زیست حسگرها در پایش مواد غذایی

زیست حسگرها در پایش مواد غذایی

محمد عادل رضایی: تهیه و تنظیم

دانشجوی دکترای بهداشت مواد غذایی

1395بهار

مقدمه

جهانسراسردرعمومیسالمتامردرمهممشکلیکزادغذاعفونتهای

.استسالطولدرغذاییمسمومیتموردهامیلیونوقوعآننتیجهکهاست،

ییغذاهایفراوردهطریقازتوانندمیهاکشآفتمثلمختلفیسمیعوامل

.شوندسالمتیبهجدیآسیبباعثوشدهانسانبدنوارد

آنهبکهافرادیبرایالکتوز،مثلغذادرموجودطبیعیترکیباتازبرخی

.ندهستآفرینمشکلوخطرناککنندهضمراآنتوانندنمییادارندآلرژی

تشکیلزگاالکتووگلوکزمونوساکاریددوازکهاستساکاریددییکالکتوز

بیعیطغلظت.استگاوشیرالکتوزاصلیمنشاغذاییصنایعدر.استشده

درایگستردهطوربهالکتوز.استدرصد5تا4حدودشیردرالکتوز

تجاریهایفرموالسیونتهیهدروخوردنآمادهغذاهایتهیهپزی،شیرینی

تا5برایالکتوزمصرفاوصافاینبا.داردکاربردنوزادانخشکشیر

زیهتجآنزیمفقدانعلتبهاینکهبودهخطرناکوممنوعهاانساندرصد15

ارزانوادهسروشییافتناینبنابر.استافرادایندر(الکتاز)الکتوزکننده.استضرویهاغذادرالکتوزغلظتگیریاندازهبرای

مقدمه

هایعفونتباعثوغذاآلودگیدرعواملترینشایعازیکیهاباکتری

هاغذاهمهبرایپاستوریزاسیونانجامکهاینبهتوجهبا.شوندمیغذایی

ازقبلهاآنسالمتیازاطمینانحصولوغذاهاپایشنیست،پذیرامکان

.استاهمیتدارایعرضه

در.هستندارگانوفسفرهترکیباتغذاییموادهایآالیندهازدیگریگروه

طیفدرهاآنازترکیباتاینسمیتازآگاهیوجودبامدرن،کشاورزی

ترکیباتشدیدسمیت.گرددمیاستفادهکشحشرهعنوانبهوسیعی

کولیناستیلآنزیمباآنشدیداتصالازانسانعصبیسیستمبرایارگانوفسفرههکشدهپایداریهایکمپلکسایجادباعثکهشودمیناشی(AChE)استراز

ارگانوفسفرههایآالیندهشناساییبنابراین.کنندمیجلوگیریآنزیمیفعالیتاز

.استمهمبسیارمسئهیکغذادر

مقدمه

بانصاحازبسیاریمسائل،ایناهمیتدربارهجامعهآگاهیافزایش

.استهبردپیشخودمحصوالتکیفیتافزایشسمتبهراصنایع

یهاباقیماندهغذایی،ارزشمثلعواملیمستقیموآنالینپایش

ارتقایموجبباکتریاییهایآلودگیوهابیوتیکآنتیشیمیایی،

.گرددمیغذاییامنیتوکیفیت

امکانکهآنالیزیهایدستگاهازبایداهداف،اینبهدستیابیبرای

.کردادهاستفکنندمیفراهمراارزانوآساندقیق،سریع،شناسایی

ذابیجانتخابالکتروشیمیاییهایحسگرزیستمنظوراینبرای.هستند

تعریف

تحلیلوتجزیهدستگاهیکالکتروشیمیاییحسگرزیست

اییشناسبرایبیولوژیکیحساسموادازکهاستکننده

.کندمیدهاستفابیوشیمیایییاشیمیاییموادانواعمستقیم

ایزیستیحساسجزءیکشاملمعموالحسگرهازیست

کیبهکههستند(بادیآنتییاآنزیمیکمثل)گیرنده

.استگردیدهضمیمهالکترود

زیست حسگرها




POPs: Persistent Organic Pollutants (POPs) such as pesticides, solvents,

pharmaceuticals, and industrial chemicals.

