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 प्रतिदीप्तिधर/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

ऋणात्मक रूप से आवेशित एक्सोसोम को संवेदन एक ग्रेफीन 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

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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 निम्न हैं:

  • विद्युत-रासायनिक बायोसेंसर
  • प्रकाशिक बायोसेंसर
  • इलेक्ट्रॉनिक बायोसेंसर
  • दाब-वैद्युत बायोसेंसर
  • भारात्मक बायोसेंसर
  • ताप-विद्युत बायोसेंसर
  • चुंबकीय बायोसेंसर

विद्युत-रासायनिक बायोसेंसर

विद्युत-रासायनिक बायोसेंसर सामान्यतः एक अभिक्रिया के एंजाइमी उत्प्रेरण पर आधारित होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन या खपत करते हैं (ऐसे एंजाइमों को रेडॉक्स एंजाइम कहा जाता है)। सेंसर के अधःस्तर में सामान्यतः संदर्भ इलेक्ट्रोड, कार्यकारी इलेक्ट्रोड और काउंटर इलेक्ट्रोड तीन इलेक्ट्रोड होते हैं। लक्षित विश्लेषण सक्रिय इलेक्ट्रोड सतह पर होने वाली अभिक्रिया में सम्मिलित होता है, और अभिक्रिया या तो दोहरी परत (धारा 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 विभवान्तर पर धारा को माप सकते हैं (इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की दर अब विश्लेषण सान्द्रता के समानुपाती है) या विभव को शून्य धारा पर मापा जा सकता है (यह एक लघुगणकीय प्रतिक्रिया देता है)। ध्यान दें कि कार्यशील या सक्रिय इलेक्ट्रोड का विभव स्थानिक आवेश संवेदनशील होती है और प्रायः इसका उपयोग किया जाता है। इसके अतिरिक्त, आयन-संवेदी क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (बायो-एफईटी) का उपयोग करके छोटे पेप्टाइडों और प्रोटीनों का लेबल-मुक्त और प्रत्यक्ष विद्युतीय संसूचन उनके आंतरिक आवेशों द्वारा संभव है।[43]

इसका एक अन्य उदाहरण विभवमापीय बायोसेंसर है, (शून्य धारा पर उत्पादित विभव) जो एक उच्च गतिशील सीमा के साथ एक लघुगणकीय प्रतिक्रिया देता है। ऐसे बायोसेंसर प्रायः एक प्लास्टिक अधःस्तर पर इलेक्ट्रोड पैटर्न की स्क्रीन प्रिंटिंग द्वारा बनाए जाते हैं, जो एक चालक बहुलक के साथ लेपित होते हैं और फिर कुछ प्रोटीन (एंजाइम या प्रतिरक्षी) संलग्न होते हैं। इनके पास केवल दो इलेक्ट्रोड होते हैं और ये बेहद संवेदनशील और मजबूत होते हैं। ये पहले केवल एचपीएलसी और एलसी/एमएस द्वारा प्राप्त किए जा सकने वाले स्तरों पर और कठोर नमूना तैयार किए बिना विश्लेष्य पदार्थों के संसूचन को सक्षम बनाते हैं। सभी बायोसेंसरों में सामान्यतः न्यूनतम नमूना तैयार करना सम्मिलित होता है क्योंकि जैविक संवेदन घटक संबंधित विश्लेष्य पदार्थ 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 अभिक्रियाओं, एंजाइम लेबल के एक अधःस्तर में परिवर्तित होने के कारण उत्तरार्ध के लिए उत्तरदायी ठहराया जा सकता है।[44] क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर, जिसमें गेट के क्षेत्र को एक एंजाइम या प्रतिरक्षी के साथ संशोधित किया गया है, विभिन्न विश्लेष्य पदार्थों की अत्यन्त कम सांद्रता का भी पता लगा सकता है क्योंकि एफईटी के गेट क्षेत्र में विश्लेष्य पदार्थ के बंधन से निर्गत-स्रोत धारा में परिवर्तन होता है।

प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी आधारित बायोसेंसर विकास आजकल लोकप्रियता प्राप्त कर रहा है और ऐसे कई उपकरण/विकास शिक्षा और उद्योगों में पाए जाते हैं। नैनोपोरस एल्यूमिना झिल्ली का उपयोग करते हुए 4-इलेक्ट्रोड विद्युत-रासायनिक सेल पर आधारित एक ऐसा उपकरण, सीरम श्वेतक की उच्च पृष्ठभूमि की उपस्थिति में मानव अल्फा थ्रोम्बिन की कम सांद्रता का पता लगाने के लिए प्रस्तुत किया गया है।[45] प्रतिबाधा बायोसेंसर के लिए भी एकान्तरित इलेक्ट्रोड का उपयोग किया गया है।[46]

