25340

طراحي و ساخت يك بيوسنسور نوري بر پايه ميكروجلبك

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي-بيوتكنولوژي

1399-1400

1400/05/02

حامد عابديني

مهندسي شيم، نفت و گاز

بيوسنسور‌ها (حسگر‌هاي زيستي) گروهي از سيستم‌هاي اندازه‌گيري مي‌باشند كه طراحي آن‌ها بر مبناي شناسايي انتخابي آناليت‌ها بر اساس اجزاء بيولوژيك تثبيت شده بر يك حسگر كوچك مي‌باشد. بيوسنسور‌ها با بهره‌گيري از هوشمندي مواد بيولوژيك، تركيب يا تركيباتي را شناسايي نموده و با آن‌ها واكنش مي‌دهند، و بدين ترتيب يك پيام شيميايي، نوري و يا الكتريكي ايجاد مي‌نمايند. يكي از اين مواد بيولوژيكي، سلول‌ها و ميكروارگانيسم‌ها هستند كه از ميان آن‌ها ميكروجلبك‌ها به چند دليل معمولاً در طراحي بيوسنسور‌هاي سلول كامل مورد استفاده قرار مي‌گيرند. 1) ميكروجلبك‌ها توليدكنندگان اوليه در پايين زنجيره غذايي هستند و تأثير بر آن‌ها مي‌تواند بر تمام سطوح تغذيه‌اي بالاتر تأثير بگذارد و اطلاعات لازم را در مورد تأثير بر محيط‌زيست ارائه دهد. 2) نسبت به آلاينده‌هاي زيادي حساس بوده و سرعت بالايي در واكنش با آناليت‌هايي از جمله علف‌كش‌ها و فلزات سنگين دارند. 3) استفاده از آن‌ها در جامعه علمي معضل اخلاقي ندارد و 4) به علت انجام فتوسنتز، به‌راحتي مي‌توان از طريق مبدل‌هاي نوري تغييرات حاصل از اختلال ايجاد شده در فتوسنتز را احساس نمود. در اين پژوهش با كمك متخصصان الكترونيك، يك بيوسنسور نوري طراحي و ساخته شد و بعد از برنامه‌نويسي‌هاي لازم، با استفاده از ميكروجلبك كلرلا ولگاريس رشد يافته در محيط كشت BG-11، آزمايش‌هاي بهينه‌سازي پارامتر‌هاي مؤثر در پاسخ بيوسنسور طراحي و انجام شد. طبق نتايج حاصله، با استفاده از ميكروجلبك در روز‌هاي هفتم/هشتم كشت با غلظتي در حدود OD680=2.5 براي مدت زمان 15 دقيقه در معرض نور مداوم مي‌توان به بهترين پاسخ دست يافت. پس از آن به بررسي تغييرات پاسخ در حضور غلظت‌هاي مختلف كادميم، مس و سرب در محدوده 0.002-10 mg/L پرداخته شد و با توجه به نتايج به دست آمده، پاسخ‌ها با 95% اطمينان داراي اختلاف معناداري با حالت كنترل بودند. اما با محاسبه حد تشخيص و با رسيدن به عدد 1 mg/L براي هر سه فلز، نياز به بهبود طراحي و افزايش دقت دستگاه به شدت نياز گرديد. پس از آن با آزمودن ميكروجلبك تثبيت شده در ماتريس سديم آلژينات، در نهايت حد تشخيصي برابر با 0.9 mg/L براي فلزات سرب و كادميم به دست آمد و با تكرار آزمايش‌ها پس از گذشت 7 و 14 روز از زمان انجام عمليات تثبيت، تغيير پاسخ‌ها در حضور فلزات باز هم معنادار بوده و زمان انجام تست، در نتيجه تأثيري نداشته است. با توجه به آزمايش‌هاي تكميلي مي‌توان حداقل براي 25 روز، جلبك‌هاي تثبيت شده را در يخچال 4℃، بدون كاهش چشم‌گيري در فعاليت و ظاهر آن‌ها نگه‌داري نمود.

1400/07/14

Design and construction an optical biosensor based on microalgae

1/1/1900 12:00:00 AM

Biosensors are a group of measurement systems designed based on the selective detection of analytes based on biological components Immobilization on a small sensor. Biosensors identify and react with a compound or compounds by using the intelligence of biological materials, thus producing a chemical, optical, or electrical signal. One of these biological materials is cells and microorganisms, which among them microalgae are commonly used to design whole-cell biosensors for several reasons: 1) Microalgae are the primary producers at the bottom of the food chain and impact on them can affect all higher trophic levels and provide the essential information for predicting environmental impact. 2) They are sensitive to many pollutants and have a high rate of reaction with analytes such as herbicides and heavy metals. 3) Their use in the scientific community does not pose an ethical dilemma, and 4) Due to photosynthesis, it is easy to detect the changes caused by the disturbance in photosynthesis through optical transducer. In this study, with the help of electronics experts, an optical biosensor was designed and construct and the necessary programming was performed. Then some experiments were designed and performed to optimize the effective parameters in the biosensor response by using Chlorella vulgaris microalgae grown in BG-11 culture medium. According to the results, the best response can be achieved by using microalgae on the seventh / eighth days of culture with a concentration of about OD680 = 2.5 for 15 minutes under continuous exposure of light. Then the changes of microalgae response in the presence of different analytes including cadmium, copper and lead with different concentrations in the range of 0.002-10 mg/L were studied and according to the results, the responses with 95% confidence have a significant difference with their control mode. But finally, by calculating the detection limit of the device reaching to 1 mg/L, compared to available resources, the need to improve the design and increase the accuracy of the detection system was strongly felt. Then, by testing the immobilized microalgae in the sodium alginate matrix, the limit detection of 0.9 mg/L for lead and cadmium metals was finally obtained and by repeating the experiments after 7 and 14 days from the time of immobilization operation, the answers changes in the presence of metals, was still significant different and the time of the test had no effect on the result. According to the additional tests, the immobilized algae can be stored in the 4°C refrigerator for at least 25 days, without significantly reducing their activity and appearance changing.

بيوسنسور , ميكروجلبك , نوري , فلزات سنگين , كلرلا ولگاريس , سديم آلژينات

Biosensor , Microalgae , Optical , heavy metals , Chlorella vulgaris , Sodium alginate