حسگر زیستی یا بیوسنسور

حسگر زیستی یا بیوسنسور (Biosensor) نام گروهی از حسگرها است که به گونه ‌ای طراحی شده‌ اند تا بتوانند تنها با یک ماده خاص واکنش نشان دهند. نتیجه این واکنش به صورت پیام‌ هایی در می‌آید که یک ریزپردازنده می‌تواند آن ‌ها را تحلیل کند. این حسگرها مختلفند اما جدای از نوعشان، همگی دارای ساز و کاری مشترک‌ اند و در مسیر سال ‌های اخیر پیشرفت‌ های زیادی در عرصه ‌های گوناگون داشته ‌اند. طبق تعریف اتحادیه بین ‌المللی شیمی کاربردی و اتحادیه بین ‌المللی شیمی محض (IUPAC)، حسگر زیستی عبارت است از مجموعه ابزارهایی که با استفاده از واکنش‌ های بیوشیمیایی خاصی، به واسطه آنزیم‌ های ایزوله، بافت ‌ها، سلول ‌ها یا هر عنصر شیمیایی ماده مورد نظر را معمولاً به صورت الکتریکی، اُپتیکی یا گرمایی آشکارسازی می‌کند. حسگرهای زیستی معمولاً برای به دست آوردن غلظت محلولی (گلوکز خون) و بررسی دی ‌ان‌ ای (DNA) به منظور کشف هرگونه نقص ژنتیکی یا ابتلاء به سرطان ها در بدو تولد بکار می‌روند.

برای کشف این گونه اختلالات، در این روش با مقایسه طیف دی ‌ان ‌ای با طیف ناشی از دی ‌ان ‌ای دارای نقص در ترتیب، که منجر به ایجاد سرطان می‌شود، از بدو تولد می‌توان از ابتلاء به سرطان یا سایر بیماری های ژنتیکی اطلاع یافت. حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعم های مختلف می‌پردازد یا سیستم‌ ایمنی ‌بدن که میلیون ها نوع مولکول مختلف را شناسایی می‌کند، نمونه‌ هایی از حسگرهای زیستی طبیعی هستند.

عملکرد و انواع حسگرهای زیستی

نخستین ‌بار مفهوم حسگرهای زیستی، توسط دکتر لیلاند سی. کلارک (Dr. Leland C. Clark ) در اوایل سال های ۱۹۶۰ با استفاده از آنزیم ‌الکترود (Enzyme Electrode) برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز، برای بیماران دیابتی؛ توسط آنزیم گلوکز اکسیداز (Oxidase) معرفی شد. امروزه نیز بیش ترین کاربرد حسگرهای زیستی، در زمینه اندازه‌گیری گلوکوز است اما با پیشرفت ‌هایی که در زمینه میکروالکتریک و میکرومکانیک (Micromechanics) رخ داده، تمرکز زیادی بر روی سیستم ‌های مبتنی بر این دو قرار گرفته ‌است، گاهی تعداد حسگرها به بیش از ۱۰۰۰ عدد بر سانتی متر مربع می‌رسد. با توجه به دقیق بودن این‌گونه ابزارها، انتخاب مبدل مناسب و روش مناسب تثبیت دریافت گر زیستی در سطح جامد، موجب افزایش حساسیت و پایداری آن می‌گردد.

توسعه حسگر های زیستی از سال ۱۹۶۲ و با ساخت الکترود اکسیژن توسط کلارک در سین سیناتی آمریکا، برای اندازه‌گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این حسگر هم چنین به نام سازنده آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده می ‌شود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک می‌کرد، از این حسگر برای اندازه‌گیری قند خون استفاده شد. به طور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون ان ‌اچ ‌فور پلاس ( +NH4) ، حسگری ساخته شد که می‌توانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه‌گیری کند. این دو حسگر زیستی از مبدل ‌های متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال استفاده می‌کردند به طوری که در نوع اول میزان قند خون با اندازه‌گیری جریان الکتریکی (آمپرومتریک) (Amperometric) تولید شده اندازه‌گیری می‌شد و در نوع دوم اندازه‌گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی (پتانسیومتریک) (Potentiometeric ) ایجاد شده در الکترودها صورت می‌پذیرفت.
حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند؛ اما جدای از نوعشان، همگی دارای عملکرد یکسانی می باشند. هر حسگر زیستی شامل دو بخش اصلی است: بخش نخست، عنصر تشخیص دهنده (Recognition Element) است که برقراری پیوند شیمیایی با هدف را، توسط لیگاند (Ligand) میسر می‌سازد و دومین بخش، انتقال‌دهنده (Transducer) نام دارد. وظیفه این بخش تبدیل سیگنال ‌های دریافت شده ‌است. حسگرهای زیستی دارای دو نوع اساسی حسگر های مستقیم و غیرمستقیم اند.

در حسگرهای زیستی مستقیم، هدف بدون هیچ واسطه ‌ای با لیگاند پیوند برقرار کرده و شناسایی می‌شود. اما در حسگر غیرمستقیم، این کار توسط یک عنصر واسطه انجام می‌گیرد. سرعت و سادگی حسگرهای مستقیم نسبت به غیرمستقیم بیشتر است. قابلیت استفاده در حالت غیرمستقیم و اندازه‌گیری تغییرات فیزیکی (خواص اپتیکی، الکتریکی و شیمیایی) از دیگر کاربردها و مزایای نوع مستقیم آن است. عملکرد حسگرهای زیستی نیز به دو نوع دیگر اپتیکی و مکانیکی بخش ‌بندی می‌شود، از انواع اپتیکی آن می‌توان به اس ‌پی ‌آر یا تشدید کننده پلاسمون سطحی(Surface plasmon resonance (SPR)) اشاره کرد. سامانه میکرو الکترومکانیکی ((Microelectromechanical systems (MEMS) از نوع مکانیکی آن است، برخی از این سامانه در ابعاد نانو نیز کاربرد های فراوانی دارند.