बायो सेंसर (Bio Sensors) | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

एक बायोसेंसर एक विश्लेषणात्मक उपकरण है जिसमें एक अस्थिर जैविक सामग्री (एंजाइम, एंटीबॉडी, न्यूक्लिक एसिड, हार्मोन, ऑर्गेनेल या संपूर्ण कोशिका) होती है, जो एक विशिष्ट विश्लेष्य के साथ बातचीत कर सकती है और ऐसे भौतिक, रासायनिक या विद्युत संकेत उत्पन्न कर सकती है जो मापे जा सकते हैं। एक विश्लेष्य एक यौगिक है (जैसे, ग्लूकोज, यूरिया, दवा, कीटनाशक) जिसकी सांद्रता को मापने की आवश्यकता होती है।

बायोसेंसर मूल रूप से विभिन्न पदार्थों के मात्रात्मक विश्लेषण में लगे होते हैं, जो उनके जैविक क्रियाकलापों को मापने योग्य संकेतों में परिवर्तित करते हैं। अधिकांश बायोसेंसर में अस्थिर एंजाइम होते हैं। बायोसेंसर का प्रदर्शन मुख्य रूप से जैविक प्रतिक्रिया की विशिष्टता और संवेदनशीलता पर निर्भर करता है, इसके अलावा एंजाइम की स्थिरता पर भी।

बायोसेंसर के सामान्य विशेषताएँ

एक बायोसेंसर में दो अलग-अलग घटक होते हैं:

बायोसेंसर के घटक

• जैविक घटक—एंजाइम, कोशिका आदि।
• भौतिक घटक—संवर्तक, प्रवर्धक आदि।

जैविक घटक विश्लेष्य को पहचानता और इसके साथ बातचीत करता है जिससे एक भौतिक परिवर्तन (एक संकेत) उत्पन्न होता है जिसे संवर्तक द्वारा पता लगाया जा सकता है। व्यवहार में, जैविक सामग्री को संवर्तक पर उपयुक्त रूप से अचल किया जाता है और इस प्रकार तैयार किए गए बायोसेंसर को कई बार (लगभग 10,000 बार) लंबे समय तक (कई महीनों) उपयोग किया जा सकता है।

बायोसेंसर का सिद्धांत

• इच्छित जैविक सामग्री (आमतौर पर एक विशिष्ट एंजाइम) पारंपरिक विधियों (भौतिक या झिल्ली फंसाने, गैर-समक्रमण या समक्रमण बंधन) द्वारा अचल की जाती है। यह अचल जैविक सामग्री संवर्तक के साथ निकट संपर्क में होती है। विश्लेष्य जैविक सामग्री के साथ बंधता है जिससे एक बंधा हुआ विश्लेष्य बनता है जो आगे एक इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है जिसे मापा जा सकता है। कुछ मामलों में, विश्लेष्य एक उत्पाद में परिवर्तित हो जाता है जो गर्मी, गैस (ऑक्सीजन), इलेक्ट्रॉनों या हाइड्रोजन आयनों के रिलीज से जुड़ा हो सकता है। संवर्तक उत्पाद से जुड़े परिवर्तनों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित कर सकता है जिन्हें प्रवर्धित और मापा जा सकता है।

बायोसेंसर के प्रकार

जैवसेंसरों के कई प्रकार होते हैं, जो सेंसर उपकरणों और उपयोग किए गए जैविक सामग्रियों के प्रकार पर आधारित होते हैं। इनमें से कुछ का विवरण नीचे दिया गया है।

इलेक्ट्रोकेमिकल जैवसेंसर

इलेक्ट्रोकेमिकल जैवसेंसर सरल उपकरण होते हैं जो जैव इलेक्ट्रोड द्वारा किए गए विद्युत धारा, आयनिक या कंडक्टेंस परिवर्तनों के माप पर आधारित होते हैं।

