بخشی از مقاله
چکیده
فناوري حسگر زیستی در حقیقت نشان دهنده ترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژي ملکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتر است. یک حسگر زیستی در حقیقت شامل یک حسگر کوچک و ماده بیولوژیک تثبیت شده بر آن می باشد. از آنجا که حسگرهاي زیستی ابزاري توانمند جهت شناسایی ملکولهاي زیستی می باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می گیرند.
در واقع این حسگرها ابزاري توانمند جهت شناسایی مولکول هاي زیستی می باشند. سیستم ایمنی بدن که میلیون ها نوع ملکول مختلف را شناسایی می کند، نمونهایی از یک حسگر زیستی طبیعی می باشد. در حقیقت حسگرهاي زیستی ابزارهاي آنالیتیکی بشمار میروند که می توانند با بهره گیري از هوشمندي مواد بیولوژیک، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده با آنها واکنش دهند.
و بدین ترتیب یک پیام شیمیایی، نوري و یا الکتریکی ایجاد نمایند. این حسگرها ابزارهاي مفیدي در تشخیص و کنترل آلاینده هاي مخاطره آمیز و تشخیص باکتري هاي پاتوژن در حیوانات، گیاهان، آب و فراورده هاي غذایی به شمار می روند. با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم ترکیبات مضر شیمیایی، ویروس و باکتري در سامانه کشاورزي و محیط زیست میسر شده و تحولی شگرف در کنترل کیفیت به همراه داشته است. در این مقاله برخی ازکاربردهاي حسگرهاي زیستی در ارتقاء امنیت غذایی مورد بررسی قرار می گیرد.
-1 مقدمه
در جهان امروز امنیت و سلامت غذایی ازمهم ترین اولویت هاي انسان شناخته می شود، صنعتی شدن محصولات غذایی وکشاورزي استراتژي است که ضمانت دسترسی مداوم به مواد غذایی را امکان پذیر می سازد. با ین حال خطرهاي شیمیایی، فیزیکی و زیستی از برداشت تا انبارداري و بازاریابی محصولات می تواند بر کیفیت، سلامت و ایمنی مواد غذایی اثرگذار باشد.
آلایندههاي تهدیدکننده امنیت و سلامت غذایی ممکن است از نوع میکروبی، مواد خارجی - اعم از زیستی، شیمیایی یا فیزیکی - سموم طبیعی، سایر ترکیبات شیمیایی و مواد بسته بندي باشند . - 16 - اگرچه آلاینده هاي زنجیره غذا را می توان به روش هاي شیمیایی و کشتهاي آزمایشگاهی شناسایی کرد، اما استفاده از آزمون هاي زیستی آزمایشگاهی امري زمان بر، پیچیده و در برخی موارد فاقد دقت کافی است و بنابراین نیاز به فناوري هاي نوین ارزیابی براي حفاظت از زنجیره غذا بیش از پیش حس می شود.
حسگر یا سنسور، ابزاري با خروجی متناسب با یک کمیت قابل اندازه گیري فیزیکی، شیمیایی یا زیستی است. یک سامانه حسگر، مجموعه اي از حسگرها همراه با فرایندها و اطلاعات پردازش شده براي عملیات خاص است که از داده هاي حس شده استخراج شده اند. نیاز به حسگرها در بسیاري بخش هاي صنعتی، تجاري و خدماتی وجود داشته و زمینه هاي زیادي براي تولید و استفاده از حسگرها و سامانه هاي حسگر وجود دارد
حسگر زیستی یا بیوسنسورنامِ گروهی از حسگرها است که بر مبناي مواد زیستی پایه گذاري شده و طراحی آنها بر اساس شناسایی انتخابی مواد زیستی مورد آزمون و به کمک آشکارسازهاي فیزیکوشیمیایی صورت می پذیرد. اساس کار یک حسگر زیستی تبدیل پاسخ زیستی به یک پیام است. این حسگرها طی تلفیق فناوري زیستی با فرایندهاي الکترونیک به گونه اي طراحی می شوند تا تنها با یک ماده خالص واکنش نشان داده و با بهره گیري از قدرت فتوالکترون و میکروالکترودها و بر اثر واکنش اختصاصی با یک ماده خاص در غلظت هاي کمتر ازمیلیونیم - ppm - ابزار ردیابی و تحلیل گر دقیقی را ارایه دهد. نتیجه این واکنش اختصاصی بهصورتِ پیام هایی نمود می یابد که توسط یک ریزپردازنده تحلیل می شود
طبق تعریف، اتحادیه بین المللی شیمی کاربردي و محض - IUPAC - حسگر زیستی عبارت است از دستگاهی که از یکسري واکنش بیوشیمیایی خاص استفاده می کند که به کمک آنزیم هاي ایزوله شده، سیستم هاي ایمنی، بافت ها، اندام ها، یا سلول هاي کامل و به طور معمول با نشانه هاي الکتریکی، حرارتی یا نوري براي تشخیص ترکیبات شیمیایی انجام می شوند
بیشترین کاربرد حسگرهاي زیستی در تشخیصهاي پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر حسگرهاي زیستی گلوکز از موفق ترین حسگرهاي زیستی موجود در بازار بوده که براي اندازه گیري غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی تا محدوده کمتر از μM 50 استفاده می شود در عین حال، حسگرهاي زیستی به منظور ردیابی و شناسایی ترکیبات مختل، در خدمت صنعت غذا قرار گرفته اند
- 1- 1 اجزاي اصلی حسگرهاي زیستی
طراحی حسگرهاي زیستی در زمینه هاي مختلف، علوم زیست شناسی، پزشکی و کشاورزي در دو دهه گذشته گسترش چشم گیري داشته است. حسگرهاي زیستی متشکل از اجزاي زیر هستند.
