تشخيص و اندازه گيري تركيبات آلوده كننده محيطي با استفاده از زيست حسگرها- مهرناز صادق نژاد، عاطفه پورجاهد

0

 سنسور زیستی ابزار یا دستگاهی است که با در کنار هم قرار دادن اجزاء بیولوژیکی/ زیستی و مبدل­هایی با مکانیسم ­های نوری، الکتروشیمیایی، پیزوالکتریک و حرارتی برای اندازه­ گیری غلظت مواد ساخته می­شود.

از انواع این بیو سنسور ها می­توان به آنزیمی، میکروبی، نوری، ایمونولوژیکی و سایرین اشاره کرد. این بیوسنسورها بر اساس جزء بیولوژیکی مانند آنتی­بادی/ آنتی­ژن آنزیم و یا سلول­های گیاهی و جانوری، و یا مکانیسم مبدل طبقه­بندی می­شوند. استفاده از زیست حسگرها در زمینه­های گوناگونی متداول است که از جمله این کاربردها استفاده در زمینه کاربرد برای شناسایی و تشخیص آلاینده­های زیست­محیطی که نسبت به روش­های آنالیزی مرسوم مزایایی از جمله سرعت، دقت، قابل حمل بودن و قابل تکرار بودن را فراهم می­کند.

برای این منظور از این دستگاه در شناسایی آلاینده­های زیست­ محیطی آلی چون؛ دی­اکسین­ها، آلکان­هاو ترکیبات آروماتیک، آفت­کش­ها و غیره و آلاینده ­های معدنی مثل؛ فلزات سنگین و نیترات­ها استفاده می­شود. همچنین در زمینه بالینی نیز در زمینه تقاضای بیوشیمیایی اکسیژن (BOD)،  هورمون­ها و غدد درون­ریز مختل­کننده به کار می­روند.

کلید واژه: زیست­حسگر، آلاینده، مانیتورینگ، محیط زیست، آنالیز.

  • مقدمه

افزایش تعداد آلاینده­های مضر به­ طور بالقوه در محیط زیست، خواستار تکنیک­های آنالیزی سریع و مقرون به­ صرفه برای استفاده در برنامه­های کنترلی وسیع است. الزامات مورد نیاز برای استفاده از سنتی­ترین روش­های آنالیزی آلاینده­ های محیطی، اغلب مانع مهمی برای کاربرد آن­ها به ­صورت منظم ایجاد می­کند. نیاز به سیستم­های یک­بار مصرف یا ابزارهایی برای کاربردهای زیست­محیطی، به­ ویژه برای کنترل محیط زیست، موجب توسعه تکنولوژی­های جدید و روش­های مناسب­تر، شده­است.

در این زمینه حسگرهای زیستی به ­عنوان یک جایگزین مناسب و یا به  عنوان یک ابزار آنالیز مکمل ظاهر می­شوند. بیوسنسورها باید از روش­های زیستی که در آن مبدل یک قسمت کامل سیستم آنالیزی نیست، متمایز باشند. در این مقاله در ابتدا تعریف مختصری از انواع بیو سنسور ها را ذکر می­کنیم و در ادامه به بیان بیو سنسور های توسعه یافته برای تعدادی از آلاینده­ها می­پردازیم.

  • مفهوم و تنظیمات بیوسنسور.

بیو سنسور یک دستگاه آنالیز فشرده است که دارای یک عنصر سنجش بیولوژیکی یا مشتق شده­ی زیستی، یا هر دو در یک سیستم مبدل است. فرآیند تشخیص ابزار از طریق اتصال آنالیت مورد نظر به عنصر شناسایی تثبیت شده روی ماتریس[1] پشتیبانی صورت می­گیرد. نتایج تغییر در یک فاکتور خاص، در یک یا چند خاصیت فیزیکی یا شیمیایی (مانند؛ متغیر pH، انتقال الکترون، تغییرات جرم، انتقال گرما، جذب یا رهایش گازها یا یون­های خاص) می تواند توسط یک مبدل اندازه­گیری شده و به صورت یک سیگنال قابل اندازه­گیری ارائه شود (Kumar و همکاران 2012).

