बायोसेंसर

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बायोसेंसर एक विश्लेषणात्मक उपकरण है, जिसका उपयोग एक रासायनिक पदार्थ का पता लगाने के लिए किया जाता है, जो एक भौतिक रासायनिक संसूचक के साथ एक जैविक घटक को जोड़ता है।[1][2][3][4] ऊतक, सूक्ष्मजीव, कोशिकांग, कोशिका ग्राही, एंजाइम, प्रतिरक्षी और न्यूक्लिक अम्ल जैसे संवेदनशील जैविक तत्व एक जैविक रूप से व्युत्पन्न सामग्री या बायोमिमेटिक घटक है जो अध्ययन के तहत विश्लेषण के साथ अंतःक्रिया करता है, बाँधता है या पहचान करता है। जैविक अभियांत्रिकी द्वारा जैविक रूप से संवेदनशील तत्वों का निर्माण भी किया जा सकता है। ट्रांसड्यूसर या संसूचक तत्व, जो एक संकेत को दूसरे संकेत में परिवर्तित करता है, एक भौतिक-रासायनिक विधि से कार्य करता है: प्रकाशिक, दाब-विद्युत, विद्युत-रसायन, विद्युत रासायनिक संदीप्ति इत्यादि, जो सरलता से मापने और निर्धारित करने के लिए जैविक तत्व के साथ विश्लेषण की अंतःक्रिया से उत्पन्न होता है। बायोसेंसर पाठन उपकरण संबद्ध इलेक्ट्रॉनिक्स या संकेत प्रोसेसर से जुड़ा होता है जो उपयोगकर्ता के अनुकूल विधि से परिणामों के प्रदर्शन के लिए मुख्य रूप से उत्तरदायी होते हैं।[5] यह कभी-कभी संवेदी उपकरण का सबसे कीमती हिस्सा होता है, हालांकि उपयोगकर्ता के अनुकूल डिस्प्ले उत्पन्न करना संभव है जिसमें ट्रांसड्यूसर और संवेदनशील तत्व (होलोग्राफिक सेंसर) सम्मिलित हैं। इनके पाठक सामान्यतः बायोसेंसर के विभिन्न कार्य सिद्धांतों के अनुरूप अनुकूल-संरचित और निर्मित होते हैं।

बायोसेंसर प्रणाली

एक बायोसेंसर में सामान्यतः एक जैव-ग्राही (एंजाइम/प्रतिरक्षी/कोशिका/न्यूक्लिक अम्ल/एप्टैमर), ट्रांसड्यूसर घटक (अर्धचालक पदार्थ/नैनोपदार्थ) और इलेक्ट्रॉनिक निकाय होता है जिसमें एक संकेत प्रवर्धक, प्रोसेसर और डिस्प्ले सम्मिलित होता है।[6] ट्रांसड्यूसर और इलेक्ट्रॉनिक्स को, उदाहरण के लिए, सीएमओएस-आधारित माइक्रोसेंसर प्रणाली में परस्पर जोड़ा जा सकता है।[7][8] पहचान घटक, जिसे प्रायः जैवग्राही कहा जाता है, रुचि के विश्लेषण के साथ अंतःक्रिया करने के लिए जैविक प्रणालियों के बाद तैयार किए गए जीवों या ग्राहियों से जीवाणुओं का उपयोग करता है। इस अंतःक्रिया को बायोट्रांसड्यूसर द्वारा मापा जाता है जो नमूने में लक्ष्य विश्लेषण की उपस्थिति के अनुपात में मापने योग्य संकेत का उत्पादन करता है। बायोसेंसर की संरचना का सामान्य उद्देश्य चिंता या देखभाल के बिंदु पर त्वरित, सुविधाजनक परीक्षण को सक्षम करना है जहाँ नमूना लिया गया था।[1][9][10]

जैवग्राही

संयोजक डीएनए पुस्तकालयों की जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले बायोसेंसर

बायोसेंसर में, जैवग्राही को ट्रांसड्यूसर द्वारा मापने योग्य प्रभाव उत्पन्न करने के लिए रुचि के विशिष्ट विश्लेषण के साथ अंतःक्रिया करने के लिए संरचित किया गया है। अन्य रासायनिक या जैविक घटकों के मैट्रिक्स के बीच विश्लेषण के लिए उच्च चयनात्मकता जैवग्राही की एक प्रमुख आवश्यकता है। जबकि उपयोग किए जाने वाले जैव-अणु के प्रकार व्यापक रूप से भिन्न हो सकते हैं, बायोसेंसर को सामान्य प्रकार की जैवग्राही अंतःक्रिया के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है: प्रतिरक्षी/प्रतिजन,[11] एंजाइम/लिगैंड, न्यूक्लिक अम्ल/डीएनए, कोशिकीय संरचनाएँ/कोशिकाएँ, या बायोमिमेटिक सामग्री।[12][13]

प्रतिरक्षी/प्रतिजन अंतःक्रियाएँ

एक इम्यूनोसेंसर, एक विशिष्ट यौगिक या प्रतिजन के लिए प्रतिरक्षियों के अधिक विशिष्ट बाध्यकारी संबंध का उपयोग करता है। प्रतिरक्षी/प्रतिजन अंतःक्रियाओं की विशिष्ट प्रकृति एक ताले और चाबी के अनुरूप होती है, जिसमें प्रतिजन केवल प्रतिरक्षी को बंधित करते हैं, यदि इसकी संरचना सही होती है। बाध्यकारी घटनाओं के परिणामस्वरूप एक भौतिक-रासायनिक परिवर्तन होता है जो एक अनुरेखक के साथ संयोजन में होता है, जैसे कि प्रतिदीप्ति अणु, एंजाइम या विकिरण समस्थानिक, एक संकेत उत्पन्न कर सकते हैं। सेंसर में प्रतिरक्षी का उपयोग करने की सीमाएँ होती हैं: 1. प्रतिरक्षी बाध्यकारी क्षमता परख स्थितियों (जैसे पीएच और तापमान) पर दृढ़ता से निर्भर करता है, और 2. प्रतिरक्षी-प्रतिजन अन्तःक्रियाएँ सामान्यतः मजबूत होती हैं, हालांकि, बंधनता को को असामान्य अभिकर्मकों, कार्बनिक विलायकों, या यहाँ तक ​​कि पराश्रव्य विकिरण द्वारा बाधित किया जा सकता है।[14][15]

प्रतिरक्षी-प्रतिजन अन्तःक्रियाओं का उपयोग सीरम विज्ञान परीक्षण के लिए भी किया जा सकता है, या किसी विशिष्ट रोग के प्रत्युत्तर में परिसंचारी प्रतिरक्षी का पता लगाया जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, सीरोलॉजी परीक्षण कोविड-19 महामारी की वैश्विक प्रतिक्रिया का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गया है।[16]

कृत्रिम बाध्यकारी प्रोटीन

बायोसेंसर के जैव-पहचान घटक के रूप में प्रतिरक्षी के उपयोग में कई कमियाँ हैं। इनके पास उच्च आणविक भार और सीमित स्थिरता है, आवश्यक डाइसल्फ़ाइड बंध होते हैं और उत्पादन के लिए महंगे होते हैं। इन सीमाओं को पार करने के लिए एक दृष्टिकोण में, प्रतिरक्षी के पुनः संयोजक बाध्यकारी टुकड़े (टुकड़ा प्रतिजन-बाध्यकारी, टुकड़ा चर या एससीएफवी) या क्षेत्र (वीएच, वीएचएच) को अभियन्त्रित किया गया है।[17] एक अन्य दृष्टिकोण में, अनुकूल जैव-भौतिक गुणों वाले छोटे प्रोटीन आलम्बियों को प्रतिजन बाध्यकारी प्रोटीन (एजीबीपी) के कृत्रिम परिवारों को उत्पन्न करने के लिए अभियन्त्रित किया गया है, जो मूल अणु के अनुकूल गुणों को व्यवस्थित रखते हुए विभिन्न लक्ष्य प्रोटीनों के लिए विशिष्ट बंधन में सक्षम हैं। इस परिवार के तत्व जो विशेष रूप से किसी दिए गए लक्ष्य प्रतिजन से जुड़ते हैं, प्रायः अंतर्जीवों में निम्न प्रदर्शन तकनीकों द्वारा चुने जाते हैं: फेज प्रदर्शन, राइबोसोम प्रदर्शन, खमीर प्रदर्शन या एमआरएनए प्रदर्शन। कृत्रिम बाध्यकारी प्रोटीन प्रतिरक्षी (सामान्यतः 100 अमीनो-अम्ल अवशेषों से कम) की तुलना में बहुत छोटे होते हैं, एक मजबूत स्थिरता होती है, डाइसल्फ़ाइड बंधों की कमी होती है और बैक्टीरिया साइटोप्लाज्म जैसे कोशिकीय वातावरण को कम करने में प्रतिरक्षी और उनके व्युत्पन्नों के विपरीत इन्हें उच्च उपज में व्यक्त किया जा सकता है।[18][19] इस प्रकार ये बायोसेंसर बनाने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।[20][21]

एंजाइमी अंतःक्रियाएँ

विशिष्ट बंधन क्षमता और एंजाइम की उत्प्रेरक गतिविधि इन्हें लोकप्रिय जैवग्राही बनाती है। विश्लेषण पहचान को कई संभावित तंत्रों के माध्यम से सक्षम किया गया है: 1) एंजाइम विश्लेषण को एक उत्पाद में परिवर्तित करता है जो सेंसर द्वारा संसूचनीय होते हैं, 2) विश्लेषण द्वारा एंजाइम अवरोध या सक्रियण का पता लगाना, या 3) विश्लेषण के साथ अंतःक्रिया से उत्पन्न एंजाइम गुणों के संशोधन की निगरानी करना।[15] बायोसेंसर में एंजाइमों के सामान्य उपयोग के मुख्य कारण, 1) बड़ी संख्या में प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने की क्षमता; 2) विश्लेषिकी के एक समूह (अधःस्तर, उत्पादों, अवरोधकों और उत्प्रेरक गतिविधि के न्यूनाधिक) का पता लगाने की क्षमता; और 3) विश्लेषण का पता लगाने के लिए कई अलग-अलग पारगमन विधियों के साथ उपयुक्तता, हैं। विशेष रूप से, चूँकि प्रतिक्रियाओं में एंजाइमों का सेवन नहीं किया जाता है, इसलिए बायोसेंसर को आसानी से लगातार उपयोग किया जा सकता है। एंजाइमों की उत्प्रेरक गतिविधि भी सामान्य बाध्यकारी तकनीकों की तुलना में पता लगाने की निचली सीमा की सुविधा प्रदान करती है। हालांकि, सेंसर का जीवनकाल एंजाइम की स्थिरता से सीमित होता है।

