مقاله زیست حسگرها و کاربرد آن در کشاورزی ، پزشکی و محیط زیست

بخشی از مقاله

چکیده

حسگر زیستی یا 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. حسگرهای زیستی از روشهای شناسایی و اندازه گیری آنالیتها با استفاده از عناصر و مواد زیستی و ریزموادها هستند .این روشها می توانند علاوه بر کمک به امر پژوهش در ناشناخته های علوم زیستی و پزشکی و نیز 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 به کار بروند.

-1مقدمه

نانوفناوری یک روش مناسب برای ساخت و سرهمبندی ساختارهای کارآمد دارای حداقل یک بعد نانومتری است. چنین مواد و سیستم هایی می توانند به طور منطقی طراحی شوند که به خاطر اندازهشان دارای خصوصیات و رفتارهای زیستی، فیزیکی و شیمیایی بهبود یافته میباشند.[1] نانوساختارهای آشنای امروزی شامل قطعاتی نظیر نانولولههای کربنی، پروتئین، DNAها، ترانزیستورهای تک الکترونی فعال در دمای اتاق و حسگرهای بیولوژیکی هستند.

[2] با استفاده از فناوری نانو، حسگرهایی در ابعاد نانومتری ساخته شده اند که از حساسیت فوق العاده ای برخوردار بوده و عملکرد انتخابی دارند. [4] نانو حسگرهای زیستی طی تلفیق فناوری های زیستی و نانو با پروسه های الکترونیک به گونه ای طراحی می شوند تا تنها با یک ماده ی خاص واکنش نشان داده و با بهره گیری از قدرت فتوالکترون و میکروالکترودها و بر اثر واکنش اختصاصی با یک ماده ی خاص ابزار ردیابی و تحلیل گر دقیقی را در ریزترین ابعاد ارایه دهند.[5] تجزیه و تحلیل بر پایه کاربرد سنسورها در صنایع مختلف نظیر کشاورزی, غذا, داروسازی, محیط زیست و بهداشت کاربرد فراوانی دارد.[3] در این مقاله انواع بیوسنسورها و کاربرد های آنها در صنایع مختلف و پزشکی مورد بررسی قرار گرفته است.

-2تعریف حسگر

حسگر یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند و آنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل مینماید.[6] این تعریف، حسگر را می توان به عنوان یک تبدیل کننده در نظر گرفت زیرا سیستمی است که یک مقدار فیزیکی را به نوعی دیگر که تابعی از مقدار اولی است، تبدیل میکند. این تعریف محدود کننده است زیرا یک مبدل وسیلهای کمی است در حالیکه حسگر ظرفیت های خیلی بیشتری دارد.

حسگر در ابتدا، محیط را به روش خاص شناسایی کرده و آن را به یک خاصیت قابل اندازه گیری ترجمه می کند که بعدا توسط مبدل به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود.[7] هر چند یک حسگر ممکن است خیلی پیچیده باشد ولی دارای سه قسمت اساسی است، همانطور که در شکل - - 1- 2ملاحظه می شود، قسمت اول ورودی، قسمت دوم اصلاح کننده یا عمل کننده سیگنال و قسمت سوم خروجی می باشد. در بخ ش ورودی حسگر مشخصه ای از محیط اطراف خود را به صورت مکانیکی،گرمایی، الکتریکی، مغناطیسی، نوری، تابشی و شیمیایی دریافت می کند. در قسمت دوم سیگنال ورودی تقویت می شود و یا تبدیل به مقادیر عددی و ... می شود و در بخش سوم که اصطلاحا خروجی حسگر نامیده می شود سیگنال ها به علائم قابل شناسایی تبدیل می شوند.[8][7]

-1-2انواع حسگرها

-1-1-2تقسیم بندی حسگرها بر اساس نوع علائم ورودی

حسگرها بر اساس نوع انرژی ورودی به 7 قسمت تقسیم می شوند که بر اساس جدول - - 1-2عبارتند از: حسگرهای مکانیکی، حسگرهای حرارتی، حسگرهای الکتریکی، حسگرهای مغناطیسی، حسگرهای نوری، حسگرهای تابشی و حسگر های شیمیایی .[2]

-2-1-2تقسیم بندی حسگرها بر اساس نوع مبدل

حسگرها بر اساس نوع مبدل به چند دسته تقسیم می شوند که عبارتند از: ح سگرهای الکتروشیمیایی، حسگر های نوری، حسگرهای حرارتی و حسگرهای پیزوالکتریک.[2]

-3نانو حسگرها

نانوحسگر وسیلهای    است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرکهای فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچک تر و حساس تر از سایر حسگرها می باشند.[6] از نانولوله ها، نانوذرات فلزی و نانو ذرات مغناطیستی بیشتر برای ساخت حسگر استفاده می شود. نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی و دفاعی دارند. همچنین این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شده   آنها کمتر از قیمت تمام شده حسگرهای موجود در بازار باشد.