بیو سنسور ها معمولاً بر اساس روش تبدیل سیگنال و اصول شناسایی­ زیستی به گروه­های مختلفی دسته طبقه­بندی شده­اند. براساس عنصر تبدیل­کننده، بیوسنسورها را می­توان به­ سنسورهای الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی طبقه­بندی کرد (Rodriguez و همکاران 2004). عنصرهای شناساگر زیستی که در تکنولوژی بیو سنسور ها کاربرد دارند عبارتند از: آنزیم، آنتی­بادی/ آنتی­ژن و نوکلئیک اسیدها/ رشته­ های مکمل. با توجه به روش انتقال سیگنال، بیو سنسور ها نیز می­توانند به گروه­های مختلفی تقسیم شوند: الکتروشیمیایی[2] (جریان­سنج، پتانسیل­سنج یا  هدایت­سنج)، نوری، دماسنج و پیزوالکتریک[3] (Kumar و همکاران 2012).

  • انواع بیوسنسور

3-1- بیوسنسور آنزیمی

در بیو سنسور های آنزیمی، عنصر بیولوژیکی آنزیمی است که به­ طور انتخابی با سوبسترا واکنش نشان
می­دهد پاسخ یک بیوسنسور به اضافه شدن یک سوبسترا توسط غلظت محصول (P) واکنش آنزیمی بر روی سطح سنسور تعیین می­شود. واکنش توسط نرخ دو فرآیند به ­طور هم­زمان، یعنی تبدیل آنزیمی سوبسترا (S) و انتشار محصول از لایه آنزیمی کنترل می­شود.

توسعه بیو سنسور های مبتنی بر آنزیم­های تثبیت شده برای حل چندین مشکل مانند؛ از دست رفتن آنزیم  (به­ خصوص اگر گران باشد)، نگه­داری از ثبات آنزیم و عمر مفید بیوسنسور است، و علاوه ­بر این برای کاهش زمان پاسخ آنزیمی و ارائه دستگاه­های یک­بار مصرف که می­توانند به ­آسانی در سیستم­های جاری یا ساکن استفاده شوند؛ به کار برده می­شوند.

برای این کار، چندین تکنیک تثبیت­سازی بررسی شده است. این تکنیک­ها شامل به دام افتادن فیزیکی، میکروکپسوله­ها، جذب، اتصال کووالانسی و ارتباط متقابل کووالانسی و چندین روش مختلف برای بی­حرکت­سازی آنزیم در مقالات گزارش شده است.

طراحی چنین بیوسنسورهایی از مزیت توانایی برای به دام انداختن مقدار زیادی آنزیم و افزایش پایداری حرارتی و شیمیایی بهره می برد. محققانی در سال 2005 یک ماتریس کربنی با حفره­های نانویی را برای تثبیت­سازی استیل­کولین­استراز و ایجاد ثبات به کار برده­اند. آن­ها گزارش داده­اند که استفاده از این ماتریس کربنی فعال­شده به­طور قابل توجهی ثبات آنزیم و کاهش حد تشخیص را ارائه می­دهد (Amine و همکاران 2006).

3-2- بیوسنسورهای مبتنی بر آنتی­بادی (ایمونوسنسورها)

بیوسنسورهای مبتنی بر آنتی بادی (ایموسنسورها) به طور ذاتی چند منظوره­تر از بیوسنسورهای مبتنی بر آنزیم هستند که در آن­ها، آنتی­بادی­های تولید شده به طور خاص به ترکیبات منحصر به فرد و یا گروهی که از لحاظ ساختاری به ترکیباتی با محدوده­ی وسیعی از پیوندهای درونی مرتبط هستند، متصل می­شوند. با این­حال چندین محدودیت در استفاده از بیوسنسورهای مبتنی بر آنتی­بادی برای کاربردهای نظارتی بر محیط زیست وجود دارد.

