بخشی از مقاله
چکیده :
ارزیابی کیفی محصولات کشاورزی از طریق تجزیه های شیمیایی و آزمون های میکروبی مستلزم صرف زمان و هزینه زیادی است، لذا ارائه روشی مناسب، سریع و موثر برای این آزمون ها از بزرگترین چالش ها در کشاورزی محسوب می شود. ساخت حسگر های زیستی از جمله ابداعاتی است که توانسته تحولاتی از جمله کاهش قابل توجه زمان و هزینه آزمون ها، ایجاد آزمون های غیر مخرب و افزایش اطمینان از سلامت محصول را در تجزیه های شیمیایی و آزمون های میکروبی ایجاد کرده است - . - 3در این مقاله مروری ضمن بررسی تکنولوژی حسگرهای زیستی به چگونگی کنترل برخی عوامل عفونی و مسمومیت زای مهم در محصولات کشاورزی و غذایی خواهیم پرداخت.
در حال حاضر ارزیابی کیفی محصولات در کشاورزیاز طریق تجزیه های شیمیایی و آزمون های میکروبی صورت می گیرد که این روش ها غالباً زمان و هزینه زیادی نیاز دارد و از طرفی برای انجام آنها تکنسین های ماهر مورد نیاز است، لذا ارائه روشی مناسب، سریع و موثر برای این آزمون ها از بزرگترین چالش ها در کشاورزی محسوب می شود. ساخت حسگر های زیستی از جمله ابداعاتی است که توانسته بر این چالش ها غلبه نماید.
حسگرهای زیستی تحولاتی از جمله کاهش قابل توجه زمان و هزینه آزمون ها، ایجاد آزمون های غیر مخرب و افزایش اطمینان از سلامت محصول را در تجزیه های شیمیایی و آزمون های میکروبی ایجاد کرده است - . - 3 یک حسگر زیستی را می توان به عنوان سیستمی مرکب از یک روش نمونه برداری خودکار یا دستی ، یک حسگر زیستی، یک سیستم برای دوباره پرکردن یا جایگذاری حسگر زیستی و یک سیستم آنالیز داده به منظور تکمیل یک مدل زیست شناختی که اطلاعات را برای انسان یا یک کنترل کننده خودکار فراهم می کند، تعریف کرد.
ادغام سیالات، الکترونیک، تکنولوژی جداسازی و زیر سیستم های زیست شناختی برای پیشرفت سیستم های حسگر زیستی حیاتی می باشند. تکنولوژی حسگر زیستی یک روش قدرتمند در مقابل تکنیک های آنالیتیکی مرسوم بوده و ویژگی ها و حساسیت سیستم های زیست شناختی را در تجهیزات کوچک و کم هزینه تحت کنترل دقیق در می آورد. بخش تحقیق و توسعه حسگر زیستی عمدتاً بسوی حفظ سلامتی، کاربردهای محیطی و صنایع غذایی هدایت می شود.
- 1 - حسگرهای زیستی، کاربردهای وسیعی در تشخیص های طبی، پایش محیطی و ژنتیک، صنایع غذایی و دفاعی دارا می باشند. بدلیل سهولت و سادگی، حساسیت بالا و توانایی و پتانسیل برای تجزیه آنی و در محل، حسگرهای زیستی در زمینه های مختلفی از جمله فرآیند صنعتی، تشخیص طبی، کنترل محیطی، کاربرد وسیعی پیدا کرده اند - . - 2
حسگر زیستی :
یک حسگر زیستی عبارت است از یک دستگاه تجزیه ای متراکم همراه با یک عنصر حساس زیستی که با یک سیستم مبدل ارتباط دارد که میزان یک یا چند ماده مورد تجزیه - آنالیت - را اندازه گیری می کند - 1 و3 و. - 4 حسگرهای زیستی از پنج بخش گیرنده زیستی، مبدل، تقویت کننده، پردازشگر و نمایشگر تشکیل شده اند. - شکل - 1 دو بخش اصلی هر حسگر زیستی شامل گیرنده های زیستی و مبدل می باشد.
گیرنده های زیستی ممکن است بصورت فیزیکی یا شیمیایی روی مبدل تثبیت شده باشند. گیرنده های زیستی شامل آنزیم ها، سیستم های چند گانه آنزیمی، آنتی بادی ها، اجزای غشای سلولی، ارگانل ها، بافت، باکتری ها یا سلولهای دیگر - میکروارگانیسم ها - ، گیرنده های سلول یا مواد زیستی مشتق شده و برش هایی از بافت های گیاهی یا حیوانی می باشند.
