बायोसेंसर क्या हैं [About Biosensors]

यदि आप बायोसेंसर (biosensors) शब्द को “बायो” और “सेंसर” में विभाजित करते हैं तो आपको पता चल जाएगा की बायोसेंसर क्या होता है।

बायोसेंसर बायोएनालिटिकल सिस्टम हैं जो जैविक नमूनों का परीक्षण करने में सक्षम हैं। ये छोटे, शक्तिशाली उपकरण हैं जो जैविक नमूनों का विश्लेषण करने में सक्षम हैं।

आपने लोगों को नियमित ग्लूकोज मॉनिटरिंग के लिए ग्लूकोमीटर, ऑक्सीजन संतृप्ति स्तर और पल्स रेट को मापने के लिए पल्स ऑक्सीमीटर और हमारी दैनिक शारीरिक गतिविधि की निगरानी के लिए स्मार्टवॉच का उपयोग करते देखा होगा। ग्लूकोमीटर, पल्स ऑक्सीमीटर और स्मार्टवॉच सभी बायोसेंसर के उदाहरण हैं।

इस तकनीक के कई अनुप्रयोग हैं, जो चिकित्सा देखभाल तक सीमित नहीं हैं। वे दवा की जरूरतों को निर्धारित करने और बीमारी से बचाने के लिए महत्वपूर्ण हैं। वे पर्यावरण, मिट्टी, पानी और भोजन की गुणवत्ता की निगरानी भी कर सकते हैं। उनका उपयोग चयापचय इंजीनियरिंग (metabolic engineering) में, कृत्रिम अंग के सही कामकाज की निगरानी के लिए और जैविक सुरक्षा में भी किया जाता है।

लेलैंड क्लार्क : क्लार्क इलेक्ट्रोड

पहला बायोसेंसर, जिसे “क्लार्क इलेक्ट्रोड” के रूप में जाना जाता है, को 1956 में लेलैंड क्लार्क द्वारा ऑक्सीजन का पता लगाने के लिए विकसित किया गया था।

बायोसेंसिंग के क्षेत्र में उनके काम ने उन्हें “बायोसेंसर के पिता” के रूप में पहचान दिलाई। पहला वाणिज्यिक बायोसेंसर 1975 में येलो स्प्रिंग्स इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा विकसित किया गया था।

रक्त शर्करा के स्तर की निगरानी के लिए एक रक्त ग्लूकोज मीटर एक बेहतर (आक्रामक) बायोसेंसर (invasive biosensor) का एक उदाहरण है। एक पल्स ऑक्सीमीटर एक गैर-आक्रामक बायोसेंसर (Non-invasive biosensor) का एक उदाहरण है। स्मार्ट घड़ी एक गैर-इनवेसिव बायोसेंसर है जिसका उपयोग दैनिक रूप से किया जाता है।

बायोसेंसर का सामान्य संचालन

यदि हम बायोसेंसर पर एक जैविक नमूना या विश्लेषण रखते हैं, तो बायोसेंसर हमें एक डिजिटल रीडआउट देता है जिसकी जैविक व्याख्या होती है।

एक जैविक घटक को डिजिटल जानकारी या मापने योग्य प्रतिक्रिया में कैसे परिवर्तित किया जाता है? यह बायोसेंसर में मौजूद विभिन्न घटकों द्वारा प्राप्त किया जाता है, जैसे कि जैविक तत्व, सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक सेंसर, सिग्नल एम्पलीफायर, सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए एक प्रोसेसर और एक डिस्प्ले यूनिट।

आइए देखें कि इनमें से प्रत्येक घटक क्या करता है।

जब एक जैविक नमूना (विश्लेषण) बायोसेंसर पर रखा जाता है तो वह विशेष तत्व के कुछ परिक्षण करता है, तथा मौजूद बायोमार्कर का पता लगाता है। एक बायोमार्कर कोई भी यौगिक या संकेत हो सकता है जिसका उपयोग किसी रोग की स्थिति के निर्धारक के रूप में या किसी जीव के शरीर विज्ञान में परिवर्तन के रूप में किया जा सकता है। ट्रांसड्यूसर इस जैविक परिवर्तन को विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है।

यह एनालॉग सिग्नल सिग्नल एम्पलीफायर द्वारा प्रवर्धित किया जाएगा। सिग्नल प्रोसेसर प्रवर्धित एनालॉग सिग्नल को एक डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित करता है जिसे एलसीडी स्क्रीन पर प्रदर्शित किया जाता है।

बायोसेंसर के विभिन्न घटकों में एक बायोएलेमेंट, एक ट्रांसड्यूसर, एक एम्पलीफायर, एक प्रोसेसर और एक डिस्प्ले यूनिट शामिल हैं।