-1 پذیرنده زیستی یا عنصر زیستی حساس: یک ماده زیستی که می تواند به صورت انتخابی تنها با ماده خاصی واکنش نشان دهد. این عنصر عامل اصلی گزینش در حسگرهاي زیستی محسوب می شوند که بیشتر در گروه هاي آنزیم، آنتی بادي، گیرنده هاي سلولی، اسیدهاي نوکلئیک - دي.ان.اي و آر.ان.اي - ، میکروارگانیسم یا سلول کامل، بافت، گیرنده هاي سنتتیک تقسیمبندي می شوند.
اهمیت این اجزا در عملکرد بسیار اختصاصی آنها نسبت به ترکیب مورد آزمون خاصی - آنالیت - است که بدین وسیله از مداخله مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاري از روش هاي اندازه گیري است، جلوگیري می کند. براي تثبیت جزء زیستی روي مبدلها روش هاي جاذب سطحی، ریز پوشینه سازي، محبوس سازي، پیوند عرضی و پیوند کووالانسی ارایه شده اند
-2 آشکارساز و مبدل : سیستم مبدل تغییر قابل مشاهده فیزیکی یا شیمیایی را به یک پیغام قابل اندازه گیري، که بزرگی آن متناسب با غلظت ماده یا مواد مورد سنجش است، تبدیل می کند. همچنین هدایت سیگنال هاي فرستاده شده از مبدل به میکروپروسسور، تقویت، تجزیه و در نهایت تبدیل آن به واحد غلظت توسط آشکارساز انجام می گیرد. اختصاصیت و قدرت شناسایی یک آنالیت از میان دیگر آنالیتهاي موجود در نمونه مورد آزمایش از ویژگیهاي یک حسگر زیستی است که توسط بخش پذیرنده و مبدل تعیین میشود. انواع متداول مبدلهاي مورد استفاده در حسگرهاي زیستی در پنج گروه مبدل هاي الکتروشیمیایی، نوري - لومینسانس جذب - ، حساس به تغییر جرم، مبدلهاي پیزوالکتریک و مبدل هاي گرمایی یا حرارتی قرار دارند . - 11 - البته بیشتر حسگرهاي زیستی از مبدلهاي الکتروشیمیایی ساخته شده اند.
3 بخش پردازنده : که همچنین مسئولیت نمایش نتیجه فعالیت حسگر را نیز بر عهده دارد. شک 1- شمایی از اجزاي اصلی حسگر زیستی را ارایه می دهد.
شکل--1 اجزاي تشکیل دهنده یک بیوسنسور
-1-2 حسگرهاي زیستی و امنیت غذایی
آلاینده ها و خطرهاي زیستی در چرخه غذا در بیشتر مواقع از حضور میکروارگانیسم ها و یا سموم ناشی از آن حاصل می شوند که ممکن است بر ویژگی هاي حس چشایی محصول اثر داشته یا نداشته باشد ولی در هر حال بر سلامت مصرف کننده اثرگذار است.
در روش هاي مرسوم سنتی جهت اطمینان از کنترل این پاتوژن ها آزمون هاي میکروبی در طی فرایند و بر روي محصول نهایی صورت می گیرد. این روش ها که مبتنی بر تشخیص میکروارگانیسم هاي پاتوژن از طریق جداسازي در محیط کشت هاي انتخابی و افتراقی بوده مستلزم صرف زمان طولانی - از 48 تا 5 روز - بوده و هزینه زیادي می طلبد. دیگر روش سنتی تشخیص پاتوژن ها در بافت هاي زیستی انسانی و حیوانی و در مواد غذایی روش الایزا است
آزمون الایزا بر تغییر رنگ کمی یا کیفی با استفاده از آنزیم به عنوان یک نشانگر زیستی واکنش بین یک آنتی ژن و یک آنتی بادي مبتنی است. در صورتی که سوبستراي آنزیم کروموژنیک باشد یک تغییر رنگ قوي نشانگر غلظت بالاتري از آنالیت است. .با این حال بکارگیري مجدد گیرنده هاي آنتی بادي که به آنزیم ها متصل شده اند هزینه هاي تشخیص را بالا برده، ضمن این که کاهش حساسیت آنتی بادي ها امکان دستیابی به نتایج غیرقابل اعتماد را در یک آزمون سریع افزایش می دهد
