ไบโอเซนเซอร์
โดย อ.ดร.ธานินทร์ แตงกวารัมย์
สาขาวิชาเคมีประยุกต์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้
ไบโอเซนเซอร์เป็นอุปกรณ์การตรวจวัดทางชีวภาพโดยการใช้สารชีวภาพเปลี่ยนปริมาณสารที่ต้องการตรวจวัด (Converts) ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า (Electrical signal) ที่สามารถตรวจวัดได้ การพัฒนาไบโอเซนเซอร์และเซนเซอร์ด้านต่าง ๆ ในรอบ 30 ปี มีจำนวนมากขึ้นทั้งในด้านเงินทุน จำนวนผลงานตีพิมพ์ และจำนวนนักวิจัยที่เพิ่มมากขึ้น ซึ่งในการเพิ่มขึ้นดังกล่าวนี้เป็นผลเนื่องมาจากการพัฒนาของอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำซึ่งส่งผลให้มีพัฒนาการเป็นเครื่องมือและอุปกรณ์ชนิดใหม่เกิดขึ้นมากมายและเป็นแรงขับเคลื่อนเกิดเซนเซอร์ชนิดต่าง ๆ เช่นไฮโดรคาร์บอนเซนเซอร์ซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ กลูโคสเซนเซอร์ใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์ ในปี 1980s ซึ่งมีการพัฒนาด้านไมโครคอมพิวเตอร์ได้ส่งผลให้เกิดวิวัฒนาการของเครื่องมือและเซนเซอร์ทำให้มีการผลิตไบโอเซนเซอร์ที่มีดีขึ้นส่งผลให้ดัชนีของประสิทธิภาพต่อราคาสูงมาขึ้น (Performance-price index) การใช้งานไบโอเซนเซอร์มีมากมายในหลาย ๆ ด้าน โดยมีอัตราการใช้งานที่เพิ่มมากขึ้นถึง 60% ต่อปี เช่น การแพทย์ อุตสาหกรรม การทหาร และสิ่งแวดล้อม เป็นต้น ความสำเร็จของไบโอเซนเซอร์ เกิดจากปัจจัยดังต่อไปนี้
1. ความจำเพาะต่อสารวิเคราะห์ (Highly specific), และความเสถียรภาพต่อการจัดเก็บ (Stable under normal storage) ความคงทนต่อการใช้งานอย่างต่อเนื่อง (Good stability)
2. การเกิดปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นอยู่กับตัวแปรทางกายภาพ (Physical parameters) เช่นการคนสารละลาย (Stirring) การเปลี่ยนแปลงสภาพพีเอช (pH) อุณหภูมิ (Temperature) การที่สามารถวัดสารวิเคราะห์ (Analytes) ในสารตัวอย่างโดยทรีทเมนต์น้อยที่สุด (Minimal pre-treatment) หากในปฏิกิริยามีการใช้โคแฟคเตอร์, โคเอนไซม์มีการตรึงร่วม (co-Immobilization) บนตัวแปลงสัญญาณได้
3. สัญญาณมีความแม่น (Accuracy), ความเที่ยง (Precision), มีการทำซ้ำ (Reproducibility) มีความเป็นเชิงเส้นของสัญญาณกับความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ (Linearity) ในช่วงกว้าง และปราศจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า (Electrical noise)
4. การตรวจวัดเป็นแบบไม่ทำลายสารตัวอย่าง (Invasive monitoring) หัววัด (Probe) มีขนาดเล็ก และมีความเข้ากันได้ (Biocompatible) ไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียง (Antigenic effects)
