المستشعر الحيوي

يستغل المستشعر المناعي خاصية الارتباط النوعي للأجسام المضادة بمركب أو مستضد محدد . تشبه طبيعة هذا التفاعل بين الجسم المضاد والمستضد آلية القفل والمفتاح، حيث لا يرتبط المستضد بالجسم المضاد إلا إذا كان له التكوين الصحيح. ينتج عن الارتباط تغير فيزيائي كيميائي، يمكن عند استخدامه مع مادة متتبعة، مثل الجزيئات الفلورية أو الإنزيمات أو النظائر المشعة، توليد إشارة. إلا أن استخدام الأجسام المضادة في المستشعرات له بعض القيود: 1. تعتمد قدرة ارتباط الجسم المضاد بشكل كبير على ظروف التحليل (مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة)، و2. على الرغم من أن تفاعل الجسم المضاد مع المستضد قوي عمومًا، إلا أنه قد يتعطل بفعل عوامل فوضوية أو مذيبات عضوية أو حتى إشعاع فوق صوتي. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

يمكن أيضاً استخدام تفاعلات الأجسام المضادة مع المستضدات في الاختبارات المصلية ، أو الكشف عن الأجسام المضادة المنتشرة في الدم استجابةً لمرض معين. ومن الجدير بالذكر أن الاختبارات المصلية أصبحت جزءاً مهماً من الاستجابة العالمية لجائحة كوفيد-19 . ^{[ 17 ]}

يُعاني استخدام الأجسام المضادة كمكون للتعرف الحيوي في أجهزة الاستشعار الحيوية من عدة عيوب. فهي تتميز بوزن جزيئي عالٍ واستقرار محدود، وتحتوي على روابط ثنائية الكبريتيد أساسية، كما أنها مكلفة الإنتاج. وللتغلب على هذه القيود، تم هندسة أجزاء ربط مُعاد تركيبها ( Fab ، Fv ، أو scFv ) أو نطاقات (VH، VHH ) من الأجسام المضادة. ^{[ 18 ]} وفي نهج آخر، تم هندسة هياكل بروتينية صغيرة ذات خصائص فيزيائية حيوية مُلائمة لإنتاج عائلات اصطناعية من بروتينات ربط المستضد (AgBP)، قادرة على الارتباط النوعي ببروتينات مستهدفة مختلفة مع الحفاظ على الخصائص المُلائمة للجزيء الأصلي. وغالبًا ما يتم اختيار عناصر العائلة التي ترتبط بشكل نوعي بمستضد مستهدف مُحدد، في المختبر باستخدام تقنيات العرض: عرض العاثيات ، عرض الريبوسوم ، عرض الخميرة ، أو عرض mRNA . تتميز البروتينات الرابطة الاصطناعية بصغر حجمها مقارنةً بالأجسام المضادة (عادةً ما يقل عدد أحماضها الأمينية عن 100 حمض)، وثباتها العالي، وخلوها من روابط ثنائي الكبريتيد، وإمكانية إنتاجها بكميات كبيرة في بيئات خلوية مختزلة كالسيتوبلازم البكتيري، على عكس الأجسام المضادة ومشتقاتها. ^{[ 19 ] [ 20 ]} ولذلك فهي مناسبة بشكل خاص لإنشاء أجهزة الاستشعار الحيوية. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تُعدّ الإنزيمات مستقبلات حيوية شائعة الاستخدام نظرًا لقدراتها النوعية على الارتباط ونشاطها التحفيزي . ويتم التعرف على المادة المراد تحليلها من خلال عدة آليات محتملة: 1) تحويل الإنزيم للمادة المراد تحليلها إلى ناتج قابل للكشف بواسطة المستشعر، 2) الكشف عن تثبيط الإنزيم أو تنشيطه بواسطة المادة المراد تحليلها، أو 3) رصد تغير خصائص الإنزيم الناتج عن تفاعله مع المادة المراد تحليلها. ^{[ 16 ]} وتتمثل الأسباب الرئيسية للاستخدام الشائع للإنزيمات في أجهزة الاستشعار الحيوية فيما يلي: 1) قدرتها على تحفيز عدد كبير من التفاعلات؛ 2) إمكانية الكشف عن مجموعة من المواد المراد تحليلها (الركائز، والنواتج، والمثبطات، ومعدلات النشاط التحفيزي)؛ 3) ملاءمتها للعديد من طرق التحويل المختلفة للكشف عن المادة المراد تحليلها. والجدير بالذكر أنه نظرًا لعدم استهلاك الإنزيمات في التفاعلات، يمكن استخدام جهاز الاستشعار الحيوي بشكل مستمر بسهولة. كما يسمح النشاط التحفيزي للإنزيمات بحدود كشف أقل مقارنةً بتقنيات الارتباط الشائعة. ومع ذلك، فإن عمر المستشعر محدود بثبات الإنزيم.

تتميز الأجسام المضادة بثابت ارتباط عالٍ يتجاوز 10^8 لتر/مول، مما يدل على ارتباط شبه دائم بمجرد تكوّن زوج المستضد-الجسم المضاد. بالنسبة لبعض جزيئات التحليل، مثل الجلوكوز، توجد بروتينات ارتباط ذات ألفة عالية ترتبط بالرابط الخاص بها بانتقائية عالية كالأجسام المضادة، ولكن بثابت ارتباط أقل بكثير يتراوح بين 10^2 و10^4 لتر/مول. وبالتالي، يكون الارتباط بين التحليل والمستقبل قابلاً للانعكاس ، وإلى جانب الارتباط بينهما، توجد جزيئاتهما الحرة بتركيز قابل للقياس. في حالة الجلوكوز، على سبيل المثال، قد يعمل كونكانافالين أ كمستقبل ذي ألفة عالية، حيث يُظهر ثابت ارتباط يبلغ 4 × 10^2 لتر/مول. ^{[ 23 ]} اقترح شولتز وسيمز في عام 1979 استخدام مستقبلات الارتباط التقاربي لأغراض الاستشعار الحيوي ^{[ 24 ]} ، وتم لاحقًا تطويرها إلى اختبار فلوري لقياس الجلوكوز في النطاق الفسيولوجي ذي الصلة بين 4.4 و6.1  ملي مول/لتر. ^{[ 25 ]} يتميز مبدأ عمل المستشعر بأنه لا يستهلك المادة المراد تحليلها في تفاعل كيميائي كما يحدث في الاختبارات الإنزيمية. وقد استُخدمت أجهزة الاستشعار الحيوية التقاربية لتوصيف حركية وديناميكا حرارة ارتباط الأجسام المضادة بالبروتينات الدهنية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

