Τι είναι οι βιοαισθητήρες;

Οι βιοαισθητήρες είναι βιοαναλυτικά συστήματα που μπορούν να ανιχνεύσουν βιολογικά δείγματα. Είναι μικρές, ισχυρές συσκευές ικανές να αναλύουν βιολογικά δείγματα για να κατανοήσουν τη λειτουργία, τη σύνθεση και τη δομή τους. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μετατροπή ενός βιολογικού σήματος ή απόκρισης σε μετρήσιμη απόκριση.

Βιοαισθητήρας , εάν διαχωρίσετε τη λέξη σε "βιο" και "αισθητήρας", θα δώσετε μια καλύτερη αίσθηση αυτού που είναι.

Οι βιοαισθητήρες είναι βιοαναλυτικά συστήματα που μπορούν να ανιχνεύσουν βιολογικά δείγματα. Είναι μικρές, ισχυρές συσκευές ικανές να αναλύουν βιολογικά δείγματα για να κατανοήσουν τη λειτουργία, τη σύνθεση και τη δομή τους. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μετατροπή ενός βιολογικού σήματος ή απόκρισης σε μετρήσιμη απόκριση.

Μπορεί να έχετε δει ανθρώπους να χρησιμοποιούν γλυκόμετρο για παρακολούθηση ρουτίνας γλυκόζης, παλμικό οξύμετρα με τα ακροδάχτυλα για τη μέτρηση των επιπέδων κορεσμού οξυγόνου και του παλμού και έξυπνα ρολόγια για την καθημερινή παρακολούθηση της φυσικής μας δραστηριότητας. Αυτά τα γλυκόμετρα, τα παλμικό οξύμετρα και τα έξυπνα ρολόγια είναι όλα παραδείγματα βιοαισθητήρων.

Αυτή η τεχνολογία έχει πολλές εφαρμογές που δεν περιορίζονται στην υγειονομική περίθαλψη. Είναι ζωτικής σημασίας για την ανακάλυψη φαρμάκων και την προστασία από ασθένειες και μπορούν επίσης να παρακολουθούν την ποιότητα του περιβάλλοντος, του εδάφους, του νερού και των τροφίμων. Χρησιμοποιούνται επίσης στη μηχανική του μεταβολισμού, για την παρακολούθηση της καλής λειτουργίας των προσθετικών συσκευών και στη βιοάμυνα.

Ο πρώτος βιοαισθητήρας, γνωστός ως «ηλεκτρόδιο Clark», αναπτύχθηκε για την ανίχνευση οξυγόνου από τον Leland C. Clark το 1956. Η δουλειά του στον τομέα της βιοαισθητήρας του χάρισε την αναγνώριση ως «Πατέρας των Βιοαισθητήρων». Ο πρώτος εμπορικός βιοαισθητήρας αναπτύχθηκε το έτος 1975 από την "Yellow Springs Instruments".

Ας δούμε πώς λειτουργούν αυτοί οι βιοαισθητήρες.

Ένα γλυκόμετρο αίματος είναι ένα παράδειγμα επεμβατικού βιοαισθητήρα για την παρακολούθηση του επιπέδου γλυκόζης στο αίμα. Ένα παλμικό οξύμετρο είναι ένα παράδειγμα ενός μη επεμβατικού βιοαισθητήρα. Το smartwatch είναι ένας μη επεμβατικός βιοαισθητήρας που χρησιμοποιείται σε καθημερινή βάση. (Φωτογραφία :twenty20)

Γενική λειτουργία ενός βιοαισθητήρα

Αν βάλουμε βιολογικό δείγμα ή αναλυτή στον βιοαισθητήρα, ο βιοαισθητήρας μας δίνει μια ψηφιακή ανάγνωση που έχει βιολογική ερμηνεία. Μια αναλυόμενη ουσία είναι η ουσία ενδιαφέροντος που πρέπει να ανιχνευθεί.

Πώς μετατρέπεται το βιολογικό συστατικό σε ψηφιακή πληροφορία ή σε μετρήσιμη απόκριση; Αυτό επιτυγχάνεται από τα διάφορα στοιχεία που υπάρχουν μέσα στον βιοαισθητήρα, όπως το στοιχείο βιολογικής αναγνώρισης, ένας μετατροπέας σήματος, ένας ενισχυτής σήματος, ένας επεξεργαστής σήματος και μια μονάδα απεικόνισης.