आयन चैनल स्विच

आईसीएस - चैनल खुला
आईसीएस - चैनल बंद

आयन चैनलों का उपयोग लक्षित जैविक अणुओं की अत्यधिक संवेदनशील पहचान को प्रस्तुत करने के लिए दिखाया गया है।[47] स्वर्ण इलेक्ट्रोड से जुड़ी समर्थित या बंधित द्विस्तरीय झिल्लियों (टी-बीएलएम) में आयन चैनलों को अंतर्निहित करके एक विद्युत परिपथ बनाया जाता है। प्रतिरक्षी जैसे अणुओं को आयन चैनल से बांधा जा सकता है जिससे लक्षित 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 (आईसीएस) बायोसेंसर को एक द्विलकीय पेप्टाइड चैनल ग्रैमिसिडिन को एक बंधित द्विस्तरीय झिल्ली में उपयोग करके बनाया जा सकता है।[48] ग्रैमिसिडिन का प्रतिरक्षी के साथ संलग्न एक पेप्टाइड अस्थिर और एक स्थिर होता है। द्विलक को तोड़ने से झिल्ली के माध्यम से प्रवाहित आयनिक धारा रुक जाती है। जलस्नेही अन्तरक का उपयोग करके धातु की सतह से झिल्ली को अलग करके विद्युत संकेत में परिवर्तन का परिमाण बहुत बढ़ जाता है।

विभिन्न झिल्लियों और अभिग्रहण विन्यासों 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 टीएचसी, मॉर्फिन, और कोकीन[51] जैसी दुरुपयोग की दवाओं की मात्रात्मक जाँच करने के लिए एक बायोसेंसर विकसित करती है।

अभिकर्मक रहित प्रतिदीप्ति बायोसेंसर

एक अभिकर्मक रहित बायोसेंसर, अतिरिक्त अभिकर्मक के बिना एक जटिल जैविक मिश्रण में लक्षित विश्लेष्य पदार्थ की निगरानी कर सकता है। इसलिए, मजबूत समर्थन पर स्थिर होने पर यह लगातार कार्य कर सकता है। एक प्रतिदीप्ति बायोसेंसर अपने प्रतिदीप्ति गुणों के परिवर्तन से अपने लक्षित विश्लेष्य पदार्थ के साथ अंतःक्रिया पर प्रतिक्रिया करता है। एक अभिकर्मक रहित प्रतिदीप्ति बायोसेंसर (आरएफ बायोसेंसर) को एक जैवग्राही को एकीकृत करके प्राप्त किया जा सकता है, जो लक्षित विश्लेष्य पदार्थ और एक सॉल्वैटोक्रोमिक प्रतिदीप्तिधर के विरुद्ध निर्देशित होता है, जिसके उत्सर्जन गुण एक एकल वृहदाणु में इसके स्थानीय पर्यावरण की प्रकृति के प्रति संवेदनशील होते हैं। प्रतिदीप्तिधर पहचान घटना को मापने योग्य प्रकाशिक संकेत में ट्रांसड्यूस करता है। बाह्य प्रतिदीप्तिधरों का उपयोग जटिल जैविक मिश्रणों में विश्लेष्य पदार्थ के तीव्र संसूचन और इसकी मात्रा के निर्धारण को सक्षम बनाता है, जिनके उत्सर्जन गुण प्रोटीन, ट्रिप्टोफैन और टाइरोसिन के आंतरिक प्रतिदीप्तिधरों से व्यापक रूप से भिन्न होते हैं। प्रतिदीप्तिधरों का एकीकरण उस स्थान पर किया जाना चाहिए जहाँ यह ग्राही की आत्मीयता को प्रभावित किए बिना विश्लेष्य पदार्थ के बंधन के प्रति संवेदनशील होता है।