يمكن أن تعتمد المستشعرات الحيوية التي تستخدم مستقبلات قائمة على الأحماض النووية إما على تفاعلات اقتران القواعد التكميلية، وتُعرف باسم المستشعرات الجينية، أو على مُحاكيات الأجسام المضادة القائمة على الأحماض النووية (الأبتاميرات)، وتُعرف باسم المستشعرات الأبتاميرية. ^{[ 28 ]} في النوع الأول، تعتمد عملية التعرف على مبدأ اقتران القواعد التكميلية ، الأدينين: الثايمين والسيتوزين: الجوانين في الحمض النووي . إذا كان تسلسل الحمض النووي المستهدف معروفًا، فيمكن تصنيع التسلسلات التكميلية، ووسمها، ثم تثبيتها على المستشعر. ويمكن الكشف عن حدث التهجين بصريًا والتأكد من وجود الحمض النووي المستهدف (DNA/RNA). أما في النوع الثاني، فتتعرف الأبتاميرات المُصممة ضد الهدف عليه من خلال تفاعلات غير تساهمية محددة وتوافق مُستحث. يمكن وسم هذه الأبتاميرات بسهولة بجزيئات نانوية من الفلوروفور/المعادن للكشف البصري، أو يمكن استخدامها في منصات الكشف الكهروكيميائية أو منصات الكشف القائمة على الناتئ دون وسم، وذلك لمجموعة واسعة من الجزيئات المستهدفة أو الأهداف المعقدة مثل الخلايا والفيروسات. ^{[ 29 ] [ 30 ]} إضافةً إلى ذلك، يمكن دمج الأبتاميرات مع إنزيمات الأحماض النووية، مثل إنزيمات الحمض النووي الريبي (DNAzymes) التي تقطع الحمض النووي الريبي (RNA)، مما يوفر التعرف على الهدف وتوليد الإشارة في جزيء واحد، وهو ما يُظهر تطبيقات محتملة في تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية متعددة القنوات. ^{[ 31 ]}

لقد طُرحت فكرة استخدام الرنانات الضوئية المتكاملة المُحسَّنة للكشف عن التعديلات فوق الجينية (مثل مثيلة الحمض النووي، وتعديلات ما بعد الترجمة للهيستونات) في سوائل الجسم لدى مرضى السرطان أو غيره من الأمراض. ^{[ 32 ]} ويجري حاليًا تطوير أجهزة استشعار ضوئية حيوية فائقة الحساسية على مستوى الأبحاث للكشف بسهولة عن الخلايا السرطانية في بول المريض. ^{[ 33 ]} وتهدف مشاريع بحثية مختلفة إلى تطوير أجهزة محمولة جديدة تستخدم خراطيش رخيصة الثمن وصديقة للبيئة وقابلة للاستخدام لمرة واحدة، ولا تتطلب سوى معالجة بسيطة دون الحاجة إلى مزيد من المعالجة أو الغسل أو التلاعب من قِبل فنيين متخصصين. ^{[ 34 ]}

تشكل العضيات حجيرات منفصلة داخل الخلايا، وعادةً ما تؤدي وظائفها بشكل مستقل. تمتلك أنواع العضيات المختلفة مسارات أيضية متنوعة، وتحتوي على إنزيمات لإتمام وظائفها. تشمل العضيات الشائعة الاستخدام الليزوزومات والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. يرتبط نمط التوزيع المكاني والزماني للكالسيوم ارتباطًا وثيقًا بمسارات الإشارات المنتشرة. تشارك الميتوكوندريا بنشاط في استقلاب أيونات الكالسيوم للتحكم في وظائفها، كما تنظم مسارات الإشارات المرتبطة بالكالسيوم. أثبتت التجارب أن الميتوكوندريا قادرة على الاستجابة لتركيزات الكالسيوم العالية المتولدة في محيطها عن طريق فتح قنوات الكالسيوم. ^{[ 35 ]} وبهذه الطريقة، يمكن استخدام الميتوكوندريا للكشف عن تركيز الكالسيوم في الوسط، وتتميز هذه الطريقة بحساسية عالية نظرًا لدقتها المكانية العالية. يُستخدم الميتوكوندريا أيضًا في الكشف عن تلوث المياه. تُلحق سمية مركبات المنظفات الضرر بالخلية وبنيتها دون الخلوية، بما في ذلك الميتوكوندريا. تُسبب المنظفات تأثيرًا انتفاخيًا يمكن قياسه من خلال تغير الامتصاص. تُظهر بيانات التجربة أن معدل التغير يتناسب طرديًا مع تركيز المنظف، مما يوفر معيارًا عاليًا لدقة الكشف. ^{[ 36 ]}

تُستخدم الخلايا غالبًا في المستقبلات الحيوية نظرًا لحساسيتها للبيئة المحيطة وقدرتها على الاستجابة لمختلف أنواع المحفزات. تميل الخلايا إلى الالتصاق بالأسطح، مما يُسهّل تثبيتها. وبالمقارنة مع العضيات، تبقى الخلايا نشطة لفترة أطول، كما أن قابليتها للتكرار تجعلها قابلة لإعادة الاستخدام. تُستخدم الخلايا بشكل شائع للكشف عن مؤشرات عامة مثل حالة الإجهاد والسمية والمشتقات العضوية. ويمكن استخدامها أيضًا لمراقبة تأثير العلاج بالأدوية. ومن تطبيقاتها استخدام الخلايا لتحديد مبيدات الأعشاب التي تُعدّ من الملوثات المائية الرئيسية. ^{[ 37 ]} تُحصر الطحالب الدقيقة على ألياف كوارتز دقيقة، ويُجمع تألق الكلوروفيل المُعدّل بواسطة مبيدات الأعشاب عند طرف حزمة من الألياف البصرية، ثم يُنقل إلى مقياس التألق. تُزرع الطحالب باستمرار للحصول على قياسات دقيقة. تُظهر النتائج أن حد الكشف عن بعض مبيدات الأعشاب قد يصل إلى مستوى تركيز أقل من جزء في المليار. كما يمكن استخدام بعض الخلايا لمراقبة التآكل الميكروبي. ^{[ 38 ]} بكتيريا الزائفة (Pseudomonas sp.) يتم عزلها من سطح المادة المتآكلة وتثبيتها على غشاء أسيتيل السليلوز. يُحدد نشاط التنفس بقياس استهلاك الأكسجين. توجد علاقة خطية بين التيار المتولد وتركيز حمض الكبريتيك . يرتبط زمن الاستجابة بتحميل الخلايا والبيئة المحيطة، ويمكن ضبطه بحيث لا يتجاوز 5 دقائق.

