دانلود تحقیق زیست حسگر

چکیده بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی و تلفیق آن با دانش الکترونیک، منجر به پیدایش ابزارهای آنالاتیکی هوشمندی شده است که نام آن را زیست حسگر(bio-sensor) نهاده اند.

ترنر (P.F Turner) از اولین کسانی است که تلاش نمود تا تعریف جامعی از زیست حسگر ارائه دهد.

وی در مجله "بیوسنسور و بیو الکترونیک"، زیست حسگرها را چنین تعریف نموده است: "زیست حسگرها ابزارهای آنالاتیکی هستند که از تلفیق یا ارتباط نزدیک یک ماده بیولوژیکی (بافت،ریزاندامگان ،اندامکها،یاخته ها، گیرنده ها، آنزیم ها، آنتی بادی ها، نوکلئیک اسیدها یا امثال آنها)، مشتق یک ماده بیولوژیکی یا ترکیبی با رفتار مشابه آن، از یک سو، و یک مبدل شیمی – فیزیکی یا یک ریز مبدل (که ممکن است نوع نوری ، الکترو شیمیایی، حرارت سنجی، پیزوالکتریکی یا مغناطیسی باشد)، از دیگر سو ، پدید می آیند.

زیست حسگرها معمولاً چنان قابلیتی دارند که می توانند با بهره گیری از ویژگی عمل ماده بیولوژیک خود ، یک ترکیب یا گروهی از ترکیبات مشابه را شناسایی نموده و با آن برهم کنش نمایند و نتیجه را به صورت یک پیام الکتریکی گزارش کنند.این پیام همواره با غلظت ترکیب مورد سنجش دارای تناسب کمّی است.

بسته به تقاضای مصرف کننده ، زیست حسگر ممکن است یکبار مصرف بوده یا در مدت مدیدی از آن استفاده شود.

این ابزارها در گستره ی وسیعی از کاربردهای آنالاتیکی از قبیل تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی ، کنترل های زیست محیطی ، کنترل فرآیندهای صنعتی و سرانجام هشدار دهنده های ایمنی و دفاعی کارایی دارند.

بیشترین بازار زیست حسگرها، مربوط به تشخیص های پزشکی است.

آمار نشان می دهد که در سال 1990 بازار این محصول تنها در اروپا بالغ بر 4 میلیارد دلار بوده است.

تا کنون کتاب های متعددی توسط ناشران معتبر بین المللی در معرفی زیست حسگرها نگاشته شده است، ولی غالب آنها به صورت مجموعه مقالات است و مطالب آنها از پیوستگی مناسب برخوردار نبوده و جامعیت لازم را ندارد.

مقدمه زیست حسگر چیست؟

همه ما دو نمونه از زیست حسگرها را داریم؛ بینی و زبان!

ولی اجازه دهید ابتدا سوالی کلی تر طرح کنیم: حسگر چیست؟

یکی از بهترین نوع حسگر ها ، کاغذ لیتموس (تورنسل) است که برای آزمایش اسید یا قلیا مورد استفاده قرار می گیرد و با واکنش رنگی، به طور کیفی حضور یا غیاب اسید را نشان می دهد.

روش دقیق تر برای نشان دادن درجه اسیدیته اندازه گیری PH، با استفاده گسترده تری از واکنش های رنگی حاصل از محلول های معرف یا بهره گیری از کاغذ PH است؛ اگر چه بهترین روش برای تعیین مقدار اسید، استفاده از دستگاه PH متر است.

PH متر یک دستگاه الکتروشیمیایی است که پاسخ الکتریکی آن را می توان با یک عقربه که روی مقیاس حرکت می کند با یک شمارشگر عددی یا یک ریز پردازشگر خواند.در این روش ها ، حسگری که درجه اسید را گزارش می کند ، یک ترکیب شیمیایی مثل رنگ لیتموس یا مخلوطی از چند ترکیب شیمیایی موجود در محلول های معرف PH یا الکترود دارای غشای شیشه ای مربوط به یک PH متر است.پاسخ شیمیایی یا اکتریکی، باید به یک علامت قابل مشاهده با چشم تبدیل شود.

این امر در کاغذ لیتموس آسان است ، چرا که در محدوده طول موج مرئی ، به وسیله خود ترکیب شیمیایی ، تغییر جذب نوری صورت پذیرفته و تغییر رنگ مشاهده می شود، به طوری که در یک اتاق روشن، فوراً توسط چشمان ما دیده می شود.

در مورد PH متر، پاسخ الکتریکی (تغییر ولتاژ) باید به یک پاسخ قابل مشاهده مثل حرکت عقربه روی مقیاس یا تغییر اعداد روی صفحه نمایش تبدیل شود.

بخشی از دستگاه که عملیات تبدیل را انجام می دهد، مبدل نامیده می شود.در یک زیست حسگر، عنصر حسگر که به ماده مورد اندازه گیری پاسخ می دهد، دارای طبیعت بیولوژیکی است.