प्रतिजन बंधन प्रोटीन (एजीबीपी) के प्रतिरक्षी और कृत्रिम परिवार आरएफ बायोसेंसर के मान्यता मॉड्यूल प्रदान करने के लिए उपयुक्त हैं क्योंकि इन्हें किसी प्रतिजन के खिलाफ निर्देशित किया जा सकता है (जैवग्राहियों पर अनुच्छेद देखें)। एक एजीबीपी में एक सॉल्वैटोक्रोमिक प्रतिदीप्तिधर को एकीकृत करने के लिए एक सामान्य दृष्टिकोण का वर्णन किया गया है, जब इसके प्रतिजन के साथ परिसर की परमाणु संरचना ज्ञात होती है, और इस प्रकार इसे एक आरएफ बायोसेंसर में बदल दिया जाता है।[20] एजीबीपी के एक अवशेष को इनके परिसर में प्रतिजन के निकट क्षेत्र में पहचाना जाता है। यह अवशेष क्षेत्र-निर्देशित उत्परिवर्तन द्वारा सिस्टीन में परिवर्तित हो जाता है। प्रतिदीप्तिधर रासायनिक रूप से उत्परिवर्ती सिस्टीन से जुड़ा होता है। जब संरचना सफल होती है, तो युग्मित प्रतिदीप्तिधर प्रतिजन के बंधन को नहीं रोकता है, यह बंधन विलायक से प्रतिदीप्तिधर को ढाल देता है, और इसका पता प्रतिदीप्ति के परिवर्तन से 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 प्रयुक्त किया जाना चाहिए। एजीबीपी के प्रतिरक्षी और कृत्रिम परिवार, प्रोटीन के एक अद्वितीय उप-क्षेत्र में स्थित और एक निरंतर पॉलीपेप्टाइड आलम्बियों द्वारा समर्थित, अतिपरिवर्ती (या यादृच्छिक) अवशेषों की स्थिति के एक समूह द्वारा गठित किए जाते हैं। किसी दिए गए प्रतिजन के लिए बाध्यकारी क्षेत्र बनाने वाले अवशेषों को अतिपरिवर्ती अवशेषों में से चुना जाता है। इन परिवारों के किसी भी एजीबीपी को लक्षित प्रतिजन के विशिष्ट आरएफ बायोसेंसर में केवल एक सॉल्वैटोक्रोमिक प्रतिदीप्तिधर को एक हाइपरवेरिएबल अवशेषों में से एक में जोड़कर बदलना संभव है, जो इन अवशेषों को उत्परिवर्तन द्वारा सिस्टीन में बदलने के बाद प्रतिजन के साथ अंतःक्रिया करने के लिए बहुत कम या कोई महत्व नहीं रखते हैं। अधिक विशेष रूप से, इस रणनीति में आनुवंशिक स्तर पर सिस्टीन में अतिपरिवर्ती स्थितियों के अवशेषों को अलग-अलग बदलना, उत्परिवर्ती सिस्टीन के साथ एक सॉल्वैटोक्रोमिक प्रतिदीप्तिधर को रासायनिक रूप से युग्मित करना, और फिर उच्चतम संवेदनशीलता (एक पैरामीटर) वाले परिणामी संयुग्मों को बनाए रखना, जिसमें प्रतिदीप्ति संकेत की सम्बन्ध और विविधता दोनों सम्मिलित हैं।[21] यह दृष्टिकोण प्रतिरक्षी अंशों के परिवारों के लिए भी मान्य है।[54]

पश्चवर्ती अध्ययनों से पता चला है कि सबसे अच्छे अभिकर्मक रहित प्रतिदीप्ति बायोसेंसर तब प्राप्त होते हैं जब प्रतिदीप्तिधर जैवग्राही की सतह के साथ गैर-सहसंयोजक अंतःक्रिया नहीं करता है, जो पृष्ठभूमि संकेत को बढ़ाता है, और जब यह लक्षित प्रतिजन की सतह पर एक बाध्यकारी थैली के साथ अंतःक्रिया करता है।[55] उपरोक्त विधियों से प्राप्त आरएफ बायोसेंसर, जीवित कोशिकाओं के अंदर लक्षित विश्लेष्य पदार्थों की क्रिया और संसूचन कर सकते हैं।[56]

चुंबकीय बायोसेंसर

बायोसेंसर जैविक अंतःक्रियाओं का पता लगाने के लिए अनुचुम्बकीय या अतिचुम्बकीय कणों या क्रिस्टल का उपयोग करते हैं। इसके उदाहरणों में कुंडल-अधिष्ठापन, प्रतिरोध, या अन्य चुंबकीय गुण सम्मिलित हो सकते हैं। चुंबकीय नैनो या सूक्ष्मकणों का उपयोग सामान्य है। ऐसे कणों की सतह में जैवग्राही होते हैं, जो डीएनए (अनुक्रम या एप्टैमर के पूरक) प्रतिरक्षी, या अन्य हो सकते हैं। जैवग्राहियों का बंधन कुछ चुंबकीय कण के गुणों को प्रभावित करता है, जिन्हें एसी संवेदनशीलता,[57] एक हॉल प्रभाव संवेदक[58], एक विशाल चुम्बक-प्रतिरोधी उपकरण,[59] या अन्य द्वारा मापा जा सकता है।

अन्य

दाब-वैद्युत सेंसर क्रिस्टल का उपयोग करते हैं जो एक प्रत्यास्थ विरूपण से गुजरते हैं जब उन पर विद्युत विभव प्रयुक्त होता है। एक प्रत्यावर्ती विभव (एसी) एक अभिलक्षणिक आवृत्ति पर क्रिस्टल में स्थायी तरंग उत्पन्न करता है। यह आवृत्ति क्रिस्टल के प्रत्यास्थ गुणों पर अत्यधिक निर्भर होती है, जैसे कि यदि एक क्रिस्टल को जैविक पहचान तत्व के साथ लेपित किया जाता है, तो एक ग्राही के लिए (बड़े) लक्षित विश्लेष्य पदार्थ का बंधन अनुनाद आवृत्ति में परिवर्तन उत्पन्न करता है, जो एक बंधन संकेत देता है। सतह ध्वनिक तरंगों (एसएडब्ल्यू) का उपयोग करने वाली अवस्था में, संवेदनशीलता बहुत बढ़ जाती है। यह क्वार्ट्ज क्रिस्टल सूक्ष्ममापी तुला का बायोसेंसर के रूप में एक विशेष अनुप्रयोग है।

