دانلود تحقیق بیوسنسورها

بسم الله الرحمن الرحیم

مقدمه :

توسعه تجارت جهانی مواد غذایی به چندین بیلیون دلار از نتایج صنعتی شدن می باشد .

صنایع غذایی مواد غذایی سالم و بی خطر را برای مصرف کنندگان فراهم نموده است .

صنایع غذایی در حال حاضر شامل فرآیندهایی همچون فرآوری ،حمل و نقل و نگهداری شده که اغلب این فرآیندها قبل از رسیدن ماده غذایی به دست مصرف کننده بر روی مواد غذایی که فساد پذیری بالایی دارند صورت گرفته است .

(12)

از آنجا که مصرف کنندگان نیز اهمیت قابل توجهی برای کیفیت محصولات غذایی که می خرند ، قائل هستند لذا این مسئله دست اندرکاران صنایع غذایی را وادار کرده تا بر کنترل محصولات غذایی تأکید بیشتری داشته باشند .

(11 )

بنابراین تجزیه مواد غذایی برای اطمینان یافتن از سلامت و بی خطر ماندن مواد غذایی تا زمان رسیدن به دست مصرف کننده و همچنین افزایش زمان نگهداری مواد فساد پذیر و بهبود کیفیت آنها ضروری است .

(12 )

در صنایع کشاورزی و غذایی کیفیت محصول در حال حاضر توسط تجزیه های شیمیایی و آزمون های میکروبی بصورت دوره ای و مستقیم سنجیده شده که این روش ها غالباً هزینه بر بوده ، با توجه به اینکه در اکثر موارد نیاز به مرحله آماده سازی یا استخراج نمونه داریم ، آزمون زمان بر بوده و از طرفی نیز برای انجام این آزمونها به تکنیسینهای ماهر نیاز داریم .

(11)

لذا یافتن روشی مناسب ، سریع و مؤثر که توسط آن بتوان تجزیه های شیمیایی مواد غذایی را انجام داده و حضور ترکیبات آلرژیک و پاتوژن را آشکار ساخت یکی از بزرگترین چالشهایی است که در صنایع فرآوری مواد غذایی با آن روبرو هستیم .

(11)

اختراعات اخیر در زمینه الکترونیک و تکنولوژی کامپیوتر افقهای جدیدی را برای رسیدن به بالاترین حدّ دقت در کنترل مواد اولیه ، محصولات ، فرآیندها ، عملکرد ماشینها در صنایع غذایی و برطرف کردن چالش فوق باز کرده است .

(11)

از جمله این اختراعات بیوسنسورها هستند ، که حاصل تحقیقات پیشرفته بین چند رشته مختلف همچون شیمی تجزیه ، بیولوژی و میکروالکترونیک می باشد .

بیوسنسورها زمان و هزینه آزمایشات را کاهش داده و از طرفی اطمینان از سلامت محصول را افزایش داده اند .

بیوسنسورها همچنین برای شناسایی یا اندازه گیری آنالیت ها در سیستمهای مداوم نیز کارایی یافته اند .

اینها در واقع ایجاد کننده روشی سریع ، غیر مخرب و داده دهنده برای کنترل کیفی یک محصول می باشند .

با توجه به این مسائل بیوسنسورها قابلیت خلق یک انقلاب تجزیه ای را برای حل مشکلات تجزیه ای موجود در صنایع غذایی دارند .

(11)

و به همین جهت است که در حال حاضر تخمین زده می شود ، بیوسنسورها رشد و توسعه سالانه ای حدود 60% داشته باشند .

(3)

در هر حال امروزه بیوسنسورها کاربرد بسیار گسترده ای در صنایع مختلف پیدا کرده اند ، که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

اندازه گیری و تشخیص ویتامین B1  ، اکسیدهای نیتروژن ، متان ، دی اکسید کربن ، موتاژنها ، BOD اسیدهای آمینه ، سموم میکروبی ، تعیین اسیدهای چرب کره و ...

(2)

بیوسنسورها سیستمهای شناسایی بیولوژیکی هستند که از ترکیب عناصر حساس بیولوژیکی با ترانسدیوسرهای ( مبدلهای ) مناسب تشکیل شده اند و قادرند غلظت مواد مورد تجزیه با فعالیتهای بیولوژیکی را به سیگنالهای الکترونی و دیجیتالی تبدیل کنند .

