بررسی و شناخت زیست حسگر

    
فهرست مطالب
مقدمه ۶
تعریف و توضیح اجمالی زیست حسگر و انواع آن ۷
عناصر بیولوژیکی ۱۸
عوامل مؤثر بر عملکرد ۳۳
کاربرد های مهم ۴۲
مثال های تجربی ۵۴
کاربرد های تجاری ۶۱
فهرست اشکال
شکل ۱ ) طرح کلی یک زیست حسگر ۷
شکل ۲ ) بینی به عنوان یک زیست حسگر ۸
شکل ۳ ) الکترود اکسیژن کلارک ۱۰
شکل ۴ ) نمایش ساده از زیست حسگر کلارک برای گلوکز ۱۱
شکل ۵ ) جدول۱ : سنجش های متداول و فوری برای تشخیص بیماری ها ۱۷
شکل ۶ ) نمودار : بستگی سرعت واکنش به غلظت سوبسترا برای یک واکنش
که با آنزیم کاتالیز شده باشد ، درحالیکه غلظت آنزیم ثابت است۲۰ 
شکل ۷ ) الکترود موز ۲۴
شکل ۸ ) جدول۲ : زیست حسگرهای مبتنی بر بافت و مواد مربوط به آن ۲۴
شکل ۹ ) جدول۳ : مشخصات پاسخ زیست حسگرهای گلوتامین ۲۶
شکل ۱۰ ) حسگر آمپرومتری  hCG27
شکل ۱۱ ) اندازه گیری اواسترادیول ۱۷- بتا با استفاده از یک الکترود حساس

به یدید ۲۸ 

مقدمه
زیست حسگر چیست؟
همه ما دو نمونه از زیست حسگرها را داریم؛ بینی و زبان! ولی اجازه دهید ابتدا سوالی کلی تر طرح کنیم: حسگر چیست؟ یکی از بهترین نوع حسگر ها ، کاغذ لیتموس (تورنسل) است که برای آزمایش اسید یا قلیا مورد استفاده قرار می گیرد و با واکنش رنگی، به طور کیفی حضور یا غیاب اسید را نشان می دهد. روش دقیق تر برای نشان دادن درجه اسیدیته اندازه گیری  PH، با استفاده گسترده تری از واکنش های رنگی حاصل از محلول های معرف یا بهره گیری از کاغذ PH است؛ اگر چه بهترین روش برای تعیین مقدار اسید، استفاده از دستگاه  PH متر است. PH متر یک دستگاه الکتروشیمیایی است که پاسخ الکتریکی آن را می توان با یک عقربه که روی مقیاس حرکت می کند با یک شمارشگر عددی یا یک ریز پردازشگر خواند.در این روش ها ، حسگری که درجه اسید را گزارش می کند ، یک ترکیب شیمیایی مثل رنگ لیتموس یا مخلوطی از چند ترکیب شیمیایی موجود در محلول های معرف PH یا الکترود دارای غشای شیشه ای مربوط به یک PH متر است.پاسخ شیمیایی یا اکتریکی، باید به یک علامت قابل مشاهده با چشم تبدیل شود. این امر در کاغذ لیتموس آسان است ، چرا که در محدوده طول موج مرئی ، به وسیله خود ترکیب شیمیایی ، تغییر جذب نوری صورت پذیرفته و تغییر رنگ مشاهده می شود، به طوری که در یک اتاق روشن، فوراً توسط چشمان ما دیده می شود. در مورد PH متر، پاسخ الکتریکی (تغییر ولتاژ)  باید به یک پاسخ قابل مشاهده مثل حرکت عقربه روی مقیاس یا تغییر اعداد روی صفحه نمایش تبدیل شود. بخشی از دستگاه که عملیات تبدیل را انجام می دهد، مبدل نامیده می شود.در یک زیست حسگر، عنصر حسگر که به ماده مورد اندازه گیری  پاسخ می دهد، دارای طبیعت بیولوژیکی است. این عنصر باید به نوعی مبدل متصل شود تا یک پاسخ قابل مشاهده با چشم تولید بنماید.

تعریف و توضیح اجمالی زیست حسگر و انواع آن
 زیست حسگرها به طور کلی به احساس و اندازه گیری مواد شیمیایی خاصی که ممکن است غیر بیولوژیکی نیز باشند، مربوط می شوند. ما معمولاً این مواد را با نام سوبسترا یاد می کنیم، در حالی که واژه کلی ترآن غالباً مورد استفاده قرار می گیرد، آنالیت است. تصویر۱ طرح کلی یک زیست حسگر را نشان می دهد.