این عنصر باید به نوعی مبدل متصل شود تا یک پاسخ قابل مشاهده با چشم تولید بنماید.

تعریف و توضیح اجمالی زیست حسگر و انواع آن زیست حسگرها به طور کلی به احساس و اندازه گیری مواد شیمیایی خاصی که ممکن است غیر بیولوژیکی نیز باشند، مربوط می شوند.

ما معمولاً این مواد را با نام سوبسترا یاد می کنیم، در حالی که واژه کلی ترآن غالباً مورد استفاده قرار می گیرد، آنالیت است.

تصویر1 طرح کلی یک زیست حسگر را نشان می دهد.

علامت الکتریکی عنصر آشکار ساز بیولوژیکی طرح کلی یک زیست حسگر پردازشگر علامت الکتریکی آنالیت (سوبسترا) مبدل آنچه ما با بینی احساس می کنیم ، مقادیر جزئی از مواد شیمیایی است.

بینی عضوی است که با حساسیت ادراک می کند و دارای قدرت گزینش است، بنابراین مشابه سازی مصنوعی آن امری مشکل است.

بینی قادر است به طور کیفی مواد مختلف را از هم تمایز داده و تخمین مقدار آن را تا مقادیر بسیار کم ارئه می دهد.

مواد شیمیایی مورد نظر، از غشای بویایی عبور نموده و به پیاز های بویایی می رسند که اجزای بیولوژیکی حسگر بو هستند.

پاسخ، یک علامت الکتریکی است که از طریق اعصاب به مغز منتقل می شود، ادراک این پاسخ توسط مغز، آن چیزی است که به آن بو گفته می شود.

زبان نیز عمل مشابهی را انجام می دهد.

تصویر 2 ، مقایسه طرح کلی سیستم بویایی بینی را با کلیات طرح یک زیست حسگر نشان می دهد.

حفره های بینی، بوی نمونه را جمع آوری نموده سپس بو توسط غشای بویایی که معادل غشای بیولوژیکی در زیست حسگر است، احساس می شود.

پاسخ های غشای بویایی توسط سلول عصب بویایی که معادل مبدل است ، به علامت الکتریکی تبدیل شده سرتاسر رشته ی عصبی را می پیماید و برای تجزیه و تحلیل به مغز می رسد.

بنابراین مغز به عنوان یک ریز پردازشگر عمل نموده ، علامت الکتریکی را به ادراک مبدل می سازد که ما آن را بو می نامیم .

آشکارساز بیولوژیکی مبدل نمونه دستگاه اندازه گیری شکل 2- بینی به عنوان یک زیست حسگر یک زیست حسگر را می توان به عنوان ابزاری که از تلفیق یک عنصر حسگر بیو لوژیکی متصل به یک مبدل حاصل می شود ، تعریف نمود .

مبدل ، تغییر قابل مشاهده (فیزیکی یا شیمیایی) را به یک پیام قابل اندازه گیری ، که متناسب با غلظت ماده و گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل می نماید چنین عملی از تلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می شود .

این وسیله ویژگی عمل و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می نماید .

اولین زیست حسگرها اولین زیست حسگرها ، غالباً به نام الکترودهای آنزیمی خوانده شده و اولین بار توسط کلارک و لیونز در سال 1962 برای اندازه گیری گلوکز ساخته شدند .

الکترودهای آنزیمی گلوکز، زیست حسگری است که تا کنون بیشترین مطالعه و کاربری را به خود اختصاص داده است.

گلوکز، به دلیل درگیری اش با فرایند های متابولیکی انسان ، دارای اهمیت خاصی است .

در پانکراس بیماران خاصی که از دیابت شیرین رنج می برند، به میزان کافی انسولین تولید نمی شود تا گلوکز خون آنها در سطح مناسبی حفظ گردد.

دراین گونه موارد، برای تنظیم مصرف انسولین، اندازه گیری مداوم میزان گلوکز خون بیمار الزامی است.

در گذشته، نمونه های خون درآزمایشگاه تشخیص طبی با تاخیر زمانی و عدم آگاهی از شرایط بیمار اندازه گیری می شد.

با استفاده از زیست حسگرهایی که در حال حاضر برای سنجش گلوکز در دسترس اند(از قبیل اگزاتک که توسط مدی سنس تولید شده است)، خود بیمار می تواند قطره ی کوچکی از خون خود را گرفته ، غلظت آن را در کمتر از یک دقیقه مستقیماً از روی صفحه ی نمایش دستگاه قرائت کند.

زیست حسگرهای گلوکز مبنی براین واقعیت ساخته شده اند که آنزیم گلوکز اکسید از اکسایش گلوکز به گلوکونیک اسید را کاتالیز می نماید.

در زیست حسگر های اولیه ، از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده استفاده می شد .