این محدودیت­ها شامل پیچیدگی شکل آزمون و تعداد مواد واکنشگر ویژه (مانند؛ آنتی­بادی، آنتی­ژن، ردیاب­ها وغیره) است، که باید توسعه یافته و برای هر ترکیب آزمون شود و همچنین این­که تعداد محدودی از ترکیبات به طور متداول در یک آزمون خاص تعیین می­شوند که این در مقایسه با تعداد بیشتر ترکیباتی است که نمونه­های محیطی را آلوده می­کنند. پیشرفت­های اخیر برای بیوسنسورهای مبتنی بر آنتی­بادی برای کارکردهای زیست­محیطی در ابتدا تمرکز بر این محدودیت­ها را گزارش داده­اند (Rogers و همکاران 2006).

3-3- بیوسنسورهای DNAای

باتوجه به گستردگی فعالیت­های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی، نوکلئیک­اسیدها در طیف گسترده از بیوسنسورها و روش­های آنالیز­ زیستی گنجانده شده­اند که پتانسیل بسیاری را برای سازگاری با کاربردهای زیست­محیطی نشان می­دهد. به ­طور خاص­تر، همان­طور که قبلاً در بررسی DNA ذکر شده است، برای اندازه­گیری+2pb با استناد به فعالیت کاتالیزوری آن، می­توان از حسگرهای DNA استفاده کرد. DNA و PNA نیز برای پیوند مواد شیمیایی­ایمنی به مکان­های خاص در آرایه­های تراشه­ای DNA با استفاده از هیبریداسیون الیگونوکلئوتیدهای مکمل، استفاده شده­اند.

علاوه ­بر ­این، از DNA برای تهیه بیوسنسورهایی با کاربرد ژنتیکی استفاده می­شود؛ چندین بیوسنسور و روش  زیستی برای تشخیص آسیب به DNA ناشی از مواد شیمیایی گزارش شده است. همچنین تحقیقات گسترده­ای در زمینه تکنولوژی بیوسنسور برای اندازه گیری DNA پیش­نیاز هیبریداسیون برای شناسایی ژنتیکی میکروارگانیسم­های بیماری­زا انجام شده است.

میکروآرایه­های هیبریداسیون DNA به ­عنوان یک پلت­فرم برای تشخیص موازی چند میکروارگانیسم بیماری­زا مرتبط با هر دو کاربرد دفاع زیستی و زیست­محیطی، پیشنهاد شده است (Rogers و همکاران 2006).

3-4- بیوسنسورهای مبتنی بر گیرنده

سیستم­های بیوسنسور مبتنی بر گیرنده دارای این مزیت ذاتی است که هر آلاینده زیست­محیطی مضر، که از نظر فیزیولوژیکی به گیرنده مرتبط است، به آن متصل می­شود و به این ترتیب می­تواند به طور بالقوه غلظت آن را اندازه­گیری کرد. بنابراین، این سیستم­ها می­توانند برای غربال­گری طیف گسترده­ آلاینده­ها با ساختار مختلف با یک مکانیسم مشابه سمیت استفاده شوند (Rogers و همکاران 2006).

3-6- بیوسنسور های SPR (پلاسمون رزونانسی سطحی)

پلاسمون رزونانسی سطحی (SPR)[4] یک تکنیک نوری حساس سطحی است که با میدان مغناطیسی ناپایدار تولید شده روی سطح یک فیلم نازک فلزی زمانی که توسط یک نور تابشی تحت کل شرایط بازتاب داخلی برانگیخته شده مرتبط شده است. بیوسنسورهای SPR اجازه­ی تشخیص لحظه­ای از تغییرات مولکول­های هدف زیستی وقتی که با مولکول­های شناساگر زیستی (به ­عنوان مثال آنتی­بادی­ها) که بر روی سطح اتصال مبدل تثبیت­ شده­اند، واکنش می­دهد، را فراهم
می­کند (Long وهمکاران 2013).