تُستخدم الأنسجة في أجهزة الاستشعار الحيوي نظرًا لوفرة الإنزيمات الموجودة فيها. وتشمل مزايا استخدام الأنسجة كأجهزة استشعار حيوي ما يلي: ^{[ 39 ]}

• يسهل تثبيتها مقارنة بالخلايا والعضيات
• زيادة النشاط والاستقرار الناتج عن الحفاظ على الإنزيمات في البيئة الطبيعية
• التوافر والسعر المنخفض
• تجنب العمل الشاق المتمثل في استخلاص الإنزيمات وفصلها بالطرد المركزي وتنقيتها
• توجد عوامل مساعدة ضرورية لكي يعمل الإنزيم
• التنوع الذي يوفر مجموعة واسعة من الخيارات المتعلقة بأهداف مختلفة.

كما توجد بعض عيوب الأنسجة، مثل عدم التخصص بسبب تداخل الإنزيمات الأخرى ووقت الاستجابة الأطول بسبب حاجز النقل.

تستغل أجهزة الاستشعار الحيوية الميكروبية استجابة البكتيريا لمادة معينة. على سبيل المثال، يمكن الكشف عن الزرنيخ باستخدام أوبيرون ars الموجود في العديد من أنواع البكتيريا. ^{[ 40 ]}

تنقسم أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية الحيوية بشكل عام إلى تقنيات فعالة (تفرض تغييراً في التيار أو الجهد على النظام لقياس استجابة ديناميكية) وتقنيات سلبية (تقيس النظام في حالة توازن أو في ظروف الراحة). ^{[ 47 ]}

أثبت استخدام قنوات الأيونات قدرته على توفير كشف عالي الحساسية للجزيئات البيولوجية المستهدفة. ^{[ 48 ]} يتم إنشاء دائرة كهربائية عن طريق دمج قنوات الأيونات في أغشية ثنائية الطبقة مدعومة أو مربوطة (t-BLM) متصلة بقطب كهربائي ذهبي. يمكن ربط جزيئات الالتقاط، مثل الأجسام المضادة، بقناة الأيونات، بحيث يتحكم ارتباط الجزيء المستهدف في تدفق الأيونات عبر القناة. ينتج عن ذلك تغيير قابل للقياس في التوصيل الكهربائي يتناسب مع تركيز الجزيء المستهدف.

يمكن إنشاء مستشعر حيوي من نوع مفتاح قناة أيونية (ICS) باستخدام غراميسيدين، وهو قناة ببتيدية ثنائية، في غشاء ثنائي الطبقات مُرتبط. ^{[ 49 ]} يكون أحد جزئي الببتيد في غراميسيدين، المرتبط بجسم مضاد، متحركًا، بينما يكون الآخر ثابتًا. يؤدي كسر الرابطة الثنائية إلى إيقاف التيار الأيوني عبر الغشاء. وتزداد شدة التغير في الإشارة الكهربائية بشكل كبير بفصل الغشاء عن السطح المعدني باستخدام فاصل محب للماء.

لقد تم إثبات الكشف الكمي عن فئة واسعة من الأنواع المستهدفة، بما في ذلك البروتينات والبكتيريا والأدوية والسموم، باستخدام أغشية وتكوينات التقاط مختلفة. ^{[ 50 ] [ 51 ]} يعمل مشروع البحث الأوروبي Greensense على تطوير مستشعر حيوي لإجراء فحص كمي للمخدرات مثل رباعي هيدروكانابينول (THC) والمورفين والكوكايين ^{[ 52 ]} في اللعاب والبول.

يمكن للمستشعر الحيوي الخالي من الكواشف مراقبة مُحلَّل مُستهدف في خليط بيولوجي مُعقَّد دون الحاجة إلى كواشف إضافية. ولذلك، يُمكنه العمل باستمرار عند تثبيته على دعامة صلبة. يتفاعل المستشعر الحيوي الفلوري مع المُحلَّل المُستهدف بتغيير خصائص فلورته. يُمكن الحصول على مستشعر حيوي فلوري خالي من الكواشف (مستشعر RF الحيوي) من خلال دمج مُستقبل بيولوجي مُوجَّه ضد المُحلَّل المُستهدف، وفلوروفور مُتغيّر اللون ، تتأثر خصائص انبعاثه بطبيعة بيئته المحلية، في جزيء كبير واحد. يُحوِّل الفلوروفور عملية التعرُّف إلى إشارة ضوئية قابلة للقياس. يُتيح استخدام الفلوروفورات الخارجية، التي تختلف خصائص انبعاثها اختلافًا كبيرًا عن خصائص الفلوروفورات الداخلية للبروتينات، مثل التربتوفان والتيروسين، الكشف الفوري عن المُحلَّل وتحديد كميته في الخلائط البيولوجية المُعقَّدة. يجب دمج الفلوروفور في موقع يكون فيه حساسًا لارتباط المادة المراد تحليلها دون التأثير على ألفة المستقبل.