बायोसेंसर: प्रमुख विशेषताओं

किसी विशेष विश्लेषक की उपस्थिति का पता लगाने की क्षमता में बायोसेंसर को चयनात्मक होना चाहिए। बायोसेंसर द्वारा उत्पन्न परिणाम प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य होने चाहिए, जिसका अर्थ है कि बायोसेंसर कई समान नमूनों के लिए समान रीडिंग उत्पन्न करने में सक्षम होना चाहिए।
माप सटीक होना चाहिए, बायोसेंसर द्वारा ज्ञात मूल्यों और पारंपरिक तरीकों से प्राप्त मूल्यों के बीच न्यूनतम विचलन के साथ। बायोसेंसर का संचालन स्थिर और बाहरी तापमान परिवर्तन से स्वतंत्र होना चाहिए। विश्लेषण की छोटी मात्रा का भी पता लगाने के लिए यह अत्यधिक संवेदनशील होना चाहिए, और विश्लेषण सांद्रता की एक विस्तृत श्रृंखला पर माप रैखिक होना चाहिए।

बायोसेंसर के लिए विश्लेषण के प्रकार

हम में से अधिकांश लोग सोच सकते हैं कि रक्त ही शरीर का एकमात्र तरल पदार्थ है जिसका उपयोग बायोसेंसिंग के लिए किया जाता है। लेकिन यह नहीं है। खून के अलावा लार, पसीना, पेशाब, आंसू और सांस से भी कई बायोमार्कर का पता लगाया जा सकता है।

आइए कुछ उदाहरण देखें।

रक्त आधारित बायोसेंसर का उपयोग ग्लूकोज जैसे रक्त घटकों की निगरानी के लिए किया जाता है।
आक्रामक रक्त-आधारित बायोसेंसर की तुलना में लार-आधारित बायोसेंसर ग्लूकोज का पता लगाने के लिए धीरे-धीरे लोकप्रियता प्राप्त कर रहे हैं। इसका उपयोग लैक्टेट और कोर्टिसोल जैसे रसायनों के स्तर को मापने के लिए भी किया जा सकता है।
पसीना-आधारित बायोसेंसर ग्लूकोज, लैक्टेट, एस्कॉर्बिक एसिड और यूरिक एसिड जैसे यौगिकों के स्तर का पता लगा सकते हैं, जबकि गर्भावस्था किट मूत्र-आधारित बायोसेंसर का एक उत्कृष्ट उदाहरण हैं।
ग्लूकोज, अल्कोहल और कुछ विटामिन की मात्रा का आकलन करने के लिए आँसू का उपयोग किया जा सकता है, जबकि सांस आधारित बायोसेंसर का उपयोग आमतौर पर पुलिस अधिकारी शराब के निशान का पता लगाने के लिए करते हैं।

बायोसेंसर के प्रकार

बायोसेंसर, जैसे कि रक्त शर्करा के स्तर की जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले फिंगर प्रिक ग्लूकोमीटर (finger prick glucometer) के लिए, उपयोगकर्ता को एक उंगली चुभने और जैविक विश्लेषण के रूप में रक्त के नमूने का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। यह एक आक्रामक बायोसेंसर का एक उदाहरण है।

इसके विपरीत, पल्स ऑक्सीमीटर का उपयोग करने के लिए उपयोगकर्ता को डिवाइस में केवल एक उंगली डालने या कलाई पर एक स्मार्ट घड़ी पहनने की आवश्यकता होती है जो नाड़ी या रक्त ऑक्सीजन के स्तर का पता लगाती है। ये गैर-आक्रामक बायोसेंसर के उदाहरण हैं।

इस प्रकार, वांछित जैविक विश्लेषण कैसे लागू किया जाता है, इस पर निर्भर करते हुए, बायोसेंसर को आक्रामक या गैर-आक्रामक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।

बायोसेंसर को जैविक तत्व के प्रकार और प्रयुक्त पारगमन तंत्र के अनुसार भी वर्गीकृत किया जा सकता है। बायोसेंसर के द्वारा पहचानने वाले तत्व डीएनए, एंटीबॉडी, एंजाइम, फेज, ऊतक, सेल रिसेप्टर्स, सूक्ष्मजीवों की पूरी कोशिकाएं आदि हो सकते हैं।

बायोसेंसर बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले ट्रांसड्यूसर के प्रकार के आधार पर, उन्हें ऑप्टिकल बायोसेंसर, इलेक्ट्रोकेमिकल बायोसेंसर या मास-आधारित बायोसेंसर में विभाजित किया जा सकता है।

ऑप्टिकल फाइबर ऑप्टिकल बायोसेंसर के कामकाज में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, इसके प्रतिदीप्ति, प्रकाश अवशोषण और प्रकीर्णन गुणों के आधार पर एक जैविक विश्लेषण को महसूस करते हैं। वे प्रकृति में गैर-विद्युत हैं और माप अपवर्तक सूचकांक (Measure refractive index) में परिवर्तन पर आधारित हैं।