مصرف اکسیژن مصادف با احیای الکترو شیمیایی آن در سطح الکترود پلاتین است که در تصویر 1-3مربوط به الکترود اکسیژن کلارک ، اختراع شده در سال 1953، نشان داده شده است.

واکنش اکسایش گلوکز که به وسیله ی گلوکز اکسید از((GOD کاتالیز می شود ، به قرار زیر است: GOD H 2O 2 گلوکونیک اسید + O2 + H 2O + گلوکز O2 + 2e- + H + = H2O2 بین کاتد پلاتین و آند نقره ، ولتاژ -0.7 ولت اعمال می شود .

این ولتاژ برای کاهش اکسیژن کافی بوده و جریان سل که متناسب با اکسیژن مصرفی است، اندازه گیری می شود در این صورت ، غلظت گلوکز متناسب با کاهش میزان جریان (غلظت اکسیژن) است.

الکترود اکسیژن با غشاء نیمه تراوا نسبت به اکسیژن ( مثل PTFE ، پلی اتیلن یا سلوفان ) پوشانده شده است .

سوبسترا (محلول گلوکز ) و اکسیژن برای واکنش با آنزیم و تولید محصول، می توانند ازغشای اول عبور کنند.

تنها اکسیژن باقیمانده می تواند از غشای دوم عبور نموده ودر سطح الکترود اندازه گیری شود.

اختراع این زیست حسگر، برای اولین بار در سال1970 توسط شرکت یلواسپرینگ( Yellow Spring ) ثبت شد.

به طرف آشکارساز آند نقره غشای تراوای اکسیژن کاتد پلاتین شکل 3- الکترود اکسیژن کلارک زیست حسگرهای اوره اوره آز CO(NH2) 2 + H 2O CO 2 + 2NH 3 از دیگرزیست حسگرهای اولیه ، موردی بود که برای سنجش اوره (جزء اصلی ادرار) ساخته شد.

اوره بوسیله ی آنزیم اوره آزهیدرولیز شده و تولید آمونیاک ودی اکسید کربن می نماید.

نمایش ساده ای که طرح کلی زیست حسگر ( قابل استفاده در انواع مختلف آن) را نشان می دهد، در تصویر 4 ملاحظه می شود.

گلوکز M1 M2 آنزیم ( گلوکز اکسیداز ) الکترود ژل الکترولیت شکل 4- نمایش ساده از زیست حسگر کلارک برای گلوکز غلظت آمونیاک ، توسط یک الکترود یون گزین آمو نیوم تعیین می شود .

با این الکترود ولتاژ نسبی ، در جریان نزدیک به صفر ،اندازه گیری می شود .

این ولتاژ متناسب با لگاریتم غلظت آمونیاک است که مستقیماً با غلظت اوره تناسب دارد.

الکترود یون گزین آمونیاک، در واقع یک الکترود شیشه ای PH اصلاح شده است .

آنزیم با یک ژل مخلوط شده و روی توری نایلون پهن شده ودر سطح الکترود پوشانیده می شود .

لایه ی آنزیمی توسط یک دیالیز در جای خود تثبیت می شود .

این زیست حسگر ، ابتدا توسط گیلبو ومونتا لو درسال 1969 ساخته شد .

در هرآزمایشگاهی، با استفاده از الکترود شیشه ای PH معمولی ، یک الکترود ساده ی اوره قابل ساخت است .

الکترود های آنزیمی موز (موزترود) با استفاده ازموز می توان یک زیست حسگر بسیار ساده ساخت.

چنین زیست حسگری، برای اندازه گیری دوپامین ،یک ما ده ی شیمیایی مهم در مغز توصیف شده است .

آزمایش های معتددی با بهره گیری ازتعبیه ی الکترودها درمغز حیوانات زنده برای اندازه گیری میزان تغییرات دوپامین مغز دراثر فعالیت های متفاوت به انجام رسیده است.

چنانچه از زیست حسگر دوپامین استفاده کنیم ، می توانیم این آزمایش ها را به نتایج مطلوب تری برسانیم، چرا که این زیست حسگر نسبت به دوپامین دارای عملکرد اختصاصی تری بوده ،از مداخله ی آسکوربیک اسید ممانعت می نماید.

برای ساخت این زیست حسگر ، می توان مقداری از موز را با پودر گرافیت و پارافین مایع مخلوط نموده و بخشی از مخلوط را در نوک الکترود قرار داد.

دو پامین ،یک مشتق کاتکول است .آنزیم پلی فنل اکسید از موجود در موز، با استفاده از اکسیژن محیط ، اکسایش دوپامین فرم دی هیدروکسی را فرم کینون کاتالیز می کند.

احیای الکترو شیمیایی کینون به فرم دی هیدروکسی موجب پیدایش یک جریان الکتریکی می شود که با غلظت دوپامین متناسب است.

زیست حسگر با کاتکول نیز با همان کیفیت کارمی کند.