एफिनिटी बाध्यकारी ग्राही

प्रतिरक्षियों में 10^8 लीटर/मोल से अधिक का एक उच्च बाध्यकारी स्थिरांक होता है, जिसका अर्थ प्रतिजन-प्रतिरक्षी युग्म के बनने के बाद लगभग अपरिवर्तनीय जुड़ाव होता है।शर्करा एफ़िनिटी बाध्यकारी प्रोटीन जैसे कुछ विश्लेषण अणुओं के लिए उपलब्ध हैं जो एक प्रतिरक्षी की तरह एक उच्चसंवेदनशीलता और विशिष्टता के साथ, लेकिन 10^2 से 10^4 लीटर/मोल के क्रम पर बहुत छोटे बाध्यकारी स्थिरांक के साथ अपने लिगैंड को बाँधते हैं। तब विश्लेषण और ग्राही के बीच संबंध प्रतिवर्ती प्रक्रिया की प्रकृति का होता है और दोनों के बीच युग्म के बगल में भी उनके मुक्त अणु एक मापने योग्य सांद्रता में होते हैं। उदाहरण के लिए, शर्करा की स्थिति में, कॉन्केनेवेलिन ए एफ़िनिटी ग्राही के रूप में कार्य कर सकता है, जो 4x10^2 लीटर/मोल के बाध्यकारी स्थिरांक को प्रदर्शित करता है।[22] वर्ष 1979 में शुल्त्स और सिम्स द्वारा बायोसेंसिंग के प्रयोजनों के लिए एफ़िनिटी बाध्यकारी ग्राहियों का उपयोग प्रस्तावित किया गया है[23] और बाद में इसे 4.4 और 6.1 मिलीमोल/लीटर के बीच संबंधित रक्त शर्करा में ग्लूकोज को मापने के लिए प्रतिदीप्ति परख में विन्यासित किया गया था।[24] सेंसर सिद्धांत का लाभ यह है कि यह रासायनिक अभिक्रिया में विश्लेषण का उपभोग नहीं करता है जैसा कि एंजाइमैटिक परख में होता है।

न्यूक्लिक अम्ल अंतःक्रिया

न्यूक्लिक अम्ल आधारित ग्राहियों को नियोजित करने वाले बायोसेंसर या तो पूरक आधार युग्मन अंतःक्रियाओं, जैसे जीनोसेंसर पर या विशिष्ट न्यूक्लिक अम्ल आधारित प्रतिरक्षी मिमिक्स (एप्टैमर) जैसे एप्टासेंसर पर आधारित हो सकते हैं।[25] पूर्व में, पहचान प्रक्रिया डीएनए में पूरक आधार युग्मन, एडिनीन:थाइमीन और साइटोसिन:ग्वानीन के सिद्धांत पर आधारित है। यदि लक्षित न्यूक्लिक अम्ल का अनुक्रम ज्ञात है, तो पूरक अनुक्रमों को संश्लेषित, लेबल और फिर सेंसर पर स्थिर किया जा सकता है। संकरण घटना का प्रकाशिक रूप से पता लगाया जा सकता है और लक्षित डीएनए/आरएनए की उपस्थिति का पता लगाया जा सकता है। उत्तरार्द्ध में, लक्ष्य के विरुद्ध उत्पन्न एप्टैमर इसे विशिष्ट गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं और प्रेरित स्थापन की अंतःक्रिया के माध्यम से पहचानते हैं। इन एप्टैमर को आसानी से प्रकाशिक पहचान के लिए फ्लोरोफोर/धातु नैनोकणों के साथ लेबल किया जा सकता है या लक्ष्य अणुओं की एक विस्तृत श्रृंखला या कोशिकाओं और वायरस जैसे जटिल लक्ष्यों के लिए लेबल-मुक्त विद्युत्-रसायन या कैंटिलीवर आधारित पहचान प्लेटफार्मों के लिए नियोजित किया जा सकता है।[26][27] इसके अतिरिक्त, एप्टैमर को न्यूक्लिक अम्ल एंजाइमों के साथ जोड़ा जा सकता है, जैसे कि आरएनए-क्लीविंग डीएनएजाइम, एक अणु में लक्षित पहचान और संकेत उत्पादन दोनों प्रदान करते हैं, जो मल्टीप्लेक्स बायोसेंसर के विकास में संभावित अनुप्रयोगों को दर्शाता है।[28]

अनुजातता

यह प्रस्तावित किया गया है कि कैंसर या अन्य बीमारियों से प्रभावित रोगियों के शरीर के तरल पदार्थों में अनुजातीय संशोधनों (जैसे डीएनए मिथाइलेशन, हिस्टोन पोस्ट-ट्रांसलेशनल संशोधन) का पता लगाने के लिए सुचारु रूप से अनुकूलित प्रकाशिक अनुनादकों का उपयोग किया जा सकता है।[29] रोगी के मूत्र के भीतर कैंसर कोशिकाओं का आसानी से पता लगाने के लिए अल्ट्रा-संवेदनशील फोटोनिक बायोसेंसर आजकल अनुसंधान स्तर पर विकसित किए जा रहे हैं।[30] विभिन्न अनुसंधान परियोजनाओं का लक्ष्य ऐसे नए वहनीय उपकरणों को विकसित करना है जो सस्ते, पर्यावरण के अनुकूल, प्रयोज्य कार्ट्रिज का उपयोग करते हैं, जिन्हें विशेषज्ञ तकनीशियनों द्वारा आगे की प्रक्रिया, धुलाई या हेरफेर की आवश्यकता के बिना केवल सरल संचालन की आवश्यकता होती है।[31]

कोशिकांग

कोशिकांग कोशिकाओं के अंदर अलग-अलग प्रखंड बनाते हैं और सामान्यतः स्वतंत्र रूप से कार्य करते हैं। विभिन्न प्रकार के कोशिकांगों में विभिन्न उपापचयी पथ और उनके कार्य को पूरा करने के लिए एंजाइम होते हैं। सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले कोशिकांगों में लाइसोसोम, क्लोरोप्लास्ट और माइटोकॉन्ड्रिया सम्मिलित हैं। कैल्शियम का स्थानिक-अस्थायी वितरण पैटर्न सर्वव्यापी संकेतन मार्ग से निकटता से संबंधित है। माइटोकॉन्ड्रिया कार्य को नियंत्रित करने के लिए कैल्शियम आयनों के उपापचय में सक्रिय रूप से भाग लेते हैं और कैल्शियम से संबंधित संकेतन मार्ग को भी संशोधित करते हैं। प्रयोगों ने सिद्ध किया है कि माइटोकॉन्ड्रिया में कैल्शियम चैनलों को खोलकर उनकी निकटता में उत्पन्न उच्च कैल्शियम सांद्रता का उत्तर देने की क्षमता है।[32] इस तरह, माइटोकॉन्ड्रिया का उपयोग माध्यम में कैल्शियम सांद्रता का पता लगाने के लिए किया जा सकता है और उच्च स्थानिक विभेदन के कारण पता लगाना अति-संवेदनशील होता है। माइटोकॉन्ड्रिया का एक अन्य अनुप्रयोग जल प्रदूषण का पता लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है। डिटर्जेंट यौगिकों की विषाक्तता माइटोकॉन्ड्रिया सहित कोशिका और उपकोशिकीय संरचना को हानि पहुँचाती है। डिटर्जेंट एक सूजन प्रभाव उत्पन्न करता है, जिसे अवशोषण परिवर्तन द्वारा मापा जा सकता है। प्रयोग आंकड़ों से पता चलता है कि परिवर्तन की दर डिटर्जेंट सांद्रता के समानुपाती होती है, जो सटीकता का पता लगाने के लिए एक उच्च मानक प्रदान करती है।[33]

कोशिकाएँ

कोशिकाओं का उपयोग प्रायः जैवग्राहियों में किया जाता है क्योंकि ये आसपास के वातावरण के प्रति संवेदनशील होती हैं और सभी प्रकार के उत्तेजक पदार्थों का सामना कर सकती हैं। कोशिकाएँ सतह से जुड़ी रहती हैं इसलिए इन्हें आसानी से स्थिर किया जा सकता है। कोशिकांगों की तुलना में ये लंबी अवधि के लिए सक्रिय रहती हैं और पुनरुत्पादन इन्हें पुन: प्रयोज्य बनाता है। ये सामान्यतः तनाव की स्थिति, विषाक्तता और जैविक व्युत्पन्नों जैसे वैश्विक मापदंडों का पता लगाने के लिए उपयोग की जाती हैं। इनका उपयोग दवाओं के उपचार प्रभाव की निगरानी के लिए भी किया जा सकता है। इसका एक अनुप्रयोग शाकनाशियों का निर्धारण करने के लिए कोशिकाओं का उपयोग करना है जो मुख्य जलीय प्रदूषक होते हैं।[34] सूक्ष्म शैवाल एक स्फटिक माइक्रोफाइबर पर फँस जाते हैं और शाकनाशियों द्वारा संशोधित क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति को एक प्रकाशिक फाइबर बंडल की नोक पर एकत्र किया जाता है और एक फ्लोरीमीटर को प्रेषित किया जाता है। इष्टतम माप प्राप्त करने के लिए शैवाल को लगातार सुसंस्कृत किया जा रहा है। परिणाम बताते हैं कि कुछ जड़ी-बूटियों की पहचान सीमा उप-पीपीबी सान्द्रता स्तर तक पहुँच सकती है। कुछ कोशिकाओं का उपयोग सूक्ष्मजीव संक्षारण की निगरानी के लिए भी किया जा सकता है।[35] स्यूडोमोनास एसपी जीर्णशीर्ण सामग्री की सतह से पृथक होता है और एसिटिलसेलुलोज झिल्ली पर स्थिर है। श्वसन गतिविधि ऑक्सीजन की खपत को मापने के द्वारा निर्धारित की जाती है। उत्पन्न धारा और सल्फ्यूरिक अम्ल की सांद्रता के बीच एक रैखिक संबंध होता है। प्रतिक्रिया समय कोशिकाओं और आसपास के वातावरण की लोडिंग से संबंधित है और इसे 5 मिनट से अधिक नियंत्रित नहीं किया जा सकता है।

