یک حسگر، ابزاری است که برای اندازه گیری مستقیم ترکیب آزمایشی (آنالیت) در نمونه بهکار رود. در حالت مطلوب، چنین ابزاری قادر به پاسخگوئی پیوسته و برگشت پذیر است ونباید به نمونه آسیب برساند. نانوحسگر به سیستمی اطلاق می گردد که حداقل یکی ازساختارهای نانو جهت آشکارسازی گازها، مواد شیمیایی، عوامل بیولوژیکی، زمینه های الکتریکی، نور، گرما و ... در ساخت آن بکار رفته باشد. استفاده از نانو مواد،حساسیت سیستم را بطور قابل توجهی افزایش می دهد.

حسگر زیستی یا بیوسِنسور

نامِ گروهی از حسگرها است که به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا بتوانند تنها با یک مادهٔ خاص واکنش نشان دهند. نتیجهٔ این واکنش به صورتِ پیام‌هایی در می‌آید که یک ریزپردازنده می‌تواند آن‌ها را تحلیل کند. این حسگرها مختلفند اما جدای از نوعشان، همگی دارای ساز و کاری مشترک‌اند و در مسیرِ سال‌های اخیر پیشرفت‌های زیادی در عرصه‌های گوناگون داشته‌اند. طبق تعریف اتحادیه بین‌المللی شیمی، حسگر زیستی عبارت است از مجموعه ابزارهایی که با استفاده از واکنش‌های بیوشیمیایی خاصی، به واسطه آنزیم‌های ایزوله، بافت‌ها، سلول‌ها و یا هر عنصر شیمیایی ماده مورد نظر را، معمولاً به صورت الکتریکی، نوری، و یا گرمایی آشکارسازی می‌کند. حسگرهای زیستی معمولاً برای به دست آوردن غلظت محلولی (گلوکز خون) و بررسی دی‌ان‌ای به منظور کشف هرگونه نقص ژنتیکی و یا ابتلاء به سرطانها در بدو تولد بکار می‌روند. برای کشف اینگونه اختلالات، در این روش با مقایسه طیف دی‌ان‌ای با طیف ناشی از دی‌ان‌ای دارای نقص در ترتیب، که منجر به ایجاد سرطان می‌شود، از بدو تولد می‌توان از ابتلاء به سرطان و یا سایر بیماریهای ژنتیکی اطلاع یافت. حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می‌پردازد و یا سیستم‌ایمنی‌بدن که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی  می‌کند، نمونه‌هایی ازحسگرهای زیستیی طبیعی هستند.