(2) (شکل 1 ) شکل (1) طرحی شماتیک از اجزای اصلی بیوسنسور .

a .

بیوکاتالیست ، که سوبسترا را به محصول تبدیل می کند .

b .

مبدل (Transducer ) ، که عمل تبدیل واکنش های شناسایی شده را به سیگنالهای الکتریکی برعهده دارد .

c .

تقویت کننده (amplifier ) که سیگنال خروجی از مبدل را تقویت می کند .

d .

فرآیند کننده سیگنال (processor ) e .

نمایشگر (displayer ) .

در واقع بیوسنسور به عنوان ابزار تجزیه گر فشرده ای تعریف می شود که در آن یک ماده بیولوژیکی حساس یا مشتق شده بصورت بیولوژیکی (Bioreceptor ) با اتصالی فیزیکی شیمیایی در تماس نزدیک با مبدل (Transducer ) قرار گرفته است .

(11) اساس کار در این وسیله با ایجاد اتصالی مخصوص بین آنالیت مورد نظر با عنصر شناساگر بیولوژیکی مکمل (بیوکاتالیست ) آن که بر روی یک تکیه گاه مناسب واسطه تثبیت شده همراه می باشد .

نتیجه این عمل متقابل ویژه تغییر در یک یا بیشتر از خصوصیات فیزیکی شیمیایی محیط خواهد بود .

(مثل تغییر pH ، انتقال الکترون ، تغییر جرم ، انتقال حرارت ، جذب یا آزادسازی گازها یا یونهای مخصوص ) که بوسیله مبدل شناسایی شده و به سیگنالی الکتریکی تبدیل شده و در نهایت به صورت عددی کمی نشان داده می شود .

(11) 1.a ) بیوکاتالیست : مواد بیولوژیکی مورد استفاده در تکنولوژی بیوسنسورها ، آنزیم ، آنتی بادی ها و اسیدهای نوکلئیک ، میکروارگانیسم ها ، بافت ها و سلولها می توانند باشند .

(11) این مواد بیولوژیکی موجب می شوند که بیوسنسور بصورت انتخابی یا اختصاصی عمل کند .

این قسمت از بیوسنسور در شناسایی و اندازه گیری سریع مولکولها یا واکنشهای شیمیایی ویژه نیز دخالت دارد .

این واکنشگرهای بیولوژیکی را به روش های مختلف می توان روی یک حامل جامد تثبیت کرد .

جذب فیزیکی جزء زیستی بر اساس نیروهای جاذب و اندر والس قدیمیترین و ساده ترین روش تثبیت است .

یکی از معایب عمده این روش این است که نیروهای اتصالی جزء زیستی و حامل براحتی کنترل نمی شود .

برای بهبود عملکرد بیوسنسور لازم است که واکنشگر بیولوژیکی را با اتصال کووالانسی به حامل جامد متصل کرد .

(2) 2.a ) مبدل (Transducer ) قسمت کلیدی یک بیوسنسور مبدل یا ترانسدیوسر آن می باشد .

(3) که تغییرات فیزیکی و شیمیایی حین واکنش را قابل استفاده و اندازه گیری می نماید .

(11) یا به عبارتی ترانسدیوسرها سیگنال بیولوژیکی تولید شده را به سیگنال قابل اندازه گیری و پردازش الکتریکی تبدیل می کند .

این سیگنالها تقویت شده و بصورت مورد نظر نشان داده می شوند .

(2) ترانسدیوسرها می توانند الکترود ، ترانزیستور ، ترمیستور ، فیبرنوری یا کریستال فشار الکتریکی باشند .

(11) این ترانسدیوسرها باید ویژگی های زیر را داشته باشند : 1- نسبت به آنالیت کاملاً اختصاصی عمل کنند 2- واکنش در آنها در غلظت مناسبی صورت گیرد 3- زمان پاسخ آنها کوتاه باشد ، بین 1 تا 60 ثانیه 4- بتوان تا حد امکان اندازه آنها را کوچک کرد .

