ما هو المستشعر الحيوي وأنواع المستشعرات الحيوية والتطبيقات

ما هو المستشعر الحيوي وأنواع المستشعرات الحيوية والتطبيقات

تم اختراع أول جهاز استشعار حيوي في عام 1950 من قبل عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي 'L.L Clark'. يستخدم هذا المستشعر الحيوي لقياس الأكسجين في الدم ، ويسمى القطب المستخدم في هذا المستشعر باسم قطب كلارك أو قطب الأكسجين. بعد ذلك ، تم وضع هلام مع إنزيم مؤكسد الجلوكوز على قطب الأكسجين لحساب نسبة السكر في الدم. في المقابل ، تم استخدام إنزيم اليورياز مع قطب كهربائي تم اختراعه بشكل خاص لأيونات NH4 ++ لحساب اليوريا في سوائل الجسم مثل البول والدم.



هناك ثلاثة أجيال من أجهزة الاستشعار الحيوية متوفرة في السوق. في النوع الأول من المستشعر الحيوي ، يتشتت تفاعل المنتج مع المستشعر ويسبب التفاعل الكهربائي. في النوع الثاني ، يشتمل المستشعر على وسطاء معينين بين المستشعر والاستجابة من أجل إنتاج استجابة أفضل. في النوع الثالث ، تؤدي الاستجابة نفسها إلى رد الفعل ولا يتدخل أي وسيط بشكل مباشر. تقدم هذه المقالة نظرة عامة على جهاز الاستشعار البيولوجي ، عمل أجهزة الاستشعار الحيوية ، بمختلف أنواعها وتطبيقاتها.


ما هو جهاز الاستشعار البيولوجي؟

يمكن تعريف المستشعرات الحيوية على أنها أجهزة تحليلية تشمل مجموعة من عناصر الكشف البيولوجي مثل نظام الاستشعار ومحول الطاقة. عندما نقارن مع أي جهاز تشخيص آخر موجود حاليًا ، هذه المجسات متطورة في ظروف الانتقائية وكذلك الحساسية. ال تطبيقات هذه المستشعرات الحيوية تشمل بشكل أساسي فحص التحكم في التلوث البيئي ، في مجال الزراعة وكذلك الصناعات الغذائية. السمات الرئيسية لأجهزة الاستشعار الحيوية هي الاستقرار والتكلفة والحساسية وقابلية التكاثر.





الاستشعار الحيوي

مصدر الصورة

المكونات الرئيسية لجهاز الاستشعار البيولوجي

ال مخطط كتلة من المستشعر الحيوي يتضمن ثلاثة أجزاء هي ، المستشعر ، محول الطاقة ، والإلكترونات المرتبطة. في المقطع الأول ، يكون المستشعر جزءًا بيولوجيًا متجاوبًا ، أما الجزء الثاني فهو جزء الكاشف الذي يغير الإشارة الناتجة من ملامسة التحليلات وللنتائج التي يعرضها بطريقة يسهل الوصول إليها. يتكون القسم الأخير من مكبر للصوت والتي تُعرف بدائرة تكييف الإشارة ووحدة العرض وكذلك المعالج.



المكونات الرئيسية لجهاز الاستشعار البيولوجي

مصدر الصورة

مبدأ عمل المستشعرات الحيوية

عادة ، يتم إلغاء تنشيط إنزيم معين أو مادة بيولوجية مفضلة بواسطة بعض الطرق المعتادة ، وتكون المادة البيولوجية المعطلة على اتصال قريب مع محول الطاقة. تتصل المادة التحليلية بالكائن البيولوجي لتشكيل مادة تحليلية واضحة والتي بدورها تعطي التفاعل الإلكتروني الذي يمكن حسابه. في بعض الأمثلة ، يتم تغيير المادة التحليلية إلى جهاز قد يكون متصلاً بتفريغ الغاز أو الحرارة أو أيونات الإلكترون أو أيونات الهيدروجين. في هذا، محول الطاقة يمكن أن يغير الجهاز المرتبط ويتحول إلى إشارات كهربائية يمكن تغييرها وحسابها.