Endocrine-Disrupting Chemicals (EDCs) are chemicals that, at certain doses,

can interfere with the endocrine (or hormone) system in mammals.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pesticide

https://en.wikipedia.org/wiki/Solvent

https://en.wikipedia.org/wiki/Pharmaceutical

https://en.wikipedia.org/wiki/Endocrine



مزایای زیست حسگرها



حسگر های الکتروشیمیایی

انتخابنحسازترکیبیالکتروشیمیایی،هایحسگرزیست

کنیکتنسبیسادگیوباالحساسیتبازیستیتشخیص

.هستندمدرنالکتریکیآنالیزیهای

قرارکهروندمیکاربهمواردیدرحسگرهااینمعموال

لظتغدربارهکّمیاطالعاتالکتریکی،هایسیگنالاست

.کنندارائهانالیزیمحیطیکدرخاصیمواد


واکتیوالکترموادیاهایونبیوشیمیایی،واکنشحیندراستممکن

.شوندتولید

پاسخانتومیمناسب،الکتروشیمیاییهایتکنیکبکارگیریبا

قابلوشدهیتتقوالکتریکیسیگنالیکبهراشدهتولیدبیوشمیایی

.کردتبدیلگیریاندازه


یمیآنزعملکردپایهبرحسگرنخستینکه1962سالاز

ستزیگردید،اختراعکالرکدکترتوسطگلوکزبرای

تردهگسطوربهمختلفسوبستراهایباآنزیمیحسگرهای.میگیرندقراراستفادهموردای


درکهسنجی،پتانسیلوآمپرسنجیآنزیمی الکترودهای

یتجارهستند،شدهشناختهخوبیبهفعالسطوحمبحث

یتشخیصهایدستگاهدرهاآنازاستفادهواندشدهسازی

دیلتباخیرهایسالطولدرفعالتحقیقاتیحوزهیکبه.استشده


واکنشیزکاتالشاملاستفادهموردآنزیمیهایسیستمبیشتر

اربدارایفراوردهیاسوبستراآندرکههستنداحیاهای.شوندمیالکتریکی

تبادل الکترون در اکسیداسیون و احیا

بیوسنسور اندازه گیری گلوکز

زیست حسگرهای آنزیمی

دارایکهحسگرهازیستاینازنمونه3ادامهدر

موردراهستنداعتمادیقابلوسریعساده،کاربرد

:دهیممیقراربررسی

یک. طریقازپاراتیونتشخیصبرایسادهحسگرزیست1

آنزیمیفعالیتگیریاندازه

یک. سفرهارگانوفسمومتشخیصبرایکهحسگرزیست2

شدهطراحیآنزیمیفعالیتازممانعتمبنایبر

یک. آنزیمیآبشار3ازمتشکلتر،پیچیدهحسگرزیست3.گاوشیردرالکتوزتشخیصبرای

شمای کلی زیست حسگر های آنزیمی

نمونه مورد بحث 3اجزای تشکیل دهنده اصلی که در هر

:مشترکند

1. Screen-printed electrodes

2. Micro flow cell

Screen printed electrodes (SPE)

ارزان

مصرفیکبار

میفراهمرا(لیترمیکرو100تا25)کمبسیارهایحجمرویکارامکان

.کنند

هستندالکترودنوع3دارای:

الکترود. Working)کار1 electrode)

الکترود. Reference)شاهدیامرجع2 electrode)ربکارالکترودپتانسیلکه

.شودمیتنظیمآناساس

در. دهد،میتغییرراآنپتانسیلمرجعالکترودازجریانعبورکهمواردی3Counter)کمکیالکترودنامبهسومیالکتروداز electrode)عبوربرای

.گرددمیاستفادهجریان



Micro flow cell

آنزیمیواکنشبارهچندتکرارامکانسیستماینازاستفاده

دوبارهمعرفیوفراوردهکردنخارجطریقازرا.کندمیفراهمسوبسترا

Micro flow cell

زیست حسگر تشخیص پاراتیون

مکانیسم عملکرد پاراتیون

ازرابدناسترازهایکلینفسفره،آلیسمومکلیطوربه

نشدهیزهیدرولکلیناستیلنتیجهدرومی دارندبازفعالیت

تحقیقدرحاصلمسمومیتومی کندپیداتجمعبدندرو

وزیادمقداربهبدندرشدهجمعکلیناستیلتأثیرنتیجه

ینکولمهارواکنش.دمی باشآنفیزیولوژیکحدازخارج

وعنبهبسته،اعصابشدیدتحریکآنمتعاقبواستراز

یرقابلغیابرگشت پذیراستممکنارگانوفسفرهترکیب.باشدبرگشت


هایگونهازشدهاستخراجهیدروالزپاراتیونآنزیم

درموجودنایلونیغشایرویبرسودوموناسباکتری

.گردیدتثبیتالکترودهاروی

سیستمبهپاراتیونتزریقازبعدFlow cellآنرسیدنو

زهیدرولیواکنشالکترودها،رویشدهتثبیتآنزیمبه

:افتدمیاتفاقبعدیاسالیدمطابق



کارترودالکرویبرسریعاواکنش،ایندرشدهتولیدنیتروفنل-پی

میهدیدکامپیوترنمایشگررویبرجریانپیکودهدمیواکنشدر.بود900mVمرجعوکارالکترودبینموجودپتانسیل.شود