विद्युत रासायनिक संदीप्ति (ईसीएल), आजकल बायोसेंसर में एक अग्रणी तकनीक है।[60][61][62] चूंकि उत्साहित प्रजातियों को प्रकाश उत्तेजना स्रोत के स्थान पर विद्युत-रासायनिक उत्तेजना के साथ उत्पादित किया जाता है, इसलिए ईसीएल प्रकाश प्रकीर्णन और संदीप्ति पृष्ठभूमि के कारण कम से कम प्रभाव के साथ प्रकाश संदीप्ति की तुलना में बेहतर संकेत-से-ध्वनि अनुपात प्रदर्शित करता है। विशेष रूप से, धनात्मक विभव (ऑक्सीकारक-अपचायक तंत्र) के क्षेत्र में बफर जलीय विलयन में कार्य करने वाले सह-अभिकारक ईसीएल ने निश्चित रूप से प्रतिरक्षा के लिए ईसीएल को प्रोत्साहित दिया, जैसा कि कई शोध अनुप्रयोगों द्वारा पुष्टि की गई है, और इससे भी अधिक, महत्वपूर्ण कंपनियों की उपस्थिति से, जिन्होंने हर साल अरबों डॉलर के बाजार में उच्च प्रवाह प्रतिरक्षा विश्लेषण के लिए वाणिज्यिक हार्डवेयर विकसित किया।

तापमापीय बायोसेंसर दुर्लभ हैं।

बायोसेंसर मॉस्फेट (बायोफेट)

Main article: बायो-फेट

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 ऊतक (59x45x8 मिमी) में ग्लूकोज की निगरानी के लिए बायोसेंसर प्रत्यारोपण। इलेक्ट्रॉनिक घटकों को एक टीआई आवरण में भली भांति बंद कर दिया जाता है, जबकि एंटीना और सेंसर जांच 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

एक एंटीबॉडी-संशोधित बोरॉन-डोप्ड हीरे का उपयोग करके इन्फ्लूएंजा वायरस का बायोसेंसिंग

विभिन्न प्रकार के बायोसेंसरों के कई सक्षम अनुप्रयोग हैं। अनुसंधान और वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के संदर्भ में मूल्यवान होने के लिए एक बायोसेंसर दृष्टिकोण के लिए मुख्य आवश्यकताएँ एक लक्षित अणु की पहचान, एक उपयुक्त जैविक पहचान तत्व की उपलब्धता और कुछ स्थितियों में संवेदनशील प्रयोगशाला-आधारित तकनीकों के लिए प्रयोज्य वहनीय पहचान तंत्र को प्राथमिकता देने की क्षमता है। इसके कुछ उदाहरण मधुमेह रोगियों में ग्लूकोज की निगरानी, ​​अन्य चिकित्सा स्वास्थ्य संबंधी लक्ष्य, पर्यावरणीय अनुप्रयोग जैसे कीटनाशकों और नदी के पानी के दूषित पदार्थों जैसे भारी धातु आयन का पता लगाना,[80] वायुजनित जीवाणुओं की रिमोट सेंसिंग जैसे प्रति-जैवविरोधी गतिविधियों में, विश्व 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 संवेदन,[81] रोगजनकों का पता लगाना, जैविक उपचार से पहले और बाद में जहरीले पदार्थों के स्तर का निर्धारण, ऑर्गनोफॉस्फेट का पता लगाने और निर्धारण में, फोलिक अम्ल, 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 प्रतिजैविक औषधियों और विकास प्रोत्साहक, विशेष रूप से मांस और शहद, दवा की खोज और नए यौगिकों की जैविक गतिविधि का मूल्यांकन, बायोसेंसर में प्रोटीन अभियांत्रिकी,[82] और मायकोटॉक्सिन जैसे विषाक्त चयापचयों का पता लगाना आदि हैं।

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 फैड (एंजाइम का एक घटक) को एफएडीएच2 में परिवर्तित 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 की एक माप है। इस स्थिति में, इलेक्ट्रोड ट्रांसड्यूसर और एंजाइम जैविक रूप से सक्रिय घटक होता है।

एक पिंजरे में गाने वाले पक्षी को बायोसेंसर माना जा सकता है, जो कि खनिकों द्वारा गैस की चेतावनी के लिए उपयोग किया जाता 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 जिससे इनकी 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: रक्त शर्करा की निगरानी

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ग्लूकोज निरीक्षक ग्लूकोज ऑक्सीडेज के माध्यम से ग्लूकोज की धारामापीय संवेदन पर निर्भर करते हैं, जो हाइड्रोजन परॉक्‍साइड का उत्पादन करने वाले ग्लूकोज का ऑक्सीकरण करता है, जिसे इलेक्ट्रोड द्वारा पता लगाया जाता है। धारामापीय संवेदक की सीमा को पार करने के लिए, प्रतिदीप्ति ग्लूकोज बायोसेंसर जैसी नयी संवेदन विधियों में अनुसंधान की श्रृंखला उपलब्ध है।[84]

