بیوسنسور

بیوسنسور

اسلاید 1: بیوسنسور (زیست حسگر)ساسان جلیلی 8533037بهار 1387

اسلاید 2: مقدمهامروزه در زمينه هاي مختلفي از جمله پزشكي، صنايع شيميايي، صنايع غذايي، مانيتورينگ محيط زيست و توليد محصولات دارويي و بهداشتي از بيوسنسورها بهره مي گيرند. اين سنسورها ابزاري توانمند جهت شناسايي مولكولهاي زيستي مي باشند. به عنوان مثال حواس بويايي و چشايي انسان نمونه اي از يك زيست حسگر طبيعي است كه به شناسايي بوها و طعمهاي مختلف مي پردازد. سيستم ايمني بدن نيز يك زيست حسگر طبيعي است، كه ميليونها نوع مولكول مختلف را شناسايي مي كند. در حقيقت زيست حسگرها ابزارهاي آناليتيكي هستند كه مي توانند با بهره گيري از هوشمندي مواد بيولوژيكي، تركيب يا تركيباتي را شناسايي نموده و با آنها واكنش دهند. محصول اين واكنش مي تواند يك پيغام شيميايي، نوري و يا الكتريكي باشد.

اسلاید 3: بيشترين كاربرد زيست حسگرها در تشخيص هاي پزشكي و علوم آزمايشگاهي است. در حال حاضر بيوسنسورهاي گلوكز از موفق ترين بيوسنسورهاي موجود در بازار هستند كه به اندازه گيري غلظت گلوكز خون مي پردازند. در پانكراس بيماران ديابتي به ميزان كافي انسولين توليد نمي شود. در اينگونه موارد براي تنظيم مصرف انسولين، سنجش مداوم ميزان گلوكز خون ضروري است. اين ابزار به بيماران مبتلا به ديابت كمك مي كند تا در طول روز به سنجش سطح گلوكز خون خود پرداخته و در زمانهاي مورد نياز انسولين تزريق كنند.

اسلاید 4: تعریف بیوسنسوردر یک بیوسنسور،عنصر حسگر که به ماده ای بیولوژیکی پاسخ می دهد،دارای طبیعت بیولوژیکی است.این عنصر باید به نوعی مبدل متصل شود تا یک پاسخ قابل مشاهده با چشم را تولید کند.بیو سنسور به طور کلی به احساس و اندازه گیری مواد شیمیایی خاصی که ممکن است فیزیولوژیکی نیز باشد،مربوط می شوند.معمولا این مواد را سوبسترا می نامند،در حالی که واژه ی کلی تر آن آنالیت است.یک بیوسنسور را می توان به عنوان ابزاری که از تلفیق یک حسگر بیولیوژیکی متصل به یک مبدل حاصل می شود،تعریف نمود.

اسلاید 5: بررسی اجزای بیوسنسوربه طور کلی هر بیوسنسور شامل اجزای زیر می باشد:1-آنالیت2-عناصر بیولوژیکی3-مبدل(4-پردازشگر)(5-نمایشگر)

اسلاید 6: Block Diagram of a Biosensor(a)بیوکاتالیست (b)مبدل(c) آمپلیفایر(d)پردازنده(e)نمایشگر

اسلاید 7: Block Diagram of a BiosensorSample (Analyte or Substrate)BiorecognitionElementTransducerSignal Processing DeviceOlfactory MembraneOlfactory Nerve CellIntroduction to Biophotonics – Prasad - John Wiley & Sons © 2003

اسلاید 8: آنالیت(سوبسترا)در عمل،هر ماده ای که در یک فرآیند شیمیایی مصرف یا تولید شود،مستعد اندازه گیری با یک بیوسنسوراست.برخی نمونه ها به شرح زیر است:قند ها،اوره،کلسترول،اتانول،گلوتامیک اسید،لاکتیک اسید،فسفات،پنی سیلین،آسپرین،بسیاری از آمینو اسیدها و ...

اسلاید 9: عناصر بیولوژیکیاهمیت این اجزا در عملکرد بسیار اختصاصی آن نسبت به سوبسترای خاص است که بدین وسیله از مداخله ی مواد مزاحم که موجب عدم کارایی بسیاری از روشهای 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 ، بیش تر از دیگر مواد متداول است.عناصر بیولوژیکی عامل اصلی گزینش در بیوسنسورها محسوب می شوند.این عناصردارای چنان قدرتی هستند که تنها به سوبسترای خاصی متصل میشوند و با دیگر سوبستراها واکنشی نشان نمی دهند.

