مقاله کامل بیوسنسورها به عنوان ابزاری برای پایش‌های زیست محیطی

بیوسنسورها به عنوان ابزاری برای پایش‌های زیست محیطی
چکیده
در چند دهه گذشته، آلودگی زیست محیطی به یکی از نگرانی‌های اصلی تبدیل شده است. تعداد زیادی از ترکیبات سمی (که اکثر از فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی سرچشمه‌ می‌گیرند) به صورت پیوسته به محیط زیست بشر منتشر‌ می‌شوند. روش‌های قدیمی برای ارزیابی آلودگی زیست محیطی که بر اساس روش‌های آنالیزی شیمیایی استوار است تنها اطلاعاتی را در مورد غلظت‌های مطلق مواد شیمیایی شناخته شده در نمونه زیست محیطی بدون فراهم آوردن یک تفسیر مناسب از سمیت آن بر روی موجودات گیاهی و حیوانییک منطقه به این معنی که تنها اطلاعاتی را در مورد اثرات بالقوه آنها فراهم‌ می‌آورد ته سميت حاد آنها، یک بیوسنسور به طور کلی‌ می‌تواند به عنوان ابزاری که حاوییک سیستم بیولوژیک تشخیصییا همان عنصر پذیرنده زیستی است و یک مبدل تعریف شود. برهمکنش آلايند با پذیرنده زیستی توسط یک روش مؤثر به وسیله مبدل تعریف‌ می‌شود، به طوری که مبدل، اطلاعات را به اثرات قابل اندازه گیری مانند یک سیگنال الکتریکی تبدیل‌ می‌کند. یک بیوسنسور‌ می‌تواند به صورت یک ابزار آنالیتیکال فشرده و با یک واحد پیوسته بیولوژیک با یک عنصر حسگر زیستی مرتبط با مبدل تعریف شود. در اصل، عناصر تشخیصی بیوسنسورها از سیستم‌های زنده جدا‌ می‌شدند. بیوسنسورها‌ می‌توانند بر طبق بخش بیولوژیکییا بخش القاگرشان گروه بندی شوند. بخش‌های بیولوژیکی شامل آنزیم‌هاء آنتی بادی‌ها، میکروارگانیسم‌ها، بافت بیولوژیکی و اندام‌ها‌ می‌باشند. به منظور ساخت یک بیوسنسور پایدار، باید جزء بیولوژیکی به طرز خاصی به مبدل متصل گردد، چنین فرآیندی را تثبیت گویند. برای تثبیت بیوسنسور‌ می‌توان از روشهای جذب، ریز پوشینه سازی
محبوس سازی، پیوند کووالانسی و عرضی استفاده کرد. بسته به اهداف کاربردی استفاده از بیوسنسورها، انواع بیوسنسورها عبارت اند از بیوسنسور میکروبی، بیوسنسورBOD بیوسنسور متان، بیوسنسورهای آمونیاک و نیترات، بیوسنسور اوره و بیوسنسور الكل بیوسنسورها استفاده‌های زیادی در آنالیز بالینی، پایش سلامتی، کاربردهای دامپزشکی و کشاورزی، پردازش و پایش صنعتی و کنترل آلودگی زیست محیطی دارند. مزیت‌های آنها احتمالا شامل هزینه پایین، اندازه کوچک، استفاده سریع و آسان بعلاوه حساسیت و قدرتانتخابی بیشتر از وسایل رایج است. ظهور بیوسنتورهای ارزان و کاربری مناسب در پایش سلامتی، انقلابی پر پا کرده است و تشخیص‌های دقیق تر را ممکن کرده است.
