فصل اولمبانی و کلیاتمقدمهامروزه در زمینه‌های مختلفی از جمله پزشكي،صنايع شيميايي،صنايع غذايي،زيست محيطي وتوليدمحصولات دارويي- بهداشتي از حسگرهای زیستی[1] استفاده می‌شود. در محیط‌های کلینیکی و پزشکی، وجود ابزارهایی جهت تشخیص بیماریها، امری بسیار ضروری می‌باشد. توسعه‌ی سیستم‌هایی که دارای بانک کاملی از مشخصات انواع بیماریها بوده و محیطی آسان و مطلوب را جهت استفاده‌ی کاربران خود فراهم کنند، موضوعی است که محققان علوم مختلفی را همچون علم پزشکی و شاخه‌های علمی مرتبط، به سمت خود جذب نموده است. یکی از روش‌های معمول تشخیص بیماری، نمونه برداری می‌باشد که عمدتاً از طریق خون یا ادرار صورت می‌پذیرد. این روش دارای مشکلات متعددی نیز می‌باشد. محدودیت‌های دسترسی لحظه به لحظه به بیمار، طولانی بودن مدت تشخیص بیماری از روی نمونه‌ها، تغییر غلظت نمونه‌ها با گذشت زمان و قابل توجه بودن حجم نمونه‌ها از جمله‌ی این مشکلات می‌باشد. استفاده از روش‌های تشخیص سریع و یا ترکیبی از این روش‌ها که به کمترین حجم از نمونه‌ها نیاز داشته باشد، باعث کاهش زمان، هزینه و احتمال بروز خطا به هنگام تشخیص بیماری می‌گردد. یکی از راه‌های دست‌یابی به این هدف، استفاده از حسگرهای زیستی می‌باشد. حسگرهاحسگرها گونه‌ای مبدل هستند. بعضی از حسگرها به تنهایی قابل استفاده اند و برای خواندن آنهااحتیاجی به وسایل جانبی دیگری نیست، مانند دماسنج جیوه ای.دسته ی دیگر برای استفاده باید با وسایل دیگری همراه باشند مثل ترموکوپل.بیشتر حسگرها الکتریکی یا الکترونیکی هستند که انواع الکتریکی از دقت پایین تری برخوردارند. البته انواع دیگری نیز موجود است. حسگرها در زندگی روزمره ما به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرند، مواردی که شامل خودرو، ماشین‌های صنعتی، تجهیزات فضائی و حتی دارویی می‌شود. پیشرفت فنی باعث شده تا انواع مختلف و گوناگونی از حسگرها با فناوری ام‌ای‌ام‌اس (MEMS) تولید شود. در اکثر موارد این کار باعث بدست آمدن حساسیت بالا شده است.با به وجود آمدن راه‌های مختلف برای نمایش اثر انرژیها، حسگرها بر اساس انرژی مورد آزمون، که حسگر آن را دریافت می‌کند، طبقه بندی می‌شوند.دماسنج (thermometer)ترموکوپل (thermocouple)مقاومت‌های حساس به گرما (thermistors and resistance temperature detectors)بولومتر (bolometer)گرماسنج (calorimeter)حسگرهای مقاومت الکتریکیالکتروسکوپ (electroscope)ولت‌سنج (voltmeter)اما چرا از حسگرها استفاده می کنیم ؟ همانطور که در ابتدای این گفتار اشاره شد حسگرها اطلاعات مورد نیاز را در یافت و کمیتهای فیزیکی یا شیمیایی موردنظر را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می کنند.مزایای سیگنالهای الکتریکی را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد:– پردازش راحتتر و ارزانتر– انتقال آسان– دقت بالا– سرعت بالا– و...حسگر های زیستیحسگرها در پزشکي وبهداشت، صنايع شيميايي، صنايع دفاعي وصنعت خودرو کاربردهاي فراواني دارند. درقسمت قبل به شرح نانو حسگرها پرداختيم. دراين قسمت به معرفي حسگرهاي زيستي مي پردازيم.ويژگي هاي مهم نانو حسگرها انتخاب گري بالاتر،حساسيت زيادتر،ابعاد کوچکتر وارزان تر هستند. نانوحسگرها به طور ذاتي کوچکتر و حساس‌تر از ساير حسگرها مي‌باشند. وهمان طور که گفتيم اين ظرفيت را دارند که قيمت تمام شده آنها کمتر از قيمت تمام‌شده حسگرهاي موجود در بازار باشد.در بخش نظامي و امنيت ملي احتياج به حسگرهاي بسيار حساسي است که بتوانند به صورت گسترده توزيع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بيوسم‌هاي زيستي را مورد بررسي قرار داد. در زمينه پزشکي نياز به حسگرهاي بسيار حساسي به صورت آزمايشگاه‌هايي بر روي تراشه است كه بتوانند کوچک‌ترين علائم نشان‌دهنده سرطان را شناسايي کنند. در صنايع هوافضا احتياج به نانوحسگرهايي است که در بدنه هواپيماها به عنوان سيستم هشداردهنده ثابت قرار بگيرند و مشخص کنند که چه زماني هواپيما احتياج به تعميرات دارد.