اسلاید 10: چهار دسته ی اصلی این مواد به شرح زیرند:1-آنزیم ها2-آنتی بادی ها3-اسید های نوکلئیک4-گیرنده هادسته های دیگر عبارتند از:میکروارگانیسم ها،بافت،سلول،ارگان و...

اسلاید 11: آنزیماز عناصر بیولوژیکی هستند که بیشتر به کار برده میشوند و ممکن است در حالت خالص یا به صورت موجود در ریزاندامگان یا در قطعه ای از بافت مورد استفاده قرار گیرند.این مواد کاتالیزورهای بیولوژیکی برای واکنش های خاص بوده و می توانند خود را به سوبسترای خاصی متصل سازند.کارایی این مواد در ساخت بیوسنسور مربوط به عمل کاتالیزوری آنها می باشند.آنزیم ها یک ماکرو مولکول پیچیده و درشت است که بخش اعظم آن پروتئینی است با یک گروه پروستیتک که غالبا حاوی یک یا چند اتم فلزی است.عملکرد بسیاری از آنزیم ها شامل فرآیند اکسید یا احیا است که با روشهای الکتروشیمیایی قابل آشکارسازی است.

اسلاید 12: مزایا و معایب آنزیم های خالصمزایا:به جسم مورد سنجش متصل است.از قدرت گزینش بالایی برخوردارند.چون دارای فعالیت کاتالیکی هستند حساسیت را افزایش می دهند.عملکرد آنها سریع است.از جمله مواد بیوتوژیکی هستند که بیشترین مصرف را دارند.

اسلاید 13: معایب:گران هستند.هزینه ی استخراج،جداسازی و خالص سازی آنزیم ها خیلی بالاست.در برخی موارد ممکن است قیمت منبع آنزیم نیز گران باشد.غالبا در هنگام تثبیت آنزیم ها روی مبدل،بخشی از فعالیت خود را از دست میدهد.این مواد به دلیل غیر فعال شدن،پس از مدت کوتاهی فعالیت خود را از دست می دهند.

اسلاید 14: آنتی بادی هاآنتی بادی تولید شده در اندامها،پروتئینهایی هستند که با مواد متخاصم به نام آنتی ژن پیوند یافته ،آن ها را دفع و از آسیبشان جلوگیری می کند.آنتی ژن های نا شناخته را میتوان با آنتی بادی های نشاندار تعیین نمود.نشاندار کردن را می توان با رادیو ایزوتوپ ها،پروب های فلورسنت و یا پروبهای شیمی لو مینسنس انجام داد. پیوند آنتی بادی با آنتی ژن،در مقایسه با پیوند آنزیم با سوبسترای مربوط،بسیار قوی تر و اختصاصی تر است.در حقیقت،آنها نسبت به گونه های مختلف از یک ماده بسیار اختصاصی عمل می کنند.این مواد غالبا به صورت نشاندار مورد استفاده قرار می گیرند.

اسلاید 15: مزایا:این مواد دارای قدرت گزینش بالا هستند.بسیار حساسند.پیوند آنها بسیار قوی استمعایب:فاقد اثر کاتالیکی هستند.

اسلاید 16: نوکلئیک اسیدعملکرد اختصاصی بین بازهای دو رشته ی نوکلئیک اسید،منشأ کد ژنتیکی است که مشخصات تمام قسمت های سلول زنده را در بر دارد.پروبهای ِِِِDNA برای تشخیص بیماری های ژنتیکی،سرطان و عفونت های ویروسی مفید هستند.همانند آنتی بادی ها سنجش DNA نیز غالبا با افزودن DNA نشانداربه محلول سنجش همراه است.

اسلاید 17: گیرنده ها پروتئینهایی هستند که درون غشای دو لایه ی لیپیدی که پلاسمای سلول را احاطه کرده قراردارند و از قدرت شناخت مولکولی برخوردارند.اتصال یک لیگاند به یک گیرنده،موجب صدور ناگهانی یک پاسخ قوی فیزیولوژیک از قبیل باز شدن کانال یون،سیستمهای پیغام بر ثانوی و فعال شدن آنزیم ها می شود.چنین گیرنده های بیولوژیکی به جای اینکه نسبت به ماده ی خاصی واکنش نشان دهند،نسبت به گروهی از ترکیبات با مشارکت ساختمانی تمایل نشان می دهند.این گیرنده ها غالبا به همراه مواد نشان دار مورد استفاده قرار می گیرند.