کلمات کلیدی: آلودگی، زیست محیطی، بیوسنسورها، القاگر، سیگنال الکتریکی، تشخیص دقیق
مقدمه
در چند دهه گذشته، آلودگی زیست محیطی به یکی از نگرانی‌های اصلی تبدیل شده است. تعداد زیادی از ترکیبات سمی (که اکثر از فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی سرچشمه‌ می‌گیرند) به صورت پیوسته به محیط زیست بشر منتشر‌ می‌شوند. در تعدادی از موارد، مواد شیمیایی مضر هنگامی که به محیط منتشر‌ می‌شوند اثرات سمی حاد را به میکروارگانیسم‌های که در معرض تماس با آن قرار‌ می‌گیرند تحمیل‌ می‌کند اما این اثرات به علت تجمع بیولوژیکی، مکررا به تأخیر‌ می‌افتد. تشخیص زودهنگام ترکیبات شیمیایی سمی در محیط زیست ( به ویژه در آب) و اثرات بیولوژیکی آنها به صورت روزافزونی گسترش یافته است ( Logar and Voclovnik, 2007, 248)روش‌های قدیمی برای ارزیابی آلودگی زیست محیطی که بر اساس روش‌های آنالیزی شیمیایی استوار است تنها اطلاعاتی را در مورد غلظت‌های مطلق مواد شیمیایی
شناخته شده در نمونه زیست محیطی بدون فراهم آوردن یک تفسیر مناسب از سمیت آن بر روی موجودات گیاهی و حیوانییک منطقه به این معنی که تنها اطلاعاتی را در مورد اثرات بالقوه آنها فراهم‌ می‌آورد نه سميت حاد آنها اعلام‌ می‌نماید (Logair and Velovnik, 2007, 249)، بشر آنالیزهای زیستی را از گذشته تاکنون با استفاده از سلول‌های عصبی حسی و یا واکنش‌های آنزیمی را در زبان به منظور تشخیص غذا‌ می‌داده است. با گذشت زمان سطح درک ما در مورد عملکرد موجودات زنده در تشخیص مقدار اثر بیوشیمیایی در سیستم‌های پیچیده بهبود یافته است. از آنجا که موجودات زنده در تشخیص مقدار اثر، کارامدترین ماشین‌ها هستند، دانشمندان برای ایجاد نسخه‌هایی مشابه، از آنها الگوبرداری‌ می‌کنند، خصوصا در موارد تشخیصی، توانایی موجودات بیولوژیک به عنوان مواد خارجی بی نظیر است. با کاربرد عناصر پذیرنده زیستی ساخته شده از موجودات بیولوژیک، دانشمندان وسایل جدید آنالیز آزمایشگاهی را که اغلب دارای قدرت انتخاب بالایی برای سیستم‌های تشخیص بیولوژیک هستند، توسعه داده اند. این عناصر تشخیص زیستی در ترکیب با روش‌های مختلف انتقال، به توسعه و گسترش سریع زمینه‌های آنالیز زیستی کمک کرده و فناوری‌های مرتبط به عنوان بیوسنسورها و بیوچیپ‌ها شناخته‌ می‌شوند. یک بیوسنسور به طور کلی‌ می‌تواند به عنوان ابزاری که حاوییک سیستم بیولوژیک تشخیصییا همان عنصر پذیرنده زیستی است و یک مبدل تعریف شود. برهمکنش آنالیت با پذیرنده زیستی توسط یک روش مؤثر به وسیله مبدل تعریف‌ می‌شود، به طوری که میدل اطلاعات را به اثرات قابل اندازه گیری مانند یک سیگنال الکتریکی تبدیل‌ می‌کند. بیوسنسورها وسایل تحلیل گری هستند که از ترکیب و به هم آمیختن اجزای بیولوژیک و مبدل‌های فیزیکی و شیمیایی تشکیل‌ می‌شوند. یک بیوسنسور‌
می‌تواند به صورت یک ابزار آنالیتیکال فشرده و یایک واحد پیوسته بیولوژیک با یک عنصر حسگر زیستی مرتبط با مبدل تعریف شود. در اصل عناصر تشخیصیبیوسنسورها از سیستم‌های زنده جدا‌ می‌شدند. با این وجود بسیاری از عناصر تشخیصی بیوسنسورها که هم اکنون در دسترس هستند به صورت مصنوعی در آزمایشگاه‌ها تولید‌ می‌شوند به طور اختصاصی تر یک بیوسنسور از دو جزء تشکیل شده است. یک بیوسنسور دارای دو جزء بیولوژیکی و القاگر است که در جدول زیر نشان داده شده است. در شکل زیر نیز شکل کلییک بیوسنسور نمایش داده شده است. بنابراین هدف از انجام این مطالعه آشنایی با شاخه ی جدیدی از فناوری است که به تواند آلاینده‌های ورودی به محیط زیست (به اشکال مختلف) را مورد پایش و نظارت قرار دهد(Daming Yong and et al, 2011, 10)هدف از انجام این مطالعه آشنایی با شیوه‌های نوین پایش محیط زیست‌ می‌باشد که بتوان آلاینده‌های ورودی به محیط زیست را به سرعت تشخیص داد و اقدامات لازم را جهت بسیار و کنترل بیشتر آلايند معمای ورود به محیط زیست را به بهترین حالت انجام داد.