تُعدّ الأجسام المضادة وعائلات البروتينات الرابطة للمستضدات (AgBP) الاصطناعية مناسبةً تمامًا لتوفير وحدة التعرّف في أجهزة الاستشعار الحيوية بترددات الراديو، نظرًا لإمكانية توجيهها ضد أي مستضد (انظر فقرة المستقبلات الحيوية). وقد وُصفت طريقة عامة لدمج فلوروفور مُتغيّر اللون بتأثير المذيب في بروتين AgBP عندما يكون التركيب الذري للمركب مع مستضده معروفًا، وبالتالي تحويله إلى جهاز استشعار حيوي بترددات الراديو. ^{[ 21 ]} يتم تحديد أحد بقايا بروتين AgBP في جوار المستضد في مركبهما. ويتم استبدال هذا البقايا بالسيستين عن طريق الطفرات الموجهة للموقع. ثم يتم ربط الفلوروفور كيميائيًا بالسيستين المُطفر. عند نجاح التصميم، لا يمنع الفلوروفور المرتبط ارتباط المستضد، بل يحميه هذا الارتباط من المذيب، ويمكن الكشف عنه من خلال تغير الفلورة. هذه الاستراتيجية صالحة أيضًا لشظايا الأجسام المضادة. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

مع ذلك، في غياب بيانات هيكلية محددة، يجب تطبيق استراتيجيات أخرى. تتكون الأجسام المضادة وعائلات بروتينات ربط المستضدات الاصطناعية من مجموعة من مواقع الأحماض الأمينية شديدة التغير (أو العشوائية)، الموجودة في منطقة فرعية فريدة من البروتين، والمدعومة بهيكل ببتيدي ثابت. تُختار الأحماض الأمينية التي تُشكل موقع الارتباط بمستضد معين من بين الأحماض الأمينية شديدة التغير. من الممكن تحويل أي بروتين ربط مستضدات من هذه العائلات إلى مستشعر حيوي بترددات الراديو، خاص بالمستضد المستهدف، ببساطة عن طريق ربط فلوروفور متغير اللون بالمذيب بأحد الأحماض الأمينية شديدة التغير التي لا تُعد ذات أهمية تُذكر للتفاعل مع المستضد، بعد استبدال هذا الحمض الأميني بالسيستين عن طريق الطفرات. وبشكل أكثر تحديدًا، تتمثل الاستراتيجية في تغيير بقايا المواقع شديدة التغير إلى سيستين على المستوى الجيني، وربط فلوروفور حساس للمذيبات كيميائيًا مع السيستين الطافر، ثم الاحتفاظ بالمركبات الناتجة ذات الحساسية الأعلى (وهو معيار يشمل كلًا من الألفة وتغير إشارة الفلورة). ^{[ 22 ]} هذا النهج صالح أيضًا لعائلات أجزاء الأجسام المضادة. ^{[ 55 ]}

أظهرت الدراسات اللاحقة أن أفضل أجهزة الاستشعار الحيوية الفلورية الخالية من الكواشف تُحقق عندما لا يُكوّن الفلوروفور روابط غير تساهمية مع سطح المستقبل الحيوي، مما قد يزيد من إشارة الخلفية، وعندما يتفاعل مع جيب ارتباط على سطح المستضد المستهدف. ^{[ 56 ]} يمكن لأجهزة الاستشعار الحيوية بترددات الراديو، التي تُحضّر بالطرق المذكورة أعلاه، أن تعمل وتكشف عن التحليلات المستهدفة داخل الخلايا الحية. ^{[ 57 ]}

تستخدم أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحيوية جسيمات أو بلورات مغناطيسية مسايرة أو فوق مسايرة للكشف عن التفاعلات البيولوجية. ومن الأمثلة على ذلك محاثة الملف، والمقاومة، أو غيرها من الخصائص المغناطيسية. ومن الشائع استخدام الجسيمات النانوية أو الميكروية المغناطيسية. تحتوي أسطح هذه الجسيمات على مستقبلات حيوية، قد تكون حمضًا نوويًا (مكملًا لتسلسل معين أو أبتاميرات)، أو أجسامًا مضادة، أو غيرها. يؤثر ارتباط المستقبل الحيوي على بعض خصائص الجسيمات المغناطيسية التي يمكن قياسها بواسطة قياس الحساسية المغناطيسية للتيار المتردد، ^{[ 58 ]} أو مستشعر تأثير هول، ^{[ 59 ] أو} جهاز المقاومة المغناطيسية العملاقة، ^{[ 60 ]} أو غيرها.

تستخدم المستشعرات الكهروإجهادية بلورات تخضع لتشوه مرن عند تطبيق جهد كهربائي عليها. يُنتج الجهد المتناوب موجة مستقرة في البلورة بتردد مميز. يعتمد هذا التردد بشكل كبير على الخصائص المرنة للبلورة، فإذا طُليت البلورة بعنصر تعرف بيولوجي، فإن ارتباط مُحلل مستهدف (كبير) بمستقبل سيؤدي إلى تغيير في تردد الرنين، مما يُعطي إشارة ارتباط. في الوضع الذي يستخدم الموجات الصوتية السطحية، تزداد الحساسية بشكل كبير. هذا تطبيق متخصص لميزان بلورة الكوارتز الدقيق كمستشعر حيوي.

يُعدّ التلألؤ الكيميائي الكهربائي (ECL) اليوم تقنية رائدة في مجال أجهزة الاستشعار الحيوية. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} ونظرًا لأن الأنواع المُثارة تُنتَج بواسطة مُحفِّز كيميائي كهربائي وليس بواسطة مصدر إثارة ضوئي، فإنّ التلألؤ الكيميائي الكهربائي يُظهر نسبة إشارة إلى ضوضاء مُحسَّنة مُقارنةً بالتألق الضوئي، مع تقليل تأثيرات تشتت الضوء وخلفية التألق. وعلى وجه الخصوص، فإنّ التلألؤ الكيميائي الكهربائي المُشارك في محلول مائي مُنظَّم في منطقة الجهود الموجبة (آلية الأكسدة والاختزال) قد عزَّز بشكلٍ كبير فعالية التلألؤ الكيميائي الكهربائي في المقايسة المناعية، كما أكَّدت ذلك العديد من التطبيقات البحثية، بل وأكثر من ذلك، وجود شركات رائدة طوَّرت أجهزة تجارية لتحليل المقايسات المناعية عالية الإنتاجية في سوق تُقدَّر قيمتها بمليارات الدولارات سنويًا.

أجهزة الاستشعار البيولوجية الحرارية نادرة.