3-7- بیوسنسورهای نوری دارای ساخت نانویی

پیشرفت در فناوری نانو، میکروالکترونیک­ها و میکروفلودیک­ها، کوچک کردن سایز، سرعت بیشتر، حساسیت
فوق­العاده و هزینه کم، را برای زیست حسگرها به منظور غربال­گری سریع سمیت و آزمون­های چند آنالیتی تسهیل ­
می­کند (Long وهمکاران 2013).

3-8- سنسورهای بر پایه  میکروب (MBS)

 نیروی محرکه اصلی برای مهندسی سلول­های میکروبی با هدف تشخیص مواد شیمیایی، پیشرفت در تکنیک­های مهندسی ژنتیک، و سهولت نسبی برای طراحی مجدد اجزای سخت افزاری (معین) در سلول­های میکروبی و جمع­آوری کردن مدارک ژنتیکی مصنوعی برای سنجش و تولید سیگنال خروجی قوی است (Tecon و همکاران 2008).

3-9- بیوسنسورهای مبتنی بر سلول

 بیوسنسورهای مبتنی بر سلول­ها برای کاربردهای زیست­محیطی می­توانند با توجه به نوع سلول سازماندهی شوند. برای مثال، باکتری­ها، مخمرها، جلبک­ها و کشت بافت سلول­ها می­توانند به عنوان پروب غربال­گر استفاده شوند.. اگر­چه مثال­های متعدد از اصلاح ژنتیکی این سلول­ها وجود دارد. باکتریایی که به ­طور ژنتیکی مهندسی شده (GEMs)[5] اغلب در بیوسنسورهای مبتنی بر سلول گزارش شده­اند (Rogers و همکاران 2006).

  • کاربرد بیوسنسورها در ردیابی برخی آلاینده­ها در زمینه محیط زیست

4-1-فلزات سنگین

فلزات معمولاً بعد از تجزیه در اسیدهای قوی تعیین می­شوند (Rodriguez  و همکاران 2004). تکنیک­های معمول آنالیز برای فلزات سنگین (مانند جذب اتمی بخارات سرد طیف­سنجی و طیف­سنجی جرمی پلاسما جفت شده به ­ طور قیاسی) دقیق هستند (Rodriguez  و همکاران 2004، Maria و همکاران 2011) اما از معایبی چون هزینه بالا، نیاز به پرسنل آموزش دیده و این حقیقت که آن­ها برای عمل نیاز به آزمایشگاه دارند، رنج می­ برند (Maria و همکاران 2011)، این
روش­ها قادر به تشخیص کسرهایی از فلزات برای سیستم­های بیولوژیکی که به طور بالقوه خطرناک و به طور بالقوه غیرخطرناک­اند، نیستند.

فلزات سنگین همچنین به وسیله الکترودهای انتخاب­گر یونی نیز قابل تشخیص هستند (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006). اخیراً پیشرفت­هایی برای توسعه حسگرهای زیستی با تکیه بر سلول­های باکتریایی برای ردیابی فلزات سمی انجام شده است. یکی از مزایای سنسورهای تمام سلولی توانایی آن­ها برای واکنش، تنها با کسر قابل دسترسی از یون­های فلزی است، درحالی­که روش­های آنالیز سنتی همانطور که گفته شد این توانایی را ندارند (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

علاوه بر این، اساس بیولوژیکی آن­ها را به­ طور ایده­آل برای اندازه­گیری سم شناسی فلزات سنگین آماده کرده است، درحالی که روش­های رایج تنها قادر به اندازه­گیری غلظت هستند(Maria و همکاران 2011). بسیاری از زیست حسگرهای باکتریایی برای آنالیز فلزات سنگین در نمونه­های زیست­محیطی توسعه یافته­اند، که با استفاده از ژن­های خاصی که مسئول مقاومت باکتریایی به این عناصرند، مانند گیرنده­های بیولوژیکی ساخته شده­اند.

