- چهارشنبه ۹ اسفند ۱۴۰۲
توضیح حسگر زیستی به زبان ساده
حسگر زیستی چیست و چه کاربردهایی دارد؟
به کمک حسگر زیستی و سنجش مداوم مواد مختلف در یک فرایند صنعتی، می‌توان کیفیت تولید را افزایش داد و بازدهی محصول را بالا برد. این حسگرها در ایجاد تغییرات هدفمند در کیفیت مواد خام نیز کمک می‌کنند.
چکیده
مهم‌ترین حوزه کاربرد حسگرهای زیستی، حوزه سلامت و درمان است که از آنها برای تعیین وضعیت متابولیک بیمار و اندازه‌کیری خون، گازها و یون‌ها استفاده می‌شود. از کاربردهای رایج و نوین حسگر زیستی، سنجش مداوم متابولیک به کمک یک ریزپردازنده و اتصال آن به یک سیستم تحویل داروست. این نوع کاربرد حسگر زیستی برای بیماری‌های مزمن مانند دیابت بسیار مفید است و می‌تواند با سنجش مداوم سطح گلوکز خون، به‌طور خودکار انسولین مورد نیاز را در بدن بیمار ترشح کند.
اندازه‌گیری ویژگی‌های محیطی از دیگر کاربردهای حسگرهای زیستی است. مواد مختلف درون خاک، هوا یا آب که نیاز به اندازه‌گیری دارند، به کمک این حسگرها شناسایی می‌شوند. همچنین مواد خطرناک مانند سموم و فاضلاب‌های مختلف که تأثیر زیادی در آلودگی‌های زیست‌محیطی دارند، به کمک حسگرهای زیستی قابل شناسایی و اندازه‌گیری هستند.
معرفی حسگر زیستی
حسگر به‌طور کلی سامانه‌ای است که می‌تواند سیگنال‌های شیمیایی یا فیزیکی را دریافت کند و براساس آنها تشخیص انجام دهد. همچنین در حسگرها مبدلی وجود دارد که سیگنال دریافت‌شده را به سیگنال قابل تشخیص و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. می‌توان در بخش تشخیص‌دهنده حسگر، یک عامل زیست‌شناختی مانند سلول یا بافت زنده را مورد بررسی قرار داد. به این ترتیب یک حسگر زیستی یا زیست‌حسگر خواهیم داشت.
اغلب موجودات حسگرهای ساده و پیچیده خود را دارند که جز ساختار طبیعی آنها محسوب می‌شوند. مثلاً حس لامسه، بویایی و چشایی ما در نوعی حسگر محسوب می‌شود. اما منظور از حسگرهای ساخته دست انسان، حسگرهایی است که بتوانند عناصری را درک کنند که حسگرهای طبیعی قادر به درک آنها نیستند.
حسگرها در حالت کلی به سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند:
- حسگرهای فیزیکی
از این حسگرها برای اندازه‌گیری حرارت، مسافت، جرم، فشار و غیره استفاده می‌شود.
- حسگرهای شیمیایی
از این حسگرها برای سنجش مواد شیمیایی به کمک واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود.
- حسگرهای زیستی
از این حسگرها برای تشخیص و اندازه‌گیری مواد شیمیایی به کمک یک بخش تشخیص‌دهنده زیستی استفاده می‌شود.
در حسگرهای زیستی، بافت زنده در بخش خاصی از حسگر تثبیت می‌شود. در این حسگرها از ذرات نانو برای بهبود ویژگی‌های سطحی و تثبیت بخش زنده استفاده می‌شود. همچنین در حسگر زیستی از ساختارهای نانو مختلف به عنوان مبدل مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این نوع از حسگرها نانو بیوسنسور یا حسگر زیستی نانو گفته می‌شود. حسگرهای زیستی در حوزه‌های مختلف سلامت و همچنین در بخش کنترل فرایند صنایع مربوطه و اندازه‌گیری متغیرهای مختلف محیطی در بسیاری از صنایع استفاده می‌شود.
بخش‌های مختلف حسگر زیستی
همه حسگرهای زیستی شامل دو بخش زیر هستند:
یک. بخش تشخیص‌دهنده
حسگر به کمک بخش تشخیص‌دهنده می‌تواند قدرت انتخاب پیدا کند تا به‌طور ویژه به یک ترکیب خاص واکنش نشان دهد. تشخیص‌دهنده‌ها اغلب آنزیم هستند. همچنین می‌توان از آنتی‌بادی، اسید نوکلئیک و رسپتور نیز به عنوان تشخیص‌دهنده استفاده کرد.