گیرنده زیستی موجب می شود که حسگر بصورت انتخابی یا اختصاصی عمل کند - 2 و 3 و . - 4 اصول ردیابی بسیار ساده است، بدین صورت که یک اتصالی ما بین آنالیت مورد نظر و عنصر تشخیص گر زیستی متمم - که بصورت تثبیت شده بر روی یک محیط تکیه گاه مناسب می باشد - صورت می گیرد و مبدل یکی از فرآورده های واکنش بیوشیمیایی را بصورت انتخابی شناسایی خواهد کرد - 1 و3 و . - 4 بطور کلی، حسگرهای زیستی، دستگاههای کوچک بر پایه اتصال مستقیم میان یک ترکیب فعال زیستی و یک مبدل سیگنال مجهز به یک تشدید کننده الکترونیکی هستند - . - 2
نتایج فعل و انفعالات ویژه منجر به تغییر در یک یا چند خصوصیت فیزیکوشیمیایی - مانند تغییرات pH ، انتقال الکترون، تغییر جرم، انتقال حرارت، دریافت یا آزادسازی گاز یا یونهای ویژه - می شود که توسط مبدل قابل تشخیص هستند - 1 و3 و . - 4 مبدل ها، اجزائی هستند که یک علامت - پیام - 1 بیوشیمیایی را به یک علامت الکتریکی قابل اندازه گیری، تبدیل می کنند - . - 2
هدف عمومی ایجاد یک علامت الکترونیکی متناسب با بزرگی و فراوانی غلظت آنالیت خاص یا گروهی از آنالیت هایی که عنصر حسگر زیستی متصل می شود، است - . - 1 مهمترین بخش حسگر زیستی، تثبیت یک آنزیم مورد نظر است. اما، فایده الکترودهای آنزیم تثبیت شده، بستگی به فاکتورهایی از قبیل روش تثبیت، شرایط شیمیایی و فیزیکی pH - ، درجه حرارت و مواد آلوده کننده - ، ضخامت و پایداری غشای مورد استفاده برای اتصال به آنزیم دارد. تثبیت آنزیم در چند ماده، برای ساخت حسگرهایی زیستی برای تخمین گلوکز، اوره، کلسترول، استفاده شده است - . - 2
خصوصیات یک حسگر زیستی خوب:
-1 گیرنده زیستی آن کاملاً اختصاصی عمل کرده و تحت شرایط طبیعی نگهداری پایدار باشد.
-2 واکنش گیرنده زیستی با آنالیت بایستی مستقل از پارامتر های فیزیکی نظیر همزدن، pH و دما باشد تا آزمایش و تحلیل نمونه ها با کمترین مراحل آماده سازی صورت پذیرد.
-3 نتایج حاصل بایستی عاری از پارازیت های الکتریکی، دقیق و تکرار پذیر باشد.
-4 ارزان، کوچک، قابل حمل و قابل استفاده توسط کاربران نیمه ماهر باشد.
-5 برای حسگر زیستی باید یک بازار خوب وجود داشته باشد تا انگیزه های طراحی و تولید آن افزایش یابد. بطور کلی حسگرهای زیستی در مقایسه با سایر روش های قدیمی مزایای زیادی دارند که سبب ارجحیت کاربرد آنها می گردد، سهولت استفاده، عملکرد اختصاصی، امکان کنترل فرآیندهای تولید بصورت درون خطی2، خطای کمتر، امکان ثبت اطلاعات، سرعت بیشتر، حساسیت بالا، عدم نیاز به آماده سازی نمونه و توانایی آزمایش نمونه های ترکیبی از مزایای حسگرهای زیستی می باشد - . - 3
معایب حسگرهای زیستی:
-1 به دلیل وجود گیرنده های زیستی در ساختمان آنها، این جزء بسیار حساس بوده وسبب ایجاد مشکلاتی در استریلیزاسیون آنها می گردد و یا حتی در اثر اسیدهای قوی، محیط های بازی و یا دماهای بالا ممکن است حسگر زیستی از کار بیفتد.
-2 مدت زمان کارایی و استفاده از هر حسگر محدود است که این عیب نیز به وجود گیرنده های زیستی بر می گردد. -3 دامنه قابل اندازه گیری آنالیت توسط حسگر زیستی محدود است - . - 3 ویژگی های زیر در انتخاب حسگرهای زیستی اهمیت دارد:
-1 میزان حساسیت
-2 عملکرد انتخابی
-3 زمان ماندگاری
-4 برگشت پذیری
-5 کشف و ردیابی در مکان خاص
-6 سازگاری زیستی
-7 موارد دیگر - دامنه دینامیکی بزرگ، زمان واکنش سریع و - 3 - - ...
کاربرد حسگر زیستی در کنترل آلودگی به عفونت قارچی و تولید آفلاتوکسین : برخی میکروارگانیسم ها، بویژه برخی باکتری ها و قارچ ها پاتوژن هایی هستند که به محصولات حمله کرده و ایجاد بیماری می کنند که برخی اوقات در نسبت های همه گیر صورت می گیرد. عفونت قارجی و تولید آفلاتوکسین در هر مرحله ای از رشد گیاه می تواند صورت بگیرد - برداشت، خشک کردن، فرآیند و نگهداری - . قرار گرفتن در معرض آفلاتوکسین ها یا از طریق بلعیدن یا استشمام کردن ممکن است منجر به ایجاد شرایط طبی و بهداشتی جدی شود - آسیب ساختمانی و عملکردی به جگر، هپاتیک انسفالوپاتی و ... - . آژانس های دولت ایالات متحده - US - سطوح آفلاتوکسین در غذای حیوان و محصولات غذایی مختلف را به طور جدی تنظیم کرده و نظارت می کند.