इलेक्ट्रोकेमिकल बायोसेंसर प्रकृति में विद्युत होते हैं, जहां एक सेंसिंग अणु या सेंसिंग तत्व विश्लेषण किए गए नमूने के साथ इंटरैक्ट करता है।

बल्क बायोसेंसर विद्युत बायोसेंसर होते हैं जिसमें उत्पादित विद्युत संकेत संवेदनशील अणुओं के यांत्रिक या ध्वनिक (सोनिक) कंपन के समानुपाती होते हैं।

आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले बायोसेंसर

सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले बायोसेंसर निस्संदेह ग्लूकोज बायोसेंसर या ग्लूकोमीटर हैं, जो रक्त या लार पर आधारित होते हैं, और गर्भावस्था परीक्षण, जो मूत्र पर आधारित होते हैं।

ग्लूकोमीटर

पहला बड़े पैमाने पर उत्पादित ग्लूकोज बायोसेंसर 1975 में येलो स्प्रिंग्स इंस्ट्रूमेंट द्वारा निर्मित किया गया था। तब से, ग्लूकोज बायोसेंसर के डिजाइन और प्रदर्शन में नाटकीय रूप से बदलाव आया है।

पहले आविष्कार किए गए ग्लूकोमीटर और वर्तमान में उपयोग में आने वाले ग्लूकोमीटर के बीच तुलना आसानी से बायोसेंसर प्रौद्योगिकी के माध्यम से हुई तकनीकी प्रगति को प्रतिबिंबित करती है।

ग्लूकोज बायोसेंसर की पहली पीढ़ी ने वायुमंडलीय ऑक्सीजन को एक सब्सट्रेट के रूप में इस्तेमाल किया और हाइड्रोजन पेरोक्साइड के गठन का पता लगाया।
दूसरी पीढ़ी के बायोसेंसर ने ऑक्सीजन को अन्य इलेक्ट्रॉनिक मध्यस्थों से बदल दिया, जिनका कार्य एंजाइम से इलेक्ट्रोड में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करना था।
तीसरी पीढ़ी के बायोसेंसर पूरी तरह से अभिकर्मक रहित थे। इलेक्ट्रॉनिक मध्यस्थों का अब उपयोग नहीं किया गया था और एंजाइम ने सीधे इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित कर दिया था।

रक्त और लार का उपयोग करके मधुमेह रोगियों की समय पर जांच, निदान और उपचार के लिए ये उपलब्धियां बहुत महत्वपूर्ण थीं।

उपयोगकर्ता के दृष्टिकोण से, लार-आधारित नमूने बेहतर हो सकते हैं क्योंकि नमूना संग्रह गैर-आक्रामक (कम या कोई दर्द नहीं) है और अधिक संवेदनशील है।

गर्भावस्था परीक्षण पट्टी

अन्य व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले बायोसेंसर एंटीबॉडी-आधारित गर्भावस्था परीक्षण स्ट्रिप्स हैं जो रक्त या मूत्र में एचसीजी (मानव कोरियोनिक गोनाडोट्रोपिन) की उपस्थिति का पता लगाते हैं।

एंटी-एचसीजी एंटीबॉडी पहचान तत्व जो रक्त / मूत्र एचसीजी (यदि मौजूद हो) के साथ एकत्र होते हैं और एक एग्लूटिनेशन लाइन बनाते हैं। एक रेखा की उपस्थिति एक सकारात्मक परीक्षण को इंगित करती है, जबकि एक रेखा की अनुपस्थिति एक नकारात्मक गर्भावस्था परीक्षण को इंगित करती है।

यह तस्वीर स्पष्ट रूप से हमें इस बात का अंदाजा देती है कि समय के साथ बायोसेंसर तकनीक कैसे विकसित हुई है।

बायोसेंसर जैविक ज्ञान और तकनीकी प्रगति का एक शक्तिशाली एकीकरण है। उनके पास विभिन्न विषयों में सर्वव्यापी अनुप्रयोग हैं। यह विधि तेज, विशिष्ट, सरल, उपयोग में सस्ती है और कम अभिकर्मकों के साथ तेज परिणाम प्रदान करती है। पिछले 2-3 दशकों में बायोसेंसर तकनीक में जबरदस्त बदलाव आया है।

यह आर्टिकल आधिकारिक स्त्रोत जैसे प्रमाणित पुस्तके, विशेषज्ञ नोट्स आदि से बनाया गया है। निश्चित रूप से यह सिविल सेवा परीक्षाओ और अन्य परीक्षाओ के लिए उपयोगी है।

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