.ودشمیاکسیدالکترودرویبرنیتروفنل-پیپتانسیلاین

روش های تثبیت اجزای بیولوژیکی

بهخاصیروشاببیولوژیکیجزءپایدار،بایدبیوسنسوریکساختمنظوربه

پنجنظورماینبرای.گویندتثبیترافرآیندیچنینکهگردد،متصلهامبدل

:استشدهارائهزیرشرحبهروش

جذب سطحی •

ریزپوشینه سازی •

محبوس سازی •

پیوند عرضی •

پیوند کوواالنسی •



زیست حسگرها در تشخیص باکتری ها

حذف)ایمرحلهیکوسریع،جدیدهایروشازیکی

هاباکتریشناساییدر(جداسازیوشووشستمرحله

باریکوآمپرومتریکهایسنسورایمونوازاستفاده:میکنندزیرعملمفهوممبنایبرکهاستمصرف

Enzyme channeling immunoassay (ECIA)



عنوانبهآنزیمیواکنشیکمحصولاساساینبر

.کندمیعملبعدیآنزیمیواکنشبرایسوبسترا



برایکهشووشستیاجداسازیمرحلهروشایندر

شود،میانجاماضافیشدهلیبلهایآنزیمکردنخارج

.استگردیدهحذف

یمهاباکتریغلظتکمیگیریاندازهبهقادرروشاین.باشد

Sandwich immunoassay

اصلازایمونوسنسوراینساختدرSandwich assayهم

رویبرکهبادیآنتییکازآندرکهگردیدهاستفاده

برژنیآنتانداختندامبهبرایگردیدهفیکسکارالکترود

باهکدومیبادیآنتیوشودمیاستفادهکارالکترودروی

.دکنمیعملشناساگرعنوانبهاستشدهنشاندارآنزیم




داردوجودزیراجزایبافرمحلولداخلدر:آنتی. (لیترمیلیهردرسلول106تا102غلظتباS.aureusباکتری)ژن1

آنتی. Horseradishباشدهلیبلبادی2 peroxidase(HPR)

کمپلکس. شدهلیبلبادیآنتیوژنآنتی3

گلوکز. 4

یدید. 5(KI or I_

)

باکربنیالکترودسطح(PEI film)Polyethylenimineآنتیوشدهپوشانده

آنرویکوواالنسیپیوندباکه(GOD)اکسیدازگلوکزو(RbIgG)بادی

.اندشدهتثبیت





پروتئین. 1Aباکتریسلولیدیوارهاصلیجزءکه

آنتیبهباکتریاتصالبااستاورئوساستافیلوکوکوسمیشناسایی(RbIgG)کارالکترودرویشدهفیکسژن

.گردد

سطح. PEI)باالکترود2 film)Polyethylenimineآنتیو

شدهپوشانده(GOD)اکسیدازگلوکزو(RbIgG)بادی

.است

بقیه. .استشدهمسدودگلیسینباالکترودسطح3


محلول. تا102غلظتبااورئوساستافازاستانداردی4.گردیدتهیهلیترمیلیهردرسلول106

الکترود. یمقرارباکتریحاویبافرمحلولداخلدررا5

.دهیم

الکترود. محلولداخلدراتاق،دمایدردقیقه10مدتبه61000دوربابافر r.p.m.وارتقابرای)چرخدمی

.(بادیآنتیوژنآنتیاتصالافزایش



آنتیادی،بآنتی-ژنآنتی-بادیآنتیساندویچیکمپلکستشکیلبارویدراکسیدازگلوکزبانزدیکتماسدرHPRباشدهلیبلبادی

.گیردمیقراردالکتروسطح

آنزیممحلول،بهگلوکزافزودنازبعدGODسطحدرشدهفیکس

.میکندH2O2تولیدودادهواکنشگلوکزاینباالکترود

H2O2یدیدهاییونبا(I_

.کندمی(I2)یدتولیدودادهواکنش(

HPRبینواکنشکاتالیزباعثH2O2شودمییدیدهاییونو.