دو. بخش مبدل
مبدل به بخشی از حسگر می‌گوییم که می‌تواند سیگنال‌های شیمیایی، الکتریکی، نوری یا مکانیکی را به شکل قابل مشاهده تبدیل کند. براساس نوع سیگنال، پنج نوع مبدل وجود دارد که عبارت‌اند از:
- مبدل الکتروشیمیایی
این مبدل ترکیبات شیمیایی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
- مبدل نوری
مبدل نوری اغلب از فیبرهای نوری ساخته می‌شود که یکی از آنها منبع نور است و دیگری تشخیص‌دهنده.
- مبدل پیزوالکتریک
در این مبدل از کریستال برای تبدیل تغییرات مکانیکی به اختلاف پتانسیل الکتریکی و برعکس استفاده می‌شود.
- مبدل حرارتی
در این مبدل‌ها از حرارت حاصل از واکنش‌های زیستی استفاده می‌شود و حساسیت محدودی دارد.
- مبدل‌های الکتروکمی‌لومینسانس
این مبدل مواد شیمیایی خاصی را به فوتون‌های قابل سنجش تبدیل می‌کند.
مبدل‌های الکتروشیمیایی بیشترین کاربرد را دارند، اما استفاده از مبدل‌های نوری نیز در حال افزایش است. در کل مبدل‌ها باید واکنش بخش تشخیص‌دهنده را به سیگنالی قابل اندازه‌گیری و تکرارپذیر تبدیل کنند. به جز این دو بخش، می‌توان بخش سومی نیز در نظر گرفت که کار آن «تفسیر» سیگنال‌ها به اطلاعات معنادار است.
تثبیت بخش زیستی در حسگر زیستی
قرار گرفتن بخش زیستی بر روی حسگر که فرایند تثبیت نامیده می‌شود، شامل تثبیت بخش زیستی از جمله یک انزیم یا هر بخش زیستی دیگر در شرایطی نزدیک به شرایط محیط است، به‌طوری که غیرفعال نشود و برای مدتی کارآمد و پایدار باقی بماند. با این کار می‌توان از حسگر زیستی به دفعات زیاد استفاده کرد. برای تثبیت دو روش وجود دارد:
- تثبیت فیزیکی
در این تثبیت آنزیم از نظر شیمیایی در یک برهم‌کنش فیزیکی دست‌نخورده باقی می‌ماند. در این روش، پیوند بخش زیستی به بستر ضعیف است. در تثبیت فیزیکی از دو روش جذب به سطح الکترود و روش خمیر کربن استفاده می‌شود.
- تثبیت شیمیایی
در این تثبیت از واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود که عوامل موجود در پوسته پروتئین را درگیر می‌کنند. در این روش بخش زیستی به شکل کووالان به گروه‌های عامل ایجادشده در سطح الکترود وصل می‌شود و دو شیوه اصلی دارد: اتصال متقاطع و اتصال شیمیایی به سطح الکترود.
ارزیابی عملکرد حسگرهای زیستی
برای سنجش و ارزیابی عملکرد حسگرهای زیستی باید به چندین عامل توجه کرد. نخستین عامل قابلیت انتخابگری آنهاست، یعنی توانایی ایجاد تمایز بین مواد مختلف و عملکرد بخش انتخاب‌کننده که گاه همان بخش مبدل است.
عامل دیگر حد تشخیص حسگر زیستی است که بر حسب میلی‌مولار یا فمتومولار اندازه‌گیری می‌شود. درصد دقت حسگر زیستی نیز مهم است و باید بیش از مثبت و منفی پنج درصد باشد.
همچنین در مورد حسگر زیستی باید به شرایط محلول نیز توجه کرد، مانند درجه حرارت، قدرت یونی و پی.هاش. آن. مدت زمان پاسخ حسگر زیستی از عوامل تعیین کارایی حسگر است.
زمان بازیابی حسگر زیستی که مدت زمانی است که طول می‌کشد تا حسگر برای بررسی نمونه بعدی آماده شود، و طول عمر حسگر برای ارائه پاسخ‌های دقیق و صحیح نیز از عوامل اثرگذار در عملکرد حسگر زیستی هستند.
کاربردهای حسگر زیستی
روشن است که مهم‌ترین حوزه کاربرد حسگرهای زیستی، حوزه سلامت و درمان است که از آنها برای تعیین وضعیت متابولیک بیمار و اندازه‌کیری خون، گازها و یون‌ها استفاده می‌شود. از کاربردهای نوین حسگر زیستی، سنجش مداوم متابولیک به کمک یک ریزپردازنده و اتصال آن به یک سیستم تحویل داروست. این نوع کاربرد حسگر زیستی برای بیماری‌های مزمن مانند دیابت بسیار مفید است و می‌تواند با سنجش مداوم سطح گلوکز خون، به‌طور خودکار انسولین مورد نیاز را در بدن بیمار ترشح کند.