تعتمد أجهزة مراقبة الجلوكوز المتوفرة تجاريًا على الاستشعار الأمبيرومتري للجلوكوز بواسطة إنزيم أوكسيداز الجلوكوز ، الذي يؤكسد الجلوكوز منتجًا بيروكسيد الهيدروجين الذي يكشفه القطب الكهربائي. وللتغلب على قصور أجهزة الاستشعار الأمبيرومترية، تُجرى حاليًا أبحاث مكثفة لتطوير طرق استشعار جديدة، مثل أجهزة الاستشعار الحيوية الفلورية للجلوكوز . ^{[ 92 ]}

يعتمد مستشعر التصوير الانعكاسي التداخلي (IRIS) على مبادئ التداخل البصري ، ويتكون من ركيزة من السيليكون وأكسيد السيليكون، وبصريات قياسية، ومصابيح LED متماسكة منخفضة الطاقة. عند تسليط الضوء من خلال عدسة موضوعية ذات تكبير منخفض على ركيزة السيليكون وأكسيد السيليكون متعددة الطبقات، ينتج بصمة تداخلية. ومع تراكم الكتلة الحيوية، التي لها معامل انكسار مشابه لأكسيد السيليكون، على سطح الركيزة، يحدث تغير في البصمة التداخلية، ويمكن ربط هذا التغير بكتلة قابلة للقياس الكمي. استخدم دابول وزملاؤه مستشعر IRIS للحصول على حساسية خالية من العلامات تبلغ حوالي 19  نانوغرام/مل. ^{[ 93 ]} وقد حسّن آهن وزملاؤه حساسية مستشعر IRIS من خلال تقنية الوسم الكتلي. ^{[ 94 ]}

منذ نشرها الأولي، جرى تعديل جهاز IRIS لأداء وظائف متنوعة. أولًا، دُمجت فيه إمكانية التصوير الفلوري ضمن جهاز التصوير التداخلي كطريقة محتملة لمعالجة تباين مصفوفات البروتينات الفلورية. ^{[ 95 ]} باختصار، ينشأ التباين في مصفوفات البروتينات الفلورية بشكل رئيسي من عدم اتساق تثبيت البروتين على الأسطح، وقد يتسبب في تشخيصات خاطئة في مصفوفات الحساسية. ^{[ 96 ]} لتصحيح أي تباين في تثبيت البروتين، تُقاس البيانات المُكتسبة في وضعية الفلورة بمقارنة البيانات المُكتسبة في الوضعية الخالية من العلامات. ^{[ 96 ]} كما جرى تعديل IRIS لإجراء عدّ الجسيمات النانوية المفردة ببساطة عن طريق استبدال العدسة ذات التكبير المنخفض المستخدمة في قياس الكتلة الحيوية الخالية من العلامات بعدسة ذات تكبير أعلى. ^{[ 97 ] [ 98 ]} تُمكّن هذه الوضعية من التمييز بين الأحجام في العينات البيولوجية البشرية المعقدة. (مونرو وآخرون) استُخدم جهاز IRIS لتحديد كمية البروتينات المضافة إلى الدم الكامل البشري ومصل الدم، ولتحديد حساسية مسببات الحساسية في عينات دم بشرية مُعَيَّنة باستخدام معالجة العينات الصفرية. ^{[ 99 ]} تشمل الاستخدامات العملية الأخرى لهذا الجهاز الكشف عن الفيروسات ومسببات الأمراض. ^{[ 100 ]}

تُستخدم أجهزة الاستشعار الحيوية في العديد من تطبيقات تحليل الأغذية. ^{[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]} في صناعة الأغذية، تُستخدم العدسات المطلية بالأجسام المضادة بشكل شائع للكشف عن مسببات الأمراض والسموم الغذائية. ويعتمد نظام الإضاءة في هذه الأجهزة عادةً على التألق الضوئي، نظرًا لقدرة هذا النوع من القياس البصري على تضخيم الإشارة بشكل كبير.

طُوِّرت مجموعة من المقايسات المناعية ومقايسات ارتباط الليجاندات للكشف عن الجزيئات الصغيرة وقياسها، مثل الفيتامينات الذائبة في الماء والملوثات الكيميائية ( مخلفات الأدوية ) كالسلفوناميدات ومحفزات مستقبلات بيتا ، لاستخدامها في أنظمة الاستشعار القائمة على تقنية رنين البلازمون السطحي (SPR )، والتي غالبًا ما تكون مُعدَّلة من مقايسة ELISA الحالية أو غيرها من المقايسات المناعية. وتُستخدم هذه المقايسات على نطاق واسع في صناعة الأغذية.

يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية لرصد ملوثات الهواء والماء والتربة ، مثل المبيدات الحشرية، والمواد التي يحتمل أن تكون مسرطنة أو مطفرة أو سامة، والمواد الكيميائية المسببة لاضطرابات الغدد الصماء. ^{[ 105 ] [ 106 ]}

فعلى سبيل المثال، قام علماء تقنية النانو الحيوية بتطوير جهاز استشعار حيوي فعال، ROSALIND 2.0 ، يمكنه الكشف عن مستويات ملوثات المياه المتنوعة . ^{[ 107 ] [ 108 ]}

نظراً لأن الأوزون يرشح الأشعة فوق البنفسجية الضارة، فقد أثار اكتشاف ثقوب في طبقة الأوزون في الغلاف الجوي للأرض مخاوف بشأن كمية الأشعة فوق البنفسجية التي تصل إلى سطح الأرض. ومن بين الأمور التي تثير قلقاً بالغاً، مدى عمق اختراق الأشعة فوق البنفسجية لمياه البحر، وكيف تؤثر على الكائنات البحرية ، وخاصة العوالق (الكائنات الدقيقة العائمة) والفيروسات التي تهاجمها. تشكل العوالق قاعدة السلاسل الغذائية البحرية، ويُعتقد أنها تؤثر على درجة حرارة كوكبنا وطقسه من خلال امتصاص ثاني أكسيد الكربون _لعملية التمثيل الضوئي.