تریباکسازیآشکارباعثالکترودسطحدریدیدهاییوناحیایS.aureusعرضدرلیترمیلیهردرسلول1000غلظتحداقلبا

.گرددمیدقیقه30




ایمونوسنسورهانوعاینمزایای

حذف. :تشخیصپروسهدرتسریعووشوشستمرحله1

ویاصلآنالیزیسیگنالبینتمایزاعمالباعثPEIغشایازاستفاده

درH2O2وHPRبینواکنشازناشی)هدفغیرهایسیگنال

.شودمی(محلول

زمان. دقیقه30تا5بینروشایندرباکتریتشخیصبرایالزم2

درتشخیصبرایالزمساعتی3زمانبامقایسهدرکهاست

.استداشتهگیریچشمکاهشاالیزا

همچنین. Enzymeسیستمازاستفاده3 channelingتقویتباعث

.گرددمیهاسیگنال

References

Rishpon, J., and D. Ivnitski. "An amperometric enzyme-channeling

immunosensor." Biosensors and bioelectronics 12, no. 3 (1997): 195-204.

Ivnitski, D., and J. Rishpon. "A one-step, separation-free amperometric

enzyme immunosensor." Biosensors and Bioelectronics 11, no. 4 (1996): 409-417.

Sacks, Vered, Inna Eshkenazi, Tova Neufeld, Carlos Dosoretz, and Judith

Rishpon. "Immobilized parathion hydrolase: An amperometric sensor for

parathion." Analytical chemistry 72, no. 9 (2000): 2055-2058.

Wilson, Charles L., and Samir Droby, eds. Microbial food contamination. Crc

Press, (2000): 79-93.

Eshkenazi, I., E. Maltz, B. Zion, and J. Rishpon. "A three-cascaded-enzymes

biosensor to determine lactose concentration in raw milk." Journal of dairy

science 83, no. 9 (2000): 1939-1945.

Pometto, Anthony, Kalidas Shetty, Gopinadhan Paliyath, and Robert E. Levin,

eds. Food biotechnology. CRC Press, 2005.

References

Wild, David, ed. The immunoassay handbook: theory and applications of ligand

binding, ELISA and related techniques. Newnes, 2013.

Moretto, Ligia Maria, and Kurt Kalcher. Environmental analysis by electrochemical

sensors and biosensors. Springer, 2014.

Zhang, Xueji, Huangxian Ju, and Joseph Wang, eds. Electrochemical sensors,

biosensors and their biomedical applications. Academic Press, 2011.

McMeekin, Thomas Alexander, ed. Detecting pathogens in food. Elsevier, 2003.

Scheller, Frieder W., Florian Schubert, and Jutta Fedrowitz, eds. Frontiers in

Biosensorics I: Fundamental Aspects. Vol. 80. Birkhäuser, 2013.

For more reading

Pilehvar, Sanaz, and Karolien De Wael. "Recent Advances in Electrochemical

Biosensors Based on Fullerene-C60 Nano-Structured Platforms." Biosensors 5,

no. 4 (2015): 712-735.

Xu, Meng. "A Handheld Electrochemical Biosensor with Glucose Oxidase-

Polydopamine Based Polymeric Nanocomposites and Prussian Blue Modified

Screen-Printed Interdigitated Microelectrodes for the Detection of E. coli

O157: H7 in Foods." In IAFP 2016 Annual Meeting. Iafp, 2016.

Lourenço, R. J. M., M. L. M. Serralheiro, and M. J. F. Rebelo. "Development

of a new amperometric biosensor for lactose determination." Portugaliae

Electrochimica Acta 21, no. 2 (2003): 171-177.

Krishnamoorthi, S., Aditya Banerjee, and Aryadeep Roychoudhury.

"Immobilized Enzyme Technology: Potentiality and Prospects." (2015).

Tang, Dianping. "Electroenzymatic Labeling for Immunosensors and DNA

Sensors." Electrochemical Biosensors (2015): 223.

For more reading

Sadana, Ajit, and Neeti Sadana. Handbook of biosensors and biosensor kinetics.

Elsevier, 2010.

Li, Songjun, Jagdish Singh, He Li, and Ipsita A. Banerjee, eds. Biosensor

nanomaterials. John Wiley & Sons, 2011.

Wang, Joseph. "Nanomaterial-based electrochemical biosensors." Analyst 130,

no. 4 (2005): 421-426.

Wagner, Gabriele. Food biosensor analysis. Vol. 60. CRC Press, 1993.

Mutlu, Mehmet, ed. Biosensors in Food Processing, Safety, and Quality Control. CRC

Press, 2010.

Nikolelis, Dimitrios P., Theodoros Varzakas, Arzum Erdem, and Georgia-

Paraskevi Nikoleli, eds. Portable Biosensing of Food Toxicants and Environmental

Pollutants. CRC Press, 2013.

Health & Medicine

زیست حسگرها در پایش مواد غذایی