ऊतक

उपलब्ध एंजाइमों की प्रचुरता के लिए बायोसेंसर के लिए ऊतकों का उपयोग किया जाता है। बायोसेंसर के रूप में ऊतकों के लाभों में निम्नलिखित सम्मिलित हैं:[36]

  • इन्हें कोशिकाओं और कोशिकांगों की तुलना में स्थिर करना आसान होता है
  • प्राकृतिक वातावरण में एंजाइमों को व्यवस्थित रखने से उच्च गतिविधि और स्थिरता होती है
  • उपलब्धता और कम कीमत
  • निष्कर्षण, अपकेंद्रित्र, और एंजाइमों के शुद्धिकरण के अरोचक कार्य से बचाव
  • एक एंजाइम के कार्य करने के लिए आवश्यक सहकारक उपलब्ध होते हैं
  • विभिन्न उद्देश्यों से संबंधित विकल्पों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करने वाली विविधता।

ऊतकों के कुछ हानियाँ भी उपलब्ध हैं, जैसे कि अन्य एंजाइमों के हस्तक्षेप के कारण विशिष्टता की कमी और परिवहन बाधा के कारण प्रतिक्रिया समय में वृद्धि।

सूक्ष्मजीवी बायोसेंसर

सूक्ष्मजीवी बायोसेंसर किसी दिए गए पदार्थ के लिए बैक्टीरिया की प्रतिक्रिया का लाभ उठाते हैं। उदाहरण के लिए, कई बैक्टीरिया वर्गों में पाए जाने वाले आर्सेनिक का उपयोग करके आर्सेनिक का पता लगाया जा सकता है।[37]

जैविक तत्वों का सतही लगाव

नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एक्सोसोम को सेंसिंग एक ग्राफीन सतह से बांधता है

जैविक तत्वों (छोटे अणु/प्रोटीन/कोशिकाओं) को सेंसर की सतह (चाहे वह धातु, बहुलक या कांच हो) से जोड़ना, बायोसेंसर का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। यह जैविक तत्वों के साथ इसे कोट करने के लिए सतह को कार्यात्मक बनाने की सबसे आसान विधि है। इसे सिलिकॉन चिप/सिलिका ग्लास की स्थिति में पॉलीलीसिन, एमिनोसिलीन, एपॉक्सीसिलीन या नाइट्रोसेल्यूलोज़ द्वारा किया जा सकता है। इसके बाद, बाध्य जैविक एजेंट को भी, उदाहरण के लिए, वैकल्पिक रूप से आवेशित किए गए बहुलक कोटिंग के परत दर परत निक्षेपण द्वारा निर्धारित किया जा सकता है।[38]

वैकल्पिक रूप से, त्रि-विमीय जाल (हाइड्रोजेल/ज़ेरोगेल) का उपयोग रासायनिक या भौतिक रूप से इन्हें फँसाने के लिए किया जा सकता है (जिससे रासायनिक रूप से फँसने का अर्थ है कि जैविक तत्व को एक मजबूत बंध द्वारा रखा जाता है, जबकि भौतिक रूप से इन्हें जेल मैट्रिक्स के छिद्रों से गुजरने में असमर्थ होने के कारण रखा जाता है)। सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला हाइड्रोजेल एसओएल-जेल है, जो जैविक तत्वों की उपस्थिति में सिलिकेट एकलकों (टेट्रा अल्काइल ऑर्थोसिलिकेट, जैसे टेट्रामेथाइल ऑर्थोसिलिकेट (टीएमओएस) या टेट्राएथिल ओर्थोसिलिकेट (टीईओएस) के रूप में जोड़ा गया) के बहुलकीकरण द्वारा उत्पन्न ग्लासी सिलिका (अन्य स्थिर बहुलकों, जैसे पॉलीथीन ग्लाइकॉल के साथ) को भौतिक रूप से फँसाने की स्थिति है।[39]

कोशिकाओं या प्रोटीन के लिए उपयुक्त परिस्थितियों में निर्धारित हाइड्रोजेल का एक अन्य समूह, एक्रिलेट हाइड्रोजेल है, जो पूर्ण प्रारंभ होने पर बहुलकीकृत होता है। पर-ऑक्साइड रेडिकल, एक प्रकार का पूर्ण प्रारम्भक एक है, जो सामान्यतः टीईएमईडी के साथ एक परसल्फेट के संयोजन से उत्पन्न होता है (पॉलीएक्रिलामाइड जेल का उपयोग सामान्यतः प्रोटीन वैद्युतकणसंचलन के लिए भी किया जाता है),[40] वैकल्पिक रूप से प्रकाश का उपयोग डीएमपीए (2, 2, 2-डाइमेथॉक्सी-2-फेनिलएसीटोफेनोन) जैसे प्रकाश-समारम्भक के साथ किया जा सकता है।[41] सेंसर के जैविक घटकों की नकल करने वाली स्मार्ट सामग्री को भी केवल सक्रिय या उत्प्रेरक क्षेत्र या जैव-अणु के अनुरूप विन्यास का उपयोग करके बायोसेंसर के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।[42]

बायोट्रांसड्यूसर

Main article: Biotransducer
बायोट्रांसड्यूसर के प्रकार के आधार पर बायोसेंसरों का वर्गीकरण

बायोसेंसर को उनके बायोट्रांसड्यूसर प्रकार द्वारा वर्गीकृत किया जा सकता है। बायोसेंसर में उपयोग किए जाने वाले सबसे सामान्य प्रकार के बायोट्रांसड्यूसर हैं:

  • इलेक्ट्रोकेमिकल बायोसेंसर
  • ऑप्टिकल बायोसेंसर
  • इलेक्ट्रॉनिक बायोसेंसर
  • पीजोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर
  • ग्रेविमेट्रिक बायोसेंसर
  • पायरोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर
  • चुंबकीय बायोसेंसर

विद्युत रासायनिक

इलेक्ट्रोकेमिकल बायोसेंसर सामान्यतः एक प्रतिक्रिया के एंजाइमैटिक कटैलिसीस पर आधारित होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन या खपत करते हैं (ऐसे एंजाइमों को रेडॉक्स एंजाइम कहा जाता है)। सेंसर सब्सट्रेट में सामान्यतः तीन इलेक्ट्रोड होते हैं? एक संदर्भ इलेक्ट्रोड, एक कामकाजी इलेक्ट्रोड और एक काउंटर इलेक्ट्रोड। लक्ष्य विश्लेषण सक्रिय इलेक्ट्रोड सतह पर होने वाली प्रतिक्रिया में शामिल होता है, और प्रतिक्रिया या तो दोहरी परत (वर्तमान उत्पादन) में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का कारण बन सकती है या दोहरी परत क्षमता (वोल्टेज का उत्पादन) में योगदान दे सकती है। हम या तो एक निश्चित क्षमता पर वर्तमान को माप सकते हैं (इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की दर अब विश्लेषण एकाग्रता के समानुपाती है) या क्षमता को शून्य वर्तमान पर मापा जा सकता है (यह एक लॉगरिदमिक प्रतिक्रिया देता है)। ध्यान दें कि कार्यशील या सक्रिय इलेक्ट्रोड की क्षमता अंतरिक्ष आवेश संवेदनशील होती है और इसका प्रायः उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, आयन-संवेदी क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (बायो-एफईटी) का उपयोग करके छोटे पेप्टाइड्स और प्रोटीनों का लेबल-मुक्त और प्रत्यक्ष विद्युतीय पता लगाना उनके आंतरिक आवेशों द्वारा संभव है।[43]


एक अन्य उदाहरण, पोटेंशियोमेट्रिक बायोसेंसर, (शून्य करंट पर उत्पादित क्षमता) एक उच्च गतिशील रेंज के साथ एक लघुगणकीय प्रतिक्रिया देता है। ऐसे बायोसेंसर प्रायः एक प्लास्टिक सब्सट्रेट पर इलेक्ट्रोड पैटर्न को स्क्रीन प्रिंटिंग द्वारा बनाए जाते हैं, जो एक संवाहक बहुलक के साथ लेपित होते हैं और फिर कुछ प्रोटीन (एंजाइम या प्रतिरक्षी) संलग्न होते हैं। उनके पास केवल दो इलेक्ट्रोड होते हैं और बेहद संवेदनशील और मजबूत होते हैं। वे पहले केवल एचपीएलसी और एलसी/एमएस द्वारा प्राप्त किए जा सकने वाले स्तरों पर और कठोर नमूना तैयार किए बिना एनालिटिक्स का पता लगाने में सक्षम बनाते हैं। सभी बायोसेंसर में सामान्यतः न्यूनतम नमूना तैयार करना शामिल होता है क्योंकि जैविक संवेदन घटक संबंधित विश्लेषण के लिए अत्यधिक चयनात्मक होता है। संवेदक की सतह पर होने वाले परिवर्तनों के कारण बहुलक परत के संचालन में विद्युत रासायनिक और भौतिक परिवर्तनों द्वारा संकेत उत्पन्न होता है। इस तरह के परिवर्तनों को आयनिक शक्ति, पीएच, जलयोजन और रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, बाद में एंजाइम लेबल के एक सब्सट्रेट में बदलने के कारण।[44] क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर, जिसमें गेट क्षेत्र को एक एंजाइम या प्रतिरक्षी के साथ संशोधित किया गया है, विभिन्न विश्लेषणों की बहुत कम सांद्रता का भी पता लगा सकता है क्योंकि एफईटी के गेट क्षेत्र में विश्लेषण के बंधन से नाली-स्रोत वर्तमान में परिवर्तन होता है।

प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी आधारित बायोसेंसर विकास आजकल कर्षण प्राप्त कर रहा है और ऐसे कई उपकरण/विकास शिक्षा और उद्योग में पाए जाते हैं। नैनोपोरस एल्यूमिना मेम्ब्रेन का उपयोग करते हुए 4-इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोकेमिकल सेल पर आधारित एक ऐसा उपकरण, सीरम एल्ब्यूमिन की उच्च पृष्ठभूमि की उपस्थिति में मानव अल्फा थ्रोम्बिन की कम सांद्रता का पता लगाने के लिए दिखाया गया है।[45] प्रतिबाधा बायोसेंसर के लिए भी इंटरडिजिटल इलेक्ट्रोड का उपयोग किया गया है।[46]