عمل المستشعرات الحيوية

غالبًا ما تكون الإشارة الكهربائية لمحول الطاقة منخفضة وتتراكب على خط أساس مرتفع إلى حد ما. بشكل عام ، تتضمن معالجة الإشارة خصم إشارة خط الأساس للموضع ، التي تم الحصول عليها من محول طاقة ذي صلة دون أي غطاء محفز حيوي.


الطابع البطيء نسبيًا لتفاعل جهاز الاستشعار الحيوي يخفف بشكل كبير من مشكلة ترشيح الضوضاء الكهربائية. في هذه المرحلة ، سيكون الإخراج المباشر إشارة تناظرية ولكن يتم تغييرها إلى شكل رقمي ويتم قبولها معالج دقيق المرحلة التي تتقدم فيها المعلومات ، وتتأثر بالوحدات المفضلة و o / p إلى مخزن البيانات.

أنواع المستشعرات الحيوية

يتم تصنيف الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار الحيوية على أساس جهاز الاستشعار وكذلك المواد البيولوجية التي تمت مناقشتها أدناه.

1. جهاز الاستشعار البيولوجي الكهروكيميائي

بشكل عام ، يعتمد المستشعر الحيوي الكهروكيميائي على تفاعل التحفيز الأنزيمي الذي يستهلك أو يولد الإلكترونات. تسمى هذه الأنواع من الإنزيمات باسم إنزيمات الأكسدة والاختزال. تشتمل ركيزة هذا المستشعر الحيوي بشكل عام على ثلاثة أقطاب كهربائية مثل العداد والمرجع ونوع العمل.

جهاز الاستشعار البيولوجي الكهروكيميائي

مصدر الصورة

يشارك الكائن التحليلي في الاستجابة التي تحدث على سطح القطب النشط ، وقد ينتج عن هذا التفاعل أيضًا نقل الإلكترون عبر إمكانات الطبقة المزدوجة. يمكن حساب التيار عند مجموعة محتملة.

يتم تصنيف المستشعرات الحيوية الكهروكيميائية إلى أربعة أنواع

  • المستشعرات الحيوية الأمبيرومترية
  • مستشعرات بيولوجية قياس الجهد
  • المستشعرات الحيوية المعيقة
  • أجهزة الاستشعار الحيوية الفولتميترية

2. جهاز الاستشعار البيولوجي Amperometric

جهاز الاستشعار الحيوي amperometric هو جهاز متكامل قائم بذاته يعتمد على كمية التيار الناتج عن الأكسدة التي تقدم معلومات تحليلية كمية دقيقة.

بشكل عام ، هذه المستشعرات الحيوية لها أوقات رد فعل ، ونطاقات حيوية وحساسيات مماثلة لمستشعرات قياس الجهد. جهاز الاستشعار الحيوي البسيط في الاستخدام المتكرر يتضمن قطب 'أكسجين كلارك'.

جهاز الاستشعار البيولوجي Amperometric

مصدر الصورة

تعتمد قاعدة هذا المستشعر الحيوي على مقدار تدفق التيار بين القطب الكهربي المضاد والعمل الذي يتم تشجيعه من خلال استجابة الأكسدة والاختزال في القطب التشغيلي. يعد اختيار مراكز التحليل أمرًا ضروريًا لمجموعة واسعة من الاستخدامات ، بما في ذلك فحص الأدوية عالي الإنتاجية ، ومراقبة الجودة ، وإيجاد المشكلات والتعامل معها ، والفحص البيولوجي.

3. مستشعرات بيولوجية قياس الجهد

يوفر هذا النوع من أجهزة الاستشعار استجابة لوغاريتمية عن طريق نطاق عالي الطاقة. غالبًا ما يتم استكمال هذه المستشعرات الحيوية عن طريق جهاز مراقبة ينتج نماذج أولية للإلكترود ملقاة على ركيزة اصطناعية ، مغطاة ببوليمر مؤثر مع بعض الإنزيم المتصل.

مستشعرات بيولوجية قياس الجهد

مصدر الصورة

وهي تتألف من قطبين كهربائيين متجاوبين وقويين بشكل كبير. أنها تسمح بالتعرف على التحليلات على مراحل قبل الوصول إليها فقط عن طريق HPLC و LC / MS وبدون إعداد نموذج دقيق.