ابتكرت دينيب كارينتز، الباحثة في مختبر البيولوجيا الإشعاعية والصحة البيئية ( جامعة كاليفورنيا، سان فرانسيسكو )، طريقةً بسيطةً لقياس اختراق الأشعة فوق البنفسجية وشدتها. أثناء عملها في المحيط المتجمد الجنوبي، غمرت كارينتز أكياسًا بلاستيكيةً رقيقةً تحتوي على سلالاتٍ خاصةٍ من بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) على أعماقٍ مختلفة ، وهي سلالاتٌ تكاد تكون عاجزةً تمامًا عن إصلاح تلف الحمض النووي (DNA) الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. وقورنت معدلات موت البكتيريا في هذه الأكياس بمعدلات موت البكتيريا في أكياسٍ ضابطةٍ غير معرضةٍ للأشعة فوق البنفسجية، تحتوي على نفس الكائن الحي. وكشفت "المستشعرات الحيوية" البكتيرية عن تلفٍ كبيرٍ وثابتٍ للأشعة فوق البنفسجية على عمق 10 أمتار، وبشكلٍ متكررٍ على عمق 20 و30 مترًا. وتخطط كارينتز لإجراء دراساتٍ إضافيةٍ حول كيفية تأثير الأشعة فوق البنفسجية على ازدهار العوالق الموسمية (طفرات النمو) في المحيطات. ^{[ 109 ]}

الانتشار السرطاني هو انتقال الخلايا السرطانية من جزء من الجسم إلى آخر عبر الجهاز الدوري أو الجهاز اللمفاوي. ^{[ 110 ]} على عكس فحوصات التصوير الإشعاعي (التصوير الشعاعي للثدي)، التي تُرسل أشكالًا من الطاقة (الأشعة السينية، المجالات المغناطيسية، إلخ) عبر الجسم لالتقاط صور داخلية فقط، تتمتع أجهزة الاستشعار الحيوية بالقدرة على اختبار مدى خباثة الورم بشكل مباشر. يتيح الجمع بين عنصر بيولوجي وعنصر كاشف الحاجة إلى عينة صغيرة، وتصميمًا مضغوطًا، وإشارات سريعة، وكشفًا سريعًا، وانتقائية عالية، وحساسية عالية للمادة المراد تحليلها. بالمقارنة مع فحوصات التصوير الإشعاعي التقليدية، تتميز أجهزة الاستشعار الحيوية ليس فقط بمعرفة مدى انتشار السرطان والتحقق من فعالية العلاج، بل أيضًا بكونها أرخص وأكثر كفاءة (من حيث الوقت والتكلفة والإنتاجية) لتقييم الانتشار السرطاني في مراحله المبكرة.

ابتكر باحثون في الهندسة الحيوية أجهزة استشعار حيوية للأورام خاصة بسرطان الثدي. ^{[ 111 ]} يُعد سرطان الثدي أكثر أنواع السرطان شيوعًا بين النساء في جميع أنحاء العالم. ^{[ 112 ]} ومن الأمثلة على ذلك ميزان بلوري كوارتز دقيق (QCM) يعتمد على الترانسفيرين. يعمل هذا الميزان كمستشعر حيوي، حيث يُنتج تذبذبات في تردد الموجة المستقرة للبلورة من جهد متناوب، وذلك للكشف عن تغيرات الكتلة التي تصل إلى مستوى النانوغرام. صُممت هذه المستشعرات الحيوية خصيصًا للتفاعل مع مستقبلات على أسطح الخلايا (السرطانية والطبيعية) وتتميز بانتقائية عالية لها. من الناحية المثالية، يوفر هذا كشفًا كميًا للخلايا التي تحمل هذا المستقبل لكل وحدة مساحة سطحية، بدلًا من الكشف النوعي الذي توفره صور الماموجرام.

لاحظت سيدا أتاي، الباحثة في مجال التقنية الحيوية بجامعة حجة تبة، تجريبياً هذه الخصوصية والانتقائية بين ميزان بلوري كوارتزي دقيق (QCM) وخلايا سرطان الثدي MDA-MB 231 ، وخلايا MCF 7 ، وخلايا MDA-MB 231 المُجَوَّعة في المختبر. ^{[ 111 ]} وقد ابتكرت، بالتعاون مع باحثين آخرين، طريقةً لغسل هذه الخلايا ذات المستويات المختلفة من الانتشار فوق المجسات لقياس تغيرات الكتلة الناتجة عن اختلاف كميات مستقبلات الترانسفيرين. وبشكل خاص، يمكن تحديد القدرة على انتشار خلايا سرطان الثدي باستخدام موازين بلوري كوارتزية دقيقة مع جسيمات نانوية وترانسفيرين، والتي من المحتمل أن ترتبط بمستقبلات الترانسفيرين على أسطح الخلايا السرطانية. تتميز مستقبلات الترانسفيرين بانتقائية عالية جدًا نظرًا لفرط التعبير عنها في الخلايا السرطانية. فإذا كانت الخلايا تُظهر تعبيرًا عاليًا عن مستقبلات الترانسفيرين، مما يدل على قدرتها العالية على الانتشار، فإنها تتمتع بألفة أكبر وترتبط بشكل أكبر بميزان البلورات الكوارتزي الدقيق الذي يقيس الزيادة في الكتلة. وبناءً على مقدار التغير في الكتلة بالنانوغرام، يمكن تحديد القدرة على الانتشار.

بالإضافة إلى ذلك، شهدت السنوات الأخيرة اهتمامًا كبيرًا بالكشف عن المؤشرات الحيوية لسرطان الرئة دون الحاجة إلى خزعة. وفي هذا السياق، تُعدّ أجهزة الاستشعار الحيوية أدوات جذابة وعملية للغاية لتوفير كشف سريع وحساس ودقيق ومستقر وفعال من حيث التكلفة وغير جراحي لتشخيص سرطان الرئة في مراحله المبكرة. تتكون أجهزة الاستشعار الحيوية للسرطان من جزيئات التعرف الحيوي النوعية، مثل الأجسام المضادة أو مجسات الأحماض النووية التكميلية أو غيرها من الجزيئات الحيوية المثبتة على سطح محول الطاقة. تتفاعل جزيئات التعرف الحيوي بشكل خاص مع المؤشرات الحيوية (الأهداف)، ويقوم محول الطاقة بتحويل الاستجابات البيولوجية الناتجة إلى إشارة تحليلية قابلة للقياس. وبحسب نوع الاستجابة البيولوجية، تُستخدم محولات طاقة متنوعة في تصنيع أجهزة الاستشعار الحيوية للسرطان، مثل محولات الطاقة الكهروكيميائية والبصرية والقائمة على قياس الكتلة. ^{[ 113 ]}