ملاحظه ی زیست حسگر ها تحت عناوین مختلف آنالیت یا سوبسترا در حال حاضر ، انواع بسیار متنوعی از این زیست حسگرها وجود دارد، به طوری که عمومیت دادن این نوع طبقه بندی نا ممکن است.

در عمل، هر ماده ای که در یک فرایندشیمیایی مصرف یا تولید شود، مستعد اندازه گیری با یک زیست حسگراست ، البته در صورتی که آ ن زیست حسگر قابل ساخت باشد .برخی از نمونه ها به شرح ذیل است: قند ها کلسترول اوره پنی سلین ها کریاتین پاراستامول گلوتامیک اسید TNT لاکتیک اسید بسیاری از آمینواسیدها فسفات اجزای بیولوژیکی اهمیت اجزای بیو لوژیکی، در عملکرد بسیار اختصاصی آن نسبت به سوبسترای خاص است که بدین وسیله از مداخله ی مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاری از روش های اندازه گیری است، جلوگیری می کند جزء بیولوژیک ممکن است واکنش سوبسترا را کاتالیز کند ( آنزیم ) یا به طور انتخابی به سوبسترا متصل شود.

استفاده از آنزیم به عنوان جزء بیولوژیکی ، بیشتراز دیگرمواد، متداول است.

البته مواد دیگری از قبیل ریزاندامگان مثل مخمرها و باکتری ها و بافت هایی مانند موز (که قبلاًداده شد ) و جگر، حاوی آنزیم بوده و غالباً برای این منظور مناسب هستند.

آنتی بادی ها به روش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و این قابلیت را دارند که به طور گزینشی با سوبسترا پیوند یابند.

نوکلئیک اسیدها نیز در برخی موارد کارایی دارند.

جزییات بیشتر در فصل دوم ارائه شده است.

اهمیت اجزای بیو لوژیکی، در عملکرد بسیار اختصاصی آن نسبت به سوبسترای خاص است که بدین وسیله از مداخله ی مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاری از روش های اندازه گیری است، جلوگیری می کند جزء بیولوژیک ممکن است واکنش سوبسترا را کاتالیز کند ( آنزیم ) یا به طور انتخابی به سوبسترا متصل شود.

روش های تثبیت اجزای بیوژیکی می بایست حتی المقدور به مبدل متصل شوند.

برای این منظور چندین روش وجود دارد.

A- ساده ترین روش، جذب روی سطح است .

B- ریز پوشینه سازی ، واژه ای است که برای گیرانداختن بین دو غشا استفاده می شود .این روش از ابتدایی ترین روش هایی است که برای زیست حسگر های گلوکز و اوره ارائه شده است .

C- محبوس سازی ،در این روش ،جزء بیولوژ یکی در داخل پیکره ای از ژل یا خمیر یا یک پلیمر به دام انداخته می شود (همانطور که درمورد موز گفته شد) .

این روش بسیار متداو ل است .

D- ا تصال کووالان ،پیوندهای شیمیایی کووالانسی بین جزء بیولوژیکی و مبدل ایجاد می شود .

E- پیوند عرضی، یک واکنش گر دو عا مله ، برای پیوند شیمیایی بین مبدل و ماده ی بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد از این روش ، معمولاً برای تلفیق با روش های دیگر مثل روش های A یاB استفاده می شود .

مبدل ها ، ابزار اشکار کننده بیشتر زیست حسگرها ، با استفاده از مبد ل های الکترو شیمیایی ساخته شده اند .

البته انواع دیگری نیز ساخته شده است که از بین آنها اهمیت مبدل های نور سنجی به طورمشخص در حال فزونی است.

با این وجود تا زمانی که پردازشگرهای ما با الکترون کار می کنند، پاسخ های الکتریکی بیشتر مورد توجه است .

البته ممکن است روزی ابزارهایی که با فوتون کار می کنند، بیشتر وسایل الکتریکی ما را منسوخ کنند .

آیا این عمل از تلفن ها شروع خواهد شد ؟

مبدل ها را می توان به انواع زیر تقسیم بندی جزئی تری نمود: -A مبدل های الکتروشیمیایی الف ـ پتانسیومتری – این روش مبتنی بر اندازه گیری e.m.f (پتانسیل) یک پیل در جریان صفر است.e.m.f با لگاریتم غلظت ماده ی مورد سنجش متناسب است.

ب ـ ولتامتری - یک افزایش(یا کاهش) پتا نسیل به پیل اعما ل می شود تا اکسایش ( کاهش) ماده ی مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش( کاهش) سریع در جریان پیل برای ایجاد قله ی جریان ملاحظه شود .چنانچه مقدار پتانسیل اکسایش شده باشد ، شخص ممکن است پتانسیل را مستقیماً روی آن مقدار تنظیم نموده وجریان را ملاحظه کند .

این روش به نام آمپرومتری معروف است.

ج- رسانایی سنجی- محلول های حاوی یون ها، برق را هدایت می کنند .