आयन चैनल स्विच

आईसीएस - चैनल खुला
आईसीएस - चैनल बंद

आयन चैनलों का उपयोग लक्ष्य जैविक अणुओं की अत्यधिक संवेदनशील पहचान की पेशकश करने के लिए दिखाया गया है।[47] सोने के इलेक्ट्रोड से जुड़ी समर्थित या बंधे हुए लिपिड बाईलेयर (टी-बीएलएम) में आयन चैनलों को एम्बेड करके, एक विद्युत सर्किट बनाया जाता है। प्रतिरक्षी जैसे अणुओं को आयन चैनल से बांधा जा सकता है ताकि लक्ष्य अणु का बंधन चैनल के माध्यम से आयन प्रवाह को नियंत्रित कर सके। इसके परिणामस्वरूप विद्युत चालन में मापनीय परिवर्तन होता है जो लक्ष्य की सांद्रता के समानुपाती होता है।

एक आयन चैनल स्विच (ICS) बायोसेंसर को ग्रेमिकिडिन का उपयोग करके बनाया जा सकता है, एक डिमेरिक पेप्टाइड चैनल, एक बंधे हुए बाइलेयर मेम्ब्रेन में।[48] ग्रैमिकिडिन का एक पेप्टाइड, संलग्न प्रतिरक्षी के साथ, मोबाइल है और एक स्थिर है। डिमर को तोड़ने से झिल्ली के माध्यम से आयनिक धारा रुक जाती है। हाइड्रोफिलिक स्पेसर का उपयोग करके धातु की सतह से झिल्ली को अलग करके विद्युत संकेत में परिवर्तन की भयावहता बहुत बढ़ जाती है।

विभिन्न झिल्ली और कैप्चर कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करके प्रोटीन, बैक्टीरिया, दवाओं और विषाक्त पदार्थों सहित लक्षित प्रजातियों के एक व्यापक वर्ग की मात्रात्मक पहचान का प्रदर्शन किया गया है।[49][50] यूरोपीय अनुसंधान परियोजना ग्रीनसेंस लार और मूत्र में THC, मॉर्फिन, और कोकीन[51] जैसे दुरुपयोग की दवाओं की मात्रात्मक जांच करने के लिए एक बायोसेंसर विकसित करती है।

अभिकर्मक रहित फ्लोरोसेंट बायोसेंसर

एक अभिकर्मक रहित बायोसेंसर अतिरिक्त अभिकर्मक के बिना एक जटिल जैविक मिश्रण में लक्ष्य विश्लेषण की निगरानी कर सकता है। इसलिए, ठोस समर्थन पर स्थिर होने पर यह लगातार कार्य कर सकता है। एक फ्लोरोसेंट बायोसेंसर अपने प्रतिदीप्ति गुणों के परिवर्तन से अपने लक्ष्य विश्लेषण के साथ बातचीत पर प्रतिक्रिया करता है। एक अभिकर्मक रहित फ्लोरोसेंट बायोसेंसर (आरएफ बायोसेंसर) एक जैविक रिसेप्टर को एकीकृत करके प्राप्त किया जा सकता है, जो लक्ष्य विश्लेषण के विरुद्ध निर्देशित होता है, और एक सॉल्वैटोक्रोमिज़्म फ्लोरोफोर, जिसका उत्सर्जन गुण एक एकल मैक्रोमोलेक्यूल में, इसके स्थानीय पर्यावरण की प्रकृति के प्रति संवेदनशील होते हैं। फ्लोरोफोर पहचान घटना को मापने योग्य ऑप्टिकल सिग्नल में ट्रांसड्यूस करता है। बाहरी फ्लोरोफोरस का उपयोग, जिनके उत्सर्जन गुण प्रोटीन, ट्रिप्टोफैन और टाइरोसिन के आंतरिक फ्लोरोफोरस से व्यापक रूप से भिन्न होते हैं, एक को जटिल जैविक मिश्रणों में विश्लेषण का तुरंत पता लगाने और इसकी मात्रा निर्धारित करने में सक्षम बनाता है। फ़्लोरोफ़ोर का एकीकरण उस साइट में किया जाना चाहिए जहां यह रिसेप्टर की आत्मीयता को प्रभावित किए बिना विश्लेषण के बंधन के प्रति संवेदनशील है।

एंटीजन बाइंडिंग प्रोटीन (एजीबीपी) के प्रतिरक्षी और कृत्रिम परिवार आरएफ बायोसेंसर के मान्यता मॉड्यूल प्रदान करने के लिए उपयुक्त हैं क्योंकि उन्हें किसी एंटीजन के खिलाफ निर्देशित किया जा सकता है (जैवग्राही्स पर पैराग्राफ देखें)। एक एजीबीपी में एक सॉल्वैटोक्रोमिक फ्लोरोफोर को एकीकृत करने के लिए एक सामान्य दृष्टिकोण जब इसके प्रतिजन के साथ परिसर की परमाणु संरचना ज्ञात होती है, और इस प्रकार इसे एक आरएफ बायोसेंसर में बदल दिया जाता है, का वर्णन किया गया है।[20] एजीबीपी के एक अवशेष को उनके परिसर में प्रतिजन के पड़ोस में पहचाना जाता है। यह अवशेष साइट-निर्देशित उत्परिवर्तन द्वारा सिस्टीन में परिवर्तित हो जाता है। फ्लोरोफोर रासायनिक रूप से उत्परिवर्ती सिस्टीन से जुड़ा हुआ है। जब डिजाइन सफल होता है, तो युग्मित फ्लोरोफोर प्रतिजन के बंधन को नहीं रोकता है, यह बंधन विलायक से फ्लोरोफोर को ढाल देता है, और यह प्रतिदीप्ति के परिवर्तन से पता लगाया जा सकता है। यह रणनीति प्रतिरक्षी अंशों के लिए भी मान्य है।[52][53]

हालांकि, विशिष्ट संरचनात्मक डेटा के अभाव में, अन्य रणनीतियों को लागू किया जाना चाहिए। एजीबीपी के प्रतिरक्षी और कृत्रिम परिवार प्रोटीन के एक अद्वितीय उप-क्षेत्र में स्थित, और एक निरंतर पॉलीपेप्टाइड मचान द्वारा समर्थित, हाइपरवेरिएबल (या यादृच्छिक) अवशेषों की स्थिति के एक सेट द्वारा गठित किए जाते हैं। किसी दिए गए एंटीजन के लिए बाध्यकारी साइट बनाने वाले अवशेषों को हाइपरवेरिएबल अवशेषों में से चुना जाता है। इन परिवारों के किसी भी एजीबीपी को लक्ष्य प्रतिजन के विशिष्ट आरएफ बायोसेंसर में बदलना संभव है, केवल एक सॉल्वैटोक्रोमिक फ्लोरोफोर को एक हाइपरवेरिएबल अवशेषों में से एक में जोड़कर, जो इस अवशेष को बदलने के बाद प्रतिजन के साथ बातचीत के लिए बहुत कम या कोई महत्व नहीं रखते हैं। mutagenesis द्वारा सिस्टीन में। अधिक विशेष रूप से, रणनीति में आनुवंशिक स्तर पर सिस्टीन में हाइपरवार्जेबल पदों के अवशेषों को अलग-अलग बदलना शामिल है, उत्परिवर्ती सिस्टीन के साथ एक सॉल्वैटोक्रोमिक फ्लोरोफोर को रासायनिक रूप से युग्मित करना, और फिर उच्चतम संवेदनशीलता (एक पैरामीटर) वाले परिणामी संयुग्मों को बनाए रखना जिसमें प्रतिदीप्ति संकेत की आत्मीयता और भिन्नता दोनों शामिल हैं।[21] यह दृष्टिकोण प्रतिरक्षी अंशों के परिवारों के लिए भी मान्य है।[54]

एक पश्चवर्ती अध्ययनों से पता चला है कि सबसे अच्छा अभिकर्मक रहित फ्लोरोसेंट बायोसेंसर तब प्राप्त होते हैं जब फ्लोरोफोर जैवग्राही की सतह के साथ गैर-सहसंयोजक बातचीत नहीं करता है, जो पृष्ठभूमि संकेत को बढ़ाता है, और जब यह सतह पर एक बाध्यकारी जेब के साथ बातचीत करता है। लक्ष्य प्रतिजन[55] उपरोक्त तरीकों से प्राप्त आरएफ बायोसेंसर, जीवित कोशिकाओं के अंदर लक्ष्य विश्लेषणों का कार्य और पता लगा सकते हैं।[56]

चुंबकीय बायोसेंसर

बायोसेंसर बायोलॉजिकल इंटरैक्शन का पता लगाने के लिए पैरामैग्नेटिक या सुपर-पैरामैग्नेटिक पार्टिकल्स या क्रिस्टल का इस्तेमाल करते हैं। उदाहरण कुंडल-अधिष्ठापन, प्रतिरोध, या अन्य चुंबकीय गुण हो सकते हैं। चुंबकीय नैनो या माइक्रोपार्टिकल्स का उपयोग करना आम बात है। ऐसे कणों की सतह में जैवग्राही होते हैं, जो डीएनए (अनुक्रम या एप्टामर्स के पूरक) प्रतिरक्षी, या अन्य हो सकते हैं। जैवग्राही का बंधन कुछ चुंबकीय कण गुणों को प्रभावित करेगा जिन्हें एसी ससेप्टोमेट्री,[57] एक हॉल इफेक्ट सेंसर[58], एक विशाल मैग्नेटोरेसिस्टेंस डिवाइस,[59] या अन्य द्वारा मापा जा सकता है।

अन्य

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर क्रिस्टल का उपयोग करते हैं जो एक लोचदार विरूपण से गुजरते हैं जब उन पर विद्युत क्षमता लागू होती है। एक प्रत्यावर्ती विभव (A.C.) एक अभिलक्षणिक आवृत्ति पर क्रिस्टल में स्थायी तरंग उत्पन्न करता है। यह आवृत्ति क्रिस्टल के लोचदार गुणों पर अत्यधिक निर्भर है, जैसे कि यदि एक क्रिस्टल को जैविक मान्यता तत्व के साथ लेपित किया जाता है, तो एक रिसेप्टर के लिए (बड़े) लक्ष्य विश्लेषण का बंधन अनुनाद आवृत्ति में परिवर्तन उत्पन्न करेगा, जो बाध्यकारी देता है संकेत। सतह ध्वनिक तरंगों (SAW) का उपयोग करने वाले मोड में, संवेदनशीलता बहुत बढ़ जाती है। यह बायोसेंसर के रूप में क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस का एक विशेष अनुप्रयोग है।