व्यतिकरणमितीय परावर्तकता इमेजिंग सेंसर

व्यतिकरणमितीय परावर्तकता इमेजिंग सेंसर (आइरिस) प्रकाशिक हस्तक्षेप के सिद्धांतों पर आधारित है और इसमें सिलिकॉन-सिलिकॉन ऑक्साइड अधःस्तर, मानक प्रकाशिकी और कम-शक्ति वाले सुसंगत एलईडी सम्मिलित हैं। जब प्रकाश स्तरित सिलिकॉन-सिलिकॉन ऑक्साइड अधःस्तर पर कम आवर्धन उद्देश्य के माध्यम से प्रकाशित होता है, तो एक व्यतिकरणमितीय संकेत उत्पन्न होता है। अधःस्तर जैव-भार के रूप में सतह पर एकत्र हो जाता है, जिसमें सिलिकॉन ऑक्साइड के रूप में अपवर्तन का एक समान सूचकांक होता है, और व्यतिकरणमितीय संकेत में परिवर्तन होता है और परिवर्तन को मात्रात्मक द्रव्यमान से सहसंबद्ध किया जा सकता है। डाबौल एट. अल ने लगभग 19 ng/mL की लेबल-मुक्त संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए आइरिस का उपयोग किया।[85] अहन एट अल ने द्रव्यमान अंकन तकनीक के माध्यम से आइरिस की संवेदनशीलता में सुधार किया।[86]

प्रारंभिक प्रकाशन के बाद से, आइरिस को विभिन्न कार्य करने के लिए अनुकूलित किया गया है। सबसे पहले, आइरिस ने प्रतिदीप्ति प्रोटीन माइक्रोएरे परिवर्तनशीलता को संबोधित करने के संभावित तरीके के रूप में व्यतिकरणमितीय 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] फिर प्रोटीन स्थिरीकरण में किसी भी भिन्नता को सही करने के लिए, प्रतिदीप्ति मोडैलिटी में प्राप्त डेटा को लेबल-मुक्त मोडैलिटी में प्राप्त डेटा द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है।[88] आइरिस को एकल नैनोकणों की गणना करने के लिए भी अनुकूलित किया गया है, यह केवल लेबल-मुक्त जैव-भार 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 भिन्नता को सक्षम बनाता है। मुनरो एट अल ने मानव के पूर्ण रक्त और सीरम में नुकीले प्रोटीन स्तर की मात्रा निर्धारित करने के लिए आइरिस का उपयोग किया और शून्य नमूना प्रसंस्करण का उपयोग करके मानव रक्त के नमूनों में प्रत्यूर्जक संवेदीकरण को निर्धारित किया।[91] इस उपकरण के अन्य व्यावहारिक उपयोगों में वायरस और रोगज़नक़ का पता लगाना सम्मिलित है।[92]

खाद्य विश्लेषण

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

सतह द्रव्यैकक अनुनाद आधारित सेंसर प्रणाली पर उपयोग के लिए जल में घुलनशील विटामिन और रासायनिक संदूषक (औषधि अवशेष) जैसे सल्फोनामाइड (औषधि) और बीटा एगोनिस्ट जैसे छोटे अणुओं का पता लगाने और माप के लिए प्रतिरक्षी और लिगैंड-बाध्यकारी जाँचों की वर्तमान एलिसा या अन्य प्रतिरक्षात्मक परख से अनुकूलित एक श्रृंखला विकसित की गई है। ये खाद्य उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग में हैं।

प्रदूषकों का पता लगाना/निगरानी करना

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

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

ओजोन माप

क्योंकि ओजोन हानिकारक पराबैंगनी विकिरण को निस्पंदित कर देता है, अतः 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, विशेष रूप से प्लवक (तैरते सूक्ष्मजीव) और वायरस, जो प्लैंकटन पर हमला करते हैं, को कैसे प्रभावित करता है। प्लवक समुद्री खाद्य श्रृंखलाओं का आधार बनाते हैं और माना जाता है कि प्रकाश संश्लेषण के लिए CO2 कि तीव्र गति हमारे ग्रह के तापमान और मौसम को प्रभावित करती है।

रेडियो-जीव विज्ञान और पर्यावरण स्वास्थ्य (कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सैन फ्रांसिस्को) की प्रयोगशाला के एक शोधकर्ता डेनेब करेन्ट्ज़ ने पराबैंगनी प्रवेश और तीव्रता को मापने के लिए एक सरल विधि तैयार की है। अंटार्कटिक महासागर में कार्य करते हुए, इन्होनें ई. कोलाई के विशेष उपभेदों वाले पतले प्लास्टिक थैलों 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 अनावरित नियंत्रण थैलों 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 रहे हैं कि पराबैंगनी महासागरों में मौसमी प्लवक प्रस्फुटन (विकास गति) को कैसे प्रभावित कर सकता है।[100]

विक्षेपित कैंसर कोशिका का पता लगाना

विक्षेपण, शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में संचार प्रणाली या लसीका प्रणाली के माध्यम से कैंसर का प्रसार है।[101] रेडियोलॉजी इमेजिंग परीक्षण (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 विश्लेष्य पदार्थ के लिए एक छोटे से नमूने की आवश्यकता, एक सघन संरचना, तीव्र संकेतन, तीव्र पहचान, उच्च चयनात्मकता और उच्च संवेदनशीलता की सुविधा देता है। सामान्य रेडियोलॉजी इमेजिंग परीक्षणों की तुलना में बायोसेंसरों में न केवल यह पता लगाने का लाभ है कि कैंसर कितनी दूर तक फैल चुका है और यह जाँच करना कि उपचार प्रभावी है या नहीं, बल्कि ये सस्ती, (समय, लागत और उत्पादकता में) कैंसर के प्रारंभिक चरणों में विक्षेपता का आकलन करने की अधिक कुशल विधियाँ हैं।

