قابل اندازه‌گیری برای تشخیص و اندازه‌گیری مولکول‌ها یا بیولوژیکی‌ها در نمونه‌های بیولوژیکی استفاده شود.

 بیوسنسور حرارتی (Thermal Biosensors)

بیوسنسور حرارتی تغییرات گرمای تولید شده یا جذب شده در طی یک واکنش بیوشیمیایی را تشخیص می‌دهند. این زیست حسگر می‌تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد فرایند اتصال و واکنش‌هایی که روی سطح حسگر رخ می‌دهند، ارائه دهند.

بیوسنسور مغناطیسی (Magnetic Biosensor)

بیوسنسور مغناطیسی از تغییرات خواص مغناطیسی ناشی از فرایند اتصال، برای شناسایی آنالیت‌ها استفاده می‌کنند. این حسگر زیستی اغلب در سنجش‌های زیست مولکولی و حوزه‌های تشخیصی استفاده می‌شوند.

بیوسنسور مبتنی بر نانومواد (Nanomaterial-Based Biosensors)

این بیوسنسور از نانومواد مانند نانوذرات برای افزایش حساسیت و بهبود قابلیت‌های تشخیص استفاده می‌کند. نانومواد می‌توانند سیگنال‌ها را تقویت کرده و سطح بزرگ‌تری را برای برهمکنش‌های اتصال فراهم کنند.

بیوسنسور مبتنی بر آنزیم (Enzyme-Based Biosensor)

حسگر زیستی آنزیمی از آنزیم‌هایی برای کاتالیز کردن واکنش‌هایی استفاده می‌کنند که یک سیگنال قابل تشخیص تولید می‌کنند؛ سرعت واکنش متناسب با غلظت آنالیت هدف است.

بیوسنسور مبتنی بر DNA  

این زیست حسگر از توالی‌های DNA یا RNA برای شناسایی توالی‌های مکمل از طریق فرایندهای هیبریداسیون استفاده می‌کند. آن‌ها معمولاً در تجزیه و تحلیل ژنتیکی و تشخیص مولکولی استفاده می‌شوند.

این موارد تنها چند نمونه از انواع بیوسنسورهای موجود هستند. هر نوع مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد که آن‌ها را برای استفاده در حوزه‌های مختلف مناسب می‌کند. پیشرفت‌های فناوری همچنان به توسعه انواع حسگرهای زیستی جدید و بهبود یافته برای طیف گسترده‌ای از اهداف ادامه می‌دهد.

ویژگی و مزایای کلیدی بیوسنسور 

بیوسنسورها طیف وسیعی از ویژگی‌های خاص و مزایای کلیدی را به همراه دارند که آن‌ها را به ابزارهای ارزشمندی در زمینه‌ها و کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند.

حساسیت بالا

حسگر زیستی قادر به تشخیص غلظت‌های بسیار پایین آنالیت‌های هدف است که آن‌ را به ابزاری بسیار حساس برای تشخیص دقیق و زودهنگام مواد مورد نظر تبدیل می‌کند.

خاصیت انتخابی بودن

زیست حسگر را می‌توان با ویژگی‌های خاص طراحی کرد که به آن‌ اجازه می‌دهد به طور انتخابی با مولکول‌ها، سلول‌ها یا رویدادهای بیولوژیکی خاص تعامل داشته باشد و آن‌ها را شناسایی کند.

تشخیص سریع

بیوسنسورها امکان تشخیص سریع و به موقع آنالیت‌ها را فراهم می‌کنند؛ این امر به ویژه در تشخیص پزشکی بسیار مهم است.

سهولت در استفاده

بسیاری از بیوسنسورها طوری طراحی شدند که افراد به راحتی از آن استفاده کنند و برای به دست آوردن نتایج دقیق به حداقل آموزش نیاز داشته باشند.

تجزیه و تحلیل کمی

بیوسنسور می‌تواند اندازه‌گیری‌های کمی را فراهم کند و امکان تعیین دقیق غلظت آنالیت را در یک نمونه فراهم کند.

کاربردهای متنوع

بیوسنسور طیف وسیعی از کاربردها را، از جمله تشخیص پزشکی، نظارت بر محیط زیست، ایمنی مواد غذایی، کشف دارو، بیوتکنولوژی و غیره دارند.

کاهش حجم نمونه

بیوسنسور اغلب به حجم نمونه کمتری در مقایسه با روش‌های سنتی نیاز دارد، که می‌تواند هنگام کار با نمونه‌های محدود یا گرانب‌ها مفید باشد.