نژادهای باکتریایی مقاوم به تعدادی از فلزات مانند روی، مس، قلع، نقره، جیوه و کبالت به­ عنوان گیرنده­های بیولوژیکی ممکن استخراج شده­اند. مقاومت در برابر فلز این ژن­ها تنها ناشی از زمانی است که عنصر به سیتوپلاسم باکتری می­رسد (Rodriguez  و همکاران 2004).

دومینگوئزـ رندو و همکارانش زیست حسگرهای جریان­سنج آنزیمی را برای اندازه­گیری +2Hg براساس عمل مهار (بازدارندگی) این یون در فعالیت اوره­آز، توسعه داده­اند. اوره­آز غالب­ترین آنزیم کاربردی برای مهار جیوه است، به این دلیل که نسبتاً ارزان و به راحتی در دسترس است.

از آن­جایی که این روش اختصاصی نیست، آن را برای تعیین تمامی اثر مهار ناشی از فلزات سنگین در نمونه­های آبی به کار می­برند. آنزیم یکسانی توسط کاسواندی (همان آنزیم مورد استفاده دومینگوئزـ رندو) در توسعه یک بیوسنسور فیبر نوری ساده برای تعیین یون­های فلزات سنگین مختلفی مانند Hg(I)  ، Cu(II)، Ni(II)، Zn(II)، Co(II)، Pb(II)، به کار گرفته شده است. (Maria و همکاران 2011).

  

4-2- نیترات­ها

یک بیوسنسور حاوی باکتری فاقد نیتروژن تثبیت شده برای تعیین No3 در آب جاری در شیر آب کاربرد دارد. از طریق کاهش No3 در محقظه واکنش،   N2Oتشکیل شده و توسط یک میکرو الکترود که عنصر سنجشی N2O یک بیوسنسور است؛ تعیین می­شود (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

چن وهمکارانش یک بیوسنسور جریان­سنج برای تعیین نیتریت­ها با استفاده از سیتوکروم C نیتریت ردوکلاز (ccNiR)، از دی­سلفوویبریو دی­سولفات­ها (باکتری­های احیاء­کننده سولفات­ها) تثبیت شده که به طور الکتریکی روی یک الکترود کربنی شیشه­ای به ­وسیله به دام افتادن تثبیت شده است و در اکسایش ـ کاهش فعال است، توسعه داده­اند. یک بیوسنسور بسیار حساس، سریع و هدایت­سنج پایا برای تعیین نیترات در آب­ها توسط وانگ و همکارانش توصیف شده است (Maria و همکاران 2011).

4-3- آفت­کش­ها

روش­های مرسومی چون HPLC  و GC نتایج آنالیزی رضایت بخشی را برای تعیین آفت­کش­ها می­دهد؛ استفاده از سنسورهای جدید برای آنالیز ارزان­تر و سریع­تر در حال حاضر، در حال توسعه هستند. سنسورهای آنزیمی که بر اساس مهار یک آنزیم انتخاب­شده، هستند،

گسترده­ترین بیوسنسورهای کاربردی برای تشخیص این ترکیبات هستند (Rodriguez  و همکاران 2004، Maria و همکاران 2011). براساس مهار استیل­کولین­استراز (AchE) و کولین­اکسیداز، بیوسنسورهای مختلفی برای تعیین آفت­کش­های ارگانوفسفره و کارابامات مانند آن­هایی که توسط چویی، ونجلیس و آندرس، لو وهمکارانشان انجام شده است، از این جمله هستند (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

اگرچه بیوسنسورهای مبتنی­ بر مهار (AchE) حساسیت­ بیشتری دارند، ولی انتخاب­پذیر نیستند (از آن­جایی­که AchE توسط نوروتوکسین­ها مهار شده­اند، که این شامل آفت­کش­های ارگانوفسفره (OPs) و کارابامات­ها و بسیاری ترکیبات دیگر می­باشد)، و بنابراین نمی­توانند برای سنجش کمی یک یا طبقه­ای از آفت­کش­ها مورد استفاده قرار گیرند. یکی از روش­ها برای حل ویژگی AchE شامل مهندسی ژنتیک آنزیم استیل­کولین­استراز برای به دست آوردن آنزیم­های جدید اختصاصی برای
آنالیت­ها یا خانواده­های مطلوب است (Rodriguez  و همکاران 2004).