इलेक्ट्रोकेमिलुमिनेसिसेंस (ईसीएल) आजकल बायोसेंसर में एक अग्रणी तकनीक है।[60][61][62] चूंकि उत्साहित प्रजातियों को प्रकाश उत्तेजना स्रोत के बजाय इलेक्ट्रोकेमिकल उत्तेजना के साथ उत्पादित किया जाता है, इसलिए ईसीएल प्रकाश प्रकीर्णन और ल्यूमिनेसेंस पृष्ठभूमि के कारण कम से कम प्रभाव के साथ फोटोल्यूमिनेसेंस की तुलना में बेहतर सिग्नल-टू-शोर अनुपात प्रदर्शित करता है। विशेष रूप से, सकारात्मक क्षमता (ऑक्सीडेटिव-कमी तंत्र) के क्षेत्र में बफ़र्ड जलीय घोल में काम करने वाले कोरेक्टेंट ईसीएल ने निश्चित रूप से इम्युनोसे के लिए ईसीएल को बढ़ावा दिया, जैसा कि कई शोध अनुप्रयोगों द्वारा पुष्टि की गई है, और इससे भी अधिक, महत्वपूर्ण कंपनियों की उपस्थिति से, जिन्होंने व्यावसायिक हार्डवेयर विकसित किया है। हर साल अरबों डॉलर के बाजार में उच्च क्षमता वाले इम्यूनोऐसेज़ विश्लेषण।

थर्मोमेट्रिक बायोसेंसर दुर्लभ हैं।

बायोसेंसर मॉस्फेट (बायोफेट)

Main article: Bio-FET

मॉस्फेट (धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, या समॉस ट्रांजिस्टर) का आविष्कार वर्ष 1959 में मोहम्मद एम. अटाला और डॉन कहंग द्वारा किया गया था, और वर्ष 1960 में प्रस्तुत किया गया था।[63] दो साल बाद, लेलैंड सी. क्लार्क और चैंप ल्योंस ने वर्ष 1962 में पहले बायोसेंसर का आविष्कार किया।[64][65] बाद में बायोसेंसर मॉस्फेट (बायोफेट) को विकसित किया गया था, और उसके बाद से इनका उपयोग भौतिक, रसायनिक, जैविक और पर्यावरणीय मापदंडों को मापने के लिए व्यापक रूप से किया जाने लगा।[66]

आयन-संवेदनशील क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (आईएसएफ़ईटी) पहला बायोफेट था, जिसका आविष्कार पीट बर्गवेल्ड ने वर्ष 1970 में विद्युत रासायनिक और जैविक अनुप्रयोगों के लिए किया था।[67][68] अधिशोषण एफईटी (एडीएफईटी) को पी.एफ कॉक्स द्वारा वर्ष 1974 में पेटेंट कराया गया था, और एक हाइड्रोजन-संवेदनशील मॉस्फेट को आई. लुंडस्ट्रॉम, एम.एस. शिवरामन, सी.एस. स्वेन्सन और एल लुंडकविस्ट द्वारा वर्ष 1975 में प्रस्तुत किया गया था।[66] आईएसएफ़ईटी एक विशेष प्रकार का मॉस्फेट है जिसमें एक निश्चित दूरी पर एक द्वार होता है,[66] और जहाँ धात्विक द्वार को आयन-संवेदी झिल्ली, विद्युत-अपघट्य विलयन और संदर्भ इलेक्ट्रोड द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।[69] आईएसएफ़ईटी का उपयोग डीएनए संकरण का पता लगाने, रक्त से जैव-चिह्न का पता लगाने, प्रतिरक्षी का पता लगाने, शर्करा मापन, पीएच संवेदन और आनुवंशिक तकनीक जैसे जैव चिकित्सकीय अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से किया जाता है।[69]

1980 के दशक के मध्य तक, गैस सेंसर एफईटी (गैसफेट), दाबानुकूलित संवेदक एफईटी (प्रेसफेट), रासायनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (केमफेट), संदर्भ आईएसएफ़ईटी (आरईएफईटी), एंजाइम-संशोधित एफईटी (ईएनएफईटी) और प्रतिरक्षात्मक रूप से संशोधित एफईटी (आईएमएफईटी) सहित अन्य बायोफेट विकसित किए गए थे।[66] डीएनए क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (डीएनएएफईटी), आनुवंशिक रूप से संशोधित (जेनएफईटी) और सेल-संभावित बायोएफईटी (सीपीएफईटी) जैस बायोफेट 2000 के दशक के प्रारंभ तक विकसित किए गए थे।[69]

बायोसेंसर की स्थापना

बायोसेंसर की उपयुक्त स्थापना इनके अनुप्रयोग के क्षेत्र पर निर्भर करती है, जिसे सामान्य रूप से जैव प्रौद्योगिकी, कृषि, खाद्य प्रौद्योगिकी और जैव-औषधि में विभाजित किया जा सकता है।

जैव प्रौद्योगिकी में, खेती-बाड़ी की रासायनिक संरचना का विश्लेषण इन-लाइन, ऑन-लाइन, एट-लाइन और ऑफ-लाइन किया जा सकता है। जैसा कि यूएस फूड एंड ड्रग एडमिनिस्ट्रेशन (एफडीए) द्वारा रेखांकित किया गया है, नमूने को इन-लाइन सेंसर के लिए प्रोसेस स्ट्रीम से निष्कासित नहीं किया जाता है, जबकि इसे ऑन-लाइन मापन के लिए निर्माण प्रक्रिया से निष्कासित कर दिया जाता है। एट-लाइन सेंसर के लिए नमूने को निष्कासित किया जा सकता है और प्रक्रिया प्रवाह के निकट विश्लेषण किया जा सकता है।[70] उत्तरार्द्ध का एक उदाहरण डेयरी प्रसंस्करण संयंत्र में लैक्टोज की निगरानी करना है।[71] ऑफ-लाइन बायोसेंसर उन जैव विश्लेषण तकनीकों की तुलना करते हैं जो क्षेत्र में नहीं, बल्कि प्रयोगशाला में कार्य कर रहे हैं। इन तकनीकों का उपयोग मुख्य रूप से कृषि, खाद्य प्रौद्योगिकी और जैव-औषधि में किया जाता है।

चिकित्सीय अनुप्रयोगों में बायोसेंसर को सामान्यतः कृत्रिम परिवेशीय और अन्तर्जीव प्रणालियों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। एक कृत्रिम परिवेशीय, बायोसेंसर मापन एक परखनली, एक संवर्धन पात्र, एक माइक्रोटिटर प्लेट या एक सजीव जीव के बाहर कहीं और होता है। जैसा कि ऊपर बताया गया है कि सेंसर एक जैव-ग्राही और ट्रांसड्यूसर का उपयोग करता है। रक्त शर्करा की निगरानी के लिए एक एंजाइम-चालकत्वमिति बायोसेंसर कृत्रिम परिवेशीय बायोसेंसर का एक उदाहरण है। बायोसेंसर के निर्माण में यह चुनौती होती है जो बिंदु-देखभाल परीक्षण के सिद्धांत, अर्थात्, उस स्थान पर जहाँ परीक्षण की आवश्यकता है, द्वारा संचालित होता है।[72][73] पहनने योग्य बायोसेंसर का विकास ऐसे अध्ययनों में से एक है।[74] प्रयोगशाला परीक्षण को समाप्त करने से समय और धन की बचत हो सकती है। पीओसीटी बायोसेंसर का एक अनुप्रयोग एचआईवी के परीक्षण के लिए उन क्षेत्रों में हो सकता है जहाँ रोगियों के लिए परीक्षण करना मुश्किल होता है। एक बायोसेंसर को सीधे उस स्थान पर भेजा जा सकता है और त्वरित एवं आसान परीक्षण का उपयोग किया जा सकता है।

चमड़े के नीचे के ऊतकों (59x45x8 मिमी) में ग्लूकोज की निगरानी के लिए बायोसेंसर प्रत्यारोपण। इलेक्ट्रॉनिक घटकों को एक Ti आवरण में भली भांति बंद करके संलग्न किया जाता है, जबकि एंटीना और सेंसर जांच को एपॉक्सी हेडर में ढाला जाता है।[75]

अन्तर्जीव बायोसेंसर एक प्रत्यारोपण उपकरण होता है जो शरीर के अंदर संचालित होता है। अवश्य ही, आरोपण के बाद प्रारंभिक भड़काऊ प्रतिक्रिया से बचने के लिए बायोसेंसर प्रत्यारोपण को नसबंदी पर सख्त नियमों को पूरा करना पड़ता है। इसकी दूसरी चिंता दीर्घकालिक जैव-अनुकूलता, अर्थात् उपयोग की इच्छित अवधि के दौरान शरीर के पर्यावरण के साथ हानिरहित अंतःक्रिया से संबंधित है।[76] विफलता, इसकी एक और समस्या है। कोई विफलता होने पर उपकरण को हटा देना और प्रतिस्थापित कर देना चाहिए, जिससे अतिरिक्त सर्जरी हो सकती है। शरीर के भीतर इंसुलिन की निगरानी, अन्तर्जीव बायोसेंसर के अनुप्रयोग का एक उदाहरण है, जो अभी तक उपलब्ध नहीं है।

शर्करा की निरंतर निगरानी के लिए सबसे उन्नत बायोसेंसर प्रत्यारोपण विकसित किए गए हैं।[77][78] यह चित्र एक उपकरण को प्रदर्शित करता है, जिसके लिए गति-निर्धारक और वितन्तुविकम्पनित्र जैसे हृदय प्रत्यारोपण के लिए स्थापित एक टीआई आवरण और एक बैटरी का उपयोग किया जाता है।[75] इसका आकार एक वर्ष के जीवनकाल के लिए आवश्यकतानुसार बैटरी द्वारा निर्धारित किया जाता है। चिकित्सा प्रत्यारोपण संचार सेवा 402-405 मेगाहर्ट्ज बैंड के भीतर मापे गये शर्करा डेटा को तारविहीन रूप से शरीर से बाहर प्रसारित किया जाएगा।