5. ราคาไม่แพง (Moderate cost), มีขนาดเล็ก (Small size) เคลื่อนย้ายได้ (Portable) และบุคคลทั่วไปสามารถตรวจวัดเองได้ (Semi-skilled operators) โดยไม่ต้องทดสอบในห้องปฏิบัติการกลาง (Decentralization of laboratory)
6. มีตลาดรองรับ มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีการสนับสนุนหรือเงินทดแทนจากภาครัฐ (Government subsidies)
วิวัฒนาการของการตรวจสารเคมีในปัจจุบันมีการตรวจถึงระดับบอกภาวะของโรคโดยมีการนำเทคโนโลยีด้านข้อมูลข่าวสารมาใช้ในการวิเคราะห์สารหลายๆ ชนิดและอ้างอิงกับฐานข้อมูลเพื่อเทียบบอกถึงความเสี่ยงและการก่อเกิดของโรคที่ยังไม่แสดงอาการ เพื่อทดแทนข้อจำกัดวิธีการวิเคราะห์แบบเดิมเช่น Gas chromatography (GC), High-performance liquid chromatography (HPLC), Microsphere-based arrays (MBA), Radioimmunoassay (RIA) และ Enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) ซึ่งมีข้อจำกัดในแง่ของระยะเวลาการตรวจวัด ค่าใช้จ่าย ขั้นตอนที่ยุ่งยาก และเกี่ยวข้องกับการใช้สารเคมีอันตราย
การนำสารชีวโมเลกุลมาร่วมกับเทคโนโลยีด้านเซนเซอร์ทำให้เกิดอุปกรณ์ที่เรียกว่าไบโอเซนเซอร์ (Biosensors) ซึ่งในปัจจุบันไบโอเซนเซอร์สามารถบ่งชี้โรคได้ในระยะปฐมภูมิ เช่น สารฟีโตโปรตีน (Fetoprotein) ในซีรั่มมนุษย์ใช้เป็นสารบ่งชี้มะเร็งตับปฐมภูมิ (Liver cancer) ส่วนสารคาร์ซิโนเอ็มไบรโอนิก (Carcinoembryonic antigen (CEA)) จะใช้เป็นสารบ่งชี้มะเร็งลำไส้ (Colon cancer) ความจำเป็นเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยีการแพทย์เจริญก้าวหน้าไปอย่างมาก นอกจากนี้ยังส่งผลให้มีการนำไบโอเซนเซอร์ไปในการทหาร เช่นใช้ในการตรวจหาวัตถุระเบิด ด้วยความสามารถที่ตรวจได้เร็ว (Speed) ง่าย (Ease) ราคาถูก (Moderate cost) และมีความเชื่อถือได้ (Reliability)
ส่วนประกอบของไบโอเซนเซอร์ (Biosensor component)
ไบโอเซนเซอร์ เป็นอุปกรณ์ (Devices) ที่ประกอบไปด้วย 2 ส่วนประกอบหลักคือ 1 ส่วนทางชีวภาพ (Biological molecule) และ 2 ส่วนทางด้านการเปลี่ยนสัญญาณ (Transducer) ดังรูปที่ 1.1
รูปที่ 1.1 ส่วนประกอบของไบโอเซนเซอร์
ส่วนประกอบทั้ง 2 ส่วน ของไบโอเซนเซอร์ได้แก่
1) สารทางชีวภาพ (Biological elements) ได้แก่ เอนไซม์ จุลินทรีย์ เนื้อเยื่อพืชและสัตว์ แอนติเจนและแอนติบอดี เมื่อสารชีวภาพได้รับสารที่มีความเลือกเฉพาะที่ต้องการวัด (Analyte) จะทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ พร้อมกับส่งสัญญาณให้ส่วนถัดไป
2) ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) เพื่อทำหน้าเปลี่ยนสัญญาณที่ได้รับซึ่งอาจจะเป็นสัญญาณทางฟิสิกส์ ทางเคมี และชีวเคมี ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า เพื่อส่งต่อให้กับส่วนของการวาดสัญญาณ (Elaborate) ต่อไป