يمكن استخدام أجهزة الاستشعار البيولوجية للكشف عن الكائنات الممرضة. ^{[ 106 ]}

تم تطوير أجهزة استشعار حيوية مدمجة للكشف عن البصمات المسببة للأمراض، مثل بصمات فيروس سارس-كوف-2 ، وهي أجهزة قابلة للارتداء ، مثل أقنعة الوجه المزودة باختبارات مدمجة . ^{[ 114 ] [ 115 ]} انظر أيضًا: البحث والتطوير في مجال النقل العام المتعلق بكوفيد-19

قد تُتيح أنواع جديدة من رقائق الاستشعار الحيوي أساليب مبتكرة، مثل أجهزة استشعار مسببات الأمراض المحمولة بواسطة الطائرات المسيّرة لمسح الهواء أو مياه الصرف الصحي بشكل فعّال. ويمكن استخدام الأبتاميرات الرابطة للبروتين لاختبار مسببات الأمراض المعدية. ^{[ 116 ]} كما قد تُتيح أنظمة الجلود الإلكترونية (أو جلود الروبوتات) المزودة بمستشعرات حيوية (أو مستشعرات كيميائية) وواجهات تفاعل بين الإنسان والآلة، إمكانية الاستشعار عن بُعد أو بواسطة الأجهزة أو الروبوتات للكشف عن مسببات الأمراض (بالإضافة إلى العديد من المواد الخطرة والإدراكات اللمسية ). ^{[ 117 ]}

تعتمد العديد من أجهزة الاستشعار الحيوية البصرية على ظاهرة رنين البلازمون السطحي (SPR). ^{[ 118 ] [ 119 ]} وتستغل هذه التقنية خاصيةً للذهب ومواد أخرى (معادن)؛ ^{[ 120 ]} وهي أن طبقة رقيقة من الذهب على سطح زجاجي ذي معامل انكسار عالٍ تمتص ضوء الليزر، مُنتجةً موجات إلكترونية (بلازمونات سطحية) على سطح الذهب. ويحدث هذا فقط عند زاوية وطول موجي محددين للضوء الساقط، ويعتمد بشكل كبير على سطح الذهب، بحيث يؤدي ارتباط المادة المراد تحليلها بمستقبل على سطح الذهب إلى إنتاج إشارة قابلة للقياس.

تعمل مستشعرات رنين البلازمون السطحي باستخدام شريحة استشعار تتكون من علبة بلاستيكية تدعم لوحًا زجاجيًا، أحد جانبيه مطلي بطبقة مجهرية من الذهب. يتصل هذا الجانب بجهاز الكشف البصري للجهاز. أما الجانب الآخر فيتصل بنظام تدفق ميكروفلويدي. يُنشئ هذا الاتصال قنواتٍ يمر عبرها الكواشف في المحلول. يمكن تعديل هذا الجانب من شريحة الاستشعار الزجاجية بعدة طرق لتسهيل ربط الجزيئات المراد قياسها. عادةً ما يُطلى هذا الجانب بكربوكسي ميثيل ديكستران أو مركب مشابه.

يؤثر معامل الانكسار على جانب التدفق من سطح الشريحة تأثيرًا مباشرًا على سلوك الضوء المنعكس عن الجانب الذهبي. ويؤثر ارتباط الجزيئات الحيوية بجانب التدفق من الشريحة على معامل الانكسار ، مما يسمح بقياس التفاعلات البيولوجية بدقة عالية باستخدام نوع من الطاقة. ويتغير معامل انكسار الوسط القريب من السطح عند ارتباط الجزيئات الحيوية به، وتتغير زاوية رنين البلازمون السطحي تبعًا لهذا التغير.

ينعكس ضوء ذو طول موجي ثابت عن الجانب الذهبي للشريحة بزاوية الانعكاس الداخلي الكلي، ويُكشف داخل الجهاز. تُغيّر زاوية سقوط الضوء لمطابقة معدل انتشار الموجة المتلاشية مع معدل انتشار بلازمونات السطح القطبية. ^{[ 121 ]} يؤدي ذلك إلى اختراق الموجة المتلاشية للوح الزجاجي ودخولها مسافةً ما في السائل المتدفق فوق السطح.

تعتمد أجهزة الاستشعار الحيوية البصرية الأخرى بشكل أساسي على تغيرات الامتصاص أو التألق لمركب مؤشر مناسب، ولا تتطلب هندسة انعكاس داخلي كلي. على سبيل المثال، تم تصنيع جهاز نموذجي يعمل بكامل طاقته للكشف عن الكازين في الحليب. يعتمد هذا الجهاز على رصد تغيرات امتصاص طبقة من الذهب. ^{[ 122 ]} ويمكن اعتبار المصفوفة الدقيقة، وهي أداة بحثية شائعة الاستخدام، جهاز استشعار حيويًا أيضًا.

غالبًا ما تتضمن المستشعرات الحيوية، المعروفة أيضًا باسم المستشعرات البصرية الوراثية ، شكلًا معدلًا وراثيًا من بروتين أو إنزيم طبيعي. يُصمم البروتين للكشف عن مُحلَّل مُحدد، وتُقرأ الإشارة الناتجة بواسطة جهاز كشف مثل مقياس التألق أو مقياس الإضاءة. ومن الأمثلة على المستشعرات الحيوية التي طُوِّرت حديثًا مستشعرٌ للكشف عن تركيز cAMP (أحادي فوسفات الأدينوزين الحلقي) في السيتوبلازم، وهو رسول ثانٍ يُشارك في الإشارات الخلوية التي تُحفَّز بواسطة الروابط التي تتفاعل مع المستقبلات على غشاء الخلية. ^{[ 123 ]} وقد طُوِّرت أنظمة مماثلة لدراسة الاستجابات الخلوية للروابط الطبيعية أو المواد الغريبة (السموم أو مثبطات الجزيئات الصغيرة). تُستخدم هذه "الاختبارات" بشكل شائع في تطوير اكتشاف الأدوية من قِبَل شركات الأدوية والتكنولوجيا الحيوية. تتطلب معظم اختبارات cAMP المستخدمة حاليًا تحلل الخلايا قبل قياس cAMP. يمكن استخدام جهاز استشعار حيوي للخلايا الحية لقياس cAMP في الخلايا غير المتحللة مع ميزة إضافية تتمثل في قراءات متعددة لدراسة حركية استجابة المستقبل.

