محول حيوي

المحوّل الحيوي هو عنصر التعرف والتحويل في نظام الاستشعار الحيوي . يتكون من جزأين متصلين اتصالاً وثيقاً: طبقة التعرف الحيوي ومحوّل فيزيائي كيميائي ، يعملان معاً لتحويل الإشارة الكيميائية الحيوية إلى إشارة إلكترونية أو ضوئية . تحتوي طبقة التعرف الحيوي عادةً على إنزيم أو بروتين رابط آخر، مثل الأجسام المضادة . مع ذلك، قد تشمل طبقة التعرف الحيوي أيضاً تسلسلات قليلة النوكليوتيدات ، أو أجزاءً دون خلوية مثل العضيات (مثل الميتوكوندريا ) وأجزاءً حاملة للمستقبلات (مثل جدار الخلية )، أو خلايا كاملة مفردة، أو أعداداً قليلة من الخلايا على هياكل اصطناعية، أو شرائح رقيقة من أنسجة حيوانية أو نباتية. تمنح هذه الطبقة المستشعر الحيوي الانتقائية والنوعية. عادةً ما يكون المحوّل الفيزيائي الكيميائي على اتصال وثيق ومتحكم به مع طبقة التعرف. نتيجةً لوجود المادة المراد تحليلها (الهدف محل الاهتمام) وتأثيرها الكيميائي الحيوي ، يحدث تغيير فيزيائي كيميائي داخل طبقة التعرف الحيوي، يقيسه محول الطاقة الفيزيائي الكيميائي، مُنتجًا إشارة تتناسب مع تركيز المادة المراد تحليلها. ^{[ 1 ]} قد يكون محول الطاقة الفيزيائي الكيميائي كهروكيميائيًا، أو بصريًا، أو إلكترونيًا، أو وزنيًا، أو كهروحراريًا، أو كهرضغطيًا. وبناءً على نوع محول الطاقة الحيوي، يمكن تصنيف أجهزة الاستشعار الحيوية كما هو موضح على اليمين.

تحتوي أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية الحيوية على عنصر للتعرف الحيوي يتفاعل بشكل انتقائي مع المادة المراد تحليلها، وينتج إشارة كهربائية تتناسب مع تركيزها. وبشكل عام، توجد عدة طرق يمكن استخدامها للكشف عن التغيرات الكهروكيميائية أثناء عملية التعرف الحيوي، ويمكن تصنيفها كما يلي: قياس التيار الكهربائي ، وقياس الجهد، وقياس المعاوقة، وقياس التوصيلية.

تستخدم المحولات الحيوية الضوئية، المستخدمة في أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية لنقل الإشارات، الفوتونات لجمع المعلومات حول المادة المراد تحليلها. ^{[ 2 ]} وتتميز هذه المحولات بحساسية عالية، وخصوصية عالية، وصغر الحجم، وانخفاض التكلفة.

تعتمد آلية الكشف في المحول الحيوي البصري على نظام إنزيمي يحول المادة المراد تحليلها إلى نواتج إما مؤكسدة أو مختزلة عند قطب العمل. ^{[ 3 ]}

يُستخدم مبدأ الكشف عن المجال المتلاشي بشكل شائع في أنظمة الاستشعار الحيوي البصري كمبدأ تحويل. يُعد هذا المبدأ من أكثر طرق الكشف حساسية، إذ يُمكّن من الكشف عن الفلوروفورات حصريًا في محيط الألياف البصرية. ^{[ 4 ]}

يوفر الاستشعار البيولوجي الإلكتروني مزايا كبيرة مقارنة بالأساليب البصرية والكيميائية الحيوية والفيزيائية الحيوية ، من حيث الحساسية العالية وآليات الاستشعار الجديدة، والدقة المكانية العالية للكشف الموضعي، والتكامل السهل مع معالجة أشباه الموصلات القياسية على مستوى الرقاقة والكشف في الوقت الحقيقي بدون علامات بطريقة غير مدمرة [6].

حظيت الأجهزة القائمة على ترانزستورات تأثير المجال (FETs) باهتمام كبير لقدرتها على ترجمة التفاعلات بين الجزيئات البيولوجية المستهدفة وسطح الترانزستور مباشرةً إلى إشارات كهربائية قابلة للقراءة. في ترانزستور تأثير المجال، يسري التيار عبر القناة المتصلة بالمصدر والمصب. ويتم التحكم في موصلية القناة بين المصدر والمصب بواسطة قطب البوابة المتصل سعويًا عبر طبقة عازلة رقيقة [6].

في أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على ترانزستورات التأثير الحقلي (FET)، تكون القناة على اتصال مباشر بالبيئة، مما يتيح تحكمًا أفضل في الشحنة السطحية. وهذا بدوره يُحسّن حساسية هذه الأجهزة، إذ أن الأحداث البيولوجية التي تحدث على سطح القناة قد تؤدي إلى تغير جهد سطح قناة أشباه الموصلات، وبالتالي تعديل موصليتها. إضافةً إلى سهولة دمج مصفوفات الأجهزة على الشريحة، وانخفاض تكلفة تصنيعها، فإن الحساسية السطحية الفائقة لأجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على ترانزستورات التأثير الحقلي تجعلها بديلاً جذابًا لتقنيات أجهزة الاستشعار الحيوية الحالية [6].

تعتمد أجهزة الاستشعار الحيوية الوزنية على مبدأ الاستجابة لتغير الكتلة. وتستخدم معظم هذه الأجهزة بلورات كوارتز كهرضغطية رقيقة، إما كبلورات رنانة ( QCM ) أو كأجهزة موجات صوتية سطحية ( SAW ). وفي أغلبها، تتناسب استجابة الكتلة عكسيًا مع سمك البلورة. كما تُستخدم أغشية بوليمرية رقيقة يمكن إضافة جزيئات حيوية ذات كتلة سطحية معروفة إليها. ويمكن إسقاط الموجات الصوتية على الغشاء الرقيق لإنتاج جهاز تذبذبي، يتبع معادلة تكاد تكون مطابقة لمعادلة ساوربري المستخدمة في طريقة QCM. ^{[ 5 ]} ترتبط الجزيئات الحيوية، مثل البروتينات أو الأجسام المضادة، بهذه البلورات، ويُعطي تغير كتلتها إشارة قابلة للقياس تتناسب مع وجود المادة المراد تحليلها في العينة.

تُولّد أجهزة الاستشعار الكهروحرارية تيارًا كهربائيًا نتيجةً لتغير درجة الحرارة. يُحدث هذا التغير استقطابًا في المادة، مُنتجًا عزمًا ثنائي القطب في اتجاه تدرج درجة الحرارة. والنتيجة هي جهد صافٍ عبر المادة. يُمكن حساب هذا الجهد الصافي باستخدام المعادلة التالية. ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \Delta V=\omega PAr\Delta T\left(1+\omega ^{2}\tau _{E}^{2}\right)^{-1/2}}$

${\displaystyle \tau _{E}=rC}$

حيث V = الجهد، ω = التردد الزاوي للضوء الساقط المعدل، P = معامل الكهروحرارة، L = سمك الفيلم، ε = ثابت العزل الكهربائي للفيلم، A = مساحة الفيلم، r = مقاومة الفيلم، C = سعة الفيلم، τE = ثابت الزمن الكهربائي لمخرج الكاشف.