تشغل جميع أنواع المستشعرات الحيوية عمومًا أقل تحضير للعينة لأن مكون الكشف البيولوجي يتم اختياره بشدة في التحليل المضطرب. من خلال التغييرات الفيزيائية والكهروكيميائية ، سيتم إنشاء الإشارة في طبقة البوليمر الموصلة بسبب التعديل الذي يحدث في الجزء الخارجي من المستشعر الحيوي.

يمكن أن تُنسب هذه التغييرات إلى استجابات القوة الأيونية ، والترطيب ، ودرجة الحموضة ، والاختزال ، فيما بعد كتسمية إنزيم يدور فوق الركيزة. في FETs ، تم تغيير طرف البوابة بجسم مضاد أو إنزيم ، يمكن أيضًا أن يشعر باهتمام منخفض جدًا من التحليلات المختلفة لأن المطلوب من التحليل باتجاه طرف البوابة إجراء تعديل في الصرف إلى مصدر التيار.

4. أجهزة الاستشعار الحيوية المعيقة

يعد EIS (التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية) مؤشرًا متجاوبًا لمجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية. ويلاحظ في الوقت الحاضر اتجاه متزايد نحو التوسع في أجهزة الاستشعار الحيوية المعيبة. تم تنفيذ تقنيات Impedimetric للتمييز بين اختراع المستشعرات الحيوية وكذلك لفحص الاستجابات المحفزة للإنزيمات الليكتين والأحماض النووية والمستقبلات والخلايا الكاملة والأجسام المضادة.

المستشعرات الحيوية المعيقة

مصدر الصورة

5. جهاز استشعار حيوي الفولتميتر

هذا الاتصال هو أساس جهاز استشعار حيوي فولتميتر جديد لملاحظة مادة الأكريلاميد. تم بناء هذا المستشعر الحيوي باستخدام قطب كربون لاصق مخصص للهيموجلوبين (الهيموجلوبين) ، والذي يتضمن أربع مجموعات بروستاتية من الحافة (Fe). يُظهر هذا النوع من الإلكترود أكسدة عكسية أو إجراء اختزال لـ Hb (Fe).

جهاز استشعار حيوي فيزيائي

في شروط التصنيف ، تعتبر أجهزة الاستشعار الفيزيائية هي الأكثر أساسية وكذلك أجهزة الاستشعار المستخدمة على نطاق واسع. الأفكار الرئيسية وراء هذا التصنيف تحدث أيضًا من فحص العقول البشرية. نظرًا لأن طريقة العمل العامة وراء ذكاء السمع والبصر واللمس هي التفاعل مع المحفزات المادية الخارجية ، لذلك تم تسمية أي جهاز كشف يقدم رد فعل للممتلكات المادية للوسيط على أنه مستشعر حيوي مادي.

يتم تصنيف المستشعرات الحيوية الفيزيائية إلى نوعين هما المستشعر الحيوي الكهرضغطية والمستشعر الحيوي الحراري.

مستشعرات حيوية كهرضغطية

هذه المستشعرات عبارة عن مجموعة من الأجهزة التحليلية التي تعمل على قانون 'تسجيل تفاعل التقارب'. منصة الكهروإجهادية هي عنصر استشعار يعمل على قانون التذبذبات المحولة بسبب قفزة المجموعة على سطح بلورة كهرضغطية. في هذا التحليل ، المستشعرات الحيوية التي لها سطحها المعدل مع مستضد أو جسم مضاد ، وبوليمر مختوم جزيئيًا ، ومعلومات قابلة للتوريث. عادة ما يتم توحيد أجزاء الكشف المعلنة باستخدام الجسيمات النانوية.

مستشعرات حيوية كهرضغطية

مصدر الصورة

جهاز الاستشعار البيولوجي الحراري

هناك أنواع مختلفة من التفاعلات البيولوجية التي ترتبط باختراع الحرارة ، وهذا يجعل قاعدة المستشعرات الحيوية الحرارية. عادة ما تسمى هذه المستشعرات بالمستشعرات الحيوية الحرارية

جهاز الاستشعار البيولوجي الحراري

مصدر الصورة

قياس الحرارة يستخدم جهاز الاستشعار البيولوجي للقياس أو تقدير نسبة الكوليسترول في الدم. عندما يتأكسد الكوليسترول من خلال أكسدة إنزيم الكوليسترول ، يتم إنتاج الحرارة التي يمكن حسابها. وبالمثل ، يمكن إجراء تقييمات الجلوكوز واليوريا وحمض البوليك والبنسلين G باستخدام هذه المستشعرات الحيوية.