اسلاید 18: روش های تثبیت اجزای بیولوژیکیبه منظور ساخت یک بیوسنسور پایدار،باید جزء بیولوژیکی به طرز خاصی به مبدل ها متصل گردد،چنین فرآیندی را تثبیت گویند.برای این منظور پنج روش به شرح زیر وجود دارد:1-جذب سطحی 4-پیوند عرضی2-ریزپوشینه سازی 5-پیوند کووالانسی3-محبوس سازی

اسلاید 19: ریز پوشینه سازی (microencapsulation)در این روش یک غشای بی اثربرای به دام انداختن مواد زیستی بر روی یک مبدل به کار می رود.این روشی است که برای ساخت اولین حسگر گلوکز روی الکترود اکسیژن استفاده شد.اصلی ترین غشا هایی که در این روش مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: -استات سلولز(مانع خروج پروتئینها شده و ورود گونه های مزاحم مانند آسکوربات را کند می کند)-پلی کربنات(ماده ی سنتزی فاقد قدرت گزینش)-کلاژن(یک پروتئین طبیعی)-تفلون(دارای قابلیت تراوایی همراه با گزینش برای گاز هایی مانند اکسیژن است)

اسلاید 20: محبوس سازی(entrapment)در این روش ماده ی بیولوژیک با محلول مونومر مخلوط می شود.سپس مونومر پلیمریزه شده به ژل مبدل می گردد.با وقوع این فرآیند ماده ی زیستی به دام می افتد.متاسفانه در این روش نفوذ سوبسترا با مانع همراه است و واکنش به کندی صورت می گیرد.با از دست رفتن ماده ی بیولوژیکی از طریق منافذ ژل،فعالیت کاهش می یابد.البته با پیوند عرضی می توان از این مشکل پیشگیری کرد.پلی آکریل آمید بیشترین ژلی است که در این زمینه مورد استفاده قرار گرفته است.

اسلاید 21: پیوند عرضیدر این روش مواد بیولوژیکی به یک حامل جامد یا موادی از قبیل ژل متصل می شوند.برای این منظور از موادی نطیر گلوتارآلدهید که دارای دو گروه عاملی است،استفاده می شود.در این روش احتمال آسیب آنزیم وجود دارد و نفوذ سوبسترا هم محدود می شود.

اسلاید 22: پیوند کووالانسیبرخی از گروه های عاملی که در فعالیت کاتالیکی آنزیم نقش اساسی ندارند،می توانند به پیکره ی جسم نگه دارنده(مبدل یا غشا)متصل شوند.در این روش برای پیوند از گروه های نوکلئوفیلیک مانند SH,OH,COOH,NH2 استفاده می کنند.لازم است که واکنش در دمای پایین و PH خنثی صورت گیرد.در این روش در طی استفاده از بیوسنسور،آنزیم از دست نمی رود.

اسلاید 23: مبدلمبدل،تغییر قابل مشاهده(فیزیکی) یا (شیمیایی) را به یک پیغام قابل اندازه گیری،که بزرگی آن متناسب با غلظت ماده یا گروهی از مواد مورد سنجش است،تبدیل می نماید.چنین عملی ازتلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می شود.این وسیله ویژگی و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می نماید. بیشتر بیوسنسورها از مبدل های الکتروشیمیایی ساخته شده اند.مبدل ها را میتوان به انواع زیر تقسیم بندی نمود:

اسلاید 24: مبدل های الکتروشیمیایی پتانسومتری: این روش مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل یک پیل در جریان صفر است.این پتانسیل با لگاریتم غلظت ماده ی مورد سنجش متناسب است.ولتامتری: یک پتانسیل به پیل اعمال می گردد تا اکسایش (یا کاهش)ماده ی مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش یا کاهش در جریان پیل ایجاد شود.این روش به آمپرمتری معروف است.رسانایی سنجی: محلول های حاوی یون هادی الکترون هستند.بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می یابد.رابطه ی بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.