مواد و روش‌ها
این مطالعه به صورت کتابخانه ای صورت گرفته است که برای انجام آن از مقالات منتشر شده در زمینهی بیوسنسورهای کاربرد‌های این روش نوین در پایش زیست محیطی، انواع بیوسنسورهای ساخته شده در حیطه‌های مختلف در سایت‌های علمی نظیر Elsever Science Direct Springer استفاده گردیده است.
نتایج و بحث
همان طور که اشاره کردیدیک بیوسنسور‌ می‌تواند به عنوان ابزاری که حاوییک سیستم بیولوژیک تشخیتی با همان عنتر پذیر شده زیستی است و یک مدل تعریف شود. پیو سنسور ما از اجزای مختلفی ساخته شده اند
الف. بخش بیولوژیکی
بیوسنسور ما‌ می‌توانند بر طبق بخش بیولوژیکییا بخشي القارشان گروه بندی شوند. بخش‌های بیولوژیکی شامل آنزیم شما، آنتی بادی معاء میکروارگانیسم حناء بافت بیولوژیکی و اندامک‌ها‌ می‌باشند. بیوسنسورهایا پایه آنتی بادی، همچنین ایمونیوسنسورها نیزنامیده‌ می‌شوند (CuTellera and Civillieri, 2013, 138).
1.آنزیم‌ها
آنزیم‌ها پروتئین‌هایی با فعالیت کانالیتیکی و انتخابی بالا‌ می‌باشند. آن‌ها داد امسال به منظور ارزیبایی غلظت عناصر مختلف مورد استقاد قرار گرفته است. شکل تجاری آنها به سطح‌هایی با خلوص بالا ساخته شده که آن‌ها را برای تولید انبوه سنسورهای آنزیمی جذاب ساخته است. محدودیت‌های اصلی آنها این است که pHقدرت یونی، ممانعت کننده‌هایشیمیایی و دما بر روی فعالیتشان تأثیر دارند. بیشتر آنزیم‌ها وقتی در معرض تماس دمای بالای ۶۰ درجه سانتی گراد قرار گیرند فعالیت خود را از دست‌ می‌دهند. بیشترآنزیم‌های استفاده شده در ساخت بیوسنسورها، اکسیداز هستند که اکسیژن محلول را مصرف و تولید پراکسید هیدروژن‌ می‌کنند. آنزیم‌ها بر روی سطح مبدل به وسیله جذب سطحی، پیوند کووالانسی، به دام افتادن در یک ژل یا پلیمرهایی که به صورت شیمیایی تولید شده اند تثبیت‌ می‌شوند (Guibault, 1976)آنزیم‌ها از عناصر بیولوژیکی هستند که بیشتر به کار برده‌ می‌شوند و ممکن است در حالت خالص یا به صورت موجود در ریز اندامگان یا در قطعه ای از بافت مورد استفاده قرار گیرند. این مواد کاتالیزورهای بیولوژیکی برای واکنش‌های خاص بوده و‌ می‌توانند خود را به سوبسترای خاصی متصل سازند. کارایی این مواد در ساخت بیوسنسور مربوط به عمل کاتالیزوری آنها‌ می‌باشند. آنزیم‌هایک ماکرو مولکول
پیچیده و درشت است که بخش اعظم آن پروتئینی است با یک گروه پروستیتک که غالبأ حاوییکیا چند اتم فلزی است. عملکرد بسیاری از آنزیم‌ها شامل فرآیند اکسیدیا احیا است که با روش‌های الکتروشیمیایی قابل آشکار سازی است ( Maier and et al, 2007)از مزیت‌های استفاده از آنزیم‌ها‌ می‌توان به اتصال به جسم موردنظر، برخورداری از قدرت گزینش بالا، به علت دارا بودن فعالیت کانالیکی باعث افزایش حساسیت شده، عملکرد سریعی دارند و چون آنزیم‌ها از مواد بیولوژیکی هستند، بیشترین مصرف را دارند. از معایب آن نیز‌ می‌تواند به گران قیمت بودن استخراج، جداسازی و خالص سازی آنزیم‌ها، هنگام تثبيت روی آنزیم‌ها روی مبدل، بخشی از فعالیت خود را نیز از دست‌ می‌دهند، به علت غیرفعال شدن بعد از مدت کوتاهی فعالیت خود را از دست‌ می‌دهند اشاره کرد. (Carcucra and Cavalier, 2003,144)