Ας δούμε τι κάνει καθένα από αυτά τα στοιχεία.

Όταν εφαρμόζεται το βιολογικό δείγμα (αναλύτης), το στοιχείο αναγνώρισης θα ανιχνεύσει τους βιοδείκτες που υπάρχουν στην αναλυόμενη ουσία. Ένας βιοδείκτης θα μπορούσε να είναι οποιαδήποτε ένωση ή σήμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καθοριστικός παράγοντας μιας κατάστασης ασθένειας ή αλλοιώσεων στη φυσιολογία του οργανισμού. Ο μορφοτροπέας θα μετατρέψει αυτή τη βιολογική αλλαγή σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτό το αναλογικό σήμα θα ενισχυθεί από τον ενισχυτή σήματος. Ο επεξεργαστής σήματος θα μετατρέψει το ενισχυμένο αναλογικό σήμα σε ψηφιακό σήμα, το οποίο θα εμφανίζεται στην οθόνη LCD.

Τα διαφορετικά εξαρτήματα του βιοαισθητήρα περιλαμβάνουν το βιο-στοιχείο, τον μετατροπέα, τον ενισχυτή, τον επεξεργαστή και τη μονάδα οθόνης.

Χαρακτηριστικά των βιοαισθητήρων

Στη βιοϊατρική διάγνωση, η χρήση βιοαισθητήρων παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συνήθεις εργαστηριακές τεχνικές. καθώς είναι μικρά, εύκολα στη χρήση, φθηνά και παρέχουν άμεσα αποτελέσματα.

Η απόδοση οποιουδήποτε βιοαισθητήρα βασίζεται σε πολλά βασικά χαρακτηριστικά.

Ένας βιοαισθητήρας θα πρέπει να είναι επιλεκτικός στην ικανότητά του να ανιχνεύει την παρουσία μιας συγκεκριμένης αναλυόμενης ουσίας. Τα αποτελέσματα που παράγονται από τον βιοαισθητήρα θα πρέπει να είναι αναπαραγώγιμα, πράγμα που σημαίνει ότι ο βιοαισθητήρας θα πρέπει να μπορεί να παράγει ίδιες μετρήσεις για πολλά πανομοιότυπα δείγματα.

Οι μετρήσεις πρέπει να είναι ακριβείς, με ελάχιστη απόκλιση μεταξύ των τιμών που ανιχνεύονται από τον βιοαισθητήρα και των τιμών που λαμβάνονται με συμβατικές μεθόδους. Η απόδοση του βιοαισθητήρα πρέπει να είναι σταθερή και να μην επηρεάζεται από εξωτερικές αλλαγές θερμοκρασίας. Θα πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητο στην ανίχνευση ακόμη και μικρών ποσοτήτων της αναλυόμενης ουσίας και οι μετρήσεις πρέπει να είναι γραμμικές για ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων της αναλυόμενης ουσίας.

Τύποι αναλυτών για βιοαισθητήρες

Πολλοί άνθρωποι μπορεί να πιστεύουν ότι το αίμα είναι το μόνο σωματικό υγρό που χρησιμοποιείται για βιοαισθητήρα, αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια. Εκτός από το αίμα, το σάλιο, ο ιδρώτας, τα ούρα, τα δάκρυα και η αναπνοή μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση πολλών βιοδεικτών.

Ας δούμε μερικά παραδείγματα.

Οι βιοαισθητήρες με βάση το αίμα χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση συστατικών του αίματος όπως η γλυκόζη.

Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται στο σάλιο κερδίζουν σιγά-σιγά δημοτικότητα για την ανίχνευση γλυκόζης, σε σύγκριση με τους επεμβατικούς βιοαισθητήρες με βάση το αίμα. Αυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό επιπέδων ορισμένων χημικών ουσιών, όπως το γαλακτικό και η κορτιζόλη.

Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται στον ιδρώτα μπορούν να ανιχνεύσουν επίπεδα ενώσεων όπως η γλυκόζη, το γαλακτικό, το ασκορβικό οξύ και το ουρικό οξύ, ενώ τα κιτ εγκυμοσύνης είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα βιοαισθητήρων με βάση τα ούρα.

Τα δάκρυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των ποσοτήτων γλυκόζης, αλκοόλ και ορισμένων βιταμινών, ενώ οι βιοαισθητήρες που βασίζονται στην αναπνοή χρησιμοποιούνται συνήθως από τα αστυνομικά τμήματα για την ανίχνευση ιχνών αλκοόλ.

Τύποι βιοαισθητήρων

Οι βιοαισθητήρες όπως τα γλυκομετρικά τσιμπήματα δακτύλου που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των επιπέδων σακχάρου στο αίμα απαιτούν από τον χρήστη να τρυπήσει το δάχτυλό του και να χρησιμοποιήσει το δείγμα αίματος ως βιολογικό αναλύτη. Αυτό είναι ένα παράδειγμα επεμβατικού βιοαισθητήρα. Αντίθετα, η χρήση του παλμικού οξύμετρου απαιτεί από τον χρήστη να εισάγει απλώς την άκρη του δακτύλου του μέσα στο όργανο. Αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός μη επεμβατικού βιοαισθητήρα.

Έτσι, με βάση τον τρόπο εφαρμογής της απαιτούμενης βιολογικής αναλυόμενης ουσίας, οι βιοαισθητήρες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως επεμβατικοί ή μη επεμβατικοί.

Οι βιοαισθητήρες μπορούν επίσης να ταξινομηθούν με βάση τον τύπο του στοιχείου βιολογικής αναγνώρισης και τον μηχανισμό μεταγωγής που χρησιμοποιείται. Το στοιχείο αναγνώρισης ενός βιοαισθητήρα μπορεί να είναι DNA, ένα αντίσωμα, ένζυμο, φάγος, ιστοί, υποδοχείς κυττάρων, ολόκληρα μικροβιακά κύτταρα κ.λπ.

Ανάλογα με τον τύπο των μορφοτροπέων που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό βιοαισθητήρων, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε οπτικούς βιοαισθητήρες, ηλεκτροχημικούς βιοαισθητήρες ή βιοαισθητήρες με βάση τη μάζα.

Οι οπτικές ίνες διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη λειτουργία των οπτικών βιοαισθητήρων ανιχνεύοντας τη βιολογική αναλυόμενη ουσία με βάση την ιδιότητά του να φθορίζει, να απορροφά και να διασκορπίζει το φως. Είναι μη ηλεκτρικού χαρακτήρα και οι μετρήσεις βασίζονται στις αλλαγές στον δείκτη διάθλασης.

Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες είναι ηλεκτρικού χαρακτήρα, όπου το αισθητήριο μόριο ή το στοιχείο αναγνώρισης θα αλληλεπιδράσει με την αναλυόμενη ουσία του δείγματος. Το παραγόμενο ηλεκτρικό σήμα είναι συχνά ανάλογο με τη συγκέντρωση της αναλυόμενης ουσίας.

Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται στη μάζα είναι ηλεκτρικοί βιοαισθητήρες όπου τα ηλεκτρικά σήματα που παράγονται είναι ανάλογα με τις μηχανικές ή ακουστικές (ηχητικές) δονήσεις των αισθητήριων μορίων.

Βιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται συνήθως

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι βιοαισθητήρες είναι αναμφίβολα οι βιοαισθητήρες γλυκόζης ή τα γλυκόμετρα, που βασίζονται στο αίμα ή το σάλιο, μαζί με τα τεστ ταινίας εγκυμοσύνης, τα οποία βασίζονται στα ούρα.

Γλυκόμετρο

Ο πρώτος βιοαισθητήρας γλυκόζης που παράγεται στο εμπόριο κατασκευάστηκε από την Yellow Springs Instrument το 1975. Έκτοτε, ο σχεδιασμός και η απόδοση των βιοαισθητήρων γλυκόζης έχουν υποστεί δραστικές εξελίξεις.