एम्पेरोमेट्रिक जैवसेंसर

ये जैवसेंसर इलेक्ट्रॉनों की गति (अर्थात विद्युत धारा का निर्धारण) पर आधारित होते हैं, जो एंजाइम-उत्प्रेरित रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप होती है। सामान्यतः, इलेक्ट्रोड्स के बीच एक स्थिर वोल्टेज प्रवाहित होता है, जिसे मापा जा सकता है। जो एंजाइमेटिक प्रतिक्रिया होती है, उसके परिणामस्वरूप एक परिवर्तित धारा प्रवाह उत्पन्न होता है जिसे मापा जा सकता है। धारा का परिमाण सब्सट्रेट सांद्रता के समानुपाती होता है। क्लार्क ऑक्सीजन इलेक्ट्रोड, जो O2 के अपघटन का निर्धारण करता है, एम्पेरोमेट्रिक जैवसेंसर का सबसे सरल रूप है। ग्लूकोज का निर्धारण ग्लूकोज ऑक्सीडेज द्वारा एक अच्छा उदाहरण है। पहले पीढ़ी के एम्पेरोमेट्रिक जैवसेंसरों (जो ऊपर वर्णित हैं) में, इलेक्ट्रोड पर मुक्त इलेक्ट्रॉनों का सीधा स्थानांतरण होता है, जो कुछ व्यावहारिक कठिनाइयाँ पैदा कर सकता है। दूसरी पीढ़ी के एम्पेरोमेट्रिक जैवसेंसर विकसित किए गए हैं, जहाँ एक मध्यस्थ (जैसे फेरोसेन्स) इलेक्ट्रॉनों को लेता है और फिर उन्हें इलेक्ट्रोड को स्थानांतरित करता है। हालाँकि, ये जैवसेंसर अभी तक लोकप्रिय नहीं हुए हैं।

रक्त-ग्लूकोज जैवसेंसर

एम्पेरोमेट्रिक बायोसेंसर

• यह एम्पेरोमेट्रिक बायोसेंसर का एक अच्छा उदाहरण है, जिसका व्यापक रूप से दुनिया भर में मधुमेह रोगियों द्वारा उपयोग किया जाता है।
• ब्लड-ग्लूकोज बायोसेंसर एक घड़ी के पेन की तरह दिखता है और इसमें एकल उपयोग डिस्पोजेबल इलेक्ट्रोड होता है (जिसमें Ag/AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड और एक कार्बन कार्य इलेक्ट्रोड शामिल होता है) जिसमें ग्लूकोज ऑक्सीडेज और फेरेसिन का एक व्युत्पन्न (एक मध्यस्थ के रूप में) होता है।
• इलेक्ट्रोड को रक्त की बूंद के समान वितरण के लिए हाइड्रोफिलिक मेष गेज से ढका गया है।
• डिस्पोजेबल टेस्ट स्ट्रिप्स, जो अल्यूमिनियम फॉयल में सील की गई हैं, की शेल्फ-लाइफ लगभग छह महीने होती है।
• मछली की ताजगी का आकलन करने के लिए एक एम्पेरोमेट्रिक बायोसेंसर विकसित किया गया है।
• आयनॉसिन और हाइपोक्सैंथाइन का संचय अन्य न्यूक्लियोटाइड्स की तुलना में मछली की ताजगी को दर्शाता है - यानी मछली कितनी देर तक मृत और संग्रहित रही।
• इस उद्देश्य के लिए एक बायोसेंसर विकसित किया गया है जो इलेक्ट्रोड पर इमोबिलाइज्ड न्यूक्लोसाइड फॉस्फोरिलेज और जैंथाइन ऑक्सीडेज का उपयोग करता है।