2.آنتی بادی‌ها
آنتی بادی تولید شده در اندام‌ها، پروتئین‌هایی هستند که با مواد متخاصم به نام آنتی ژن پیوندیافته، آنها را دفع و از آسیب شان جلوگیری‌ می‌کند. آنتی ژن‌های ناشناخته را‌ می‌توان با آنتی بادی‌های نشان دار تعیین نمود. نشان دار کردن را‌ می‌توان با رادیو ایزوتوپ‌های پروب‌های فلورسنت و یا پروبهای شیمی لومینسنس 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 گونه‌های مختلف از یک ماده بسیار اختصاصی عمل‌ می‌کنند. این مواد غالبا به صورت نشان دار مورداستفاده قرار‌ می‌گیرند (Corcuiera and Cavalieri, 2003, 145.Maier and et al. 2009). آنتی بادی‌های پروتئین‌هایی هستند که قدرت انتخابی برجسته ای دارند. آنها به وسیلهb- lymphocytes در واکنش به ساختارهای آنتی ژنی تولید‌ می‌شوند، ملکول‌های بزرگتر از
۱۰ کیلو دایسون‌ می‌توانند به وسیلهیک واکنش ایمنی تحریک شوند. مولکول‌هایکوچکتر مانند ویتامین‌ها با استروئیدها‌ می‌توانند آنتی ژن باشند اما آنها نمی توانند باعث یک واکنش ایمنی شوند مادامی که آنها در ارتباط با مولکول‌های بزرگتر مانند آلبومین سرم گاوی هستند. تعداد زیادی آنتی بادی به صورت تجاری موجود‌ می‌باشند و معمولا در ایمنو شناختی مورد استفاده قرار‌ می‌گیرند، آنتی بادی تولید شده در اندام‌ها، پروتئین‌هایی هستند که با مواد متخاصم به نام آنتی ژن پیوندیافته ، آنها را دفع و از آسیب شان جلوگیری‌ می‌کنند. پیوند آنتی بادی با آنتی ژن، در مقایسه با پیوند آنزیم با سوبسترای مربوط، بسیار قوی تر و اختصاصی تر است. آنتی بادی‌ها معمولا بر روی سطح القاگر به وسیله پیوند کووالانسی گروههای آمینو، کربوکسیل الدئیدیا سولفوهیدريل تثبیت‌ می‌شوند. سطح القاگر بایستی از قبل با گروه‌های آمینو، کربوکسیل، هیدروکسیل با گروه‌های دیگر عامل دار شود(Corcuiera and Cavalieri, 2003, 145.Maier and et al. 2009). آنتی بادی‌ها مثل آنزیم‌ها محدودیت‌هاییکسانی دارند. علاوه براین، باند شدن معکوس پذیر نیست و تولید دوباره آن ممکن است نیازمند تغییرات مؤثر در شرایط مانند pH پایین، قدرت یونی بالا دترجنت‌ها و … باشند، احتمالا مزيت بالقوه اصلی ایمونوبیوسنسورها بیشتر از روش ایمنو شناخت‌های متداول است که شامل سرعت بیشتری را در اندازه گیری‌های محیطی را‌ می‌دهد، معمولا از ایمنوسنسورها با القاگرهای نوری با آکوستیکی استفادهمیشوند (Hermanson, 1996)از مزیت آن‌ها‌ می‌توان به قدرت گزینش و حساسیت بالا و پیوند بسیار قوی و از معایب به نیز‌ می‌توان به نداشتن اثر کاتالیکی اشاره نمود.
