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)
a : بیوسنسور چیست ؟
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 سیگنال های 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)
ترانسدیوسر ها 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)