أجهزة الاستشعار: أنواع وميزات عامة من أجهزة الاستشعار البيولوجية

أجهزة الاستشعار البيولوجية: أنواع وميزات عامة من المستشعرات الحيوية!

جهاز الاستشعار البيولوجي هو جهاز تحليلي يستخدم مواد بيولوجية للتفاعل على وجه التحديد مع مادة تحليلية.

إنتاج بعض التغيرات المادية التي يمكن قياسها والتي يتم قياسها وتحويلها إلى إشارة كهربائية بواسطة محول. في النهاية تم تضخيم الإشارة الكهربائية وتفسيرها وعرضها كتركيز تحليل في المحلول / التحضير. المحلل هو مركب يتم تحديد تركيزه ، وتكون المواد البيولوجية عادة عبارة عن إنزيمات ، ولكن الأحماض النووية ، والأجسام المضادة ، والليتينات ، والخلايا الكاملة ، والأعضاء الكاملة أو شرائح الأنسجة تستخدم أيضا (الجدول 12-4).

طبيعة التفاعل بين المادة التحليلية والمواد البيولوجية المستخدمة في جهاز الاستشعار الحيوي هي من نوعين:

(أ) يمكن تحويل المادة الحليلة إلى جزيء كيميائي جديد عن طريق الإنزيمات ؛ تسمى أجهزة الاستشعار الحيوي هذه أجهزة الاستشعار الحيوي التحفيزي ، و

(ب) قد يرتبط التحليل ببساطة بالمواد البيولوجية الموجودة على المستشعرات الحيوية (على سبيل المثال ، للأجسام المضادة والحمض النووي) ؛ تُعرف هذه المستشعرات الحيوية بأجهزة استشعار تقارب.

يجب أن يكون جهاز الاستشعار الحيوي بنجاح على الأقل بعض الميزات التالية: (أ) يجب أن يكون محددًا للغاية بالنسبة للحليلة.

(ب) يجب أن يكون التفاعل المستخدم مستقلاً عن عوامل يمكن التحكم فيها مثل الأس الهيدروجيني ، درجة الحرارة ، التقليب ، إلخ.

(ج) يجب أن تكون الاستجابة خطية على مدى مجموعة مفيدة من تركيزات الحلي.

(د) يجب أن يكون الجهاز صغيرًا ومتوافقًا بيولوجيًا ، في حالة استخدامه للتحليل داخل الجسم.

(هـ) يجب أن يكون الجهاز رخيصًا وصغيرًا وسهل الاستخدام وقادرًا على الاستخدام المتكرر.

الميزات العامة لجهاز الاستشعار البيولوجي:

يحتوي جهاز الاستشعار الحيوي على نوعين متميزين من المكونات:

(أ) البيولوجية ، على سبيل المثال ، أنزيم ، والأجسام المضادة و

(ب) المادية ، على سبيل المثال ، محول الطاقة ، ومكبر الصوت ، إلخ.

يقوم المكون البيولوجي لجهاز الاستشعار الحيوي بأداء وظيفتين مهمتين.

(أ) يعترف تحديدا بالتحليل و

(ب) يتفاعل معها بطريقة تنتج بعض التغيرات الجسدية التي يمكن كشفها بواسطة المحول.

هذه الخصائص للمكون البيولوجي تنقل على المستشعر الحيوي على وجه التحديد ، والحساسية والقدرة على كشف وقياس التحليل. يتم تثبيت العنصر البيولوجي بشكل مناسب على محول الطاقة. بشكل عام ، يعمل الشلل الصحيح للأنزيمات على تحسين ثباتها. ونتيجة لذلك ، يمكن استخدام العديد من الأنظمة التي يتم تثبيطها في الإنزيمات أكثر من 10000 مرة على مدى عدة أشهر.