पोटेंशियोमेट्रिक बायोसेंसर

• इन बायोसेंसर में, आयनिक सांद्रता में परिवर्तन को आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड के उपयोग से निर्धारित किया जाता है।
• pH इलेक्ट्रोड सबसे सामान्य रूप से उपयोग किया जाने वाला आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड है, क्योंकि कई एंजाइमेटिक प्रतिक्रियाओं में हाइड्रोजन आयनों का उत्सर्जन या अवशोषण शामिल होता है।
• अन्य महत्वपूर्ण इलेक्ट्रोड अमोनिया-चयनात्मक और CO2 चयनात्मक इलेक्ट्रोड हैं।
• पोटेंशियोमेट्रिक इलेक्ट्रोड और संदर्भ इलेक्ट्रोड के बीच प्राप्त पोटेंशियल अंतर को मापा जा सकता है।
• यह सब्सट्रेट के सांद्रता के अनुपात में होता है।
• पोटेंशियोमेट्रिक बायोसेंसर की प्रमुख सीमा एंजाइमों की आयनिक सांद्रताओं जैसे H और NH4 के प्रति संवेदनशीलता है।
• आयन-चयनात्मक फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (ISFET) कम लागत वाले उपकरण हैं जिन्हें पोटेंशियोमेट्रिक बायोसेंसर के लघुकरण के लिए उपयोग किया जा सकता है।
• एक अच्छा उदाहरण ISFET बायोसेंसर है, जिसका उपयोग ओपन-हार्ट सर्जरी के दौरान इन्ट्रा-मायोकार्डियल pH की निगरानी के लिए किया जाता है।

कंडक्ट मेट्रिक बायोसेंसर

जैविक प्रणाली में कई प्रतिक्रियाएँ होती हैं जो आयनिक प्रजातियों में बदलाव लाती हैं। ये आयनिक प्रजातियाँ इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी को बदलती हैं, जिसे मापा जा सकता है। एक अच्छा उदाहरण कंडक्ट मेट्रिक बायोसेंसर का है, जो कि इममोबिलाइज्ड युरेज़ का उपयोग करता है। युरेज़ निम्नलिखित प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। उपरोक्त प्रतिक्रिया आयनिक सांद्रता में नाटकीय परिवर्तन से जुड़ी होती है, जिसे युरिया सांद्रता की निगरानी के लिए उपयोग किया जा सकता है। वास्तव में, युरिया बायोसेंसर डायलिसिस और किडनी सर्जरी के दौरान बहुत सफलतापूर्वक उपयोग किए जाते हैं।

• उपरोक्त प्रतिक्रिया आयनिक सांद्रता में नाटकीय परिवर्तन से जुड़ी होती है, जिसे युरिया सांद्रता की निगरानी के लिए उपयोग किया जा सकता है। वास्तव में, युरिया बायोसेंसर डायलिसिस और किडनी सर्जरी के दौरान बहुत सफलतापूर्वक उपयोग किए जाते हैं।