जैविक अभियांत्रिकी शोधकर्ताओं ने स्तन कैंसर के लिए ऑन्कोलॉजिकल बायोसेंसर निर्मित किये हैं।[102] स्तन कैंसर विश्व भर में महिलाओं में सबसे सामान्य कैंसर है।[103] इसका एक उदाहरण ट्रांसफरिन-क्वार्ट्ज क्रिस्टल सूक्ष्मजीवी तुला (क्यूसीएम) है। बायोसेंसर के रूप में, क्वार्ट्ज क्रिस्टल सूक्ष्मजीवी तुला 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 अंतःक्रिया करने के लिए बनाया गया है और इनमें कोशिकीय (कैंसर और सामान्य) सतहों पर ग्राहियों के लिए उच्च चयनात्मकता है। आदर्श रूप से, यह मैमोग्राम द्वारा दिए गए गुणात्मक चित्र पहचान के स्थान पर इस ग्राही प्रति सतह क्षेत्र के साथ कोशिकाओं की मात्रात्मक पहचान प्रदान करता है।

हेकेटटेप विश्वविद्यालय में एक जैव प्रौद्योगिकी शोधकर्ता, सेडा अटे ने प्रयोगात्मक रूप से एक क्यूसीएम और एमडीए-एमबी 231 स्तन कोशिकाओं, एमसीएफ 7 कोशिकाओं, और भूखे एमडीए-एमबी 231 कोशिकाओं के बीच कृत्रिम परिवेश में इस विशिष्टता और चयनात्मकता का अवलोकन किया।[102] अन्य शोधकर्ताओं के साथ इन्होनें ट्रांसफ़रिन ग्राहियों की विभिन्न मात्राओं के कारण बड़े पैमाने पर बदलावों को मापने के लिए सेंसर पर इन विभिन्न विक्षेपित स्तरित कोशिकाओं के धावन की एक विधि तैयार की। विशेष रूप से, स्तन कैंसर कोशिकाओं की विक्षेपित शक्ति को क्वार्ट्ज क्रिस्टल सूक्ष्मजीवी तुला द्वारा नैनोकणों और ट्रांसफरिन के साथ निर्धारित किया जा सकता है जो संभावित रूप से कैंसर कोशिका सतहों पर ट्रांसफरिन ग्राहियों से जुड़ा होता है। इसमें ट्रांसफ़रिन ग्राहियों के लिए बहुत अधिक चयनात्मकता होती है क्योंकि ये कैंसर कोशिकाओं में अधिक अभिव्यक्त होते हैं। यदि कोशिकाओं में ट्रांसफरिन ग्राहियों की उच्च अभिव्यक्ति होती है, जो उनकी उच्च विक्षेपित शक्ति दिखाती है, तो उनके पास उच्च संबंधता होती है और क्यूसीएम में अधिक बाँधता है जो द्रव्यमान में वृद्धि को मापता है। नैनो-ग्राम द्रव्यमान परिवर्तन के परिमाण के आधार पर, विक्षेपित शक्ति निर्धारित की जा सकती है।

इसके अतिरिक्त, पिछले वर्षों में, जैवूति परीक्षण के बिना फेफड़े के कैंसर के जैव-चिह्न का पता लगाने पर महत्वपूर्ण ध्यान केंद्रित किया गया है। इस संबंध में, बायोसेंसर फेफड़ों के प्रारंभिक कैंसर के निदान के लिए तीव्र, संवेदनशील, विशिष्ट, स्थिर, लागत प्रभावी और गैर-संक्रामक संसूचन प्रदान करने के लिए बहुत ही आकर्षक और प्रयुक्त उपकरण हैं। इस प्रकार, कैंसर बायोसेंसरों में विशिष्ट जैव-पहचान अणु जैसे प्रतिरक्षी, पूरक न्यूक्लिक अम्ल जाँच या एक ट्रांसड्यूसर सतह पर अन्य स्थिर जैव-अणु होते हैं। जैव-पहचान अणु विशेष रूप से जैव-चिह्न (लक्ष्य) के साथ अंतःक्रिया 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 ट्रांसड्यूसरों का उपयोग कैंसर बायोसेंसर जैसे विद्युत-रासायनिक, प्रकाशिक और भार-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 की पहचान के लिए पहनने योग्य अंतर्निहित बायोसेंसर, एसएआरएस-सीओवी-2 विकसित किए गए हैं - जैसे अंतर्निर्मित परीक्षणों के साथ फेस मास्क।[105][106] यह भी देखें: कोविड-19 सार्वजनिक परिवहन अनुसंधान एवं विकास।