در صنايع اتومبيل ميتوان از نانوحسگرها براي مصرف بهينه سوخت استفاده کرد. همچنين در اتومبيل‌هاي گران‌قيمت ميتوان براي بهبود وضعيت صندلي و وضعيت کنترل‌هاي موجود به تناسب حالت‌هاي مختلف بدن، اين نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدي ميتوان از آن در فناوري اطلاعات به منظور ترغيب در فراگيرشدن سيستمهاي محاسبه‌گر رايانه‌هاي همراه هميشه روشن استفاده کرد. همچنين ميتوان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌هاي هوشمندي که براي ارتباطات ثابت بين ساير تلفن‌هاي هوشمند و رايانه‌هاي همراه از آنها استفاده مي‌شود، به کار برد! اصول و کاربردهای حسگر هاي زيستيحسگر زيستي يا بيوسنسور نامِ گروهي از حسگرها است. اين حسگرها به گونه‌اي طراحي مي‌شوند تا تنها با يک ماده‌ي خاص واکنش نشان دهند. نتيجه‌ي اين واکنش به صورتِ پيام‌هايي در مي‌آيد که يک ريزپردازنده، مي‌تواند آنها را تحليل کند. اين حسگرها از سه بخش تشکيل شده‌اند.پذيرنده‌ي زيستي يا بيورسپتور: يک عنصر زيستي (پادتنها، اسيد نوکلئيکها، آنزيم‌ها، سلول‌ها و ديگر ماده‌هايِ زيستي) که مي‌تواند به صورتِ انتخابي تنها با ماده‌ي خاصي واکنش نشان دهد.بيورسپتور هايي که در حسگرهاي زيستي مورد استفاده قرار مي گيرند به شرح ذيل مي باشند:1. آنزيم2. آنتي بادي3. گيرنده هاي سلولي4. اسيدهاي نوکلئيک DNA يا RNA5. ميکرو ارگانيسم يا سلول کامل6. بافت7. گيرنده هاي سنتتيکآشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌اي خاص با پذيرنده‌هايِ زيستي، وارد عمل مي‌شوند و مي‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هايِ مختلفِ فيزيکي-شيمايي کرده (مثلاً با بررسيِ تغييرهايِ الکتروشيميايي، نوري، جرمي يا حرارتيِ قبل و بعد از واکنش) و به وسيله‌ي سيگنال‌هايِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.انواع متداول مبدل هاي مورد استفاده در بيوسنسورها شامل:سنسورهای الکتروشيميايي مبدل هاي الکتروشيميايي به سه دسته پتانسيومتري تقسيم مي شوند (اين روش مبتني بر اندازه گيري پتانسيل يک پيل در جريان صفر است). اين پتانسيل با لگاريتم غلظت ماده مورد سنجش متناسب است، (ولتامتري) يک پتانسيل به پيل اعمال مي شود تا اکسايش (يا کاهش) ماده مورد سنجش اتفاق افتد و يک افزايش يا کاهش در جريان پيل ايجاد شود. اين روش به آمپرمتري معروف است و رسانايي سنجي محلول هاي حاوي يون هادي الکترون هستند. بزرگي اين رسانايي در اثر واکنش شيميايي تغيير مي يابد.رابطه بين رسانايي و غلظت به طبيعت واکنش وابسته است.سنسور های نوري( لومينسانس، جذب و تشديد پلاسمون سطح ) روش هاي مورد استفاده در بيوسنسورهاي نوري شامل طيف سنجي جذب، طيف سنجي فلورسانس، طيف سنجي انعکاس داخلي، پراش نور است.این سنسورها دارای دو نوع حساس به تغيير جرم و حرارتي مي باشند.تمام فرايندهاي شيميايي با توليد يا جذب انرژي همراه هستند. اين حرارت را مي توان با يک ترميستور حساس اندازه گيري کرد و آن را به ميزان واکنش نسبت داد.پردازنده هاي سيگنال که عمدتا مسئول براي نمايش نتايج و انجام محاسبات حسگر هستند.حسگرهاي زيستي طي سالهاي اخير مورد توجه بسياري از مراکز تحقيقاتي قرار گرفته است. حسگرهاي زيستي يا سنسورهاي بر پايه مواد بيولوژيکي اکنون گستره ي وسيعي از کاربردها نظير صنايع دارويي، صنايع خوراکي، علوم محيطي، صنايع نظامي بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل مي شود.به طور کلي ميتوان گفت حسگر هاي زيستي يک گروه از سيستمهاي اندازه گيري مي باشند و طراحي آنها بر مبناي شناسايي انتخابي آناليتها بر اساس اجزا بيولوژيک وآشکارسازهاي فيزيکي و شيميايي صورت مي پذيرداز آنجا که حسگر هاي زيستي ابزاري توانمند جهت شناسايي مولکول هاي زيستي مي باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکي، صنايع شيميايي، صنايع غذايي، مانيتورينگ محيط زيست، توليد محصولات دارويي، بهداشتي و غيره بهره مي گيرند.در واقع اين حسگرها ابزاري توانمند جهت شناسايي مولکولهاي زيستي مي باشند. حواس بويايي و چشايي انسان که به شناسايي بوها و طعمهاي مختلف مي پردازد و يا سيستم ايمني بدن که ميليونها نوع مولکول مختلف را شناسايي مي کند، نمونه هايي از حسگرهاي زيستي طبيعي مي باشند. بيشترين کاربرد حسگرهاي زيستي در تشخيص هاي پزشکي و علوم آزمايشگاهي است، در حال حاضر بيوسنسور هاي گلوکز از موفق ترين بيوسنسور هاي موجود در بازار بوده که براي اندازه گيري غلظت گلوکز خون بيماران ديابتي استفاده مي شود.