بهره گیری از هوشمندی مواد بیولوژیکی و تلفیق آن با دانش الکترونیک، منجر به پیدایش ابزارهای آنالاتیکی هوشمندی شده است که نام آن را زیست حسگر(bio-sensor) نهاده اند. ترنر (P.F Turner) از اولین کسانی است که تلاش نمود تا تعریف جامعی از زیست حسگر ارائه دهد. وی در مجله “بیوسنسور و بیو الکترونیک”، زیست حسگرها را چنین تعریف نموده است: “زیست حسگرها ابزارهای آنالاتیکی هستند که از تلفیق یا ارتباط نزدیک یک ماده بیولوژیکی (بافت،ریزاندامگان ،اندامکها،یاخته ها، گیرنده ها، آنزیم ها، آنتی بادی ها، نوکلئیک اسیدها یا امثال آنها)، مشتق یک ماده بیولوژیکی یا ترکیبی با رفتار مشابه آن، از یک سو، و یک مبدل شیمی – فیزیکی یا یک ریز مبدل (که ممکن است نوع نوری ، الکترو شیمیایی، حرارت سنجی، پیزوالکتریکی یا مغناطیسی باشد)، از دیگر سو ، پدید می آیند. زیست حسگرها معمولاً چنان قابلیتی دارند که می توانند با بهره گیری از ویژگی عمل ماده بیولوژیک خود ، یک ترکیب یا گروهی از ترکیبات مشابه را شناسایی نموده و با آن برهم کنش نمایند و نتیجه را به صورت یک پیام الکتریکی گزارش کنند.این پیام همواره با غلظت ترکیب مورد سنجش دارای تناسب کمّی است. بسته به تقاضای مصرف کننده ، زیست حسگر ممکن است یکبار مصرف بوده یا در مدت مدیدی از آن استفاده شود. این ابزارها در گستره ی وسیعی از کاربردهای آنالاتیکی از قبیل تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی ، کنترل های زیست محیطی ، کنترل فرآیندهای صنعتی و سرانجام هشدار دهنده های ایمنی و دفاعی کارایی دارند. بیشترین بازار زیست حسگرها، مربوط به تشخیص های پزشکی است. آمار نشان می دهد که در سال 1990 بازار این محصول تنها در اروپا بالغ بر 4 میلیارد دلار بوده است. تا کنون کتاب های متعددی توسط ناشران معتبر بین المللی در معرفی زیست حسگرها نگاشته شده است، ولی غالب آنها به صورت مجموعه مقالات است و مطالب آنها از پیوستگی مناسب برخوردار نبوده و جامعیت لازم را ندارد.
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.
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 2 ، 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 .