تستخدم أجهزة الاستشعار النانوية الحيوية مسبارًا حيويًا مُثبَّتًا يتميز بانتقائيته لجزيئات التحليل المستهدفة. تُعد المواد النانوية أجهزة استشعار كيميائية وبيولوجية فائقة الحساسية، وتُظهر خصائص فريدة. إذ تُتيح نسبة مساحة سطحها الكبيرة إلى حجمها إمكانية تحقيق تفاعلات سريعة ومنخفضة التكلفة، باستخدام مجموعة متنوعة من التصاميم. ^{[ 124 ]}

تم تسويق أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار الحيوية التي تعتمد على الموجات المتلاشية باستخدام الموجهات الموجية، حيث يتغير ثابت الانتشار عبر الموجه الموجية نتيجة امتصاص الجزيئات على سطحها. ومن الأمثلة على ذلك، تقنية التداخل ثنائي الاستقطاب التي تستخدم موجهًا موجيًا مدفونًا كمرجع لقياس التغير في ثابت الانتشار. أما التكوينات الأخرى، مثل تكوين ماخ-زيندر، فتعتمد على أذرع مرجعية محددة طباعيًا على ركيزة. ويمكن تحقيق مستويات تكامل أعلى باستخدام هندسة الرنانات، حيث يتغير تردد الرنين للرنان الحلقي عند امتصاص الجزيئات. ^{[ 125 ] [ 126 ]}

في الآونة الأخيرة، استُخدمت مصفوفات من جزيئات كاشفة متنوعة في ما يُعرف بأجهزة الأنف الإلكتروني ، حيث يُستخدم نمط استجابة الكواشف لتحديد بصمة المادة. ^{[ 127 ]} في جهاز كشف الروائح "Wasp Hound" ، العنصر الميكانيكي عبارة عن كاميرا فيديو، أما العنصر البيولوجي فهو خمسة دبابير طفيلية تم تدريبها على التجمع استجابةً لوجود مادة كيميائية محددة. ^{[ 128 ]} مع ذلك، لا تستخدم أجهزة الأنف الإلكتروني التجارية الحالية عناصر بيولوجية.

يمكن أن يكون الحمض النووي هو المادة المراد تحليلها بواسطة جهاز استشعار بيولوجي، حيث يتم الكشف عنه من خلال وسائل محددة، ولكن يمكن استخدامه أيضًا كجزء من جهاز استشعار بيولوجي أو، نظريًا، حتى كجهاز استشعار بيولوجي كامل.

توجد تقنيات عديدة للكشف عن الحمض النووي، وهي عادةً وسيلة للكشف عن الكائنات الحية التي تحمل هذا الحمض النووي تحديدًا. ويمكن أيضًا استخدام تسلسلات الحمض النووي كما ذُكر سابقًا. ولكن توجد أيضًا مناهج أكثر تطورًا، حيث يُمكن تصنيع الحمض النووي لحمل الإنزيمات في هلام بيولوجي مستقر. ^{[ 129 ]} ومن التطبيقات الأخرى تصميم الأبتاميرات، وهي تسلسلات من الحمض النووي ذات شكل محدد للارتباط بجزيء مرغوب. وتستخدم أكثر العمليات ابتكارًا تقنية طي الحمض النووي (DNA origami) لهذا الغرض، مما يُنتج تسلسلات تُطوى في بنية يمكن التنبؤ بها، وهي مفيدة للكشف. ^{[ 130 ] [ 131 ]}

قام العلماء ببناء نماذج أولية لأجهزة استشعار للكشف عن الحمض النووي للحيوانات من الهواء الممتص، "الحمض النووي البيئي المحمول جواً". ^{[ 132 ]}

يمكن ربط "الهوائيات النانوية" المصنوعة من الحمض النووي - وهو نوع جديد من الهوائيات البصرية النانوية - بالبروتينات وإنتاج إشارة عبر التألق عندما تؤدي هذه البروتينات وظائفها البيولوجية، وخاصةً عند حدوث تغيرات بنيوية مميزة . ^{[ 133 ] [ 134 ]}

الجرافين مادة ثنائية الأبعاد أساسها الكربون، تتميز بخصائص بصرية وكهربائية وميكانيكية وحرارية فائقة. وقد أثبتت قدرته على امتصاص وتثبيت مجموعة متنوعة من البروتينات، ولا سيما تلك التي تحتوي على حلقات كربونية، أنه مرشح ممتاز كمحول طاقة في أجهزة الاستشعار الحيوية. ونتيجة لذلك، تم استكشاف وتطوير العديد من أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على الجرافين في الآونة الأخيرة. ^{[ 15 ] [ 135 ]} وقد استُخدم الجرافين كجهاز استشعار حيوي بأشكال مختلفة، وخاصة أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية وترانزستورات تأثير المجال. ومن بينها، أظهرت ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من الجرافين (GFETs) أداءً ممتازًا في التشخيص السريع عند نقطة الرعاية (PoC)، كما يتضح من الزيادة الكبيرة في عدد المقالات البحثية التي تتناول تشخيص كوفيد-19 باستخدام هذه الترانزستورات. وقد أشارت التقارير إلى أنها تتميز بحدود كشف منخفضة للغاية، بالإضافة إلى سرعة استجابة فائقة لا تتجاوز بضع ثوانٍ، فضلاً عن قدرتها على تعدد الإرسال. ^{[ 136 ]} تسمح هذه القدرات بالكشف الفوري عن المرض خاصة في الحالات التي تتداخل فيها الأعراض والتي يصعب تمييزها في البداية، مما يسمح بنتائج أفضل للمرضى خاصة في البيئات الطبية التي تعاني من نقص الموارد.