नए प्रकार के बायोसेंसर-चिप नयी 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-बाध्यकारी एप्टैमरों का उपयोग किया जा सकता है।[107] अंतर्निहित बायोसेंसर (या रासायनिक सेंसर) और मानव-मशीन अंतर्पृष्ठ के साथ इलेक्ट्रॉनिक त्वचा (या रोबोट की खाल) की प्रणालियाँ धारणीयता के साथ-साथ रिमोट सेंसिंग उपकरण या रोगजनकों के रोबोटिक संवेदन (साथ ही कई खतरनाक सामग्री और स्पर्श संवेदी धारणाओं) को सक्षम कर सकती हैं।[108][additional citation(s) needed]

प्रकार

प्रकाशिक बायोसेंसर

कई प्रकाशिक बायोसेंसर सतह द्रव्यैकक अनुनाद (एसपीआर) तकनीकों की घटना पर आधारित हैं।[109][110] यह और अन्य सामग्रियों के गुणों का उपयोग करता है, विशेष रूप से कि एक उच्च अपवर्तक सूचकांक काँच की सतह पर एक पतली स्वर्ण-परत लेजर प्रकाश को अवशोषित कर सकती है, जिससे स्वर्ण-सतह पर इलेक्ट्रॉन तरंगें (सतह द्रव्यैकक) उत्पन्न होती हैं। यह आपतित प्रकाश के केवल एक विशिष्ट कोण और तरंग दैर्ध्य पर होता है और स्वर्ण-सतह पर अत्यधिक निर्भर होता है, जैसे कि स्वर्ण-सतह पर एक ग्राही के लिए लक्षित विश्लेष्य पदार्थ का बंधन एक मापनीय संकेत उत्पन्न करता है।

सतह द्रव्यैकक अनुनाद सेंसर एक सेंसर चिप का उपयोग द्वारा संचालित होता है, जिसमें प्लास्टिक का एक कैसेट होता है जो काँच की एक प्लेट का समर्थन करता है, जिसके एक ओर सूक्ष्म स्वर्ण परत होती है। यह पक्ष उपकरण के प्रकाशिक पहचान तंत्र से संपर्क करता है। िरव िपरीत पक्ष को एक सूक्ष्मप्रवाही प्रवाह प्रणाली के साथ संपरर्कितकिया जाता है। पयह ्रवाह प्रणाली के साथ संपर्क चैनल बनाता है जिसमें सविलयनमें अभिकर्मकों को पारित किया जा सकता है। बसम्बंधितअणुओं के आसान लगाव की असुविधादेने के लिए,गकाँचसेंसर चिप के इस पक्ष को कई तविधियोंसे संशोधित किया जा सकता है। सामान्यतः यह कार्बोक्सीमेथिल डेक्सट्रान या इसी प्रकार के यौगिक में लेपित होता है।

चिप की सतह के प्रवाह पक्ष पर अपवर्तनांक का स्वर्ण की ओर से परावर्तित प्रकाश के व्यवहार पर सीधा प्रभाव पड़ता है। चिप के प्रवाह पक्ष के साथ बंधन से अपवर्तनांक पर प्रभाव पड़ता है और इस प्रकार जैविक अंतःक्रियाओं को किसी प्रकार की ऊर्जा के साथ उच्च स्तर की संवेदनशीलता के लिए मापा जा सकता है। सतह के पास माध्यम का अपवर्तनांक 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 पूर्ण आतंरिक परावर्तन के कोण पर चिप के सोने की ओर से परावर्तित होता है, और उपकरण के अंदर पाया जाता है। सतह द्रव्यैकक पोलैरिटोन के प्रसार दर के साथ अस्थायी तरंग प्रसार दर के मिलान के लिए आपतित प्रकाश का कोण भिन्न होता है।[111] यह अस्थायी तरंग को कांच की प्लेट के माध्यम से प्रवेश करने और सतह पर प्रवाहित द्रव में कुछ दूरी के लिए प्रेरित करता है।

अन्य प्रकाशिक बायोसेंसर मुख्य रूप से उपयुक्त सूचक यौगिक के अवशोषण या प्रतिदीप्ति में परिवर्तन पर आधारित होते हैं और पूर्ण आतंरिक परावर्तन ज्यामिति की आवश्यकता नहीं होती है। उदाहरण के लिए, दूध में कैसीन का पता लगाने वाला एक पूर्णतः परिचालन प्रोटोटाइप उपकरण तैयार किया गया है। यह उपकरण सोने की परत के अवशोषण में परिवर्तन का पता लगाने पर आधारित है।[112] व्यापक रूप से उपयोग किये जाने वाले एक 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 प्राकृतिक प्रोटीन या एंजाइम के आनुवंशिक रूप से संशोधित रूप को सम्मिलित करते हैं। प्रोटीन को एक विशिष्ट विश्लेष्य पदार्थ का पता लगाने के लिए विन्यासित किया गया है और परिणामी संकेत को एक प्रतिदीप्तिमापी या ल्यूमिनोमीटर जैसे पहचान उपकरण द्वारा पढ़ा जाता है। हाल ही में विकसित बायोसेंसर का एक उदाहरण, एनालाइट सीएएमपी (साइक्लिक एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट) के साइटोसोलिक सांद्रता का पता लगाने के लिए उपकरण है, जो कोशिका झिल्ली पर ग्राहियों के साथ अंतःक्रिया करने वाले लिगैंड द्वारा प्रेरित किए गए कोशिकीय संकेतन में सम्मिलित एक दूसरा संदेशवाहक है।[113] देशी लिगैंड या आगतजीवियों (टॉक्सिन या छोटे अणु अवरोधक) के लिए कोशिकीय प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इसी प्रकार की प्रणालियाँ बनाई गई हैं। इसप्रकार की "जाँचें" सामान्यतः औषधि और जैव प्रौद्योगिकी कंपनियों द्वारा औषधि की खोज के विकास में उपयोग की जाती हैं। वर्तमान उपयोग में अधिकांश सीएएमपी जाँचों को सीएएमपी की माप से पहले कोशिकाओं के विश्लेषण की आवश्यकता होती है। सीएएमपी के लिए एक सजीव-कोशिका बायोसेंसर का उपयोग ग्राही प्रतिक्रिया की गतिकी का अध्ययन करने के लिए कई पाठनों के अतिरिक्त लाभ के साथ गैर-लयित कोशिकाओं में किया जा सकता है।