٣.اسیدهای نوکلئوتیک
هدف از کاربرد DNA سنسورها، شناسایییک ترتیب بازی مشخص در DNA هدف است که در مورد بیماری‌های انسانی که در آن‌ها موتاسیون صورت گرفته است ناشی‌ می‌شود، یک DNA حسگر الکتروشیمیایی شامل DNA هدف در محلول، لایه تشخیص و سطح الکترود جامد است (Maier and et al, 2009)
ب. بخش القاگر (مبدل)
یک مبدل که سیگنال دریافتی از ردیاب را به یک خروجی مفید (معمولا یک سیگنال الکترونیک) تبدیل‌ می‌کند و یک سیستم خواندن (سیستم خروجی) که سیگنال‌های منتقل شده را فیلتر، تقویت، نمایش، ثبت با انتقال‌ می‌دهد. از مبدل‌ها جهت شناسایی آن استفاده‌ می‌گردد. مبدل، تغییر قابل مشاهده فیزیکی با شیمیایی را به یک پیغام قابل اندازه گیری، که بزرگی آن متناسب با غلظت ماده یا گروهی از مواد مورد سنجش است، تبدیل‌ می‌کند، طبقه بندی بیوسنسورها از نظر نوع تبدیلی که انجام میدهند عبارت است از مبدل‌های الکتروشیمیایی، نوری، صوتی و گرماسنجییا گرمایی(Corcuiera and Cavalieri, 2003, 139 Chauhan. 2004, 247-8).
روش‌های تثبیت اجزای بیولوژیکی نیاز اساسییک ببو حسگر این است که به طریقی بخش بیولوژیکی با ایجاد تغییرات فیزیکی شیمیایی نزدیک مبدل با القاگر قرار گیرد. به همین جهت فناوری تثبیت نقش مهمی را ایفا‌ می‌کند. به منظور ساخت یک بیوسنسور پایدار، باید جزه بیولوژیکیبه طرز خاصی به مبدل متصل گردد، چنین فرآیندی را تثبیت گویند. فرایند تثبیت نه تنها به نزدیکی و ارتباط بخش بیولوژیکی و مبدل پا القاگر کمک‌ می‌کند بلکه همچنین به بازیافت و استفاده مجدد از آن نیز کمک شایانی‌ می‌کند. بخش بیولوژیکی‌ می‌تواند به صورت مستقیم بر روز مبدل قرار گیردیا‌ می‌توان برای اتصال این دو قسمت از مواد غشایی استفاده گردد. تا زمان حاضر روش‌های متنوعی برای تثبیت و
قرار دادن بخش بیولوژیکی بر روی مدل مورداستفاده قرار گرفته است (D ‘ Souzal , 2001, 228. Kouyn, et al, 2008,120). روش‌های متداول تثبيت: جذب سطحی، ریز پوشینه سازی، محبوس سازی، پیوند عرضی، پیوند کووالانسی و مجموعه ای از فرایندهای فوق (D ‘ Souzal, 2001)در سال‌های اخیر نیز از این روش‌های جدید استفاده‌ می‌شود که عبارت اند از : الکترو پلیمرازیسیون، به تله اندازی سل-ژل، ته نشست لانگویر، بيوغشاهای خود مونتاژی و اصلاحات حجیمی(Rodriguez-Mozaz, 2005, 1026-8)