مهار فتوسنتز یک شاخص جالب است که به­ سرعت اثر سمی آلاینده­های خاص را منعکس می­کند. با بهره­گیری از این ویژگی، برخی از بیوسنسورهای مبتنی بر سیستم فوتو II (PS II) که قادر به تشخیص علف­کش­ها در محیط زیست هستند، گزارش شده­اند. حدود 30% از علف­کش­ها، شامل فنیلوراف تریازین و لف­کش­ فنولی مانع جریان الکترونی فتوسنتز توسط مسدود کردن محل­های اتصال کوؤنون (PS II) و به این ترتیب اصلاح فلورسانس کلروفیل می­شوند. فلزات سنگین نیز قادر به مهار فعالیت بیوسنسور  PS II بوده­اند اما اثر آن­ها معمولاً در غلظت­های بسیار بالاتر از نوعی از آن علف­کش­ها پیدا شده است (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

 

4-4- دی­اکسین­ها

آنالیز مرسوم دی­اکسین­ها به روش­های چند مرحله­ای دشوار پاک کردن نیاز دارد که باعث افزایش هزینه هر آنالیز است. تعداد قابل توجهی از آزمون­های ایمنی برای دی­­اکسین­ها توسعه یافته­اند و برای فراهم آوردن یک آنالیز ساده و معمول در تلاش هستند. بیوسنسورها برای تشخیص و کنترل این آلوده­کننده­ها در منطقه می­توانند بسیار مفید باشند. بیوسنسور SPR توسط شیمورا و همکارانش برای تعیین دی­اکسین 8،7،3،2 ـ [6]TCDD به کار گرفته می­شود (Rodriguez  و همکاران 2004، Maria و همکاران 2011).

4-5- فنول­ها

آلاینده­های سمی موجود در فاضلاب­ها معمولاً با DNA در تعاملند که آسیب به سلامتی انسان را منجر
می­شوند، اما بسیاری از این تعاملات (بین DNA و آلاینده­های سمی) می­توانند در بیوسنسورهای الکتروشیمیایی DNA مورد استفاده قرار بگیرند، بنابراین ایجاد یک سیگنال پاسخ، یک روش مؤثر برای غربال­گری سریع آلاینده ارائه می­دهند. براساس این اصل، سنسورهای الکتروشیمیایی DNA مختلفی برای کنترل محیط زیست پردازش شده­اند. پارالادا و همکارانش یک بیوسنسور با تیروزیناز (یک پلی­فنول اکسیداز با انتخاب­پذیری نسبتاً گسترده برای ترکیبات فنولی) ثابت در یک هیدروژل در الکترود گرافیتی، را توسعه داده­اند، که به طور رضایت­بخشی با روش­های رسمی برای تعیین شاخص فنول در نمونه­های زیست­­محیطی مرتبط است.

کلروفنول­ها نیز توسط یک بیوسنسور شیمیایی نور­سنج (لومینسنس) فیبر نوری سازگار با آنالیز جریان پاششی (FIA)[7]، مشخص شده­اند. آنزیم­های پرکاربرد در ساخت حسگرهای زیستی معمولاً لاکاز، تیروزیناز و پراکسیداز هستند (Rodriguez  و همکاران 2004، Maria و همکاران 2011، Rodriguez   و همکاران 2006).

.