بزرگی این رسانایی ممکن است دراثر واکنش شیمیایی یا بیوشیمیایی تغییر یابد .رابطه ی بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است .

در این روش،اندازه گیری بسیار ساده است.

-B حسگرهای مبتنی بر FET گاهی اوقات به کارگیری یکی از روش های توضیح داده شده در بالا روی یک تراشه ی ترانزیستور اثر میدان (FET) ، می توان زیست حسگرهای بسیار کوچک ساخت .

البته عمل کوچک سازی بیشتر در حسگرهای پتانسیومتری صورت می پذ یرد ، لیکن ازحسگرهای آمپرومتری و رسانایی سنجی نیز می توان برای این منظور استفاده نمود.

C– مبدل های نوری با توسعه ی تارهای نوری ، روند نو در زندگی پدید آمده است که اجازه ی انعطاف و کوچک سازی را به ما می دهد.

روش های مورد استفاده در زیست حسگرهای نوری ، شامل طیف سنجی جذب ، طیف فلورسانس ، طیف سنجی فلورسانس ، طیف سنجی لومینسانس، طیف سنجی انعکاس داخلی ،تشدید پلاسمون سطح و پراش نور است.

-D ابزار های پیزو الکتریک این ابزارها، مبتنی بر تولید جریان در اثر ارتعاش یک بلورند.

فرکانس ارتعاش توسط جرم جذب شده بر روی سطح تحت تأثیر قرار می گیرد.

این اثر را می توان به یک واکنش فعال بیوشیمیایی مرتبط نمود.

-E امواج اکوستیک سطح -F روش های گرمایی تمام فرایندهای شیمیایی و بیوشیمیایی، با تولید یا جذب حرارت مواجه اند.

این حرارت را می توان با یک ترمیستور حساس اندازه گیری نمود و آن را به میزان واکنش نسبت داد.

عوامل اجرایی الف- گزینش، از مهمترین شاخص های یک زیست حسگر است و منظور از آن، قابلیت تمیز بین سوبستراهای مختلف است.گزینش، وظیفه ی جزء بیولوژیکی است.

گرچه گاهی اوقات نقش مبدل نیز در این امر مهم است.

ب- گستره ی حساسیت این گستره ضرورتاً کمتر از میلی مولار است و در موارد خاص می تواند به گستره ی فمتومولار(M 15-10) برسد.

ج- صحت صحت معمولاً در حدود5± درصد است.

د- طبیعت محلول شرایطی مانند PH، دما و قدرت یونی، باید مورد توجه قرار گیرد.

ه- زمان A- زمان پاسخ، زیست حسگرها معمولاً نسبت به زمان پاسخ حسگرها طولانی تر است.

این زمان ممکن است 30 ثانیه یا بیشتر باشد.

B- زمان بازیابی، زمانی است که زیست حسگر آماده آزمایش بعدی می شود.

این زمان نباید از چند دقیقه بیشتر باشد.C - طول عمل کاری،معمولاً توسط پایداری ماده ی بیولوژیکی تعیین می گردد.

این زمان می تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.

زیست حسگر گلوکز مربوط به شرکت اگزاتک بالغ بر یک سال قابل استفاده است.

چشم انداز تعداد آنالیت ها معمولاً نامحدود است.این ترکیبات از مواد ساده ی معدنی مانند نیترات و مولکول هایی مثل کربن منواکسید، متان و متانل تا مولکول های زیستی پیچیده مثل NAD را شامل می شود.

تعداد این ترکیبات بستگی به نبوغ دانشمندان در اکتشاف آنها دارد.

به طور خاص، این مواد شامل آنزیم ها، باکتری ها، آنتی بادی های خاص و امثال آنهاست.

موارد جدید به طور منظم در حال اکتشاف اند.

جهش زایی و مهندسی ژنتیک، امکانات توسعه ی گونه ها و مواد جهش زای جدید را فراهم نموده است که ممکن است دارای کاربردهای جدیدی باشد.گرچه اکتشاف و توسعه ی زیست حسگر در آزمایشگاه تا کاربرد عملی آن راهی طولانی در پیش دارد، لیکن نباید از فکر تولید انبوه و بازار فروش آن فارغ بود.

موفق ترین زیست حسگری که تا کنون توسط چند شرکت به بازار عرضه شده است، زیست حسگر گلوکز است.

از دیگر مواردی که تا کنون ساخته شده و فروش آن نیز نزدیک به گلوکز بوده است، مربوط به کلسترول، آسپرین و پاراستامول است.

مراقبت های بهداشتی همان طور که خوانندگان نیز ممکن است اتفاق نظر نمایند، موارد بهداشتی، اصلی ترین زمینه ی کاربرد بالقوه و بالفعل برای زیست حسگر است.

اندازه گیری خون،گازها، یون ها و متابولیت ها، غالباً برای نشان دادن وضعیت متابولیکی مریض حائز اهمیت است.