-1-3انواع نانو حسگرها

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته نقاط کوانتومی، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند. -1-1-3نقاط کوانتومی: نقاط کوانتومی بهعنوان بلورهای نیمه هادیکوچک تعریف می شوند.کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را در رنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز و دیودهای انتشار دهنده نور، می توان استفاده نمود.

-2-1- 3نانو لوله های کربنی:ن انو لوله های کربنی در سال 1991 توسط ایجیما،کشف شدند. [9] نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که ازجمله میتوان به استفاده ازآنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد. نانولوله های کربنی کاربردهای فراوانی دارند که از آن میان می توان به سنسورهای گازی و شیمیایی، نمایشگرهای نشر میدانی، ترانزیستورها، اتصالات الکترونی و ذخیره سازی هیدروژن اشاره داشت.[10]

-3- 1-3نانو ابزارها: با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی، ویروس و باکتری در سامانه کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینه نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

-2-3کاربرد نانو حسگرها

در بخش نظامی و امنیت ملی نیز احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بیوسمهای زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک ترین علائم نشان دهنده سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنه هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد. در صنایع اتومبیل میتوان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیلهای گران قیمت می توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترلهای موجود به تناسب حالتهای مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد.[6]

-4زیست حسگرها - بیوسنسور -

امروزه در زمینه های مختلفی از جمله پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست و تولید محصولات دارویی و    بهداشتی از بیوسنسورها بهره می گیرند. این سنسورها ابزاری توانمند جهت شناسایی و حس کردن مولکولهای زیستی می باشند. به عنوان مثال حواس بویایی و چشایی انسان نمونه ای از یک زیست حسگر طبیعی است که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می پردازد.

سیستم ایمنی بدن نیز یک زیست حسگر طبیعی است،که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می کند. در حقیقت زیست حسگرها ابزارهای آنالیتیکی هستند که با بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده و    با آنها واکنش دهند. محصول این واکنش می تواند یک پیغام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی باشد.[11] به بیان دیگر حسگرهای زیستی ساخته شده میکروارگانیسم ها یا آنالیت ها را به طور کاملا اختصاصی و با حساسیت و بهره وری بالا تشخیص می دهند. [12] در شکل - - 1-4قسمت های مختلف یک بیوسنسور نشان داده شده است.[5]

-1-4قسمت های مختلف یک بیوسنسور:

-1-1-4قسمت ردیاب بیولوژیک - بیورسپتور - : مهمترین قسمت یک بیوسنسور [11] -1-1-1-4آنزیم ها: آنزیم ها یک ماکرو مولکول پیچیده و درشت است که بخش اعظم آن پروتئینی است با یک گروه پروستیتک که غالبا حاوی یک یا چند اتم فلزی است. این مواد کاتالیزورهای بیولوژیکی برای واکنش های خاص بوده و می توانند خود را به سوبسترای خاصی متصل سازند.کارایی این مواد در ساخت بیوسنسور مربوط به عمل کاتالیزوری آنها می باشند .

-2-1-1- 4آنتی بادی: آنتی بادی تولید شده در اندامها، پروتئینهایی هستند که با مواد متخاصم به نام آنتی ژن پیوند یافته، آن ها را دفع و از آسیبشان جلوگیری می کند. پیوند آنتی بادی با آنتی ژن، در مقایسه با پیوند آنزیم با سوبسترای مربوط، بسیار قوی تر و اختصاصی تر است -3-1-1-4نوکلئواسید: عملکرد اختصاصی بین بازهای دو رشته ی نوکلئیک اسید، منشأ کد ژنتیکی است که مشخصات تمام قسمت های سلول زنده را در بر دارد. پروبهای DNA برای تشخیص بیماری های ژنتیکی، سرطان و عفونت های ویروسی مفید هستند. -2-1-4مبدل - ترانسدیوسر - -3-1-4سیستم خروجی

-2-4روش 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 - شکل. - 2-4 برای این منظور پنج روش به شرح زیر وجود دارد:[11]

-1-2-4جذب سطحی

-2-2-4ریزپوشینه سازی

-3-2-4محبوس سازی

-4-2-4پیوند عرضی

-5-2-4پیوند کووالانسی

-3-4امتیازات و عوامل پیشرفت زیست حسگر ها

در اوایل 1960 کلارک و لایونز و آپدایک و هیکز اولین زیست حسگرها را بر مبنای برهمکنش کاتالیتیکی ویژه آنزیم گلوکز اکسیداز با گلوکز توسعه دادند.بعد از آن رشد سریعی در مطالعه فعالیت ها در این زمینه اتفاق افتاد که باعث پیشرفت بزرگی در توسعه ابزارهای حسگر برای اندازه گیری مولکول های زیستی در زمینه های مختلف صنعتی،دارویی،بالینی و کنترل های محیطی گردید.  پیشرفت در میکروفناوری و نانوفناوری پیشرفت حسگرهای بسیار حساس - با توانایی آشکارسازی خمیدگی های در حد نانومتر - ،با امتیاز کوچک بودن - امکان سنجش آسانتر محیط های زیستی - را منجر شد.