नैनोबायोसेंसर एक स्थिर जैवग्राही जाँच का उपयोग करते हैं जो लक्षित विश्लेष्य अणुओं के लिए चयनात्मक होती है। नैनोसामग्री अत्यधिक संवेदनशील रासायनिक और जैविक सेंसर हैं। नैनोपैमाने की सामग्री अद्वितीय गुण प्रदर्शित करती है। इनके बड़े सतह क्षेत्र से आयतन का अनुपात, विभिन्न प्रकार की संरचनाओं का उपयोग करके तीव्रता से और कम लागत वाली अभिक्रियाएँ प्राप्त कर सकते हैं।[114]

अन्य अस्थायी तरंग बायोसेंसरों का व्यावसायीकरण तरंगनिर्देशों का उपयोग करके किया गया है, जहाँ तरंग निर्देश के माध्यम से प्रसार निरंतर अणुओं के अवशोषण द्वारा तरंगनिर्देश सतह में बदल जाता है। इसका ऐसा ही एक उदाहरण द्वैत ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री है, जो एक अन्तर्हित तरंग निर्देश का उपयोग संदर्भ के रूप में करता है जिसके विरुद्ध प्रसार स्थिरांक में परिवर्तन को मापा जाता है। मैक-ज़ेन्डर जैसे अन्य विन्यासों में एक अधःस्तर पर अश्ममुद्रणीय रूप से परिभाषित भुजाएँ हैं। अनुनाद ज्यामिति का उपयोग करके समाकलों के उच्च स्तर को प्राप्त किया जा सकता है जहाँ अणु अवशोषित होने पर एक वलय अनुनादक की अनुनादी आवृत्ति बदल जाती है।

इलेक्ट्रानिक नासिका उपकरण

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

डीएनए बायोसेंसर

डीएनए एक बायोसेंसर का विश्लेष्य पदार्थ हो सकता है, जिसका पता विशिष्ट माध्यमों से 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 उपलब्ध 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 दूरदर्शी दृष्टिकोण उपलब्ध हैं, जहाँ एक जैविक, स्थिर जेल में एंजाइमों को धारण करने के लिए डीएनए को संश्लेषित किया जा सकता है।[118] इसके अन्य अनुप्रयोग एप्टैमर की संरचनाएँ और डीएनए के अनुक्रम हैं जिनका आकार एक वांछित अणु को बाँधने के लिए एक विशिष्ट होता है। इसके लिए सबसे नवीन प्रक्रियाएँ डीएनए ओरिगेमी का उपयोग करती हैं, जो एक पूर्वानुमानित संरचना में मोड़ने वाले अनुक्रमों का निर्माण करती हैं जो पता लगाने के लिए उपयोगी होते हैं।[119][120]

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

डीएनए से बने एक नए प्रकार के नैनोपैमाने वाला प्रकाशिक एंटीना "नैनोएन्टेना" प्रोटीन से जुड़ा हो सकता है और प्रतिदीप्ति के माध्यम से एक संकेत उत्पन्न कर सकता है जब ये अपने जैविक कार्य, विशेष रूप से अलग-अलग परिवर्तनों के लिए करते हैं।[115][116]

ग्रेफीन आधारित बायोसेंसर

ग्रेफीन बेहतर प्रकाशिक, वैद्युत, यांत्रिक, ऊष्मीय और यांत्रिक गुणों वाला एक द्वि-विमीय कार्बन-आधारित पदार्थ है। विशेष रूप से कुछ कार्बन वलय संरचनाओं के साथ विभिन्न प्रकार के प्रोटीनों को अवशोषित और स्थिर करने की क्षमता ने ग्रेफीन को बायोसेंसर ट्रांसड्यूसर के रूप में एक उत्कृष्ट उम्मीदवार सिद्ध किया है। परिणामस्वरूप, हाल के दिनों में विभिन्न ग्रेफीन-आधारित बायोसेंसरों का पता लगाया गया है और इन्हें विकसित किया गया है।[14][117]

यह भी देखें

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बाहरी संबंध

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