این امر به ویژه برای بیماران بستری در بیمارستان یا مواردی که نیاز به مراقبت شدیدتر دارند، ضرورت بیشتری دارد.

بسیاری از این سوبستراها که باید اندازه گیری شوند، مربوط به نمونه های خون و ادرار هستند که در خارج از آزمایشگاه تشخیص طبی برای سنجش های کلاسیک گرفته می شوند که ممکن است در طی ساعت ها و روزها نیزآماده نشوند.

کاربرد زیست حسگرها در محل، مارا قادر خواهد ساخت تا حداکثر به نتایج سنجش دست یابیم.نتایج زیست حسگر "اگزاتک" برای گلوکز، در 30 ثانیه قرائت می شود.

این امر ضرورت وجود واحد آزمایشگاه و متخصص مربوط را برای آزمایش های متوالی مرتفع می نماید.

یک پرستار آموزش دیده می تواند در حین کار روزانه با استفاده از زیست حسگرها از عهده ی سنجش ها بر آید.

زیست حسگر ها همچنین می توانند در بخش مصدومین (برای مثال برای تشخیص مصرف زیاد از حد یک دارو که آیا پاراستامول است یا آسپرین) یا برای تشخیص های معمولی کلینیکی مورد استفاده قرار گیرند.

این ابزار همچنین ممکن است در مراکز درمانی یا حتی توسط خود بیماران در خانه به ویژه درمورد مبتلایان به دیابت مورد استفاده قرارمی گیرد.جدول1 ، برخی از سنجش های متداول برای امور تشخیص بیمار را نشان می دهد.

بیشتر این سنجش های بالقوه می توانند توسط زیست حسگر هابه انجام برسند.یک کار برد رؤیایی بالقوه این است که زیست حسگری داشته باشیم که در بافت موجود زنده تعبیه شود تا بتواند متابومیت را به طور مداوم آشکار نماید.

در مرحله ی بعد، چنین زیست حسگری ممکن است توسط یک ریزپردازشگر به یک دستگاه انتقال دهنده ی دارو از راه پوست، متصل شود.

این ابزار مشخصاً برای بیماری های مزمن مثل دیابت مفید خواهد بود.

گلوکز خون به طور مداوم اندازه گیری شده و به محض اینکه میزان آن به حدّ معینی برسد، انسولین به طور خودکار به داخل خون مریض جاری می شود.

از این وسیله گاهی به عنوان پانکراس مصنوعی یاد می شود این وسیله برای بیمار بسیارسودمند تر از روش متداول (تزریق مقدار نسبتاً زیاد از انسولین هر چند ساعت یک بار ) است.

کنترل فرایندهای صنعتی زیست حسگرها به سه طریق می توانند در فرایند های تخمیر مورد بهره برداری قرار بگیرند A به طور ناپیوسته در آزمایشگاه B به طور نا پیوسته در کنار عملیات وc به طور پیوسته درحین عملیات.

در حال حاضر، اندازه گیری در حین عملیات منحصر به تعیین PH، دما ، CO2 و O2 است هم اکنون زیست حسگرهایی در دسترس اند که قادر اند طیف وسیعی از مواد اولیه یا محصولات واکنش ها از قبیل انواع قندها، مخمرها، مالت،الکل ها واحتمالاً محصولات جانبی ناخواسته را اندازه گیری کنند.چنین اندازه گیری هایی منجر به بهبود کیفیت محصول، افزایش راندمان محصول کنترل میزان تغییرات کیفیت مواد،بهینه نمودن کارایی انرژی از قبیل پیشرفت واحد در اتوماسیون و اتکای کمتر به دخالت انسانی می شود.

به طور کلی ،کاربردهای وسیعی در صنایع غذایی و نوشابه سازی وجود دارد.

ردیابی های زیست محیطی طیف وسیعی از آنالیت ها در هوا، آب، خاک و موقعیت های دیگر وجود دارند.

مواردی از قبیل BOD، اسیدیته، حشره کش ها کودها، فاضلاب های صنعتی وشهری، به اندازه گیری های وسیع نیاز دارند.

برای برخی از موارد، آشکار سازی در حین عملیات و برای برخی دیگر، اندازه گیری هر جند یک بار ضروری است.

علاوه بر کاربرد آشکار زیست حسگرها در مورد تشخیص آلودگی ها، کاربرد در مزرعه داری، باغداری علوم دامپزشکی و معادن زمینه های بالقوه هستند که می توان از این وسیله در آشکار سازی آلاینده های زیست محیطی بهره جست.

عناصر بیولوژیکی عناصر بیولوژیکی عامل اصلی گزینش در زیست حسگرها محسوب می شوند.

این عناصر دارای چنین قدرتی هستند که تنها با سوبسترای خاصی متصل می شوند و با دیگر سوبسترها واکنشی نشان نمی دهند.