थर्मोमेट्रिक बायोसेंसर

• कई जैविक प्रतिक्रियाएँ गर्मी उत्पादन से संबंधित हैं और यह थर्मोमेट्रिक बायोसेंसर का आधार बनाती हैं। इन्हें आमतौर पर थर्मल बायोसेंसर या कालोरीमेट्रिक बायोसेंसर कहा जाता है। इसमें एक गर्मी इंसुलेटेड बॉक्स होता है जिसमें गर्मी के आदान-प्रदान के लिए एल्यूमिनियम सिलेंडर फिट किया जाता है। प्रतिक्रिया एक छोटे एंजाइम भरे बेड रिएक्टर में होती है। जब सब्सट्रेट बेड में प्रवेश करता है, तो यह उत्पाद में परिवर्तित हो जाता है और गर्मी उत्पन्न होती है। सब्सट्रेट और उत्पाद के बीच तापमान में अंतर को थर्मिस्टर्स द्वारा मापा जाता है। यहां तक कि तापमान में एक छोटी सी परिवर्तन को भी थर्मल बायोसेंसर द्वारा पता लगाया जा सकता है। थर्मोमेट्रिक बायोसेंसर का उपयोग सीरम कोलेस्ट्रॉल के मूल्यांकन के लिए किया जाता है। जब कोलेस्ट्रॉल एंजाइम कोलेस्ट्रॉल ऑक्सीडेज द्वारा ऑक्सीकृत होता है, तो गर्मी उत्पन्न होती है जिसे मापा जा सकता है। इसी तरह, ग्लूकोज (एंजाइम-ग्लूकोज ऑक्सीडेज), युरिया (एंजाइम-युरेज़), यूरीक एसिड (एंजाइम-यूरिकेज़) और पेनिसिलिन जी (एंजाइम-पी लैक्टामेज़) का मूल्यांकन इन बायोसेंसर द्वारा किया जा सकता है। सामान्यतः, इनकी उपयोगिता सीमित होती है। थर्मोमेट्रिक बायोसेंसर का उपयोग एंजाइम-लिंक्ड इम्यूनोएस्से (ELISA) के एक भाग के रूप में किया जा सकता है और नई तकनीक को थर्मोमेट्रिक ELISA (TELISA) कहा जाता है।

यह प्रतिक्रिया एक छोटे एंजाइम भरे बेड रिएक्टर में होती है। जब सब्सट्रेट बेड में प्रवेश करता है, तो यह उत्पाद में परिवर्तित हो जाता है और गर्मी उत्पन्न होती है। सब्सट्रेट और उत्पाद के बीच तापमान में अंतर को थर्मिस्टर्स द्वारा मापा जाता है। यहां तक कि तापमान में एक छोटी सी परिवर्तन को भी थर्मल बायोसेंसर द्वारा पता लगाया जा सकता है।

ऑप्टिकल बायोसेंसर

ऑप्टिकल बायोसेंसर वे उपकरण हैं जो ऑप्टिकल मापदंडों (अवशोषण, फ्लोरोसेंस, केमिल्यूमिनेसेंस आदि) के सिद्धांत का उपयोग करते हैं। वे फाइबर ऑप्टिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक ट्रांसड्यूसर्स का उपयोग करते हैं। ऑप्टोड (optrode) शब्द, जो ऑप्टिकल और इलेक्ट्रोड के संयोजन को दर्शाता है, सामान्यतः उपयोग किया जाता है। ऑप्टिकल बायोसेंसर में मुख्य रूप से एंजाइम और एंटीबॉडीज ट्रांसड्यूसिंग तत्वों के रूप में शामिल होते हैं। ऑप्टिकल बायोसेंसर सामग्री के सुरक्षित गैर-इलेक्ट्रिकल रिमोट सेंसिंग की अनुमति देते हैं। एक अन्य लाभ यह है कि ये बायोसेंसर सामान्यतः संदर्भ सेंसर्स की आवश्यकता नहीं रखते, क्योंकि तुलनात्मक संकेत को सैंपलिंग सेंसर्स के रूप में उसी प्रकाश स्रोत का उपयोग करके उत्पन्न किया जा सकता है। कुछ महत्वपूर्ण ऑप्टिकल बायोसेंसर का संक्षिप्त विवरण नीचे दिया गया है।

फाइबर ऑप्टिक लैक्टेट बायोसेंसर

निम्नलिखित प्रतिक्रिया एंजाइम लैक्टेट मोनो-ऑक्सीज़नैज़ द्वारा उत्प्रेरित की जाती है। रंगीन फिल्म द्वारा उत्पन्न फ्लोरोसेंस की मात्रा O2 पर निर्भर करती है। इसका कारण यह है कि O2 फ्लोरोसेंस पर एक क्वेंचिंग (कमी) प्रभाव डालता है। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया मिश्रण में लैक्टेट का सांद्रण बढ़ता है, O2 का उपयोग किया जाता है, और इसके परिणामस्वरूप क्वेंचिंग प्रभाव में समानुपातिक कमी आती है। परिणामस्वरूप, फ्लोरोसेंट आउटपुट में वृद्धि होती है जिसे मापा जा सकता है।