حسگربه عنوان وسیله ای تعریف می شود که قادر است حضور ماده مورد تجزیه را درنمونه تشخیص داده و آن را به صورت کمی اندازه گیری کند. حسگر شامل یک سیستم تشخیص به نام گیرنده یا پذیرنده جزء اصلی تشخیص دهنده یون ها یا مولکول های هدف، یک مبدل و یکسیستم قرائت است.در حسگرهای زیستی، پذیرنده یک عنصر زیستی بوده و با روش های مختلف روی مبدل تثبیتمی شود [1 و2]. این عضو زیستی از گزینش پذیری بالایی برای برهمکنش های زیستی و آشکارسازی آنالیت برخوردار است (در سیستم های زیستی بین گیرنده و لیگاند مربوط به آن برهمکنش اختصاصی وجود دارد) [3].
موفقیت بیوسنسورها، تا حد زیادی تابع چگونگی تثبیت لایه بیورسپتور (جزء زیستی) بر روی مبدل است. هدف اصلی، ایجاد ارتباط تنگاتنگ بین عنصر زیستی و سطح حس کننده (مبدل)با حفظ (و حتی بهبود) پایداری جزء زیستی است. بنابراین، طرح های فیزیکی و شیمیائی متعددی می توانند برای تثبیت به کار روند[4].
حسگرهابا چند ویژگی مهم ارزیابی می شوند. گزینش پذیری ویژگی مهم حسگر است که نشان می دهدسیستم تا چه اندازه قادر است ماده مورد تجزیه (آنالیت) را از سایر مواد موجود درنمونه تفکیک کند. به عبارت دیگر هرچه قدرت گزینش پذیری بالاتر باشد، حسگر قادر است آنالیت را با کمترین مزاحمت از طرف دیگر مواد موجود در نمونه، تشخیص داده و اندازه گیری نماید. ویژگی مهم بعدی حساسیت است. حساسیت بالا بدین معنی است که با کمترین تغییرات در غلظت آنالیت، تغییر قابل توجهی در سیگنال خروجی از حسگر مشاهده می شود.توان تجزیه کمی چنین حسگری بالا است. تکرارپذیری نتایج حاصل از اندازه گیری ویژگی مهم دیگری است که با واژه دقت تعریف می شود. بالا نشان می دهد نتایج حاصل ار تکرار اندازه گیری به هم نزدیک هستند. صحت نشان دهنده نزدیک بودن نتایج حاصل از اندازه گیری به مقدار واقعی است.
نانوساختارهاامروزه به دلایل گوناگون در ساختار بیوسنسورها بکار رفته و منجر به پیشرفت هایارزشمندی در این عرصه گردیده اند. هدف از کاربرد نانومواد در ساختار بیوسنسورهاافزایش سطح مورد نیاز برای تثبیت مواد زیستی و در نتیجه افزایش حساسیت، کاتالیزفرایند، امکان پذیری واکنش در پتانسیل های پایین و کمک به انتقال سریع الکترون ازمرکز فعال واکنش به سطح الکترود (در نانوبیوسنسورهای الکتروشیمیایی) است. استفادهاز نانومواد در ساختار بیوسنسورها می تواند، با حذف واسطه های شیمیایی انتقال الکترون، به ساده سازی ابزارها منجر شود که این امر اهمیت فراوانی در توسعه بیوسنسورهای نسل سوم دارد[5]. 
نانوذرات به دلیل منطقه سطحی ویژه وسیع و انرژی سطحی آزاد بالا نقش مهمی در جذب سطحی زیست مولکولها دارند[6].

اصول عملکرد زیست حسگرها
درحالی که لایه زیستی مسئول برهمکنش اختصاصی با آنالیت است، مبدل، اطلاعات حاصل ازاین برهمکنش را به اثر قابل اندازه گیری تبدیل می کند. به عنوان مثال مبدل های مکانیکی برهمکنش آنالیت-بیورسنتور را به تغییر در خمش یا فرکانس رزونانسی، مبدلهای نوری این پدیده را معمولا به تغییر در فرکانس یا شدت نور و مبدل های الکتروشیمیایی به تغییر در جریان، پتانسیل و ... تبدیل می کنند. در نهایت سیستم قرائت میزان این تغییرات را اندازه می گیرد. شکل فرایند زیست حسگری را به صورت شماتیک نمایش می دهد.