يتفاعل المكون البيولوجي على وجه التحديد مع الحليلة التي تنتج تغيرًا ماديًا بالقرب من سطح محول الطاقة. هذا التغيير المادي قد يكون:

1. الحرارة الصادرة أو الممتصة بواسطة التفاعل (أجهزة الاستشعار البيولوجية المسعّرة)

2. إنتاج جهد كهربائي بسبب تغير توزيع الإلكترونات (أجهزة الاستشعار الحيوية potentiometric).

3. حركة الإلكترونات بسبب تفاعلات الأكسدة والاختزال (أجهزة الاستشعار البيولوجية آمبيروميتريك).

4. الضوء الذي ينتج أو يمتص أثناء التفاعل (أجهزة الاستشعار الضوئية البصرية).

5. تغير كتلة المكون البيولوجي نتيجة للتفاعل (أجهزة الاستشعار الموجية الصوتية).

يقوم المحول بالكشف عن هذا التغيير وقياسه وتحويله إلى إشارة كهربائية. يتم تضخيم هذه الإشارة كونها صغيرة جدًا بواسطة مضخم الصوت قبل إدخالها في المعالجات الدقيقة. ثم تتم معالجة الإشارة وتفسيرها ، ويتم عرضها في وحدات مناسبة.

وبالتالي ، فإن أجهزة الاستشعار الحيوي تقوم بتحويل تدفق المعلومات الكيميائية إلى تدفق المعلومات الكهربائية ، والذي يتضمن الخطوات التالية:

(أ) ينتشر التحليل من الحل لسطح المستشعرات الحيوية.

(ب) يتفاعل المستحضر بشكل محدد وفعال مع المكون البيولوجي "لجهاز الاستشعار الحيوي.

(ج) يغير هذا التفاعل الخصائص الفيزيائية-الكيميائية لسطح المحول.

(د) يؤدي هذا إلى تغيير في الخصائص البصرية أو الإلكترونية لسطح المحول.

(هـ) يتم قياس التغير في الخواص البصرية / الإلكترونية ، وتحويلها إلى إشارة كهربائية يتم تضخيمها ومعالجتها وعرضها.

أنواع المستشعرات الحيوية:

أجهزة الاستشعار البيولوجية هي من 5 أنواع:

1. أجهزة الاستشعار البيولوجية المسعرية:

العديد من تفاعلات الإنزيم المحفز تكون طاردة للحرارة. يقيس المستشعرات الحيوية المسعرية تغير درجة الحرارة للمحلول الذي يحتوي على التحليل بعد إجراء الإنزيم وتفسيره من حيث تركيز التحليل في المحلول. يتم تمرير الحل التحليلي من خلال عمود صغير معبأ يحتوي على إنزيم ثابت ؛ يتم تحديد درجة حرارة المحلول قبل إدخال المحلول في العمود تمامًا كما يتم ترك العمود باستخدام ثرمستورات منفصلة.

هذا هو النوع الأكثر استخدامًا من المستشعرات الحيوية ، ويمكن استخدامه لحلول ملوّنة وعرة. أكبر عيب هو الحفاظ على درجة حرارة تيار العينة ، ويقول ± 0.01 درجة مئوية ، ودرجة الحرارة. حساسية ونطاق هذه المستشعرات الحيوية منخفضة للغاية لمعظم التطبيقات. يمكن زيادة الحساسية باستخدام اثنين أو أكثر من الإنزيمات للمسار في المستشعر الحيوي لربط عدة تفاعلات لزيادة خرج الحرارة. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام الانزيمات متعددة الوظائف. مثال على ذلك هو استخدام الجلوكوز أوكسيديز لتحديد الجلوكوز.