جهاز استشعار حيوي بصري

جهاز الاستشعار البيولوجي البصري هو جهاز يستخدم مبدأ القياس البصري. يستخدمون ال الألياف البصرية وكذلك محولات الطاقة الكهروضوئية. يمثل مصطلح optrode ضغطًا للمصطلحين البصري والقطب الكهربائي. تشتمل هذه المستشعرات بشكل أساسي على الأجسام المضادة والإنزيمات مثل العناصر المحولة.

جهاز استشعار حيوي بصري

مصدر الصورة

تسمح أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية باستشعار آمن غير كهربائي لا يمكن الوصول إليه للمعدات. فائدة إضافية هي أن هذه في كثير من الأحيان لا تحتاج إلى أجهزة استشعار مرجعية ، لأنه يمكن إنتاج إشارة المقارنة باستخدام مصدر ضوء مماثل مثل مستشعر أخذ العينات. يتم تصنيف المستشعرات الحيوية الضوئية إلى نوعين هما المستشعر الحيوي للكشف البصري المباشر والمستشعر الحيوي للكشف البصري المسمى.

أجهزة استشعار حيوية يمكن ارتداؤها

جهاز الاستشعار البيولوجي القابل للارتداء هو جهاز رقمي ، يستخدم للارتداء على جسم الإنسان في أنظمة مختلفة يمكن ارتداؤها مثل الساعات الذكية والقمصان الذكية والوشم الذي يسمح بمستويات السكر في الدم ، وضغط الدم ، ومعدل ضربات القلب ، إلخ.

أجهزة استشعار حيوية يمكن ارتداؤها

مصدر الصورة

في الوقت الحاضر ، يمكننا أن نلاحظ أن هذه المستشعرات تقوم بإشارة تحسين للعالم. يمكن أن يؤدي استخدامها الأفضل وسهولة استخدامها إلى توفير مستوى أصلي من الخبرة في حالة اللياقة البدنية للمريض في الوقت الفعلي. ستتيح إمكانية الوصول إلى البيانات هذه الاختيار السريري الفائق وستؤثر في نتائج صحية محسنة واستخدام أكثر قدرة للأنظمة الصحية

بالنسبة للبشر ، قد تساعد أجهزة الاستشعار هذه في التعرف المبكر على الإجراءات الصحية والوقاية من الاستشفاء. إن إمكانية هذه المستشعرات لتقليل فترات الإقامة في المستشفى وإعادة الإدخال ستجذب بالتأكيد وعيًا إيجابيًا في المستقبل القريب. أيضًا ، تشير معلومات التحقيق إلى أن WBS ستحمل بالتأكيد معدات صحية يمكن ارتداؤها فعالة من حيث التكلفة إلى العالم.

تطبيقات المستشعرات الحيوية

في السنوات الأخيرة ، أصبحت هذه المستشعرات شائعة جدًا ، وهي قابلة للتطبيق في مختلف المجالات المذكورة أدناه.

تطبيقات المستشعر الحيوي

مصدر الصورة

  • فحص الرعاية الصحية العامة
  • قياس المستقلبات
  • فحص المرض
  • علاج الانسولين
  • العلاج النفسي السريري وتشخيص الأمراض
  • في العسكرية
  • التطبيقات الزراعية والبيطرية
  • تحسين المخدرات وكشف المخالفات
  • المعالجة والمراقبة في الصناعة
  • السيطرة على التلوث البيئي

من المقال أعلاه ، أخيرًا ، يمكننا أن نستنتج ذلك أجهزة الاستشعار الحيوية و الإلكترونيات الحيوية تم استخدامها في الكثير من مجالات الرعاية الصحية وأبحاث علوم الحياة والتطبيقات البيئية والغذائية والعسكرية. علاوة على ذلك ، يمكن تحسين هذه المستشعرات كتقنية حيوية نانوية. أفضل مثال على الاستخدام المستقبلي للتقنية الحيوية النانوية يشمل الورق الإلكتروني والعدسات اللاصقة و Nokia morph. إليك سؤال لك ، ما هي أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للارتداء؟