نانو سنسورھای بیو الکتریکی (Nano_ Biosensors) تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی

بیوسنسورھا یا سنسورھای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردھا نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل می شود.توسعه بیو سنسورھا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور ھمچنین بنام COBD با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که سازنده ی آن گاھی (الکترودکالرک) نیز خوانده میشود. بعدا به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه باپوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون ++NH4بیو سنسوری ساخته شده که میتوانست میزان اوره درخون یا ادرار را اندازه گیری کند.

ھر کدام از این دو بیوسنسور اولیه از ترنسدیوسر متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده میکردند. در نوع اول میزان قند خون بااندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری میشد (آمپرومتریک) در حالیکه درسنسور اوره اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده درالکترودھای سنسور صورت می پذیرد (.Potentiometric) ممکن است روزی فرا رسد که بیمار بدون نیاز به مراجعه به پزشک و تنھا بر مبنای اطلاعاتی که توسط یک COBDیا Doctor-Board-on-Chip فراھم میشود نوع بیماری تشخیص داده شده و سپس درون خون تزریق شود. این مسئله باعث خواھد شد که دوز مصرفی داروھای مورد نیاز مستقیما از میزان اثرات جانبی دارو Effect-Side بطرز فاحشی کاسته شود، چرا دارو بسیار پایین آمده و ضمنا به محل مورد نیاز در بدن ارسال میشود. این که دارو مستقیما کاری که یک بیوسنسور انجام میدھد تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی است و شامل دو جزء اصلی: پذیرنده Receptor و آشکارکننده Detector است. قابلیت انتخابگری یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده تعیین میشود. آنزیمھا، آنتی بادیھا، و الیه ھای لیپید (چربی) مثالھای خوبی برای Receptor ھستند.وظیفه دتکتور تبدیل تغییرات فیزیکی یا شیمیایی با تشخیص ماده مورد تجزیه Analyte به یک عامل واضح است که دتکتورھا قابلیت انتخاب در نوع واکنش صورت گرفته سیگنال الکتریکی است. کامل را ندارند.

انواع دتکتورھای (یا ترانسدیوسرھا یا مبدلھا یا آشکارسازھا) مورداستفاده در بیوسنسورھا شامل:

الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی میباشند. در نوع الکتروشیمیای عمل تبدیل به یکی از صورتھای: آمپرومتریک، پتانسیومتریک، وامپدانسی صورت می پذیرد. متداولترین الکترودھای مورد استفاده در نوع پتانسیومتر یک شامل: الکترود شیشه ای Electrode Glass ،الکترود انتخابگر یونی Selective-Ion ،وترانزیستور اثر میدان حساس یونی FET sensitive-Ion یا ISFET ھستند. بطورکلی یک بیوسنسور شامل یک سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized نظیر یک دسته سلول، میکآنزیم، و یا یک آنتی بادی و یک وسیله اندازه گیری است. در حضور مولکول معینی سیستم بیولوژیکی باعث تغییر خواص محیط اطراف می شود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید می کند. این سیگنال را سپس میتوان به سیگنالی قابل فھم برای دستگاھھای الکترونیکی تبدیل کرد.

مزایای بیوسنسورھا بر سایر دستگاھھای اندازه گیری موجود را میتوان بطورخلاصه بصورت زیر

بیان کرد:

مولکولھای غیرقطبی زیادی در ارگانھای زنده شکل می گیرند که به بیشتر سیستمھای موجود اندازه گیری پاسخ نمی دھند. بیوسنسورھا می توانند این پاسخ را دریافت کنند. مبنای کار آنھا بر اساس سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized تعبیه شده در خود آنھاست، در نتیجه اثرات جانبی بر سایر بافت ھا ندارند. کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتھای متابولیسمی توسط این سنسورھا امکان پذیر است.در طراحی یک نانو حسگر  علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی عنصر حسگر آن است. عنصر حسگر در تماس با یک آشکار ساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است.سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل میکند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادیها تکیه دارند. آنزیمها، گیرنده ها یا کل سلولها میتوانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

انواع نانو حسگرها (نانو سنسورها)

نانو حسگرها به گونه های مختلفی دسته بندی میشوند. یکی از این دسته بندی ها بر اساس شکل نانو ذرات و کاربرد آنها به شکل زیر است:

الف - مواد نانو ساختار: مانند سیلیکون متخلخل، نانو حسگرهای ساخته شده از این مواد به منظور شناسایی واکنشهای شیمیایی و زیستی به کار گرفته میشوند.

ب - نانو ذرات: مانند مواد کروی نانو مقیاس که به عنوان گیرندههای نوری زیستی، نوری شیمیایی و حسگرهای تصویری فضایی کاربرد دارند. مانند ذرات نانوسیلیکون که به عنوان حسگرهای زیستی استفاده میشوند. همچنین میتوان نانو حسگرها را بر اساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی، نانو لوله های کربنی و نانو ابزارها تقسیم بندی کرد.

کاربرد مدرن نانو حسگر ها (نانو بیو سنسور ها) در بهبود صنایع غذایی و کشاورزی

با استفاده از این حسگرها (نانو بیو سنسورها) شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینه ی نانو ابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیا است.

با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس بسیار کوچک، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و کاربردشان در محیطهای زیستی، نانوبیوسنسور )نانوحسگر زیستی( نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازهی نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیمهای خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلولها حساس شده اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه ها در سیستمهای بیولوژیک استفاده میشود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی مولکولها از دیواره یا غشای سلولی است.