बायोसेंसर को मोबाइल फोन निकाय में भी एकीकृत किया जा सकता है, जिससे वे उपयोगकर्ता के अनुकूल और बड़ी संख्या में उपयोगकर्ताओं के लिए सुलभ हो जाते हैं।[79]

अनुप्रयोग

प्रतिरक्षी-संशोधित बोरॉन-डॉप्ड डायमंड का उपयोग करके इन्फ्लूएंजा वायरस की बायोसेंसिंग

विभिन्न प्रकार के बायोसेंसर के कई संभावित अनुप्रयोग हैं। अनुसंधान और वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के संदर्भ में मूल्यवान होने के लिए एक बायोसेंसर दृष्टिकोण के लिए मुख्य आवश्यकताएं एक लक्ष्य अणु की पहचान, एक उपयुक्त जैविक पहचान तत्व की उपलब्धता और संवेदनशील प्रयोगशाला-आधारित तकनीकों के लिए डिस्पोजेबल पोर्टेबल डिटेक्शन सिस्टम को प्राथमिकता देने की क्षमता है। कुछ स्थितियों में। कुछ उदाहरण मधुमेह रोगियों में ग्लूकोज की निगरानी, ​​अन्य चिकित्सा स्वास्थ्य संबंधी लक्ष्य, पर्यावरणीय अनुप्रयोग, उदा। कीटनाशकों और नदी के पानी के दूषित पदार्थों का पता लगाना, जैसे कि भारी धातु आयन,[80] हवाई जीवाणुओं की रिमोट सेंसिंग, उदा। काउंटर-बायोटेरोरिस्ट गतिविधियों में, दुनिया भर में परित्यक्त द्विकपाटी के समूहों में क्लैम एथोलॉजी (जैविक ताल, विकास दर, स्पॉनिंग या मृत्यु रिकॉर्ड) के विभिन्न पहलुओं का ऑनलाइन वर्णन करके तटीय जल में पानी की गुणवत्ता का रिमोट सेंसिंग,[81] रोगजनकों का पता लगाना, जैविक उपचार से पहले और बाद में जहरीले पदार्थों के स्तर का निर्धारण, ऑर्गनोफॉस्फेट का पता लगाने और निर्धारण, फोलिक एसिड, बायोटिन, विटामिन बी 12 और पैंटोथैनिक एसिड के नियमित विश्लेषणात्मक माप के रूप में सूक्ष्मजीवविज्ञानी परख के विकल्प के रूप में, भोजन में दवा के अवशेषों का निर्धारण, जैसे एंटीबायोटिक दवाओं और ग्रोथ प्रमोटर , विशेष रूप से मांस और शहद, दवा की खोज और नए यौगिकों की जैविक गतिविधि का मूल्यांकन, बायोसेंसर में प्रोटीन इंजीनियरिंग,[82] और मायकोटॉक्सिन जैसे विषाक्त चयापचयों का पता लगाना।

वाणिज्यिक बायोसेंसर का एक सामान्य उदाहरण रक्त ग्लूकोज बायोसेंसर है, जो रक्त ग्लूकोज को तोड़ने के लिए एंजाइम ग्लूकोज ऑक्सीडेज का उपयोग करता है। ऐसा करने में यह पहले ग्लूकोज का ऑक्सीकरण करता है और FAD (एंजाइम का एक घटक) को FADH2 में कम करने के लिए दो इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है। यह बदले में इलेक्ट्रोड द्वारा कई चरणों में ऑक्सीकृत होता है। परिणामी धारा ग्लूकोज की सांद्रता का एक उपाय है। इस मामले में, इलेक्ट्रोड ट्रांसड्यूसर है और एंजाइम जैविक रूप से सक्रिय घटक है।

एक पिंजरे में कैनरी, जैसा कि खनिकों द्वारा गैस की चेतावनी के लिए उपयोग किया जाता है, को बायोसेंसर माना जा सकता है। आज के कई बायोसेंसर अनुप्रयोग समान हैं, जिसमें वे जीवों का उपयोग करते हैं जो मनुष्यों की तुलना में बहुत कम सांद्रता पर विषाक्त पदार्थों का पता लगा सकते हैं ताकि उनकी उपस्थिति की चेतावनी मिल सके। इस तरह के उपकरणों का उपयोग पर्यावरण निगरानी,[83] ट्रेस गैस का पता लगाने और जल उपचार सुविधाओं में किया जा सकता है।

ग्लूकोज की निगरानी

Main article: Blood glucose monitoring

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ग्लूकोज मॉनिटर ग्लूकोज ऑक्सीडेज के माध्यम से ग्लूकोज की एम्परोमेट्रिक सेंसिंग पर निर्भर करते हैं, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उत्पादन करने वाले ग्लूकोज को ऑक्सीकरण करता है जिसे इलेक्ट्रोड द्वारा पता लगाया जाता है। एम्परोमेट्रिक सेंसर की सीमा को पार करने के लिए, फ्लोरोसेंट ग्लूकोज बायोसेंसर जैसे उपन्यास संवेदन विधियों में अनुसंधान की हड़बड़ाहट मौजूद है।[84]

इंटरफेरोमेट्रिक परावर्तन इमेजिंग सेंसर

इंटरफेरोमेट्रिक रिफ्लेक्शन इमेजिंग सेंसर (आईआरआईएस) ऑप्टिकल हस्तक्षेप के सिद्धांतों पर आधारित है और इसमें सिलिकॉन-सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट, मानक ऑप्टिक्स और कम-शक्ति वाले सुसंगत एलईडी शामिल हैं। जब प्रकाश स्तरित सिलिकॉन-सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट पर कम आवर्धन उद्देश्य के माध्यम से प्रकाशित होता है, तो एक इंटरफेरोमेट्रिक हस्ताक्षर उत्पन्न होता है। बायोमास के रूप में, जिसमें सिलिकॉन ऑक्साइड के रूप में अपवर्तन का एक समान सूचकांक होता है, सब्सट्रेट सतह पर जम जाता है, इंटरफेरोमेट्रिक हस्ताक्षर में परिवर्तन होता है और परिवर्तन को मात्रात्मक द्रव्यमान से सहसंबद्ध किया जा सकता है। डाबौल एट अल। लगभग 19 ng/mL की लेबल-मुक्त संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए IRIS का उपयोग किया।[85] अहं एट अल। मास टैगिंग तकनीक के माध्यम से आईआरआईएस की संवेदनशीलता में सुधार हुआ।[86]

प्रारंभिक प्रकाशन के बाद से, आईआरआईएस को विभिन्न कार्य करने के लिए अनुकूलित किया गया है। सबसे पहले, आईआरआईएस ने प्रतिदीप्ति प्रोटीन माइक्रोएरे परिवर्तनशीलता को संबोधित करने के संभावित तरीके के रूप में इंटरफेरोमेट्रिक इमेजिंग उपकरण में एक प्रतिदीप्ति इमेजिंग क्षमता को एकीकृत किया।[87] संक्षेप में, प्रतिदीप्ति माइक्रोएरे में भिन्नता मुख्य रूप से सतहों पर असंगत प्रोटीन स्थिरीकरण से उत्पन्न होती है और एलर्जी माइक्रोएरे में गलत निदान का कारण बन सकती है।[88] प्रोटीन स्थिरीकरण में किसी भी भिन्नता को सही करने के लिए, प्रतिदीप्ति मोडैलिटी में प्राप्त डेटा को फिर लेबल-फ्री मोडैलिटी में प्राप्त डेटा द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है।[88] आईआरआईएस को एकल नैनोकणों की गिनती करने के लिए भी अनुकूलित किया गया है, बस लेबल-मुक्त बायोमास परिमाणीकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले कम आवर्धन उद्देश्य को उच्च उद्देश्य आवर्धन के लिए उपयोग किया जाता है।[89][90] यह साधन जटिल मानव जैविक नमूनों में आकार भेदभाव को सक्षम बनाता है। मुनरो एट अल। मानव पूरे रक्त और सीरम में नुकीले प्रोटीन स्तर की मात्रा निर्धारित करने के लिए IRIS का उपयोग किया और शून्य नमूना प्रसंस्करण का उपयोग करके मानव रक्त के नमूनों में एलर्जेन संवेदीकरण निर्धारित किया।[91] इस उपकरण के अन्य व्यावहारिक उपयोगों में वायरस और रोगज़नक़ का पता लगाना शामिल है।[92]

खाद्य विश्लेषण

खाद्य विश्लेषण में बायोसेंसर के कई अनुप्रयोग हैं।[93][94][95] खाद्य उद्योग में, प्रतिरक्षी के साथ लेपित ऑप्टिक्स सामान्यतः रोगजनकों और खाद्य विषाक्त पदार्थों का पता लगाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। आम तौर पर, इन बायोसेंसरों में प्रकाश प्रणाली प्रतिदीप्ति होती है, क्योंकि इस प्रकार के ऑप्टिकल माप सिग्नल को बहुत बढ़ा सकते हैं।

सतह प्लासमॉन अनुनाद आधारित सेंसर सिस्टम पर उपयोग के लिए पानी में घुलनशील विटामिन और रासायनिक संदूषक (दवा अवशेष) जैसे सल्फोनामाइड (औषधि) और बीटा एगोनिस्ट जैसे छोटे अणुओं का पता लगाने और माप के लिए इम्यूनो- और लिगैंड-बाइंडिंग एसेज़ की एक श्रृंखला विकसित की गई है। मौजूदा एलिसा या अन्य इम्यूनोलॉजिकल परख से अनुकूलित। ये खाद्य उद्योग में व्यापक उपयोग में हैं।

प्रदूषकों का पता लगाना/निगरानी करना

बायोसेंसर का उपयोग हवा, पानी और मिट्टी के प्रदूषकों जैसे कि कीटनाशकों, संभावित कार्सिनोजेनिक, म्यूटाजेनिक, और/या जहरीले पदार्थों और अंतःस्रावी विघटनकारी रसायनों की निगरानी के लिए किया जा सकता है।[96][97]

उदाहरण के लिए, बायोनेनोटेक्नोलॉजिस्ट ने एक व्यवहार्य बायोसेंसर, रोसालिंड 2.0 विकसित किया, जो विविध जल प्रदूषकों के स्तर का पता लगा सकता है।[98][99]