ब्लड ग्लूकोज के लिए ऑप्टिकल बायोसेंसर

रक्त ग्लूकोज का अनुमान मधुमेह की निगरानी के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। इस उद्देश्य के लिए रसायनों से संतृप्त पेपर स्ट्रिप्स की एक सरल तकनीक का उपयोग किया जाता है। स्ट्रिप्स में ग्लूकोज़ ऑक्सीडेज, हॉर्स रैडिश पेरोक्सीडेज और एक क्रोमोजन (जैसे टोलुइडीन) होता है। निम्नलिखित प्रतिक्रियाएँ होती हैं। रंग के डाई की तीव्रता को पोर्टेबल रिफ्लेक्टेंस मीटर का उपयोग करके मापा जा सकता है। ग्लूकोज़ स्ट्रिप उत्पादन एक बहुत बड़ा उद्योग है। उपयुक्त एंजाइमों और रसायनों से कोटेड सेलुलोज के कलरिमेट्रिक टेस्ट स्ट्रिप्स कई रक्त और मूत्र पैरामीटर के अनुमान के लिए उपयोग में हैं।

मूत्र संक्रमण का पता लगाने के लिए ल्यूमिनेसेंट बायोसेंसर

मूत्र में उपस्थित सूक्ष्मजीव, जो मूत्र पथ संक्रमण (Urinary Tract Infections) का कारण बनते हैं, को उत्सर्जन बायोसेंसर का उपयोग करके पता लगाया जा सकता है। इसके लिए, अचल (या मुक्त) एंजाइम जिसे ल्यूसीफेरस कहा जाता है, का उपयोग किया जाता है। सूक्ष्मजीवों के टूटने पर ATP का उत्सर्जन होता है जिसे निम्नलिखित प्रतिक्रिया द्वारा पहचाना जा सकता है। प्रकाश के उत्पादन की मात्रा को इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों द्वारा मापा जा सकता है।

• मूत्र में उपस्थित सूक्ष्मजीव, जो मूत्र पथ संक्रमण का कारण बनते हैं, को उत्सर्जन बायोसेंसर का उपयोग करके पता लगाया जा सकता है। इसके लिए, अचल (या मुक्त) एंजाइम जिसे ल्यूसीफेरस कहा जाता है, का उपयोग किया जाता है।

अन्य ऑप्टिकल बायोसेंसर

• ऑप्टिकल फाइबर संवेदन उपकरणों का उपयोग pH, pCO2 और pO2 को मापने के लिए किया जा रहा है, विशेष रूप से क्रिटिकल केयर और सर्जिकल मॉनिटरिंग में।

पाईज़ोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर

• पाईज़ोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर ध्वनि तरंगों के सिद्धांत पर आधारित होते हैं, इसलिए इन्हें ध्वनिक बायोसेंसर भी कहा जाता है। ये बायोसेंसर पाईज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल पर आधारित होते हैं। सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज वाले क्रिस्टल विशिष्ट आवृत्तियों के साथ कंपन करते हैं। क्रिस्टल की सतह पर कुछ अणुओं का अवशोषण संवेदी आवृत्तियों को बदल देता है जिसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों द्वारा मापा जा सकता है। गैसीय उपद्रवों या अवरोधक वाले एंजाइम भी इन क्रिस्टल से जोड़े जा सकते हैं।
• एक पाईज़ोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर जो ऑर्गनोफॉस्फोरस कीटनाशक के लिए विकसित किया गया है, उसमें एसीटाइलकोलाइन एस्टरेज़ शामिल है। इसी प्रकार, फॉर्मैल्डेहाइड के लिए एक बायोसेंसर विकसित किया गया है जिसमें फॉर्मैल्डेहाइड डिहाइड्रोजनेज़ शामिल है। गैस चरण में कोकीन के लिए एक बायोसेंसर बनाया गया है जिसमें कोकीन एंटीबॉडीज को पाईज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की सतह पर जोड़ा गया है।

