بخشی از مقاله
چکیده
انواع آلودگی محیط زیست یکی از مشکلات اصلی و تاثیر گذار در آینده برای زندگی جوامع انسانی و دیگر جوامع محیطی خواهند بود. حسگر یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری میکند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. از انواع این بیوسنسورها میتوان به آنزیمی، میکروبی، نوری، ایمونولوژیکی و سایرین اشاره کرد. این بیوسنسورها بر اساس جزء بیولوژیکی مانند آنتیبادی آنتیژن آنزیم و یا سلولهای گیاهی و جانوری، و یا مکانیسم مبدل طبقهبندی میشوند.
استفاده از زیست حسگرها در زمینههای گوناگونی متداول است که از جمله این کاربردها استفاده در زمینه کاربرد برای شناسایی و تشخیص آلایندههای زیستمحیطی که نسبت به روشهای آنالیزی مرسوم مزایایی از جمله سرعت، دقت، قابل حمل بودن و قابل تکرار بودن را فراهم میکند. برای این منظور از این دستگاه در شناسایی آلایندههای زیستمحیطی آلی چون؛ دیاکسینها، آلکانهاو ترکیبات آروماتیک، آفتکشها و غیره و آلایندههای معدنی مثل؛ فلزات سنگین و نیتراتها استفاده میشود. همچنین در زمینه بالینی نیز در زمینه تقاضای بیوشیمیایی اکسیژنBOD ، هورمونها و غدد درونریز مختلکننده به کار میروند.
کلمات کلیدی: محیط زیست، زیست حسگر، آلاینده، آنالیز.
مقدمه
افزایش تعداد آلایندههای مضر به طور بالقوه در محیط زیست، خواستار تکنیکهای آنالیزی سریع و مقرون به صرفه برای استفاده در برنامههای کنترلی وسیع است. الزامات مورد نیاز برای استفاده از سنتیترین روشهای آنالیزی آلایندههای محیطی، اغلب مانع مهمی برای کاربرد آنها به صورت منظم ایجاد میکند. نیاز به سیستمهای یکبار مصرف یا ابزارهایی برای کاربردهای زیستمحیطی، به ویژه برای کنترل محیط زیست، موجب توسعه تکنولوژیهای جدید و روشهای مناسبتر، شدهاست.
در این زمینه حسگرهای زیستی به عنوان یک جایگزین مناسب و یا به عنوان یک ابزار آنالیز مکمل ظاهر میشوند. بیوسنسورها باید از روشهای زیستی که در آن مبدل یک قسمت کامل سیستم آنالیزی نیست، متمایز باشند. در این مقاله در ابتدا تعریف مختصری از انواع بیوسنسورها را ذکر میکنیم و در ادامه به بیان بیوسنسورهای توسعه یافته برای تعدادی از آلایندهها میپردازیم.
مفهوم و تنظیمات بیوسنسور
بیوسنسور یک دستگاه آنالیز فشرده است که دارای یک عنصر سنجش بیولوژیکی یا مشتق شدهی زیستی، یا هر دو در یک سیستم مبدل است. فرآیند تشخیص ابزار از طریق اتصال آنالیت مورد نظر به عنصر شناسایی تثبیت شده روی ماتریس پشتیبانی صورت میگیرد. نتایج تغییر در یک فاکتور خاص، در یک یا چند خاصیت فیزیکی یا شیمیایی - مانند؛ متغیر pH، انتقال الکترون، تغییرات جرم، انتقال گرما، جذب یا رهایش گازها یا یونهای خاص - می تواند توسط یک مبدل اندازهگیری شده و به صورت یک سیگنال قابل اندازهگیری ارائه شود.
بیوسنسورهامعمولاً بر اساس روش تبدیل سیگنال و اصول شناسایی زیستی به گروههای مختلفی دسته طبقهبندی شدهاند. براساس عنصر تبدیلکننده، بیوسنسورها را میتوان به سنسورهای الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی طبقهبندی کرد عنصرهای شناساگر زیستی که در تکنولوژی بیوسنسورها کاربرد دارند عبارتند از: آنزیم، آنتیبادی آنتیژن و نوکلئیک اسیدها رشتههای مکمل.
بیوسنسور آنزیمی
در بیوسنسورهای آنزیمی، عنصر بیولوژیکی آنزیمی است که به طور انتخابی با سوبسترا واکنش نشان میدهد پاسخ یک بیوسنسور به اضافه شدن یک سوبسترا توسط غلظت محصول واکنش آنزیمی بر روی سطح سنسور تعیین میشود. واکنش توسط نرخ دو فرآیند به طور همزمان، یعنی تبدیل آنزیمی سوبسترا و انتشار محصول از لایه آنزیمی کنترل میشود. توسعه بیوسنسورهای مبتنی بر آنزیمهای تثبیت شده برای حل چندین مشکل مانند؛ از دست رفتن آنزیم - به خصوص اگر گران باشد - ، نگهداری از ثبات آنزیم و عمر مفید بیوسنسور است، و علاوه بر این برای کاهش زمان پاسخ آنزیمی و ارائه دستگاههای یکبار مصرف که میتوانند به آسانی در سیستمهای جاری یا ساکن استفاده شوند؛ به کار برده میشوند.