تعداد زیادی از روش‌ها در آزمایشگاه‌ها برای تثبیت سلول‌های زنده و غیر زنده يعلاوه برای آنزیم‌ها توسعه یافته است. انتخاب یک فن و یا محیط وابسته به طبیعت و ویژگی‌های مواد بیولوژیکی و سوبسترا و شکل میدل مورد استفاده است. انتخاب محیط و فناوری برای آماده سازی غشاها با مقاومت پایین دیفیوژن غشا دیکته‌ می‌شود. زمانی که هدف آماده سازی سلول‌های زنده باشد فناوری‌های ملایم بکار گرفته‌ می‌شود (D ‘ Souzal , 2001, 340)
الف. روش جذب
روش جذب به دو صورت زیر است: جذب فیزیکی و جذب شیمیایی، جذب فیزیکی ضعیف تر از جذب شیمیایی است. روش جذب، ساده ترین روش برای تثبیت مواد آلی است. با وجود این، این پیوند ضعیف است و عمر زمانی الکترودها کوتاه‌ می‌باشد(Koyun et al., 2008, 130).
ب. روش ریز پوشینه سازی ( Micro-capsulation)
پوشینه سازی روشی است که قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به روش جذب سطحی دارد. در این روش، یک غشای بی اثر برای به
دام انداختن مواد زیستی بر روی سطح یک الكترود به کار‌ می‌رود. این روشی است که برای ساخت اولین حسگر گلوکز روی الکترود اکسیژن استفاده گردید. اکثر غشاهایی که بدین منظور مورد استفاده قرار‌ می‌گیرند عبارت اند از استات گلوکز، کلاژن، گلوتار آلدهید، استات سلولز، کیتوزان، تفلون، پلی کربنات، نافیون و پلی اتان (D ‘ Souza , 2001, 230. D ‘ Souza, 2001,350) که تعدادی از غشاهای ذکر شده در بالا دارای این ویژگی‌ها و مشخصه‌ها‌ می‌باشند: استات سلولز (مانع خروج پروتئین‌ها شده و ورود گونه‌های مزاحم مانند آسکوربات را کند‌ می‌کند)، پلی کربنات (مادهی سنتزی فاقد قدرت گزینش)، کلاژن (پک پروتئین طبیعی)، تفلون (دارای قابلیت تراوایی همراه با گزینش برای گازهایی مانند اکسیژن است) (D ‘ Souza, 2001, 231. Kouyn, et al, 2008,130).
ج. روش محبوس سازی
در این روش ماده ی بیولوژیک با محلول منومر مخلوط‌ می‌شود، سپس منومر پلیمریزه شده به ژل مبدل‌ می‌گردد. با وقوع این فرآیند، مادهای زیستی به دام‌ می‌افتد. متأسفانه در این روش تفوة سوبسترا با مانع همراه است و واکنش به کندی صورت‌ می‌گیرد. با از دست رفتن مادهی بیولوژیکی از طریق منافذ ژل، فعالیت کاهش‌ می‌یاید. البته با پیوند عرضی‌ می‌توان از این مشکل پیشگیری کرد. برای این منظور معمولا از ژل‌های نشاسته، پلی آکریل آمید، پیمرهایی مانند نایلون و رساتا مانند پلی آنیلین یا نافیون استفاده گردد. پلی آکریل امید بیشترین ماده ی ژلی است که در این زمینه مورد استفاده قرار گرفته است (D ‘ Souza, 2001, 231. Kouyn, et al, 2008,130).
د. پیوند کووالانسی
پیوند کووالانسی معمولا فناوری مورداستفاده برای تثبیت آنزیم‌ها و آنتی بادی‌ها است ولی برای تثبیت سلول‌ها مناسب

فایل : 23 صفحه

فرمت : Word