2. أجهزة الاستشعار البيولوجية potentiometric:

وتستخدم أجهزة الاستشعار هذه أقطاب انتقائية أيونية لتحويل التفاعل البيولوجي إلى إشارة إلكترونية. الأقطاب الكهربائية المستخدمة هي الأقطاب الزجاجية الأكثر شيوعا في مقياس درجة الحموضة (للكاتيونات) ، أقطاب درجة الحموضة الزجاجية المغلفة بغشاء انتقائي للغاز (CO 2 ، NH ، أو H 2 S) أو أقطاب الحالة الصلبة. تولد العديد من التفاعلات أو تستخدم H + والتي يتم اكتشافها وقياسها بواسطة جهاز الاستشعار الحيوي ؛ في مثل هذه الحالات يتم استخدام حلول مخزنة ضعيفة للغاية. أقطاب الاستشعار عن الغاز كشف وقياس كمية الغاز المنتجة. ويستند مثال على هذه الأقطاب الكهربائية على اليورياز الذي يحفز ردود الفعل التالية:

CO (NH 2 ) 2 + 2H 2 O + H + → 2NH 4 + + HCO - 3

يمكن قياس هذا التفاعل من خلال حساسية الأس الهيدروجيني ، حساس الأس الهيدروجيني ، حساس NH 3 أو CO 2 حساس القطب. يمكن الآن إعداد أجهزة الاستشعار البيولوجي عن طريق وضع أغشية مطلية بالإنزيم على البوابات الأيونية الانتقائية للترانزستورات ذات التأثير الانتقائي. هذه المستشعرات الحيوية صغيرة للغاية.

3. الموجات الصوتية الموجة الصوتية:

هذه تسمى أيضا الأجهزة كهرضغطية. وعادة ما يتم طلاء سطحها بالأجسام المضادة التي ترتبط بالمستضد التكميلي الموجود في محلول العينة. هذا يؤدي إلى زيادة الكتلة مما يقلل من التردد الاهتزازي. يستخدم هذا التغيير لتحديد كمية المستضدات الموجودة في محلول العينة.

4. أجهزة الاستشعار البيولوجي آفيرومترية:

تعمل هذه الأقطاب الكهربائية من خلال إنتاج تيار عندما يتم تطبيق الجهد بين قطبين ، يتناسب حجم التيار مع تركيز الركيزة. يستخدم أبسط أجهزة الاستشعار البيولوجية amperometric قطب كلارك الأكسجين الذي يحدد اختزال O 2 الموجود في محلول العينة (المحلل). هذه هي أجهزة الاستشعار البيولوجي للجيل الأول. تُستخدم هذه المستشعرات الحيوية لقياس تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وهو مثال نموذجي هو تحديد مستوى الجلوكوز باستخدام أوكسيداز الجلوكوز.

المشكلة الرئيسية لمسببات الحساسية هي اعتمادها على تركيز O 2 المذاب في محلول التحليل. يمكن التغلب على هذا عن طريق استخدام الوسطاء ؛ هذه الجزيئات تنقل الإلكترونات الناتجة عن التفاعل مباشرة إلى القطب بدلا من تقليل O 2 المذابة في محلول محلول. وتسمى هذه أيضًا أجهزة الاستشعار البيولوجي للجيل الثاني. بيد أن الأقطاب الكهربائية الحالية ، تزيل الإلكترونات مباشرة من الإنزيمات المخفضة دون مساعدة من الوسطاء ، وهي مغلفة بأملاح عضوية موصلة كهربائيا.

5. أجهزة الاستشعار البصري الضوئية:

تقيس هذه المستشعرات الحيوية تفاعلات الحفز والألفة. وهي تقيس التغير في التألق أو الامتصاص الناجم عن المنتجات الناتجة عن التفاعلات التحفيزية. أو بدلاً من ذلك ، تقيس التغيرات التي حدثت في الخواص البصرية الجوهرية لسطح جهاز الاستشعار الحيوي بسبب تحميلها على جزيئات كعازل كهيدروجيني (في حالة تفاعلات الألفة). يستخدم جهاز استشعار حيوي واعد أكثر يشمل التلألؤ إنزيم يراعة luciferase للكشف عن البكتيريا في الغذاء أو العينات السريرية. البكتيريا هي lysed على وجه التحديد لإطلاق ATP ، والذي يستخدم من قبل luciferase في وجود 0 2 لإنتاج الضوء الذي يقاس بواسطة الاستشعار البيولوجي.