آنچه ما با بینی احساس می کنیم  ، مقادیر جزئی از مواد شیمیایی است.  بینی عضوی است که با حساسیت ادراک می کند و دارای قدرت گزینش است، بنابراین مشابه سازی مصنوعی آن امری مشکل است. بینی قادر است به طور کیفی مواد مختلف را از هم تمایز داده و تخمین مقدار آن را تا مقادیر بسیار کم ارئه می دهد. مواد شیمیایی مورد نظر، از غشای بویایی عبور نموده و به پیاز های بویایی می رسند که اجزای بیولوژیکی حسگر بو هستند. پاسخ، یک علامت الکتریکی است که از طریق اعصاب به مغز منتقل می شود، ادراک این پاسخ  توسط مغز، آن چیزی است که به آن بو گفته می شود. زبان نیز عمل مشابهی را انجام می دهد.
تصویر ۲ ، مقایسه طرح کلی سیستم بویایی بینی را با کلیات طرح یک زیست حسگر نشان می دهد. حفره های بینی، بوی نمونه را جمع آوری نموده سپس بو توسط غشای بویایی که معادل غشای بیولوژیکی در زیست حسگر است، احساس می شود. پاسخ های غشای بویایی توسط سلول عصب  بویایی که معادل مبدل است  ، به علامت الکتریکی تبدیل شده  سرتاسر رشته ی عصبی را می پیماید  و برای تجزیه و تحلیل  به مغز می رسد. بنابراین مغز به عنوان یک ریز پردازشگر عمل نموده  ، علامت  الکتریکی را به  ادراک مبدل می سازد که ما آن را  بو می نامیم .

یک زیست حسگر را می توان به عنوان ابزاری که از تلفیق یک عنصر حسگر بیو لوژیکی متصل به یک مبدل حاصل می شود ، تعریف نمود .
مبدل ، تغییر قابل مشاهده (فیزیکی یا شیمیایی) را به یک  پیام قابل اندازه گیری ، که متناسب با غلظت ماده و گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل می نماید چنین عملی از تلفیق دو فرایند متفاوت حاصل می شود . این وسیله ویژگی عمل و حساسیت مواد بیولوژیکی را با قدرت محاسبه گری ریزپردازشگر ترکیب می نماید .

اولین زیست حسگرها  
اولین زیست حسگرها ، غالباً به نام الکترودهای آنزیمی خوانده شده و اولین بار توسط کلارک و لیونز در سال ۱۹۶۲ برای اندازه گیری گلوکز ساخته شدند .
الکترودهای آنزیمی گلوکز، زیست حسگری است که تا کنون بیشترین مطالعه و کاربری را به خود اختصاص داده است. گلوکز، به دلیل درگیری اش با فرایند های متابولیکی انسان ، دارای اهمیت خاصی است . در پانکراس بیماران خاصی که از دیابت شیرین رنج می برند، به میزان کافی انسولین تولید نمی شود تا گلوکز خون آنها در سطح مناسبی حفظ گردد. دراین گونه موارد، برای تنظیم مصرف انسولین، اندازه گیری مداوم میزان گلوکز خون بیمار الزامی است. در گذشته، نمونه های خون درآزمایشگاه تشخیص طبی با تاخیر زمانی و عدم آگاهی از شرایط بیمار اندازه گیری می شد.
با استفاده از زیست حسگرهایی که در حال حاضر برای سنجش گلوکز در دسترس اند(از قبیل اگزاتک که توسط مدی سنس تولید شده است)، خود بیمار می تواند قطره ی کوچکی از خون خود را گرفته ، غلظت آن را در کمتر از یک دقیقه مستقیماً از روی صفحه ی نمایش دستگاه قرائت کند. زیست حسگرهای گلوکز مبنی براین واقعیت ساخته شده اند که آنزیم گلوکز اکسید از اکسایش گلوکز به گلوکونیک اسید را کاتالیز می نماید. در زیست حسگر های اولیه ، از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده استفاده می شد . مصرف اکسیژن مصادف با احیای الکترو شیمیایی آن در سطح الکترود پلاتین است که در تصویر ۱-۳مربوط به الکترود اکسیژن کلارک ، اختراع شده در سال ۱۹۵۳، نشان داده شده است. واکنش اکسایش گلوکز که به وسیله ی گلوکز اکسید از((GOD کاتالیز می شود ، به قرار زیر است:       

بین کاتد پلاتین و آند نقره ، ولتاژ -۰.۷ ولت اعمال می شود . این ولتاژ برای کاهش اکسیژن کافی بوده و جریان سل که متناسب با اکسیژن مصرفی است، اندازه گیری می شود در این صورت ، غلظت گلوکز متناسب با کاهش میزان جریان (غلظت اکسیژن) است. الکترود اکسیژن با غشاء نیمه تراوا نسبت به اکسیژن ( مثل  PTFE ، پلی اتیلن یا سلوفان ) پوشانده شده است . سوبسترا (محلول گلوکز ) و اکسیژن برای واکنش با آنزیم و تولید محصول، می توانند ازغشای اول عبور کنند. تنها اکسیژن باقیمانده می تواند از غشای دوم عبور نموده ودر سطح الکترود اندازه گیری شود. اختراع این زیست حسگر، برای اولین بار در سال۱۹۷۰ توسط شرکت یلواسپرینگ( Yellow Spring ) ثبت شد.
زیست حسگرهای اوره 
از دیگرزیست حسگرهای اولیه ، موردی بود که برای سنجش اوره (جزء اصلی ادرار) ساخته شد. اوره بوسیله ی آنزیم اوره آزهیدرولیز شده و تولید آمونیاک ودی اکسید کربن می نماید…

منابع و مآخذ
 کتاب :
 دیباچه ای بر زیست حسگرها
 اینترنت :                                                   
WWW.Jazirehdanesh.com                         
WWW.Aftab.ir
WWW.Wikipedia.com
WWW.Gigapedia.com
WWW.Iran-eng.com
WWW.Irandoc.ac.ir