اسلاید 25: حسگرهای مبتنی بر FET: گاهی اوقات با به کارگیری یکی از روشهای بالا روی یک تراشه ی ترانزیستور اثر میدان،میتوان بیوسنسورهای بسیار کوچکی ساخت.این عمل بیشتر در بیوسنسورهای پتانسومتری صورت میگیرد.مبدل های نوری: روش های مورد استفاده در بیوسنسورهای نوری شامل طیف سنجی جذب،طیف سنجی فلورسانس،طیف سنجی انعکاس داخلی،تشدید پلاسمون سطح و پراش نوراست.ابزار های پیزوالکتریک: این ابزارها مبتنی بر تولید جریان در اثر ارتعاش در یک بلورند.فرکانس ارتعاش توسط جرم جذب شده بر روی سطح تحت تاثیر قرار می گیرد.روشهاي گرمايي: تمام فرآيندهاي شيميايي با توليد يا جذب انرژي همراهند. اين حرارت را مي توان با يك ترميستور حساس اندازه گيري نمود و آن را به ميزان واكنش نسبت داد.

اسلاید 26: پتانسیومتریکغشأ نیمه تراوا(a)،بیوکاتالیست (b)را که در پشت غشأ شیشه ای فعال (c)پروب (d) PHمحاط کرده است. پتانسیل الکتریکی (e) بین الکترود مرجع خارجی و الکترود داخلی (f) AGCL/AG که در HCL رقیق ((gو الکترود خارجی مرجع (h) قرار دارد ،برقرار می شود.

اسلاید 27: آمپرمتریک بيوسنسور آمپرومتريك گلوكز پتانسيلي بين كاتد مركزي (پلاتين) و آند حلقوي (نقره) اعمال مي شود كه عامل ايجاد جريان بين دو الكترود است. الكترودها با يك غشاي پلاستيكي نازك تراوا نسبت به اكسيژن از بيوكاتاليست (گلوكز اكسيداز) جدا مي شوند. محلول آناليت نيز با غشاي ديگري كه نسبت به سوبسترا و محصول ترواست، از بيوكاتاليست جدا مي شود. قطر اين بيوسنسور در حدود 1 سانتي متر است ولي با استفاده از سيم كاتدي پلاتين داخل آند فلزي روكشدار سوزني و با بهره گيري از غشاهاي dip coated قطر آن به 0.25 ميلي متر كاهش يافته است.

اسلاید 28: کالریمتریکشماتیک کلی یک بیوسنسور کالریمتریک بخار نمونه (a) از داخل محفظه ی بیرونی عایق شده می گذرد (b) و به تبادلگر گرمایی (c) داخل محفظه ی آلمینیومی (d) می رسد سپس از ترمیستور مرجع عبور کرده (e) و وارد بستر آکنده ی بیورآکتور (1 میلی لیتر) می شود ((f (این بسترحاوی بیوکاتالیست بوده و واکنش در این قسمت صورت می گیرد) تغییرات دما توسط مقاومت گرمایی ثبت شده (g) و محلول به سمت پسماندها هدایت می شود (h) مدارات خارجی (l) تفاوت در مقاومت و در نتیجه اختلاف دما را بین ترمیستورها معین می کنند.

اسلاید 29: اثرمیدانشماتیک کلی از مقطع عرضی یک ENFTES. ابعاد حقیقی قسمت فعال آن: 500 میکرومتر طول، 50 میکرومتر عرض و 300 میکرومتر قطر دارد. بدنه ی اصلی بیوسنسور از تراشه ی سیلیکونی نوع P با دو ناحیه ی سیلیکونی نوع n تشکیل شده است. تراشه با لایه ی نازک سیلیسی که ورودی FET را تشکیل می دهد، عایق شده است. بالای این ورودی یک لایه ی نازک از ماده ی حساس به H+ (اکسید تانتال)، غشای محافظ یون گزین، بیوکاتالیست و محلول آنالیت قرار دارند که با استفاده از فوتوپلیمر پلی آماید از قسمتهای حساس FET جدا شده اند. هنگام اعمال پتانسیل بین الکترودها، جریانی در FET برقرار می شود که مستقل از پتانسیل مثبت موجود در ورودی یون گزین بوده و باعث جذب الکترونها به ناحیه ی تخلیه می شود

اسلاید 30: Source: Hayes & Horowitz, 1989FETDrainGateSource-+++++++Insulator

اسلاید 31: FETDrainGateSource------Insulator+++++(Electron Channel)(Not conductive enough)

اسلاید 32: FETDrainGateSource-Insulator+++++Threshold Voltage

اسلاید 33: FETDrainGateSource--------Insulator+++++++++------

اسلاید 34:

اسلاید 35: منابعBiomaterial science by Buddy D.ratner & Allan S.hafman & …En.wikipedia.orgwww.irbme.irwww.lsbu.ac.ir/biosensorand ....