چهار دسته ی اصلی این مواد عبارتند از: آنزیم ها آنتی بادی ها اسیدهای نوکلئیک گیرنده ها آنزیم ها از عناصر بیولوژیکی هستند که بیشتر به کار برده می شوند و ممکن است در حالت خالص یا به صورت موجود در ریزاندامگان یا در قطعه ای از بافت مورد استفاده قرار گیرند.

این موارد کاتالیزرهای بیولوژیکی برای واکنش های خاص بوده و می توانند به سوبسترای خاصی متصل سازند.

کارایی این موارد در ساخت زیست حسگرها، مربوط به عمل کاتالیزری آنهاست.

آنتی بادی ها دارای عملکرد متفاوتی هستند.

آنها به گونه ای اختصاص به آنتی ژن مربوط متصل می شوند تا آنها را از منطقه ی فعالیت شان دور سازند، لیکن اثر کاتالیتیکی ندارند.

برای این که یک پیام قابل اندازه گیری توسط مبدل تولید شود، هوشمندی قابل ملاحظه ای برای در گیر شدن آنتی بادی یا سوبسترا لازم است.

نوکلئیک اسیدهابسیار کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.

به دلیل خواص جفت باز های موجود در ساختمان نوکلئیک اسیدها، قدرت گزینش در آنها وجود دارد.

این مواد از توانایی زیادی براب شناسایی اختلال های ژنیتیکی بخصوص در کودکان برخوردارند.

گیرنده ها پروتئین هایی هستند که درون غشای دو لایه ی لیپیدی که پلاسمای سلول را احاطه نموده است، قرار دارند و عرض غشاء را به طور کامل قطع می کنند و از قدرت شناخت مولکولی برخوردارند جداسازی این پروتئین ها ،مشکلی است،لیکن همانند آنتب بادی ها با درجه ای از میل ترکیببی و ویژگی عمل با مواد معمولی پیوند برقرار می کنند.

آنزیم ها آنزیم، یک ماکرومولکول پیچیده ودرشت است که بخش اعظم آن پروتئینی است که با یک گروه پروستیتک که غالباً حاوی یک یا چند اتم فلزی است.

عملکرد بسیاری از آنزیم ها ،بخصوص آنزیم هایی که در زیست حسگر ها مورد استفاده قرار می گیرند ، شامل فرایند اکسید یا احیاء است که با روش های الکتر شیمیایی قابل آشکار سازی است.

چون جزییات عماکرد آنزیم ها را می توان در کتاب های درسی استاندارد پیدا کرد، ما دراین جا بدان نمی پردازیم، لیکن فقط اساس مکانیزم کاتالیزری آنزیم را یاد آوری می نماییم: در رابطه ی فوق S: سوبسترا ، E:آنزیم، ES:کمپلکس آنزیم- سوبسترا وp : محصول است.

برای مثال، در واکنش زیر S: گلوکز و اکسیژن E:گلوکز اکسیداز(GOD) و P:گلوکنیک اسید و هیدروژن پراکسید است: = سرعت تشکیل کمپلکس K 1 -K -1 = سرعت تجزیه کمپلکس K 2 مثال هایی از زیست حسگرهای آنزیمی اوره تجزیه ی هیدورلیتیک اوره و تبدیل آن به آمونیاک و کربن دی اکسید، توسط آنزیم اوره آز کاتالیز می شود: CO(NH2) 2 + H 2O 2NH 3 + CO 2 معمولاً با روش پتانسیومتری و با استفاده از الکترود حساس به آمونیاک که قادر است آمونیاک را با غلظت M 6- 10 آشکار نماید، می توان واکنش را بررسی کرد.

شرایط عمل برای چنین زیست حسگری به شرح زیر است: محدوده ی پاسخ :3 زمان پاسخ: 1تا 5 دقیقه.

زمان بازیابی : 5 تا10 دقیقه (این زمان را می توان با تثبیت بهتربهبود بخشید، به طوری که در هر ساعت 20 سنجش انجام می شود) طول عمر: 60روز روش های دیگر مثل الکترودهای حساس به آمونیوم، گاز کربن دی اکسید یا حتی PH نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

البته برای بهینه نمودن شرایط برای هر یک از الکترودها، لازم است توسط بافر خاص PH عملیات را کنترل کرد.

گلوکز زیست حسگر گلوکز بیش از موارد دیگر مورد مطالعه قرار گرفته و از نظر تجارتی توسعه پیدا کرده است.

شکل اولیه این زیست حسگر، مبتنی بر اکسایش گلوکز توسط اکسیژن مولکولی و کاتالیز آن توسط گلوکز اکسیداز (GOD) و تولید گلوکونیک اسید و هیدروژن پراکسید است.