पाईज़ोइलेक्ट्रिक बायोसेंसर के सीमाएँ

• इन बायोसेंसर्स का उपयोग तरल पदार्थों में पदार्थों का निर्धारण करने के लिए करना बहुत मुश्किल है। इसका कारण यह है कि क्रिस्टल चिपचिपे तरल पदार्थों में पूरी तरह से कंपन करना बंद कर सकते हैं।

सम्पूर्ण कोशिका बायोसेंसर्स

• सम्पूर्ण कोशिका बायोसेंसर्स बहु-चरण या सह-कारक आवश्यक प्रतिक्रियाओं के लिए विशेष रूप से उपयोगी होते हैं। ये बायोसेंसर्स जीवित या मृत सूक्ष्मजीव कोशिकाओं का उपयोग कर सकते हैं।

सूक्ष्मजीव कोशिका बायोसेंसर्स के लाभ

• सूक्ष्मजीव कोशिकाएँ सस्ती होती हैं और इनकी आधी जीवन अवधि लंबी होती है। इसके अलावा, ये पृथक एंजाइमों की तुलना में pH और तापमान में उतार-चढ़ाव के प्रति कम संवेदनशील होती हैं।

सूक्ष्मजीव कोशिका बायोसेंसर्स की सीमाएं

• सम्पूर्ण कोशिकाओं को सामान्यतः उत्प्रेरण के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, सम्पूर्ण कोशिका बायोसेंसर्स की विशिष्टता और संवेदनशीलता एंजाइमों की तुलना में कम हो सकती है।

इम्यूनो-बायोसेंसर्स

इम्यूनो-बायोसेंसर्स या इम्यूनोकैमिकल बायोसेंसर्स इम्यूनोलॉजिकल विशिष्टता के सिद्धांत पर काम करते हैं, जो कि आम तौर पर ऐम्पेरोमैट्रिक या पोटेंशियोमैट्रिक बायोसेंसर्स पर आधारित माप के साथ जुड़ा होता है। इम्यूनो-बायोसेंसर्स के लिए कई संभावित कॉन्फ़िगरेशन हैं और उनमें से कुछ यहाँ चित्रित और संक्षेप में वर्णित किए गए हैं।

• एक अचल एंटीबॉडी जिसमें एंटीजन सीधे बंध सकता है।
• एक अचल एंटीजन जो एंटीबॉडी से बंधता है, जो फिर एक मुक्त दूसरे एंटीजन से बंध सकता है।
• एक एंटीबॉडी जो अचल एंटीजन से बंधी होती है, जिसे मुक्त एंटीजन के साथ प्रतिस्पर्धा करके आंशिक रूप से मुक्त किया जा सकता है।
• एक अचल एंटीबॉडी जो मुक्त एंटीजन और एंजाइम लेबल वाले एंटीजन के बीच प्रतिस्पर्धा करती है।

बायोसेंसर्स 1-3 के लिए, पाईज़ोइलेक्ट्रिक उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है। एंजाइमों का उपयोग करने वाले इम्यूनो-बायोसेंसर्स सबसे सामान्य रूप से उपयोग किए जाते हैं। ये बायोसेंसर्स थर्मोमेट्रिक या ऐम्पेरोमैट्रिक उपकरणों का उपयोग करते हैं। इम्यूनो-बायोसेंसर्स से जुड़े एंजाइमों की गतिविधि लेबल वाले और नॉन-लेबल वाले एंटीजन के सापेक्ष सांद्रता पर निर्भर करती है। नॉन-लेबल वाले एंटीजन की सांद्रता को एंजाइम गतिविधि का परीक्षण करके निर्धारित किया जा सकता है।