برای این کار، چندین تکنیک تثبیتسازی بررسی شده است. این تکنیکها شامل به دام افتادن فیزیکی، میکروکپسول ها، جذب، اتصال کووالانسی و ارتباط متقابل کووالانسی و چندین روش مختلف برای بی حرکت سازی آنزیم در مقالات گزارش شده است. طراحی چنین بیوسنسورهایی از مزیت توانایی برای به دام انداختن مقدار زیادی آنزیم و افزایش پایداری حرارتی و شیمیایی بهره می برد. محققانی در سال 2005 یک ماتریس کربنی با حفرههای نانویی را برای تثبیت سازی استیلکولیناستراز و ایجاد ثبات به کار بردهاند. آنها گزارش دادهاند که استفاده از این ماتریس کربنی فعالشده به طور قابل توجهی ثبات آنزیم و کاهش حد تشخیص را ارائه میدهد.
بیوسنسورهای مبتنی بر آنتیبادی - ایمونوسنسورها -
بیوسنسورهای مبتنی بر آنتی بادی - ایموسنسورها - به طور ذاتی چند منظورهتر از بیوسنسورهای مبتنی بر آنزیم هستند که در آنها، آنتیبادیهای تولید شده به طور خاص به ترکیبات منحصر به فرد و یا گروهی که از لحاظ ساختاری به ترکیباتی با محدودهی وسیعی از پیوندهای درونی مرتبط هستند، متصل میشوند. با اینحال چندین محدودیت در استفاده از بیوسنسورهای مبتنی بر آنتیبادی برای کاربردهای نظارتی بر محیط زیست وجود دارد.
این محدودیتها شامل پیچیدگی شکل آزمون و تعداد مواد واکنشگر ویژه - مانند؛ آنتیبادی، آنتیژن، ردیابها وغیره - است، که باید توسعه یافته و برای هر ترکیب آزمون شود و همچنین اینکه تعداد محدودی از ترکیبات به طور متداول در یک آزمون خاص تعیین میشوند که این در مقایسه با تعداد بیشتر ترکیباتی است که نمونههای محیطی را آلوده میکنند. پیشرفتهای اخیر برای بیوسنسورهای مبتنی بر آنتیبادی برای کارکردهای زیستمحیطی در ابتدا تمرکز بر این محدودیتها را گزارش دادهاند.
بیوسنسورهای DNA
باتوجه به گستردگی فعالیتهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی، نوکلئیکاسیدها در طیف گسترده از بیوسنسورها و روشهای آنالیز زیستی گنجانده شدهاند که پتانسیل بسیاری را برای سازگاری با کاربردهای زیستمحیطی نشان میدهد. به طور خاصتر، همانطور کهقبلاً در بررسی DNA ذکر شده است، برای اندازهگیریpb2+ با استناد به فعالیت کاتالیزوری آن، میتوان از حسگرهای DNA استفاده کرد. DNA و PNA نیز برای پیوند مواد شیمیاییایمنی به مکانهای خاص در آرایه های تراشهای DNA با استفاده از هیبریداسیون الیگونوکلئوتیدهای مکمل، استفاده شدهاند.
علاوه بر این، از DNA برای تهیه بیوسنسورهایی با کاربرد ژنتیکی استفاده میشود؛ چندین بیوسنسور و روش زیستی برای تشخیص آسیب به DNA ناشی از مواد شیمیایی گزارش شده است. همچنین تحقیقات گستردهای در زمینه تکنولوژی بیوسنسور برای اندازه گیری DNA پیشنیاز هیبریداسیون برای شناسایی ژنتیکی میکروارگانیسمهای بیماریزا انجام شده است. میکروآرایههای هیبریداسیون DNA به عنوان یک پلتفرم برای تشخیص موازی چند میکروارگانیسم بیماریزا مرتبط با هر دو کاربرد دفاع زیستی و زیستمحیطی، پیشنهاد شده است.
بیوسنسورهای مبتنی بر گیرنده
سیستمهای بیوسنسور مبتنی بر گیرنده دارای این مزیت ذاتی است که هر آلاینده زیستمحیطی مضر، که از نظر فیزیولوژیکی به گیرنده مرتبط است، به آن متصل میشود و به این ترتیب میتواند به طور بالقوه غلظت آن را اندازهگیری کرد. بنابراین، این سیستمها میتوانند برای غربالگری طیف گسترده آلایندهها با ساختار مختلف با یک مکانیسم مشابه سمیت استفاده شوند.
بیوسنسور های SPR - پلاسمون رزونانسی سطحی -
پلاسمون رزونانسی سطحی - SPR - یک تکنیک نوری حساس سطحی است که با میدان مغناطیسی ناپایدار تولید شده روی سطح یک فیلم نازک فلزی زمانی که توسط یک نور تابشی تحت کل شرایط بازتاب داخلی برانگیخته شده مرتبط شده است. بیوسنسورهای SPR اجازهی تشخیص لحظهای از تغییرات مولکولهای هدف زیستی وقتی که با مولکولهای شناساگر زیستی - به عنوان مثال آنتیبادیها - که بر روی سطح اتصال مبدل تثبیت شدهاند، واکنش میدهد، را فراهم میکند.
بیوسنسورهای نوری دارای ساخت نانویی
پیشرفت در فناوری نانو، میکروالکترونیکها و میکروفلودیکها، کوچک کردن سایز، سرعت بیشتر، حساسیت فوقالعاده و هزینه کم، را برای زیست حسگرها به منظور غربالگری سریع سمیت و آزمونهای چند آنالیتی تسهیل میکند.
سنسورهای بر پایه میکروب
نیروی محرکه اصلی برای مهندسی سلولهای میکروبی با هدف تشخیص مواد شیمیایی، پیشرفت در تکنیکهای مهندسی ژنتیک، و سهولت نسبی برای طراحی مجدد اجزای سخت افزاری - معین - در سلولهای میکروبی و جمعآوری کردن مدارک ژنتیکی مصنوعی برای سنجش و تولید سیگنال خروجی قوی است.