(2) بیوسنسورها را بر اساس ترانسدیوسرهای آنها به چهار دسته عمده تقسیم بندی می کنند : بیوسنسورهای الکتروشیمیایی ، نوری ، حرارتی ، و جرمی .

(2) در میان بیوسنسورهای مختلف ، بیوسنسورهای الکترو شیمیایی خصوصاً بیوسنسورهای آمپرومتریک اخیراً موقعیت برجسته تری پیدا کرده اند .

(4) و بهمین دلیل نیز اکثر کوشش های اخیر در ارتباط با بیوسنسورهای الکتروشیمیایی پتانسیومتریک و آمپرومتریک می باشد .

(3) بیوسنسور خوب بایستی حداقل بعضی از خصوصیات زیر را دارا باشد : 1- بیوکاتالیست آن با توجه به هدف تجزیه بایستی کاملاً اختصاصی عمل کند و بیوکاتالیست آن بایستی تحت شرایط عادی پایدار باشد .

2- واکنش بیوکاتالیست با آنالیت بایستی وابسته به پارامترهای فیزیکی مثل تغییر pH ، درجه حرارت و .

.

باشد تا قابل کنترل و هدایت و استفاده توسط ترانسدیوسرها بوده .

همچنین بایستی اجازه آنالیز نمونه را با کمترین فرآیند آماده سازی بدهند .

3- نتیجه بدست آمده توسط بیوسنسورها بایستی دقیق و قابل تکرار باشد و پاسخی باشد که بدون رقیق یا غلیظ کردن نمونه بدست آمده باشد .

همچنین پاسخ بایستی عاری از اختشاشات الکتریکی باشد .

4- بیوسنسور کامل بایستی ارزان ، کوچک ، قابل حمل و استفاده توسط کاربران نیمه ماهر نیز باشد .

5- اگر از بیوسنسور برای کنترل عوامل میکروبی مهاجم در کارهای بالینی استفاده شده ، میله آن بایستی نازک و زیست سازکار باشد و اگر از آن در صنایع تخمیر استفاده می شود بایستی قابل استریل باشند .

(3) در روند توسعه بیوسنسورها با سه نسل از آنها تا به حال مواجه بودیم : 1- بیوسنسورهای نسل اول : در این بیوسنسورها محصول حاصل از واکنش بیوکاتالیست با آنالیت به مبدل یا ترانسدیوسر منتشر شده و باعث ایجاد سیگنالهای الکتریکی می شوند .

2- بیوسنسورهای نسل دوم : بیوسنسورهایی بودند که در آنها واسطه ای بخصوص بین بیوکاتالیست و مبدل قرار داده شده بود که محصول حاصل از واکنش بیوکاتالیست با آنالیت را گرفته و به ترانسدیوسر منتقل کرده ، که اینها نتایج واکنش را نیز تشدید می نمایند .

3- بیوسنسورهای نسل سوم : بیوسنسورهایی هستند که در آنها خود واکنش بطور مستقیم باعث ایجاد پاسخ شده و در آنها واسطه ها و سیستم انتشار را نداریم .

(3) در انتها نیز باید متذکر شد فناوری جدید نانو نکنولوژی نقش بسیار مهمی در توسعه و پیشرفت بیوسنسورها بازی کرده و در آینده نیز خواهد نمود .

بطوریکه با استفاده از نامنومتریالها ، حساسیت و عملکرد بیوسنسورها بطور قابل توجهی افزایش یافته (9) و باعث می شود این وسیله تا پنج برابر قویتر ، تا ده برابر مؤثرتر و میلیونها برابر بهتر عمل کرده .

(1) نانوتکنولوژی باعث می شود که در زمینه های تجزیه بیولوژیکی و شیمیایی توسط این وسیله تغییراتی اساسی صورت گرفته و این وسیله را از حالت وسیله ای تک منظوره خارج کرده و آن را به ابزاری تبدیل کند که تجزیه های سریع چندین جزئی را بتوان در طبیعت انجام داد .