مقرون به صرفه بودن

در برخی موارد، حسگرهای زیستی می‌توانند راه حل‌های مقرون به صرفه‌ای را برای آزمایش و تجزیه و تحلیل ارائه دهند.

نظارت بر محیط زیست

بیوسنسور را می‌توان برای پایش مداوم پارامترهای محیطی مانند آلاینده‌ها، پاتوژن‌ها و سموم به کار برد و به کنترل آلودگی و سلامت عمومی کمک کرد.

به طور کلی، تطبیق پذیری، حساسیت و سرعت حسگرهای زیستی آن‌ها را به ابزاری ضروری در تحقیقات علمی، مراقبت‌های بهداشتی، صنعت و فراتر از آن تبدیل می‌کند. پیشرفت در فناوری بیوسنسورها، کاربردهای آن‌ها را گسترش می‍‌دهد و بر جنبه‌های مختلف زندگی ما تأثیر می‌گذارد.

کاربرد بیوسنسور

تشخیص پزشکی

بیوسنسور به طور گسترده در تشخیص پزشکی برای شناسایی نشانگرهای زیستی مرتبط با بیماری‌هایی مانند دیابت، سرطان، بیماری‌های عفونی، اختلالات قلبی عروقی و غیره استفاده می‌شود. آن‌ها تشخیص زودهنگام، نظارت بر پیشرفت بیماری و پزشکی شخصی را امکان پذیر می‌کنند.

نظارت بر محیط زیست

حسگرهای زیستی به نظارت بر آلاینده‌ها، سموم و عوامل بیماری‌زا در هوا، آب و خاک کمک می‌کنند. آن‌ها با ارائه داده‌های دقیق برای کنترل و ارزیابی آلودگی به حفاظت از محیط زیست کمک می‌کنند.

ایمنی و کنترل کیفیت مواد غذایی

زیست حسگر برای شناسایی آلاینده‌ها، آلرژن‌ها، عوامل بیماری زا در غذا و نوشیدنی استفاده می‌شود. این بیوسنسورها ایمنی و کیفیت محصولات را در سراسر زنجیره تامین تضمین می‌کنند.

توسعه و غربالگری دارو

بیوسنسور با ارزیابی تداخلات دارو-گیرنده، فعالیت آنزیم و اتصال ترکیبات، در کشف دارو نقش دارد.

بیوتکنولوژی و مهندسی زیستی

بیوسنسورها در فرآیندهای تخمیر، نظارت بر بیوراکتور و اندازه‌گیری فعالیت آنزیم استفاده می‌شوند. آن‌ها به بهینه سازی تولید زیستی و فرآیندهای زیستی کمک می‌کنند.

تحقیقات زیست پزشکی

بیوسنسور در مطالعه فرآیندهای سلولی، برهمکنش های پروتئین-پروتئین، بیان ژن و مسیرهای سیگنال دهی سلولی استفاده می‌شود.

تشخیص پاتوژن ها و عوامل عفونی

بیوسنسور به شناسایی پاتوژن‌های باکتریایی، ویروسی و قارچی در نمونه‌های بالینی، غذایی و محیطی کمک می‌کند. این بیوسنسورها به نظارت بر بیماری و کنترل شیوع کمک می‌کند.

علوم اعصاب و نورولوژی

حسگر زیستی برای نظارت بر انتقال‌دهنده‌های عصبی و بیومولکول‌ها در مغز استفاده می‌شوند و به درک اختلالات عصبی و عملکرد مغز کمک می‌کند.

دامپزشکی

حسگر زیستی به تشخیص وضعیت سلامت حیوانات، نظارت بر سلامت دام و تشخیص بیماری‌ها در دامپزشکی کمک می‌کند.

تجزیه و تحلیل پزشکی قانونی

بیوسنسور برای تحقیقات پزشکی قانونی، کشف مواد مخدر، سموم و مایعات بیولوژیکی در صحنه جرم استفاده می‌شود.

نظارت بر فرآیندهای صنعتی

بیوسنسور در نظارت بر فرآیندهای صنعتی، تخمیر و زیست پالایی استفاده می‌شود و شرایط بهینه و کیفیت محصول را تضمین می‌کند.

اکتشاف فضایی

زیست حسگر در مأموریت‌های فضایی برای نظارت بر سلامت فضانوردان، تجزیه و تحلیل آلودگی میکروبی و ارزیابی شرایط محیطی استفاده می‌شود.

این موارد تنها زیرمجموعه‌ای از حوزه‌هایی هستند که بیوسنسورها به پیشرفت‌های علم، فناوری و صنایع مختلف کمک می‌کنند.

نویسنده:  زهرا جهان‌بخش

تهیه شده در آکادمی بیوتکنولوژی ایران