سیستم قرائت پدیده فیزیکی ناشی از برهمکنش را اندازه گیری می کند. تغییر در خمش، تغییردر فرکانس رزونانسی، تغییر معیارهای الکتروشیمیایی نظیر جریان و پتانسیل و تغییردر خواص نوری، از جمله پدیده های فیزیکی هستند که توسط سیستم قرائت مناسب اندازه گیری می شوند[7].
بیوچیپ نیزشامل آرایه ای از بیوسنسورهای منفرد است که می توانند به صورت جداگانه عمل کرده وعموما برای تشخیص همزمان چندین آنالیت بکار می رود.
طبقه بندی بیوسنسورها
بیوسنسورها بر اساس مولفه های مختلف نظیر نوع مبدل یا نوع بیورسنتور طبقه بندی می شوند(شکل 2).
طبقه بندی بر اساس نوع بیورسنتور
بیوسنسورشامل لایه زیستی حساسی است که می تواند به روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی به مبدل متصل گردد. بیورسنتور، گونه مولکولی زیستی (آنتی بادی، آنزیم، پروتئین،اسیدنوکلئیک) یا سیستم زیستی زنده (سلول، بافت، ارگانیسم) بوده و از مکانیسم بیوشیمیایی جهت تشخیص استفاده می کند. رایج ترین بیورسنتورها بر پایه برهمکنش-های آنتی ژن-آنتی بادی، برهمکنش های اسیدهای نوکلئیک (دو رشته مکمل)، برهمکنش های آنزیمی (آنزیم-سوبسترا)، برهمکنش-های سلولی (میکروارگانیسم ها، پروتئین) و برهمکنشهای مواد زیست مقلد یا بیورسنتورهای سنتزی عمل می کنند. برهمکنش ویژه بین آنالیت و رسپتور امکان عملکرد اختصاصی در آنالیز ماده موردنظر را فراهم کرده ومیزان اختصاصیت عملکرد حسگر را تعیین می کند.
طبقه بندی بر اساس نوع مبدل
مبدل وقوع و میزان وقوع برهمکنش بین آنالیت و رسپتور را به یک پدیده فیزیکی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. تبدیل می تواند به واسطه روش های وسیعی صورت گیرد و بیوسنسورهامی توانند بر اساس نوع سیستم تبدیل بکار رفته طبقه بندی شوند. طبقه بندی سیستم های تبدیل رایج شامل، سیستم های نوری (مبتنی بر اندازه گیری لومینسانس، جذب، رزونانسپلاسمون سطحی ...) ،الکتروشیمیایی (سنجش تغییرات امپدانس، جریان، پتانسیل و ...) وسیستم های حساس به جرم (اندازه گیری خمش و تغییر فرکانس رزونانسی ...) است که به زیرگروه های مربوط تقسیم بندی می شود. سیستم های تبدیل موجود، یک یا ترکیبی از روشهای بالا است.
تکنیکهای نوری
برهمکنش آنالیت-رسپتور می تواند منجر به تغییر در خواص نوری نظیر شدت یا فرکانس جذب و نشر،فرکانس رزونانس الکترون های سطحی، زاویه شکست و ... گردد. بیوسنسورها می-توانند ازانواع مختلف اسپکتروسکوپی با ثبت ویژگی های اسپکتروشیمیایی مختلف استفاده کنند(جذب، فلورسانس، فسفرسانس، رامان، رزونانس الکترون سطحی، شکست، پخش و ...)
تکنیکهای الکتروشیمیایی
آشکارسازی الکتروشیمیایی روش دیگر تبدیل است که در بیوسنسورها استفاده می شود. تکنیک هایالکتروشیمیایی می-توانند به صورت مستقل یا مکمل روش های آشکارسازی نوری نظیر تکنیک نوری بسیار حساس فلورسانس بکار روند. از آنجایی که تعداد زیادی از آنالیت هافلورسانس قوی ندارند و نشان دار کردن مولکول ها با برچسب فلورسان معمولا فراینددشواری دارد، تبدیل الکتروشیمیایی می تواند بسیار مفید باشد. با ترکیب حساسیت اندازه گیری های الکتروشیمیایی با انتخاب گری فراهم شده توسط بیورسنسور حد تشخیصهای قابل مقایسه با بیوسنسورهای فلورسان بدست می آید. 
آشکارسازیالکتروشیمیایی به روش های مختلف ولتامتری، آمپرومتری، پتانسیومتری، اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی و ... صورت می گیرد که در مقاله مربوط به بیوسنسورهایالکتروشیمیایی به تفصیل بحث می شوند.
تکنیکهای حساس به جرم
اندازه گیری تغییرات کوچک در جرم، ناشی از برهمکنش آنالیت-بیورسنتور، شکل دیگری از تبدیل مورد استفاده در بیوسنسورها می باشد. اساس این روش بر کریستال های پیزوالکتریک استوار است. این کریستال ها در اثر اعمال سیگنال الکتریکی در فرکانس مشخصی مرتعشی شوند. فرکانس نوسان به فرکانس الکتریکی بکار رفته و جرم کریستال بستگی دارد؛بنابراین زمانی که جرم بواسطه اتصالات شیمیایی افزایش می یابد فرکانس نوسان کریستال تغییر کرده و تغییر حاصل به روش الکتریکی اندازه گیری و برای تعیین جرم افزوده استفاده می شود. 

