المستشعر الحيوي؛ 4 أقسام ووظائف

162

المستشعر الحيوي (Biosensor) هو جهاز كهربائي يقيس الإشارات الحيوية ويحولها إلى إشارات كهربائية يمكن قراءتها وتفسيرها.

مكونات المستشعر الحيوي

_المستقبل الحيوي

_محول الطاقة

_محلل

_شاشة لعرض القياس

 

أولاً: المستقبل الحيوي

(أو عنصر التعرف الحيوي) هو جزء حي من نظام الاستشعار البيولوجي، أما بالنسبة للمستقبلات الحيوية التي يتضمنها هذا الجزء فيمكن أن تكون أنظمة بيولوجية حية، كالكائنات الحية الدقيقة، كما يمكن أن تكون جزيئية كالانزيمات أو الأجسام المضادة، وتستقر هذه المستشعرات على سطح المستشعر الكهربائي.

 

ثانياً: محول الطاقة

هو الجزء الذي يعمل على تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. (يحول الطاقة الكيميائية مثلاً إلى كهربائية). وبذلك تكون الإشارة الكهربائية قد تم تحويلها إلى مخرج قابل للفهم والتحليل بعد أن تم رصده وقياسه.

ثالثاً: المحلل

 

رابعاً: شاشة عرض القياس

 

عادةً ما يتم تصنيف المستشعرات الحيوية بناء على الجزء الأهم منها، وهو المحول، حيث أن كل صنف منها يتبع طريقة كشف معينة للمستشعر الحيوي داخل الجسم كما تظهر في مسمياتها:

_المستشعر الكهروكيميائي-electrochemical biosensors

_المستشعر البصري-optical biosensors

_المستشعر المعتمد على الكتلة-mass_based biosensors

تعمل المستشعرات الكهروكيميائية عند استشعار أي تفاعل كيميائي نتيجةً لحدوث تغيير في الخواص الكهربائية للمحلول.

أول جهاز استشعار حيوي كهروكيميائي تم تطويره هو جهاز الاستشعار الحيوي للأكسجين والجلوكوز من قبل Clark and Lyons للكشف عن الجلوكوز ومراقبته أثناء عمليات جراحة القلب والأوعية الدموية. أيضاً

تستخدم في أجهزة استشعار الجلوكوز لمساعدة مرضى السكري على فحص مستوى السكر في الدم. تتمتع أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية بالعديد من المزايا، فهي قوية وسهلة الإستخدام، صغيرة الحجم، ووقت استجابتها قصير.

 

تمثل المستشعرات الحيوية الضوئية أكثر أنواع المستشعرات الحيوية شيوعًا وهي نوع من أجهزة الاستشعار التي تعتمد على

جمع ونقل الإشارات الضوئية، وهي أداة تحليلية تساعد في مجال الرعاية الصحية والتشخيص السريري واكتشاف الأدوية والبحوث الطبية الحيوية كما تستخدم لأغراض أمنية، وفي الرصد البيئي، ومراقبة والتحكم بالعمليات الغذائية.

 

تُظهر المستشعرات الحيوية القائمة على الكتلة تغيرًا في التردد المتذبذب مع زيادة في كتلة المستشعر. المبدأ المشترك الذي تتبعه هذه المستشعرات هو أنه كلما كان هناك معدن ثقيل متأين مرتبط بالمستقبل سيكون هناك تغير في الكتلة، مما يؤدي إلى انخفاض التردد المتذبذب.

المستشعر الحيوي

في مجال الرعاية الصحية، تساعد المستشعرات على اكتشاف الأمراض، أو مسببات الأمراض التي تسبب ضررًا لـجسم المريض، كما تقدم معلومات متعلقة بالنشاط البيولوجي للجسم. على سبيل المثال، السيليكون؛ جهاز استشعار بيولوجي من أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية optical biosensors، يمكن استخدامه للكشف عن الخلايا السرطانية وعلاجها. نظرًا لأنه من المعروف أن المواد النانوية من السيليكون لها قليلة السُمّية، أو معدومة، بسبب التوافق الحيوي بين المادة والجسم الحيوي، أو المعروف تداولاً ب(favorable biocompatibility)، هذه المستشعرات الحيوية واعدة في علاج السرطان.

في عام 2017 ، تم استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية للترانزستور للكشف عن فيروس الإيبولا، يكشف هذا الاستشعار البيولوجي للترانزستور مواد كيميائية في الماء والغازات. كما أظهرت النتائج التجريبية أن هذا الجهاز يمكن أن يكون مرشحًا للفحص السريع لمرضى فيروس الإيبولا في وقت مبكر، بالإضافة إلى انخفاض تكلفته وسهولة استخدامه. وفي عام 2018 تم استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية المقاومة للمغناطيسي لدراسة مرض السل فأظهرت نتائج تشير إلى إمكانيات عالية للتشخيص المبكر.

يمكن لبعض أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للإرتداء مراقبة الأنشطة المتعلقة بالعمليات الحيوية الأساسية في جسم الإنسان، ويساهم في ذلك كون الجلد أكبر عضو في جسم الإنسان، فيعمل كمؤشر حيوي للتشخيص، فمثلا العرق هو

أحد التحليلات المهمة للكشف عن أي اضطرابات صحية، حيث يتم قياس مستوى تركيزه وعدد الأيونات المتواجدة فيه.

في الآونة الأخيرة، يتم استخدام aptasensor في أجهزة الاستشعار الحيوية على نطاق واسع في المراقبة البيئية.

تم مؤخراً نشر ورقة بحثية حول جهاز aptamer biosensor للكشف عن البكتيريا والفيروسات والسموم، وال Aptamers تحديد تسلسل قليل النوكليوتيدات. أنها تشكل بنية مستقرة عندما تتحد مع الهدف

الجزيء وبالتالي يجعل من السهل اكتشاف الإشارة. النتائج التي يتم الحصول عليها من أجهزة الاستشعار الحيوية من aptamer

30 دقيقة فقط.

مستقبَل المستشعرات الحيوية

سيتم استخدام هذه المستشعرات الحيوية (Biosensors Tattoo) لوضع حد للقيادة تحت تأثير الكحول، وذلك في دراسة يقوم بها مهندسون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو.

‏الجهاز wearable، وميكانزما العمل ستكون عن طريق كشف التغيرات الكهربائية المتدفقة من خلال التعرق لحساب مستوى الكحول بالدم في غضون ثمانية دقائق فقط، وسيتم ربطها بتطبيقات الأجهزة النقالة للتحذيرات الأمنية.

‏يتم العمل على إطلاق هذه التقنية في السيارات في السنوات القليلة المقبلة، أيضاً يتم تطويرها لتعمل عن طريق تسليط حزمة ضوئية على سطح الجلد، أي باستخدام أشعة الليزر، والتحدي هنا في كونها الأكثر سرعة ودقة مقارنة بالأخريات.

قد نواجه بعض العوائق التي يجب التغلب عليها، مثل

تصغير المستشعرات الحيوية دون التأثير على حساسية محول الطاقة. لكن بشكل عام أثبتت أجهزة الاستشعار الحيوية كفاءتها وفعاليتها واستشعارها غير العادي في تشخيص المركبات المختلفة في الطب الحيوي، والزراعة، وصناعة الأغذية، والأمن، ومراقبة المياه.

التعليقات مغلقة.