Οι συγκρίσεις μεταξύ του πρώτου γλυκόμετρου και των γλυκομετρητών που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος αντικατοπτρίζουν τις τεχνολογικές εξελίξεις που έχει σημειώσει η τεχνολογία βιοαισθητήρα.

Η πρώτη γενιά βιοαισθητήρων γλυκόζης χρησιμοποίησε το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ως υπόστρωμα και ανίχνευσε την παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου. Οι βιοαισθητήρες δεύτερης γενιάς αντικατέστησαν το οξυγόνο με άλλους μεσολαβητές ηλεκτρονίων των οποίων η λειτουργία ήταν να μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια από το ένζυμο στο ηλεκτρόδιο. Οι βιοαισθητήρες τρίτης γενιάς δεν είχαν καθόλου αντιδραστήρια. Οι μεσολαβητές ηλεκτρονίων δεν χρησιμοποιήθηκαν πλέον και το ένζυμο μετέφερε απευθείας τα ηλεκτρόνια στα ηλεκτρόδια.

Αυτές οι εξελίξεις ήταν κρίσιμες για τον έγκαιρο έλεγχο, τη διάγνωση και τη διαχείριση του διαβήτη χρησιμοποιώντας αίμα και σάλιο.

Από την πλευρά του χρήστη, οι βιοαισθητήρες με βάση το σάλιο μπορεί να προτιμώνται περισσότερο, καθώς η συλλογή του δείγματος είναι μη επεμβατική (λιγότερο ή καθόλου πόνος), μαζί με βελτιωμένη ευαισθησία.

Λωρίδα εγκυμοσύνης

Οι άλλοι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι βιοαισθητήρες είναι οι ταινίες τεστ εγκυμοσύνης, οι οποίες βασίζονται σε αντισώματα και προσδιορίζουν την παρουσία HCG (ανθρώπινη χοριακή γοναδοτροπίνη) από το αίμα ή τα ούρα.

Τα στοιχεία αναγνώρισης είναι τα αντισώματα κατά του HCG, τα οποία θα συγκολληθούν με το HCG του αίματος/ούρων (εάν υπάρχουν) και θα σχηματίσουν μια γραμμή συγκόλλησης. Η παρουσία μιας γραμμής υποδηλώνει θετικό τεστ ενώ η έλλειψη γραμμής είναι αρνητικό τεστ εγκυμοσύνης.

Η εικόνα μας δίνει ξεκάθαρα μια ιδέα για το πώς η τεχνολογία των βιοαισθητήρων έχει προχωρήσει με τον καιρό. Τα μεγαλύτερα γλυκόμετρο είναι τα πρώτα (1983), με χρόνο ανάγνωσης 2 λεπτών, ενώ οι μικρότερες συσκευές χειρός τελευταίας τεχνολογίας (2004) έχουν χρόνο ανάγνωσης μόνο 7 δευτερολέπτων. Τα κιτ δοκιμών εγκυμοσύνης είναι αισθητήρες βασισμένοι σε αντισώματα για την ανίχνευση της HCG, ενός βιοδείκτη για την εγκυμοσύνη. Μια μόνο γραμμή είναι αρνητικός δείκτης εγκυμοσύνης, ενώ η παρουσία δύο γραμμών υποδηλώνει εγκυμοσύνη. (Φωτογραφία :twenty20)

Συμπέρασμα

Οι βιοαισθητήρες αντιπροσωπεύουν μια ισχυρή ενοποίηση της βιολογικής γνώσης και της τεχνολογικής προόδου. Έχουν πανταχού παρούσες χρήσεις σε διάφορους κλάδους. Η μέθοδος είναι γρήγορη, ειδική, εύκολη, φθηνή στη χρήση και παρέχει ταχύτερα αποτελέσματα με μειωμένη χρήση αντιδραστηρίων. Η τεχνολογία βιοαισθητήρα έχει δει μια δρακόντεια εξέλιξη τις τελευταίες 2-3 δεκαετίες. Το μελλοντικό όραμα για αυτόν τον κλάδο θα είναι η δημιουργία τεχνολογίας μικροκλίμακας που θα τον καταστήσει μικρότερο και ταυτόχρονα πιο χρήσιμο!