این واکنش اولین بار با استفاده از اکسیژن کلارک که کاهش غلظت اکسیژن را با روش آمپرومتری تعقیب می کند، مورد استفاده قرار گرفت، شرایط عمل به شرح زیر است: محدوده ی پاسخ : کمتر از 1 تا 30 میلی مولار زمان پاسخ: 1 تا5/1دقیقه زمان بازیابی : 30 ثانیه طول عمر : چند ماه مزایا ومعایب آنزیم ها مزایا : -A به جسم مورد سنجش متصل می شود؛ -B از قدرت گزینش بالایی برخوردارند؛ -C چون دارای فعالیت های کاتالیتیکی هستند، پس حساسیت را افزایش می دهند؛ -D عملکرد آنها سریع است؛ -E از جمله مواد بیولوژیکی هستند؛ معایب : -A گران هستند؛ هزینه استخراج، جداسازی و خالص سازی آنزیم ها خیلی بالاست؛ در برخی موارد، ممکن است قیمت منبع آنزیم نیز گران باشد، با این وجود طیف وسیعی از آنزیم ها با مشخصات تعریف شده و اندازه گیری شده به طور تجارتی در دسترس اند؛ -B غالباً در حالت تثبیت آنزیم روی مبدل، بخشی از فعالیت آن از دست می رود؛ -Cاین مواد به دلیل غیر فعال شدن، پس از مدت کوتاهی فعالیت خود را از دست می دهند.

مواد موجود در بافت ممکن است بافت های گیاهی و جانوری با حداقل آماده سازی مستقیماً مورد استفاده قرار گیرند.

معمولاً بافت ها حاوی آنزیم های متعددی هستند، بنابراین قدرت گزینش آنها همانند آنزیم خالص نیست ؛ با این وجود ، چون در بافت ها آنزیم ها در حالت طبیعی خود هستند، کمتر در معرض تجزیه شدن قرار دارند.

بنابراین احتمالاً حسگر دارای عمر طولانی تری خواهد بود.

از سوی دیگر، چون سوبسترا باید از بین مواد مختلف موجود در بافت عبور نموده به آنزیم برسد سرعت پاسخ قدری کند خواهد بود.

مواد موجود در بافت ممکن است رقت آنزیم بشوند و اثر آنها را نیز کمتر نمایند.

ما دراین جا به مثال هایی توجه می کنیم که در آنها عملکرد زیست حسگرهای ساخته شده از بافت با همان زیست حسگرها که از آنزیم خالص ساخته شده اند ، مقایسه می گردد.

هم ریزاندامگان و هم بافت ها، در خود موادی حاوی آنزیم دارند، لیکن محیط های مختلف پیرامون آنزیم ها موجب مزایا و معایب متفاوتی میشوند.

هر دو این مواد، ارزانتر از آنزیم خالص اند.

همچنین و نسبت به اثر بازدارندگی مواد موجود در محلول، آنها PH تغییرات دما، پایداری بهتری دارند.

عیب اصلی از دست رفتن قدرت گزینش به دلیل حضور مخلوطی از آنزیم های دیگر است.

این آنزیمها ممکن است از گونه های مرتبط باشند.

برای مثال، بافت موز را می توان نام برد که در سال 1985 توسط سیدول و رشنیتز و متعاقب آن در سال 1988 توسط وانگ و لین مورد مطالعه قرار گرفت.

این بافت برای اندازه گیری دوپامین که یک کاتکول آمین است و در مغز یافت می شود و حاوی کمپلکسی از پلی فنولاز هاست که اکسایش ترکیبات پلی فنولیک را کاتالیز می کند، مورد استفاده قرار می گیرد.

در سال 1994 ما (اگینس) دریافتیم که این بافت می تواند با توانائی یکسان برای اندازه گیری خود کاتکول و فلاوانولها نیز بکار می رود.

فلاوانول گونه ای از کاتکول است که به عنوان ماده طعم دار در آب جو و شراب یافت می شود.

بنابراین ، گرچه حضور آنزیم های مختلف در بافت موجب کاهش قدرت گزینش آن می شود، لیکن ممکن است در برخی از آنالیزها، مزایایی از این گونه در بر داشته باشد.

خلاصه مزایا و معایب استفاده از بافت ها به شرح زیر است : مزایا : -Aآنزیم در حالت طبیعی خود نگهداری می شود ؛ -Bفعالیت آنزیم پایدار می شود ؛ -Cدر مواردی که آنزیم خالص کارائی ندارد، می تواند از بافت استفاده نمود ؛ -D بافت بسیار ارزانتر از آنزیم خالص است.

معایب : ممکن است فرآیندهای مزاحمی وجود داشته باشند که از قدرت گزینش بکاهند.

مثال ها الف- اولین مثال در سال 1978 توسط رشنیتز ارائه شد.

در این مثال ، آرژنین بوسیله جگر گوساله به اوره و اورنیتین شکسته می شود.

سپس اوره حاصله توسط یک زیست حسگر پتانسیومتری اوره اندازه گیری می شود: ب- آمینو اسید دیگر ، گلوتامین است که بوسیله جگر خوک شکسته شده و به آمونیاک و گلوتامیک اسید تبدیل می شود.

سپس آمونیاک توسط الکترود حساس مورد سنجش قرار می گیرد :