بیوسنسورهای نوری

توسعه­ تشخیص­های نوری در پزشکی، حوزه­ فعالی از تحقیقات فوتونیک را به خود اختصاص داده است. دلیل این امر آن است که بیوآنالیت­های مهم درمانی، خصوصیات طیف نوری ویژه­ای مانند جذب و فلوئورسانس دارند. این آنالیت­ها می­توانند گلوکز، کلسترول، میوگلوبین، اسیداوریک، لاکتات، داروهای درمانی، سم­ها و... باشند. خواص اسپکتروسکوپی این آنالیت­ها به دلیل حضور کروموفورهای خاص در این بیومولکول­ها می­باشد. این روش، تشخیص مولکولی آنالیت­ها را فراهم می­کند. کمترین غلظت یک مولکول که می­توان با استفاده از طیف سنجی جذبی شناسایی شود، تحت شرایط مطلوب در حد میکرو مولار است. در حالی که این حد برای آشکارسازی فلوئورسانس 10 میکرو مولار است. علاوه بر این، سیگنال فلوئورسانس به خوبی قابل تشخیص است و آشکارسازی و تعیین کمیت آن، حتی در حضور مولکول­های دیگر آسان­تر است. به این دلایل، روش تشخیص فلوئورسانس برای تعیین کمیت، از بین سایر روش­ها ترجیح داده می­شود. اگرچه بسیاری از بیومولکول­ها، باند­های فلوئورسانس نشری خاصی را نشان می­دهند، اما بیوآنالیت­هایی هم وجود دارند که کم فلوئورسانس یا غیر فلوئورسانس هستند که برای نشان­دار کردن  این بیومولکول­ها از نوکلوئیک اسید، پروتئین، لیپید­ها گرفته تا داروها و... از رنگ­های فلوئورسانس استفاده می­شود.آنزیم­ها یا آنتی­بادی­های اختصاصی فلوئورسانس می­توانند به مولکول­های هدف یا آنالیت متصل شود و سپس تغییر شدت فلوئورسانس کمپلکس را می­توان به وسیله ابزارهای اپتوالکترونیک مثل یک اسپکتروفلوریمتر آشکار ساخت.

تعیین دقیق سیگنال خروجی (شدت فلوئورسانس) به منظور به دست آوردن ارتباط مستقیم آن با مقدار آنالیت موجود در محیط، ضروری است. مشکل معمول، تعیین میزان تقویت سیگنال سنسور نوری در حدی است که خروجی الکتریکی قابل قبولی ایجاد کند. البته با پیشرفت­های اخیر در تکنولوژی ابزارآلات الکتریکی-نوری، تشخیص فلوئورسانس یک مولکول با تداخل قابل اغماض ممکن شده است.

توسعه بیوسنسو­های نوری برای آنالیت­های مهم بالینی مستلزم آن است که سنسور (مبدل) به عنوان مثال آنزیم/آنتی­بادی نشان­دار با سطح فیبر در تماس باشد. اگرچه از سال1970 تکنیک­هایی برای تثبیت آنزیم­ها بر روی سطح جامد شناخته شده است، اما توسعه یک سنسور برای تشخیص­های نوری هنوز مشکل بزرگی است.         

بیوسنسور فیبر نوری را می­توان به دو گروه درونی و بیرونی طبقه­ بندی کرد. به عنوان مثال، یک سنسور درونی نیاز به یک واکنش­گر حساس به آنالیت مانند آنتی­بادی نشان­دار فلوئورسانس دارد که باید روی سطح فیبر نوری و معمولاً در نوک فیبر تثبیت شود. سنسورهای بیرونی متشکل از فیبر نوری لخت آغشته به نمونه است که معرف نشان­دار شده به آن اضافه می­شود. در سنسورهای بیرونی، فیبر نوری، مسئول حمل نور تحریکی و جمع­آوری سیگنال پراکنده شده است.

ابزار دقیق مورد نیاز برای تشخیص و تعیین مقدار آنالیت به آسانی در دسترس هستند، چون اصول آن بر پایه­ی تکنیک­های اسپکتروفوتومتری یا فلوئورومتری است و تمام ترکیبات مورد نیاز به صورت یدکی در منابع تجاری موجود می­باشد. اجزای اصلی یک بیوسنسور نوری شامل یک منبع نور مانند یک لامپ کم قدرت زنون یا لامپ جیوه و یا لیزرهای دیودی کم قدرت، به همراه مجموعه­ای از فیلترها و یا مونوکروماتور برای برانگیختن فلوروکروم است. سیگنال نشری (فلوئورسانس) را می­توان به وسیلۀ تکنیک­های فلوئورومتری معمول آشکار کرد.  به خاطر در دسترس بودن آنتی­ بادی­های فلوئورسانس و آنزیم­ها ، شماری از گروه­های تحقیقی در زمینۀ توسعۀ بیوسنسورهای نوری مختلف از این پروب ها استفاده می­کنند. تمرکز اصلی این مطالعات، در جهت طراحی یک ماتریکس میزبان مناسب برای به تله انداختن آنتی­بادی­های نشان­دار و در نهایت اتصال ماتریکس روی سطح فیبر نوری است. هدف اصلی تحقیقات، ساخت سنسور مربوط به یک بیوآنالیت اختصاصی در یک ماتریکس غیر مایع است. ماتریکس­های سل-ژل که از نمک ­های معدنی ساخته شده­اند به نظر می­رسد، مناسب ­ترین ماتریکس بوده و نشان­داده شده که چندین گروه از آن­ها پتانسیل توسعه­ی بیوسنسورهای نوری را دارند. در تمام این مطالعات واکنش­ پذیری آنتی­ بادی نشان­دار که در ماتریکس تثبیت شده با فعالیت آن در محیط مایع تفاوتی نداشته است. در حالت ایده آل یک بیوسنسور باید بتواند به طور انتخابی، مداوم، سریع و بدون افزودن معرف پاسخ دهد. یک بیوسنسور بدون معرف، به این مفهوم است که نوک بیوسنسور به عنوان مثال، فیبر نوری می­تواند در درون بدن در تماس مستقیم با نمونه قرار گیرد؛ و سپس با تشخیص فلوئورسانس بیومولکول­های درون بدن به دلییل حضور بیومولکول­های فلوئورسانس طبیعی، در تشخیص­ های بالینی به منظور تشخیص، تشریح زخم­ها قبل از بدخیمی و زخم­های بدخیم به سرعت در حال گسترش است. استفاده از فلوئورسانس طبیعی، به علت وجود بیومولکول­های فلوئورسانس مانند پروتئین، آنزیم، پورفیرین، الاستین و کلاژن در حال توسعه می­باشد. توزیع کلی این بیومولکول­ها در انواع مختلف بافت شدیداً روی طیف سنجی فلوئورسانس اثر می­گذارد. این فلوئورسانس به عنوان خود فلوئورسانسی بافت­ها شناخته شده و مزایای خود فلوئورسانسی بافت در آشکارسازی مراحل اولیه سرطان در توسط  چندین گروه نشان داده شده است.