اولین بیوسنسور دستگاه سنجش قند خون بود که توسط Clark و Lyons در سال 1962 ابداع شده است . این دستگاه برپایه سنجش میزان اکسیژن با سنسور حساس و بر اساس واکنش آنزیمی گلوکز اکسیداز زیر عمل می کند .
هدف بیوسنسور شناسایی آنالیت (ماده ای که ما به دنبال آن هستیم مانند گلوکز ) یا ویژگی های آن مانند غلظت گلوکز است . بیوسنسور یک وسیله تحلیلگر زیستی متشکل از دو بخش زیستی و الکترونیکی است که دو ویژگی مهم سنجش اختصاصی و محاسبات کمی را به واسطه داشتن این دو بخش دارا می باشد . بخش زیستی بیورسپتور نامیده شده و انواع آنزیم ها ، نوکلئیک اسید ، آنتی بادی و سلول ها یا قسمتی از آنها را که واجد گیرنده آنالیت هدف هستند شامل می شود . بخش الکترونیکی (transducer) سیگنال ناشی از سنجش بیورسپتور را به سیگنال های قابل ارزیابی از طریق الکترود ، نانو پارتیکل و ... تبدیل می کند که توسط amplifier سیگنال تقویت شده و با کمک پردازشگر ها نمایش داده می شود (به صورت نمودار – تغییر در ولتاژ – تغییر در جریان – تغییر در مقاومت و ... ).
بر اساس نوع transducer بیوسنسور ها به گروه های مختلف تقسیم بندی می شوند که در زیر مثال هایی از آنها آورده شده است :
نوع بیوسنسور |
اساس کار |
نکات اضافه |
Electrochemical |
واکنش های اکسایش و احیا و جابجایی های الکترونی |
تقسیم بندی به 3 زیر گروه : Voltammetric (اندازه گیری تغییرات شدت جریان) Potentiometric (اندازه گیری تغییرات اختلاف پتانسیل) Conductometric (اندازه گیری تغییرات رسانایی محیط) |
Piezoelectric |
ایجاد اختلاف ولتاژ در اثر تغییرات جرم و فشار مکانیکی ناشی از اتصال آنتی ژن و آنتی بادی (مواد پیزوالکتریک اگر فشار مکانیکی به آنها وارد شود داخلشان اختلاف ولتاژ بوجود می آید – آنتی بادی روی کریستال که پیزوالکتریک است سوار شده و در اثر اتصال آنتی ژن و فشار مکانیکی ولناژ داخل کرسیتال به وجود می آید) |
شناسایی آنتی ژن در حد پیکوگرم و حالت گازی – کاربرد ایمونوسنسور برای سنجش MMP-1 که متالوپروتئیناز مهم در واکنش های التهابی بوده و در بافت سرطانی افزایش بیان پیدا می کند |
Nano-sized |
سنجش آنالیت ها در سایز نانو (دوبلکس DNA) |
شامل نانو لوله های کربنی ، نانو ذرات و ترکیب این دو می شود – اهمیت نانو لوله ها در افزایش سطح نسبت به حجم ، جابجایی سریع الکترون و توانایی اتصال به اقسام مختلف مواد است – سایز کوچک نانوذرات در کاهش فاصله بیورسپتور از الکترود و افزایش نرخ جابجایی الکترون می باشد – بیورسپتور مثل آنتی بادی روی نانو ذرات نشسته و نانوذرات روی الکترود (transducer) قرار می گیرند |
Impedance |
تغییرات مقاومت ناشی از اتصال آنالیت و بیورسپتور با اندازه گیری شدت جریان حاصل از اعمال ولتاژ های مختلف (مقاومت برابر است با نغییرات ولتاژ به تغییرات شدت جریان ) |
- |
Enzymatic |
به 3 طریق این کار را انجام می دهد : اول : تبدیل آنالیت به محصولی که قابل شناسایی و اندازه گیری است – دوم : اندازه گیری مهار یا تسریع عملکرد آنزیم توسط آنالیت – سوم : بررسی تغییرات در آنزیم ناشی از برهم کنش آن با آنالیت |
چیزی که اهمیت دارد توانایی تثبیت آنزیم است که به روش های مختلف مانند : جذب سطحی – پیوند کووالان – اتصال آنزیم ها به یکدیگر – محصور شدن در غشای با نفوذپذیری انتخابی – به دام افتادن در ماتریکس و ... انجام می شود . |
Surface Plasmon Resonance (SPR) |
تغییرات ویژگی های نور (زاویه بازتاب و طول موج و ...)برخورد کرده به لایه طلا که روی آن آنتی بادی سوار شده است که ناشی از اتصال آنالیت به آنتی بادی می باشد |
|
magnetic |
جداسازی آنالیت ها با آنتی بادی های متصل به نانوذرات |
از بیوسنسور ها در پزشکی برای شناسایی سموم و باکتری های بیماری زا در نمونه های مختلف استفاده می شود .
با کمک روش های مهندسی پروتئین مانند rational protein design که جهش های هدف دار اعمالی در ژن پروتئین هدف است که می تواند بیورسپتور خاص مثل آنزیم باشد و یا جهش های تصادفی (directed evolution) و غربال محصول با ویژگی های مدنظر و روش ساخت پروتئین با ویژگی های مد نظر (de novo design) می توان خصوصیات بیورسپتور های پروتئینی مانند آنزیم و آنتی بادی را بهبود بخشید .
In vivo biosensors :
به دلیل بازار گسترده بیوسنسور های گلوکز برای افراد دیابتی انواع مختلف آن تعبیه شده که یکی از آنها بیوسنسورهای in vivo با قابلیت اندازه گیری غلظت گلوکز خون حداقل هر 1-5 دقیقه یکبار است . سیستمهای بکارگرفته شده بر اساس آنزیم گلوکز اکسیداز کار کرده و با کمک یک سنسور کاشته شده در بافت زیرپوستی کار میکنند . این سیستم ها اغلب به مدت 3-4 روز قابل استفاده بوده و بعد باید تعویض شوند . حتی روی سیستمهای کار شده است که بر مبنای ارزیابی های انجام شده توسط سنسور انسولین از مخزنی در بدن (پانکراس مصنوعی) به داخل خون پمپ شود . سنسور های الکتروشیمیایی به طور گسترده در بررسی های نوروبیولوژیک استفاده می شوند (بررسی catecholamine ها در مغز بدون نیاز به آنزیم ) – با مطالعه و اندازه گیری مداوم غلظت گلوکز ، اکسیژن ، لاکتات و NADH متوجه شدند که لاکتات می تواند جایگزین گلوکز برای سوخت مغز باشد .. مثال هایی از انواع تجاری شده : سنسور عرق و لاکتات که به صورت تتو روی پوست کار گذاشته شده و نشانه میزان فعالیت فیزیکی می باشد (مناسب برای دوندگان ماراتون ) - implantable cardioverter-defibrillator : این دستگاه ریتمهای غیر نرمال قلبی را تشخیص داده و آن را به ریتم های نرمال تبدیل می کند برای جلوگیری از سکته قلبی افراد تحت خطر.