اما حسگر زیستی در فرایندهای صنعتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثلاً در فرایندهایی که نیاز به تخمیر مواد و اندازه‌گیری پی.هاش یا دما وجود دارد از این حسگرها استفاده می‌شود. به کمک این حسگرها و سنجش مداوم مواد مختلف در یک فرایند صنعتی، می‌توان کیفیت تولید را افزایش داد و بازدهی محصول را بالا برد. همچنین این حسگرها در ایجاد تغییرات هدفمند در کیفیت مواد خام نیز کمک می‌کنند و به کمک آنها حتی می‌توان مصرف انرژی را در کارخانه‌ها کاهش داد.
اندازه‌گیری ویژگی‌های محیطی از دیگر کاربردهای حسگرهای زیستی است. مواد مختلف درون خاک، هوا یا آب که نیاز به اندازه‌گیری دارند به کمک این حسگرها شناسایی می‌شوند. همچنین مواد خطرناک مانند سموم و فاضلاب‌های مختلف که تأثیر زیادی در آلودگی‌های زیست‌محیطی دارند، به کمک حسگرهای زیستی قابل شناسایی و اندازه‌گیری هستند. در کشاورزی نیز می‌توان برای تعیین ویژگی‌های مواد از این حسگرها استفاده کرد.
جمع‌بندی
استفاده از حسگر زیستی، نسبت به سایر روش‌های آزمایشگاهی برای شناسایی و تشخیص مواد مختلف در ترکیبات آلی، روشی بسیار سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر است و حتی می‌توان آن را در خارج از شرایط آزمایشگاهی نیز انجام داد. به همین دلیل در دهه‌های اخیر استفاده از فناوری حسگر زیستی بسیار توسعه یافته است و به حوزه‌ای گسترده در تحقیقات بینارشته‌ای تبدیل شده است.
حسگر زیستی در اصل سه بخش اصلی دارد:
- تشخیص‌دهنده
شناسایی یک ماده خاص یا نوع خاصی از ماده به کمک برهم‌کنش بین تشخیص‌دهنده و ترکیب هدف.
- مبدل
تبدیل برهم‌کنش بخش تشخیص‌دهنده و آنالیت هدف به یک سیگنال قابل مشاهده.
- تفسیر
تبدیل سیگنال تولید‌شده در مبدل به داده‌های قابل اندازه‌گیری.
در دنیای کسب‌وکار امروز، تحصیلات دانشگاهی برای حفظ ارزش شما به‌عنوان نیروی کار بااستعداد و کارآمد کافی نیستند. برای اینکه مزیت رقابتی شخصی خود را حفظ کنید، باید بر آموزش مستمر و مادام‌العمر خود سرمایه‌گذاری کنید. خانواده بزرگ مجتمع فنی تهران هرساله به هزاران نفر کمک می‌کند تا در مسیر شغلی خود پیشرفت کنند.
اگر شاغل هستید و وقت ندارید در دوره‌های آموزشی حضوری شرکت کنید، مجتمع فنی تهران گزینه‌هایی عالی برای آموزش مجازی، آنلاین، آفلاین و ترکیبی ارائه می‌دهد. با شرکت در دوره‌های کوتاه‌مدت مجتمع فنی تهران و دریافت مدارک معتبر و بین‌المللی می‌توانید با اعتماد به نفس مسیر ترقی را طی کنید و در سازمان خود به مهره‌ای ارزشمند تبدیل شود.
پرسش‌های متداول
حسگر زیستی چیست؟
حسگر به‌طور کلی سامانه‌ای است که می‌تواند سیگنال‌های شیمیایی یا فیزیکی را دریافت کند و براساس آنها تشخیص انجام دهد. همچنین در حسگرها مبدلی وجود دارد که سیگنال دریافت‌شده را به سیگنال قابل تشخیص و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. می‌توان در بخش تشخیص‌دهنده حسگر، یک عامل زیست‌شناختی مانند سلول یا بافت زنده را مورد بررسی قرار داد. به این ترتیب یک حسگر زیستی یا زیست‌حسگر خواهیم داشت.
حسگر زیستی در چه حوزه‌هایی کاربرد دارد؟
کاربرد اصلی حسگر زیستی در حوزه بهداشت و درمان است و ترکیبات شیمیایی مختلف را در بدن اندازه‌گیری می‌کند. اما در محیط زیست و کنترل فرایند صنایع و کارخانه‌های مختلف نیز می‌توان از حسگر زیستی استفاده کرد.
حسگر زیستی چه بخش‌هایی دارد؟
حسگر زیستی در اصل سه بخش اصلی دارد:
- تشخیص‌دهنده
شناسایی یک ماده خاص یا نوع خاصی از ماده به کمک برهم‌کنش بین تشخیص‌دهنده و ترکیب هدف.
- مبدل
تبدیل برهم‌کنش بخش تشخیص‌دهنده و آنالیت هدف به یک سیگنال قابل مشاهده.
- تفسیر
تبدیل سیگنال تولید‌شده در مبدل به داده‌های قابل اندازه‌گیری.
نویسنده: بهناز دهکردی