توانمندی بالا،قابلیت اطمینان،صرف انرژی کم،صرفه جویی در زمان و قیمت و آنالیت از مزایای استفاده از این نانو زیست حسگرهاست.سهولت و سرعت بالای اندازه گیری،تکرارپذیری،عملکرد اختصاصی، قابلیت حمل،امکان ساخت آرایه های چند عنصری برای اندازه گیری همزمان و قرائت چندین نمونه،حساسیت بالا و امکان جمع شدن با فناوری میکروالکترونیک از دیگر مزایا میباشند.[13]

-4-4کاربرد بیوسنسور ها

-1-4-4کاربرد بیوسنسور ها در صنایع غذایی

پژوهش ها درزمینه نانوحسگرهای زیستی جزء پژوهش های علمی به روز دنیا محسوب می شود و کاربردهای آن در صنایع غذایی همگام با سایر گرایش های علمی نظیرکشاورزی، پزشکی و زیست فناوری رو به گسترش و تجاری شدن در آینده ای نه چندان دور پیش بینی شده است.[15][14] فساد مواد غذایی تازه با تغییرات بو، رنگ و سایر ویژگی های حسی آن به راحتی قابل تشخیص است. اما زمانی که درون بسته قرار می گیرند، بسته بندی مانع از قرار گرفتن ماده غذایی در معرض ادراک حسی مصرف کننده می شود. بنابراین مصرف کننده باید به زمان های فروشی که توسط تولید کنندگان تعیین می شود، اعتماد نماید.خواص شیمیایی و الکترو- نوری منحصر به فرد نانو ذرات راه حل هایی برای این مشکل ارائه نموده است.

نانو موادی طراحی شده اند که قادر به تشخیص وجود گاز، بو، آلودگی شیمیایی، عوامل بیماری زا و تغییرات شرایط محیطی هستند. این نانو مواد نه تنها برای کنترل کیفیت و تضمین تازگی محصولات به مشتریان مفید هستند، بلکه پتانسیل لازم برای بهبود ایمنی مواد غذایی را نیز دارند. نانو حسگرها دارای پتانسیل لازم برای ایجاد انقلاب در سرعت، دقت و صحت در اندازه گیری هستند که به کمک آن سازمان های نظارتی می توانند حضور آلاینده های مولکولی و یا تقلب را در ماتریکس پیچیده غذا تشخیص دهند.

بسیاری از این آزمون ها بر مبنای تغییرات رنگی قابل رؤیت محصول نانو ذرات فلزی در حضور آنالیت انجام می شود. سایر سیستم های سنجش مولکول های کوچک به جای تغییر رنگ جذب شده به فلورسانس بستگی دارد.[16] با توجه به خواص الکتریکی و نوری منحصر به فرد نانو مواد، استراتژی های تشخیص پاتوژن با تکیه بر نانو مواد جایگزین روش های معمول بررسی میکروبیولوژی شده است. نانو ذرات مغناطیسی نه تنها برای اتصال و جداسازی آنالیت از ماتریکس بلکه برای شناسایی آنها مورد استفاده قرار می گیرند.[17]

-2-4-4کاربرد بیوسنسور ها در صنایع کشاورزی

آلودگی آب ها و محیط زیست به عنوان یکی از مهم ترین چالش های موجود در بحث سلامت بشر محسوب می گردد. نظر به رهایش آلاینده های شیمیایی و میکروبی در مقیاس بالا به ویژه آن دسته از ترکیبات آلاینده که از طریق کشاورزی به محیط زیست راه می یابند، وجود تجهیزات کارآمد شناسایی برای بازداری از چالش های مربوط به بهداشت و سلامت انسان ضروری می نماید. حسگرهای زیستی گزینه های مؤثر و دقیقی برای کنترل مخاطرات بیولوژیکی بوده و عنوان ابزارهای شناسایی دقیق، حساس و سریع در تشخیص کمی و کیفی آلاینده ها به شمار میروند.[18] آلاینده ها ممکن است از نوع میکروبی - شامل باکتری، ویروس و پارازیت - ،