ماژول بیوسنسور باکتریایی بیولومینسنت مستقل، برای شبکه های سنسور در فضای باز و کاربرد آن برای تشخیص مواد منفجره مدفون

ما در اینجا یک ماژول حسگر زیستی (BSM) را توصیف می کنیم که عمدتا برای پیاده سازی sensor network (شبکه حسگر) طراحی شده است و حضور مواد هدف را در سطح زمین، در محیط های باز نظارت و نقشه برداری می کند. BSM از باکتری های حساس استفاده می کند که به عنوان عناصر حسگر اصلی آن عمل می کنند. این باکتری ها از نظر ژنتیکی مهندسی شده اند تا با تولید بیولومینسانس به حضور یک ماده هدف خاص (TM) پاسخ دهند و به عنوان آزمایشگاه های بیوشیمیایی کوچکی عمل می کنند که در پاسخ به قرار گرفتن در معرض TM نور ساطع می کنند. BSM یک واحد مستقل جامع است که برای عملیات جداگانه یا به عنوان یک گره در یک شبکه حسگر طراحی شده است. ماژول، سیگنال بیولوژیکی را شناسایی و پردازش می کند و یک رکورد دیجیتال را به یک گیرنده از راه دور ارسال می کند.

برای چندین دهه، اصلی ترین و رایج ترین رویکرد برای پایش حضور ترکیبات مضر در محیط، آنالیز شیمیایی بوده است. با این حال، این رویکرد، در حالی که برای اهداف نظارتی و همچنین برای درک منابع و فرآیندهای آلودگی ضروری است، تقریبا به طور کلی به دلیل نیاز به جمع آوری نمونه در میدان، و انتقال آن به یک آزمایشگاه مرکزی کاملا مجهز (و گران قیمت) محدود شده است. پرسنل فنی آموزش دیده و با تجربه، مجموعه ای از ابزار دقیق تحلیلی را به کار می گیرند. مشکل سازترین مسئله ذاتی این رویکرد لزوما هزینه و پیچیدگی بالای آن نیست، بلکه ناپیوستگی زمانی بین جمع آوری نمونه و در دسترس بودن نتایج است. زمانی که مواد شیمیایی مورد نظر ناشناخته باشند، ممکن است روزها و هفته ها بگذرد تا اطلاعات قابل اعتماد برای پرسنل میدانی و تنظیم کننده ها به طور یکسان در دسترس باشد. بنابراین نیاز شدیدی به بستن این شکاف مکانی و زمانی، و پیاده سازی فناوری های مکمل درجا وجود دارد که به طور ایده آل در زمان واقعی، از رفاه محیط مورد مطالعه گزارش می دهند.

برای عناصر حسگر، باکتری ها را می توان به عنوان دستگاه های حساس کوچکی در نظر گرفت که در پاسخ به قرار گرفتن در معرض یک TMخاص به عنوان ورودی، سیگنال نوری را به عنوان خروجی تولید می کنند. این واقعیت که باکتری ها ممکن است به طور ژنتیکی برای پاسخ به هر TMخاص مهندسی شده باشند، آنها را بسیار متنوع می کند. این امر هم برای انبوهی از حوزه های کاربردی که می توان از آنها برای سنجش مواد مختلف استفاده کرد و هم از دیدگاه مهندسی سیستم، برای طیف گسترده ای از پیکربندی هایی که می توان از آنها استفاده کرد، حائز اهمیت است.

ما در این مقاله یک ماژول بیوسنسور مستقل را توصیف می کنیم که از باکتری های زنده به عنوان عنصر حسگر اصلی و مرکزی خود استفاده می کند. در این پژوهش ما به چالش هایی می پردازیم که به دلیل نیاز به ثبت کردن موجودیت های بیولوژیکی زنده، در یک مدار نوری الکترونیکی (OE) ایجاد می شوند که در آن، همه آنها در هماهنگی با اجزای مدار، به عنوان یک سیستم حسگر یکپارچه عمل می کنند. ماژول حسگر زیستی هم برای عملکرد مستقل و هم برای یک گره در یک شبکه حسگر طراحی شده است که در فضای باز، در مناطق بزرگ مستقر شده و وجود TMها را در مکان های مربوطه، گزارش می دهد.

کاربردی که در اینجا به عنوان معیاری برای این مفهوم عمل می کند، تشخیص از راه دور مین های مدفون است، با استفاده از یک سویه E. coli مهندسی شده ژنتیکی که یک سیگنال لومینسنت را در حضور 2،4-دی نیتروتولوئن (DNT) منتشر می کند.

غیرفعال کردن مواد منفجره، مین های مدفون و بقایای جنگ های گذشته و درگیری های منطقه ای در سراسر جهان، یک نیاز انسانی شدید و مبرم را تشکیل می دهد. تخمین زده می شود که 110 میلیون مین در سراسر جهان پخش می شود که هر ساله باعث مرگ هزاران نفر و تلفات بی شماری می شود. غیرفعال کردن مین زمینی در حال حاضر عمدتا با حذف دستی و با هزینه 300 تا 1000 دلار آمریکا برای هر مین انجام می شود. علاوه بر این، تخمین زده می شود که به ازای هر 5000 مین پاکسازی شده با استفاده از فناوری های موجود، یک اپراتور خنثی سازی در اثر انفجارهای تصادفی کشته و دو نفر مجروح می شوند.