4-6- آلکان­ها و ترکیبات آروماتیک

با وجود این­که بسیاری از این آلاینده­ها به ­آسانی زیست تخریب­پذیرند، اغلب در محیط زیست باقی می­مانند. یک بیو سنسور پروتئینی با فلورسنت سبز مبتنی بر نژاد سودوموناس فلورسنس ساخته شده است و مشخصه بالقوه برای آن اندازه­گیری بنزن، تولوئن، اتیل­بنزن و ترکیبات مرتبط با محلول­های آبی می­باشد.

بیو سنسور مبتنی بر یک پلاسمید حامل فعال­کننده رونویسی تولوئن ـ بنزن است. بیو سنسور دیگری تمام سلولی میکروبی، با استفاده از اشرشیاکلی با ژن لوسیفرازـ لوکسAB (LuxAB) پیش­برنده، برای تعیین آلکان­های خطی حل­شده در آب توسط لومینسانس توسعه داده شده است (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

  • ردیابی آلاینده ­ها در زمینه بالینی

5-1- هورمون­ها و غدد درون­ریز (EDCs)

در هورمون­ها به­ عنوان مثال، استرون همراه با دیگر آلاینده­های آلی (آترازین و ایزوپروتورن) توسط رودریگزـ موزار و همکارانش با یک ایمونوسنسور نوری در نمونه­های آب واقعی تعیین شده­اند. استرون، پروژسترون[8] و تستوتسرون همراه با سایر آلاینده­های آلی در نمونه­های آبی، با یک ایمونو سنسور تمام اتوماتیک تعیین شده­اند؛ حد تشخیص تا رسیدن به زیر ng/l (90ـ 93) است (Maria و همکاران 2011، Rodriguez   و همکاران 2006).

EDCها را دسته­ای از مواد تعریف نشده اما با ماهیت شیمیایی تشکیل می­دهند، اما اثر بیولوژیک آن­ها و در نتیجه با استفاده از این ویژگی، «بیوسنسورهای در اثر غدد درون­ریز» توسعه داده شده­اند. هورمون­های استروئیدی اثرات مختلفی را در سلول­های پستانداران پس از اتصال به گیرنده­های خاص درون سلولی القاء می­کنند که به لیگاند فاکتورهای رونویسی وابسته­اند.

بسیاری از غدد درون­ریز مختل­کننده نیز به اتصال به گیرنده­های استروژنی ER مانند آگونسیت یا آنتاگونسیت معتقد بودند. این عامل سبب توسعه بیو سنسور ها برپایه گیرنده برای این مواد شده است. در این زمینه بیوسنسورهای نوری، الکتروشیمیایی و پیزوالکتریک همچنین بیوسنسورهای مبتنی برگیرنده­های استروژنی  توسعه یافته­اند (Rodriguez  و همکاران 2004، Rodriguez   و همکاران 2006).

5-2- اکسیژن بیوشیمیایی(BOD)

تعیین سریع BOD را می­توان با روش­های مبتنی بر بیوسنسورها به دست آورد. از ویژگی­های مشترک این سنسور هاست که آن­ها از یک فیلم میکروبی که قادر به اکسید کردن زیستی بستر آلی به مقدار اندازه­گیری ­ شده، هستند؛ در این فیلم میکروب­ها بین یک غشای متخلخل سلولز و یک غشا نفوذپذیر گازی به­ عنوان عنصر شناسایی بیولوژیکی، محبوس شده­اند. پاسخ (واکنش) معمولاً یک تغییر در غلظت اکسیژن محلول و یا پدیده­های دیگر چون تابش نور است.

اکثر سنسورهای BOD در اندازه­گیری سرعت تنفس باکتریایی در نزدیکی مبدل، معمولاً به روش  کلارک تکیه می­کنند. (یک حسگر برای اندازه­گیری جریان­سنج اکسیژن محلول که در سال 1956 توس کلارک توسعه یافته است). تجاری­ترین سنسور های BOD در دسترس از نوع سیستم­های جریانی هستند که می­توانند آسان­تر اتوماتیک شوند اما به طور کلی نیاز به نگه­داری بالا برای جلوگیری از رسوب و گرفتگی دارند.