سطوح عملی که بالاتر از آن محصولات غذایی انسان از تجارت به دور برداشته می شوند حدود 20 ppbمی باشد. اخیراً یک حسگر زیستی immuno-affinity fluorimetric برای شناسایی و تعیین مقدار آفلاتوکسین های تولیدی یافت شده در ذرت، دانه کتان، بادام زمینی و سایر آجیل ها و دانه ها و ادویه جات توسعه یافته است - آفلاتوکسین ها گروهی از مایکوتوکسین های شیمیایی تشکیل شده توسط قارچ های معمولی مانند آسپرژیلوس فلاووس، آسپرژیلوس پارازیتیکوس و آسپرژیلوس نومیوس می باشند - .
نمونه از طریق ستونی حاوی سفاروز - - sepharose که به آن آنتی بادی های ویژه آفلاتوکسین پلی کلونی متصل هستند، فیلتر می شود. رشته های حاوی آفلاتوکسین های متصل، سپس به منظور حذف رشته های متصل نشده یا آنهایی که بطور ویژه متصل نشده اند و بصورت ناخالصی اند، آبکشی می شوند. بعد از آبکشی، یک محلول شوینده از میان رشته ها عبور داده می شود تا آنتی بادی ها از رشته آفلاتوکسین جدا گردند. پس از آن آنالیت جمع آوری شده و در fluorimeterقرار داده می شود. اساساً دو زیر سیستم در این حسگر زیستی وجود دارند : یک زیر سیستم سیلان شناسی، که جابجایی مکانیکی نمونه و فرآیند آن را اجرا می کند، و یک سیستم نوری- الکتریکی که یک فلوئریمتر کوچک را که سطح توکسین را برای کاربر اندازه گیری و گزارش می دهد تشکیل شده است.
هر دو سیستم ها، توسط یک میکروپروسسور که سیستم های سیلان شناسی و نوری-الکتریکی را هدایت می کنند، کنترل می شوند تا اینکه آنالیز صورت بگیرد. حسگر زیستی آفلاتوکسین یک نمونه چند منظوره قابل حمل، نمونه گیری سریع و توانایی اندازه گیری با حداقل جابجایی نمونه و مصرف شدن را فراهم می کند. این حسگر زیستی یک حساسیت بسیار بالا از 0.1 تا ppb 50 در عرض کمتر از 2 دقیقه با 1 میلی لیتر نمونه فراهم کرد و در حدود 100 اندازه گیری قبل از آنکه تازگی و شادابی نیاز باشد انجام داد - . - 1
شمارش و شناسایی اسپورهای باسیلوس آنتراسیس زنده در مواد غذایی : یک آزمون ساده حسگر زیستی بر پایه غشا- باریکه که با یک تقویت سازی بر پایه واکنش توالی اسید نوکلئیک - - NASBA برای ردیابی سریع - 4h - یک تعداد کوچکی از - 10 - عدد اسپور باسیلوس آنتراسیس ترکیب شده بود، بکار برده شد. این حسگر زیستی بر پایه شناسایی یک توالی mRNA منحصر بفرد از یکی از ژنهای توکسین آنتراکس، آنتی ژن حفاظتی - pag - ، رمز گذاری شده در پلاسمید توکسین، pXO1، می باشد و همچنین ویژگی اختصاصی بالایی را برای باسیلوس آنتراسیسفراهم می کند.
اخیراً mRNA فعال کننده توکسین آنتراکس در آزمایشگاهها به منظور توسعه یک حسگر زیستی برای ردیابی یک اسپور باسیلوس آنتراسیس در عرض 12 ساعت مورد استفاده قرار گرفت. تغییر توالی هدف برای mRNA آنتی ژن حفاظتی، باعث کوتاهی زمان کلی آزمون به مقدار قابل توجهی شد. سویه واکسن باسیلوس آنتراسیس - سویه - Sterne در تمام آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت. برای انجام آزمایش یک نمونه 500 /حاوی تعداد کمی حدوداً 10 اسپور با 500 / از محیط رشد مخلوط شد و به مدت 30 دقیقه به منظور جوانه زنی اسپور و تولید mRNA انکوبه شد. بدین گونه تنها اسپورهای زنده شناسایی شدند.
سپس، RNA از سلولهای تجزیه شده استخراج شد، و بطور انتخابی با استفاده از NASBAتقویت شد و سریعاً با استفاده از حسگر زیستی شناسایی شد. در حالی که آزمون حسگر زیستی تنها 15 دقیقه زمان نیاز دارد، فرآیند رویهم رفته 4 ساعت برای ردیابی 10 عدد اسپور باسیلوس آنتراسیس زنده زمان می برد، و در صورتی که مقدار زیادی اسپور حضور داشته باشد، این زمان بطور قابل توجهی کاهش می یابد. حسگر زیستی بر پایه یک قالب آزمون هیبرید شدگی تحت فشار یک اولیگونوکلئوتید می باشد. که در آن از یک سیستم غشایی عبور از میان با یک پروب DNA تثبیت شده که با توالی هدف هیبرید می شود، استفاده می شود.