بیوچیپها
سیستمهای میکروآرایه
توسعه بیوسنسورهای تجمعی جهت آشکارسازی همزمان گونه های زیستی چندگانه از دو دهه پیش آغاز گردیده است. در این آرایه ها هر آرایه برای تشخیص یکی از آنالیت های چندگانه موجود در نمونه، دارای یک بیورسنسور جداگانه بوده و مجموع این آرایه ها از منبع تهییج و پروسه اندازه گیری یکسان برای همه گونه های مورد آنالیز استفاده می کنند.

 فناوری حسگر زیستی در حقیقت نشان دهندهترکیبی از علوم بیوشیمی، بیولوژی مولکولی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و کامپیوتر و شاملیک حسگر کوچک و ماده بیولوژیک تثبیت شده بر آن می‌باشد. از آنجا که حسگرهای زیستیابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول‌های زیستی می‌باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می‌گیرند. حسگرهای زیستی ابزارهای آنالیتیکی بشمار می‌روند که می‌توانند بابهره‌گیری از هوشمندی مواد بیولوژیک، ترکیب یا ترکیباتی را شناسایی نموده، با آنهاواکنش دهند؛ و بدین ترتیب یک پیام شیمیایی، نوری و یا الکتریکی ایجاد نمایند.بیشترین کاربرد حسگرهای زیستی در تشخیص‌های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر حسگرهایزیستیی گلوکز از موفق‌ترین حسگرهای زیستیی موجود در بازار بوده که برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می‌شود. دریافتگرهای زیستی مورد استفاده دراین حسگرها بدین ترتیب است:

آنزیم ،پادتن،گیرنده‌های سلولی، اسیدهای نوکلئیکDNA،میکروارگانیسم یا سلول کامل، بافت، گیرنده‌های سنتتیک

نتیجه گیری

بیوسنسورهایی که ساختارهای نانو در آنها بکار رفته اند، به نانوبیوسنسور معروفند و به دلیل برخورداری از سطح وسیع تثبیت نمونه، کارایی و حساسیت بالایی دارند. با کاهش اندازه بیوسنسور و نیاز به مقادیر بسیار کم نمونه که رهاورد استفاده از ساختارهای نانو میباشد، امکان طراحی بیوچیپ های تجمع یافته فراهم شده است. این سیستم ها برای کاربردهای تشخیصی بالینی بسیار اهمیت داشته و تمام اجزای لازم جهت ارائه نمونه،حسگری و داده پردازی در آنها گرد آمده اند. تکنولوژی بیوچیپ با حداقل مقدار نمونه موردنیاز، برای آنالیز سرپایی نمونه بیماران توسط پرسنل نه چندان ماهر مناسب بوده و نیاز به آزمایشگاه های تشخیص طبی را که با نیاز به تجهیزات گسترده و اتلاف وقت وهزینه همراه است، مرتفع می سازد و امکان آنالیز همزمان چندین آنالیت در یک نمونه ودر نتیجه امکان تشخیص دقیق و سریع را فراهم می کند.

منابـــــع :

·1. Mauro Ferrari, Rashid Bashir, SteveWereley, "Biomolecular Sensing, Processing and Analysis", NewYork;London: Springer, volume4, (2006).

·2. پریناز قدم، زهره جمعه سنگی، "نانوحسگرهایزیستی (نانوبیوسنسورها)"، مجله دنیای نانو، شماره نهم، 31،(1386).

·3. L.G. Carrascosa, “Nanomechanicalbiosensors: a new sensing tool”, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Vol.25,3, p.p 196-206, (2006).

·4. جوزف وانگ، "الکتروشیمی تجزیه"، ترجمه:سید مهدی گلابی، میررضا مجیدی، چاپ دوم، تبریز: دانشگاه تبریز، (1385).

·5. Abdollah Salimi, “Amperometric detectionof nitrite, iodate and periodate at glassy carbon electrode modified withcatalase and multi-wall carbon nanotubes”, Sensors and Actuators, Vol. 123, 1,pp. 530-537, (2007).

·6. Haipeng Yang, “A high performance glucosebiosensor enhanced via nanosized SiO2”, Analytica Chimica Acta, Vol. 554, 1-2,pp. 92-97, (2005).

·7. Brian R. Eggins, “CHEMICAL SENSORS ANDBIOSENSORS”, England: John Wiley & Sons; Ltd, (2002).