ओजोन माप

क्योंकि ओजोन हानिकारक पराबैंगनी विकिरण को फ़िल्टर कर देता है, पृथ्वी के वायुमंडल की ओजोन परत में छिद्रों की खोज ने इस बात को लेकर चिंता बढ़ा दी है कि पराबैंगनी प्रकाश पृथ्वी की सतह तक कितना पहुँचता है। विशेष चिंता का विषय है कि समुद्र के पानी में कितनी गहराई तक पराबैंगनी विकिरण प्रवेश करता है और यह समुद्री जीवों को कैसे प्रभावित करता है, विशेष रूप से प्लवक (तैरते सूक्ष्मजीव) और वायरस जो प्लैंकटन पर हमला करते हैं। प्लैंकटन समुद्री खाद्य श्रृंखलाओं का आधार बनाते हैं और माना जाता है कि प्रकाश संश्लेषण के लिए CO2 के तेज होने से हमारे ग्रह के तापमान और मौसम को प्रभावित करते हैं।

रेडियो-जीव विज्ञान और पर्यावरण स्वास्थ्य (कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सैन फ्रांसिस्को) की प्रयोगशाला के एक शोधकर्ता डेनेब करेन्ट्ज़ ने पराबैंगनी पैठ और तीव्रता को मापने के लिए एक सरल विधि तैयार की है। अंटार्कटिक महासागर में काम करते हुए, उसने ई. कोलाई के विशेष उपभेदों वाले पतले प्लास्टिक बैगों को विभिन्न गहराई तक डुबोया, जो उनके डीएनए को पराबैंगनी विकिरण क्षति की मरम्मत करने में लगभग पूरी तरह से असमर्थ हैं। इन थैलियों में जीवाणुओं की मृत्यु दर की तुलना उसी जीव के अनएक्सपोज़्ड कंट्रोल बैग में दरों से की गई थी। बैक्टीरियल "बायोसेंसर" ने 10 मीटर की गहराई और प्रायः 20 और 30 मीटर की गहराई पर लगातार महत्वपूर्ण पराबैंगनी क्षति का खुलासा किया। करेंट्ज़ इस बारे में अतिरिक्त अध्ययन की योजना बना रहा है कि कैसे पराबैंगनी महासागरों में मौसमी प्लैंकटन प्रस्फुटन (विकास गति) को प्रभावित कर सकता है।[100]

मेटास्टेटिक कैंसर कोशिका का पता लगाना

मेटास्टेसिस शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में संचार प्रणाली या लसीका प्रणाली के माध्यम से कैंसर का फैलाव है।[101] रेडियोलॉजी इमेजिंग टेस्ट (मैमोग्राम) के विपरीत, जो शरीर के माध्यम से केवल आंतरिक चित्र लेने के लिए ऊर्जा के रूप (एक्स-रे, चुंबकीय क्षेत्र, आदि) भेजते हैं, बायोसेंसर में ट्यूमर की घातक शक्ति का सीधे परीक्षण करने की क्षमता होती है। एक जैविक और संसूचक तत्व का संयोजन अध्ययन किए जा रहे विश्लेषण के लिए एक छोटे से नमूने की आवश्यकता, एक कॉम्पैक्ट डिजाइन, तेजी से संकेत, तेजी से पहचान, उच्च चयनात्मकता और उच्च संवेदनशीलता की अनुमति देता है। सामान्य रेडियोलॉजी इमेजिंग परीक्षणों की तुलना में बायोसेंसरों को न केवल यह पता लगाने का लाभ है कि कैंसर कितनी दूर तक फैल चुका है और जाँच कर रहा है कि उपचार प्रभावी है या नहीं, बल्कि सस्ता, अधिक कुशल (समय, लागत और उत्पादकता में) शुरुआती चरणों में मेटास्टेटिकता का आकलन करने के तरीके हैं। कैंसर।

जैविक इंजीनियरिंग शोधकर्ताओं ने स्तन कैंसर के लिए ऑन्कोलॉजिकल बायोसेंसर बनाए हैं।[102] स्तन कैंसर दुनिया भर में महिलाओं में सबसे आम कैंसर है।[103] एक उदाहरण एक ट्रांसफरिन-क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस (क्यूसीएम) होगा। बायोसेंसर के रूप में, क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस नैनो-ग्राम द्रव्यमान परिवर्तनों का पता लगाने के लिए एक वैकल्पिक क्षमता से क्रिस्टल की स्थायी तरंग की आवृत्ति में दोलन उत्पन्न करते हैं। इन बायोसेंसरों को विशेष रूप से बातचीत करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और सेल (कैंसर और सामान्य) सतहों पर रिसेप्टर्स के लिए उच्च चयनात्मकता है। आदर्श रूप से, यह मैमोग्राम द्वारा दिए गए गुणात्मक चित्र पहचान के बजाय इस रिसेप्टर प्रति सतह क्षेत्र के साथ कोशिकाओं की मात्रात्मक पहचान प्रदान करता है।

सेडा अटे, हेकेटटेप विश्वविद्यालय में एक जैव प्रौद्योगिकी शोधकर्ता, ने प्रयोगात्मक रूप से एक QCM और MDA-MB 231 स्तन कोशिकाओं, MCF 7 कोशिकाओं, और भूखे MDA-MB 231 कोशिकाओं के बीच इन विट्रो में इस विशिष्टता और चयनात्मकता का अवलोकन किया।[102] अन्य शोधकर्ताओं के साथ उसने ट्रांसफ़रिन रिसेप्टर्स की विभिन्न मात्राओं के कारण बड़े पैमाने पर बदलावों को मापने के लिए सेंसर पर इन विभिन्न मेटास्टैटिक स्तरित कोशिकाओं को धोने की एक विधि तैयार की। विशेष रूप से, स्तन कैंसर कोशिकाओं की मेटास्टैटिक शक्ति को क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस द्वारा नैनोकणों और ट्रांसफरिन के साथ निर्धारित किया जा सकता है जो संभावित रूप से कैंसर सेल सतहों पर ट्रांसफरिन रिसेप्टर्स से जुड़ा होगा। ट्रांसफ़रिन रिसेप्टर्स के लिए बहुत अधिक चयनात्मकता है क्योंकि वे कैंसर कोशिकाओं में अधिक अभिव्यक्त होते हैं। यदि कोशिकाओं में ट्रांसफेरिन रिसेप्टर्स की उच्च अभिव्यक्ति होती है, जो उनकी उच्च मेटास्टैटिक शक्ति दिखाती है, तो उनके पास उच्च संबंध होता है और क्यूसीएम से अधिक बांधता है जो द्रव्यमान में वृद्धि को मापता है। नैनो-ग्राम द्रव्यमान परिवर्तन के परिमाण के आधार पर, मेटास्टैटिक शक्ति निर्धारित की जा सकती है।

इसके अतिरिक्त, पिछले वर्षों में, बायोप्सी के बिना फेफड़े के कैंसर के बायोमार्कर का पता लगाने पर महत्वपूर्ण ध्यान केंद्रित किया गया है। इस संबंध में, बायोसेंसर प्रारंभिक फेफड़ों के कैंसर निदान के लिए तेजी से, संवेदनशील, विशिष्ट, स्थिर, लागत प्रभावी और गैर-इनवेसिव डिटेक्शन प्रदान करने के लिए बहुत ही आकर्षक और लागू उपकरण हैं। इस प्रकार, कैंसर बायोसेंसर में विशिष्ट जैव-पहचान अणु जैसे प्रतिरक्षी, पूरक न्यूक्लिक एसिड जांच या एक ट्रांसड्यूसर सतह पर अन्य स्थिर जैव-अणु होते हैं। बायोरिकग्निशन अणु विशेष रूप से बायोमार्कर (लक्ष्य) के साथ बातचीत करते हैं और उत्पन्न जैविक प्रतिक्रियाओं को ट्रांसड्यूसर द्वारा मापनीय विश्लेषणात्मक संकेत में परिवर्तित किया जाता है। जैविक प्रतिक्रिया के प्रकार के आधार पर, विभिन्न ट्रांसड्यूसर का उपयोग कैंसर बायोसेंसर जैसे इलेक्ट्रोकेमिकल, ऑप्टिकल और मास-आधारित ट्रांसड्यूसर के निर्माण में किया जाता है।[104]

रोगज़नक़ का पता लगाना

रोगजनक जीवों का पता लगाने के लिए बायोसेंसर का उपयोग किया जा सकता है।[97]

रोगजनक हस्ताक्षर के लिए एंबेडेड बायोसेंसर - जैसे कि SARS-CoV-2 - जो पहनने योग्य हैं - विकसित किए गए हैं - जैसे कि अंतर्निर्मित परीक्षणों के साथ फेस मास्क।[105][106] यह भी देखें: COVID-19 सार्वजनिक परिवहन अनुसंधान एवं विकास

नए प्रकार के बायोसेंसर-चिप्स उपन्यास विधियों को सक्षम कर सकते हैं "जैसे ड्रोन-तैनात रोगज़नक़ सेंसर सक्रिय रूप से हवा या अपशिष्ट जल का सर्वेक्षण करते हैं"। संक्रामक रोग रोगजनकों के परीक्षण के लिए प्रोटीन-बाइंडिंग एप्टामर्स का उपयोग किया जा सकता है।[107] अंतर्निहित बायोसेंसर (या रासायनिक सेंसर) और मानव-मशीन इंटरफेस के साथ इलेक्ट्रॉनिक त्वचा (या रोबोट की खाल) की प्रणाली पहनने योग्य के साथ-साथ रिमोट सेंसिंग डिवाइस- या रोगजनकों के रोबोटिक संवेदन (साथ ही कई खतरनाक सामग्री और स्पर्श संवेदक) को सक्षम कर सकती है। धारणाएं)।[108][additional citation(s) needed]

प्रकार

ऑप्टिकल बायोसेंसर

कई ऑप्टिकल बायोसेंसर सतह प्लास्मोन अनुनाद (एसपीआर) तकनीकों की घटना पर आधारित हैं।[109][110] [108] [109] यह और अन्य सामग्रियों की संपत्ति का उपयोग करता है? विशेष रूप से कि एक उच्च अपवर्तक सूचकांक कांच की सतह पर सोने की एक पतली परत लेजर प्रकाश को अवशोषित कर सकती है, जिससे सोने की सतह पर इलेक्ट्रॉन तरंगें (सतह प्लास्मॉन) उत्पन्न होती हैं। यह केवल एक विशिष्ट कोण और घटना प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर होता है और सोने की सतह पर अत्यधिक निर्भर होता है, जैसे कि सोने की सतह पर एक रिसेप्टर के लिए लक्ष्य विश्लेषण का बंधन एक औसत दर्जे का संकेत पैदा करता है।

सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस सेंसर एक सेंसर चिप का उपयोग करके संचालित होता है जिसमें एक प्लास्टिक कैसेट होता है जो एक ग्लास प्लेट का समर्थन करता है, जिसके एक तरफ सोने की सूक्ष्म परत होती है। यह पक्ष उपकरण के ऑप्टिकल पहचान तंत्र से संपर्क करता है। विपरीत पक्ष को फिर एक माइक्रोफ्लुइडिक प्रवाह प्रणाली के साथ संपर्क किया जाता है। प्रवाह प्रणाली के साथ संपर्क चैनल बनाता है जिसमें समाधान में अभिकर्मकों को पारित किया जा सकता है। ब्याज के अणुओं के आसान लगाव की अनुमति देने के लिए, ग्लास सेंसर चिप के इस पक्ष को कई तरीकों से संशोधित किया जा सकता है। आम तौर पर यह कार्बोक्सिमिथाइल डेक्सट्रान या इसी तरह के यौगिक में लेपित होता है।

चिप सतह के प्रवाह पक्ष पर अपवर्तनांक का सोने की ओर से परावर्तित प्रकाश के व्यवहार पर सीधा प्रभाव पड़ता है। चिप के प्रवाह पक्ष से बंधने से अपवर्तक सूचकांक पर प्रभाव पड़ता है और इस तरह जैविक अंतःक्रियाओं को किसी प्रकार की ऊर्जा के साथ उच्च स्तर की संवेदनशीलता के लिए मापा जा सकता है। सतह के पास माध्यम का अपवर्तक सूचकांक तब बदलता है जब जैव अणु सतह से जुड़ते हैं, और एसपीआर कोण इस परिवर्तन के कार्य के रूप में भिन्न होता है।

एक निश्चित तरंग दैर्ध्य का प्रकाश कुल आंतरिक प्रतिबिंब के कोण पर चिप के सोने की ओर से परिलक्षित होता है, और उपकरण के अंदर पाया जाता है। सतह प्लास्मोन पोलरिटोन के प्रसार दर के साथ अपवर्तक तरंग प्रसार दर से मिलान करने के लिए घटना प्रकाश का कोण भिन्न होता है।[111] यह क्षणभंगुर तरंग को कांच की प्लेट के माध्यम से प्रवेश करने और सतह पर बहने वाले तरल में कुछ दूरी के लिए प्रेरित करता है।

अन्य ऑप्टिकल बायोसेंसर मुख्य रूप से उपयुक्त संकेतक परिसर के अवशोषण या फ्लोरेसेंस में परिवर्तन पर आधारित होते हैं और कुल आंतरिक प्रतिबिंब ज्यामिति की आवश्यकता नहीं होती है। उदाहरण के लिए, दूध में कैसिइन का पता लगाने वाला एक पूरी तरह से चालू प्रोटोटाइप डिवाइस तैयार किया गया है। यह उपकरण सोने की परत के अवशोषण में परिवर्तन का पता लगाने पर आधारित है।[112] एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला शोध उपकरण, माइक्रो-एरे, को बायोसेंसर भी माना जा सकता है।

जैविक बायोसेंसर

जैविक बायोसेंसर, जिन्हें ऑप्टोजेनेटिक सेंसर के रूप में भी जाना जाता है, प्रायः एक देशी प्रोटीन या एंजाइम के आनुवंशिक रूप से संशोधित रूप को शामिल करते हैं। प्रोटीन को एक विशिष्ट विश्लेषण का पता लगाने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है और परिणामी संकेत एक फ्लोरोमीटर या ल्यूमिनोमीटर जैसे पहचान उपकरण द्वारा पढ़ा जाता है। हाल ही में विकसित बायोसेंसर का एक उदाहरण है एनालाइट सीएएमपी (साइक्लिक एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट) के साइटोसोलिक कंसंट्रेशन का पता लगाने के लिए, सेल मेम्ब्रेन पर रिसेप्टर्स के साथ बातचीत करने वाले लिगैंड्स द्वारा ट्रिगर किए गए सेलुलर सिग्नलिंग में शामिल एक दूसरा संदेशवाहक।[113] देशी लिगैंड्स या ज़ेनोबायोटिक्स (टॉक्सिन्स या छोटे अणु अवरोधक) के लिए सेलुलर प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इसी तरह की प्रणालियाँ बनाई गई हैं। इस तरह के "ऐसेज़" सामान्यतः दवा और जैव प्रौद्योगिकी कंपनियों द्वारा दवा की खोज के विकास में उपयोग किए जाते हैं। वर्तमान उपयोग में अधिकांश सीएएमपी परखों को सीएएमपी की माप से पहले कोशिकाओं के विश्लेषण की आवश्यकता होती है। सीएमपी के लिए एक लाइव-सेल बायोसेंसर का उपयोग रिसेप्टर प्रतिक्रिया के कैनेटीक्स का अध्ययन करने के लिए कई रीडिंग के अतिरिक्त लाभ के साथ गैर-लाइज्ड कोशिकाओं में किया जा सकता है।

नैनोबायोसेंसर्स एक स्थिर जैवग्राही जांच का उपयोग करते हैं जो लक्ष्य विश्लेषण अणुओं के लिए चयनात्मक है। नैनोमटेरियल अत्यधिक संवेदनशील रासायनिक और जैविक सेंसर हैं। नैनोस्केल सामग्री अद्वितीय गुण प्रदर्शित करती है। उनके बड़े सतह क्षेत्र से मात्रा अनुपात विभिन्न प्रकार के डिजाइनों का उपयोग करके तेजी से और कम लागत वाली प्रतिक्रियाएं प्राप्त कर सकते हैं।[114]

अन्य क्षणभंगुर तरंग बायोसेंसर को वेवगाइड्स का उपयोग करके व्यावसायीकरण किया गया है जहां वेवगाइड के माध्यम से प्रसार निरंतर अणुओं के अवशोषण द्वारा वेवगाइड सतह में बदल जाता है। ऐसा ही एक उदाहरण, दोहरे ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री एक दबे हुए वेवगाइड का संदर्भ के रूप में उपयोग करता है जिसके विरुद्ध प्रसार स्थिरांक में परिवर्तन को मापा जाता है। मच-ज़ेन्डर जैसे अन्य विन्यासों में एक सब्सट्रेट पर लिथोग्राफिक रूप से परिभाषित हथियार हैं। गुंजयमान ज्यामिति का उपयोग करके एकीकरण के उच्च स्तर को प्राप्त किया जा सकता है जहां अणु अवशोषित होने पर एक रिंग गुंजयमान यंत्र की गुंजयमान आवृत्ति बदल जाती है।

इलेक्ट्रानिक नासिका उपकरण

हाल ही में, तथाकथित इलेक्ट्रॉनिक नाक उपकरणों में कई अलग-अलग संसूचक अणुओं की सरणी को लागू किया गया है, जहां संसूचकों से प्रतिक्रिया का पैटर्न किसी पदार्थ को फिंगरप्रिंट करने के लिए उपयोग किया जाता है।[116] ततैया हाउंड गंध-संसूचक में, यांत्रिक तत्व एक वीडियो कैमरा है और जैविक तत्व पांच परजीवी ततैया हैं जिन्हें एक विशिष्ट रसायन की उपस्थिति के जवाब में झुंड में रहने के लिए अनुकूलित किया गया है।[117] वर्तमान वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक नाक, तथापि, जैविक तत्वों का उपयोग नहीं करते।

डीएनए बायोसेंसर

डीएनए एक बायोसेंसर का विश्लेषण हो सकता है, जिसे विशिष्ट माध्यमों से पता लगाया जा सकता है, लेकिन इसका उपयोग बायोसेंसर के हिस्से के रूप में या सैद्धांतिक रूप से पूरे बायोसेंसर के रूप में भी किया जा सकता है।

डीएनए का पता लगाने के लिए कई तकनीकें मौजूद हैं, जो सामान्यतः उस विशेष डीएनए वाले जीवों का पता लगाने का एक साधन है। ऊपर बताए अनुसार डीएनए अनुक्रमों का भी उपयोग किया जा सकता है। लेकिन अधिक दूरंदेशी दृष्टिकोण मौजूद हैं, जहां एक जैविक, स्थिर जेल में एंजाइमों को धारण करने के लिए डीएनए को संश्लेषित किया जा सकता है।[118] अन्य अनुप्रयोग हैं aptamers के डिज़ाइन, DNA के अनुक्रम जिनका एक वांछित अणु को बाँधने के लिए एक विशिष्ट आकार होता है। इसके लिए सबसे नवीन प्रक्रियाएं डीएनए ओरिगेमी का उपयोग करती हैं, जो एक पूर्वानुमानित संरचना में मोड़ने वाले अनुक्रमों का निर्माण करती हैं जो पता लगाने के लिए उपयोगी है।[119][120]

वैज्ञानिकों ने हवा में चूसे गए जानवरों के डीएनए का पता लगाने के लिए प्रोटोटाइप सेंसर का निर्माण किया है, "एयरबोर्न ईडीएनए"।[121]

डीएनए से बने "नैनोएन्टेनास" - एक नए प्रकार के नैनो-स्केल ऑप्टिकल एंटीना - को प्रोटीन से जुड़ा हो सकता है और प्रतिदीप्ति के माध्यम से एक संकेत उत्पन्न कर सकता है जब ये अपने जैविक कार्य करते हैं, विशेष रूप से अलग-अलग परिवर्तन के लिए।[115][116]

ग्रेफीन आधारित बायोसेंसर

ग्रेफीन बेहतर ऑप्टिकल, इलेक्ट्रिकल, मैकेनिकल, थर्मल और मैकेनिकल गुणों वाला एक द्वि-आयामी कार्बन-आधारित पदार्थ है। विभिन्न प्रकार के प्रोटीनों को अवशोषित और स्थिर करने की क्षमता, विशेष रूप से कुछ कार्बन रिंग संरचनाओं के साथ, बायोसेंसर ट्रांसड्यूसर के रूप में ग्राफीन को एक उत्कृष्ट उम्मीदवार साबित किया है। नतीजतन, हाल के दिनों में विभिन्न ग्राफीन-आधारित बायोसेंसर का पता लगाया और विकसित किया गया है।[14][117]


यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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