باوجود سازگاری خوبی بین نتایج بیو سنسور و تجزیه و تحلیل معمول BOD و باوجود زمان پاسخ کوتاه از حسگرهای زیستی، سیستم­های بیوسنسورهای فعلی BOD، هنوز یک سری محدودیت که کاربردهای صنعتی آنها را محدود می کند؛ وجود دارد:

عدم وجود استاندارد و قوانین در بسیاری از کشورها و التزام به نگه­داری پیچیده و مقاومت ناکافی در برابر انواع ترکیبات سمی چون یون­های فلزات سنگین، CN- و فنول در فاضلاب. یک بیوسنسور فیبر نوری برای سنجش مقادیر کم BOD در آب رودخانه­ها توسط چی و همکارانش توسعه یافته است (Rodriguez  و همکاران 2004، Maria و همکاران 2011، Rodriguez   و همکاران 2006).

 

  • بحث و نتیجه­ گیری

با توجه به افزایش مقدار روزافزون آلایند ­ها چه در زمینه میحط زیست و چه بالینی، از مباحث مطرح شده در این مقاله به خوبه افزایش نیاز به این دستگاه را درمی­یابیم. تجاری شدن این دستگاه نیاز به پیشرفت در زمینه­های علوم نوین چون: مهندسی ژنتیک، اصلاحات نانویی و غیره برای ارتقای کارایی آن­ها دارد. همچنین می­بایست محدودیت­هایی چون: حساسیت، زمان پاسخ و طول عمر بهبود یابد. علاوه بر این، در آینده در این زمینه نیاز به دستگاه­هایی با قابلیت ردیابی مستمر (برای مثال اندازه­گیری لحظه­ای نمونه در آب­ها)، تعیین همزمان چند آنالیت و کوچک­سازی که بیشتر در زمینه پزشکی کاربرد دارند، به خوبی دیده می­شود.

 

منابع  

  • Amine, H. Mohammadi, I. Bourais, G.  Palleschi, (2006), “Enzyme inhibition-based biosensors for food safety and environmental monitoring”, Biosensors and Bioelectronics, 21, pp: 1405–1423
  • Long, A. Zhu, H. Shi, (2013), ” Recent Advances in Optical Biosensors for Environmental Monitoring and Early Warning”, Sensors, 13, pp: 1424-8220
  • Kumar, S. F. D’Souza, (2012), ” Biosensors for Environmental and Clinical Monitoring”, Nuclear Agriculture and Biotechnology Division, 324, pp: 34-37
  • R. Rogers, (2006), “Recent advances in biosensor techniques for environmental monitoring”, Analytica Chimica Acta, 568, pp: 222–231
  • Maria da C. Silva, A. F. Melo, A. M. Salgado, (2011), ” Biosensors for Environmental Applications”, ” Environmental Biosensors “, Edited by Prof. V. Somerset, Publisher InTech, (2011), pp: 1- 15
  • Tecon, J. Roelof van der Meer, (2008), ” Bacterial Biosensors for Measuring Availability of Environmental Pollutants”, Sensors, 8, (2008), pp: 4062-4080
  • Rodriguez-Mozaz, M. J, Lopez de Alda, D. Barceló, (2006), “Biosensors as useful tools for environmental analysis and monitoring”, Anal Bioanal Chem, 386, pp: 1025–1041
  • Rodriguez-Mozaz, M. P. Marco, M. J. Lopez de Alda, D. Barceló, (2004), ” Biosensors for environmental applications: Future development trends”, Pure and Applied Chemistry, 76 (4), pp: 723–752

 

[1]- matrix

[2] -electrochemical

[3] -piezoelectric

[4] – Surface Plasmon Resonance

[5] – genetically engineered bacteria

[6] – 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin

[7] – flow injection analysis

[8] – progesterone

مقاله مرتبط:

   https://mdatran.com//%d8%a2%d8%b1%d8%b4%db%8c%d9%88/

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

برچسب‌ها : % % % % % % %
Call Now Button