(9) b ) بیوسنسورهای الکترو شیمیایی : بیوسنسورهای الکترو شیمیایی خود دارای چهار نوع مختلف توان سنجی (Potentiometric ) آمپرسنجی (Amperometric ) ، هدایت سنجی (Conductiometric ) و امپدانس سنجی (Impedimetric ) می باشند .

(2) که ما در اینجا دو نوع اول را که کاربرد وسیعتری یافته اند را معرفی می نمائیم .

1.b ) بیوسنسورهای توان سنجی (Potentiometric biosensors ) این دسته از بیوسنسورها در یک موقعیت خنثی کار می کنند که هیچ جریانی وجود ندارد و اساس کار آنها تجمع دانستیه بار در سطح الکترود است که توسط محصولات فرآیند بیوکاتالیکی بوجود می آید .

در این بیوسنسورها پتانسیل بین دو الکترود وقتی که هیچ جریانی بین آنها وجود ندارد ، اندازه گیری می شود .(2) مهمترین بیوسنسور پتاسیومتریک بر پایه الکترود یون انتخابی (Ion selective electrode ) می باشد .

و نمونه ای ساده از این بیوسنسورها ، بیوسنسوری است که در آن غشائی آنزیمی را بر روی الکترود pH متر تثبیت نموده اند .

(شکل 3) واکنشی که در مجاور غشاء شیشه ای حساس pH متر اتفاق می افتد باعث تغییر pH شده که می تواند بطور مستقیم از نمایشگر pH متر خوانده شود .

(4) شکل (2) : نمونه ای از بیوسنسور پتانسیومتریک : a : غشاء نیمه تراوا که اطراف بیوکاتالیست را پوشانده ، b : بیوکاتالیست ، c : غشاء شیشه ای فعال ، d : الکترود pH متر e : پتانسیل الکتریکی که معمولاً بین الکترود داخلی Ag/Agcl (f ) غرق شده در Hcl رقیق (g ) و الکترود خارجی استاندارد (h ) برقرار شده .

(4 ( سه نوع از انواع الکترودهای یون انتخابی (Ise ) که در بیوسنسورهای پتانسیومتریک استفاده می شوند .

1- الکترودهای شیشه ای مخصوص کاتیون ها ( مثل الکترود pH متر معمولی ) در این الکترودها عنصر حس کننده یک غشاء شیشه ای هیدراته خیلی نازک می باشد .

این غشاء پتانسیل الکتریکی را که حاصل رقابت کاتیونهای مختلف با توجه به غلظتشان برای اتصال به نقاط مخصوص این غشاء می باشد را آشکار می نماید .

انتخاب پذیری این غشاء توسط ترکیبات شیشه سازنده آن تعیین می گردد .

میزان حساسیت این اکترودها نیز به کاتیون بسیار بزرگتر از 9 NH می باشد .

(4) 2- الکترودهای pH شیشه ای : در این الکترودها سطح الکترود توسط یک غشاء نفوذ پذیر انتخابی به گاز (H2S , NH3 , CO2 ) پوشیده شده .

انتشار گاز از درون این غشاء باعث تغییری در pH محلول حس کننده بین غشاء و الکترود شده که این مسئله باعث تعیین مقدار آن گاز و در نهایت مقدار آنالیت خواهد شد .

3- الکترودهای حالت جامد ( Solid – State electrodes ) در این الکترودها غشاء شیشه ای توسط یک غشاء هادی یونهای بخصوص که از مخلوط سولفید نقره و هالیدنقره ساخته شده جایگزین شده است .

از این الکترودها برای تعیین آنیونهایی مثل در واکنش پراکسیداز و آنیون سیانیدین (آمیگدالین موجود در بادام تلخ ) می توان استفاده نمود .

(4) (لیست زیر را مشاهده کنید .

) لیست 1 واکنشهایی شامل جذب و آزادسازی یونهای مختلف که توسط بیوسنسورهای پتانسیومتریک قادر به اتولیز می باشد .

(4) الف : کاتیون D-glucose + O2 glucose oxidase D-glucono -1,5 – lactate + H2O2 H2O D-gluconate + H+ Penicillin Penicillinase Penicilloic acid + H+ H2NCO NH2 + H2O + 2H+ urease ( PH = 6 ) a 2NH4+ + CO2 H2NCoNH2 +