การผสมผสานส่วนของสารชีวภาพและทรานสดิวเซอร์สามารถเลือกได้หลากหลาย ซึ่งมีทั้งปรากฏในงานวิจัยและไม่ปรากฏในงานวิจัย ในตารางที่ 1.1 แสดงส่วนประกอบของไบโอเซนเซอร์ที่สามารถนำไปประยุกต์ได้โดยใช้แนวคิดของไบโอเซนเซอร์ ซึ่งอาจจะปรากฏในงานวิจัยในอนาคต
ตารางที่ 1.1 ส่วนประกอบที่สามารถใช้เป็นไบโอเซนเซอร์
|
Biological elements
|
Transducers
|
|
สิ่งมีชีวิต (Organism)
เนื้อเยื่อ (Tissue)
เซลล์ (Cells)
ออร์กาเนลล์ (Organelles)
เมมเบรน (Membranes)
เอนไซม์ (Enzymes)
ส่วนประกอบของเอนไซม์ (Enzyme components)
รีเซฟเตอร์ (Receptors)
แอนติบอดี (Antibodies)
กรดนิวคลีอิค (Nucleic acids)
โมเลกุลสารอินทรีย์ (Organic molecules)
|
โพเทนชิโอเมทริค (Potentiometry)
แอมเปอร์โรเมทริค (Amperometry)
คอนดักโทเมทริค (Conductometry)
อิมพิดิเมทริค (Impedimetric)
ออพติคอล (Optical)
แคลอริเมทริค (Calorimetric)
อะคูสติคส์ (Acoustic)
เมคานิคอล (Mechanical)
โมเลกุลอิเล็กทรอนิกส์ (Molecular electronic)
|
ในการตรวจวัดเพื่อทำให้ได้สัญญาณ และอ่านค่าได้ จำเป็นต้องใส่ส่วนประกอบด้านการขยายสัญญาณหากสัญญาณมีขนาดต่ำ (Amplifier) การประมวลผลสัญญาณ (Processor) และการวาดสัญญาณ (Signal evaporation) เพื่อให้ผู้ใช้อ่านค่าได้
คุณลักษณะของไบโอเซนเซอร์ที่ดีต้องสามารถตรวจวัดสารได้อย่างดี โดยไบโอเซนเซอร์หากตรวจวัดได้ดีในตัวอย่างที่มีเมทริกซ์ (matrix) แบบหนึ่งได้ดีแล้ว ไม่ได้หมายความว่าจะตรวจได้ดีเมื่อเปลี่ยนเมทริกซ์ ตัวแปรที่ทำให้ไบโอเซอร์ตรวจวัดได้ดีมีหลายชนิด เช่น อุณหภูมิ ความดัน ขนาด สารรบกวนในระบบ คุณลักษณะของไบโอเซนเซอร์สรุปได้ดังตารางที่ 1.2
ตารางที่ 1.2 คุณลักษณะของไบโอเซนเซอร์
|
คุณลักษณะ
|
ความหมาย
|
|
1. สัญญาณมีความสัมพันธ์กับสารตัวอย่างด้วยสมการอย่างง่าย (Simple mathematical relationships)
|
คุณลักษณะนี้ไม่จำเป็นสำหรับเซนเซอร์ฉลาด (Smart sensor) ที่สามารถอ่านค่าและแปลเป็นปริมาณได้ทันที
|
|
2. ไม่มีฮีสเตอรีซีส (None hysteresis)
|
สัญญาณควรกลับสู่เบสไลน์ (Baseline) เมื่อวัดสารตัวอย่างเสร็จแล้ว
|
|
3. ตอบสนองได้เร็ว (Fast response)
|
การที่สัญญาณตอบสนองช้าอาจจะเนื่องมาจากการใช้เมมเบรนในการตรึงหรือเกิดจากไคเนติกส์ของสารที่ช้าทำให้ไม่สามารถวิเคราะห์อย่างทันเวลา (Real-time monitoring)
|
|
4. ให้สัญญาณต่อสัญญาณพื้นสูง (Good signal to noise, S/N)
|
อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณพื้น หากมีค่าสูงจะทำให้ขีดจำกัดในการวิเคราะห์ (Limit of detection) มีค่าต่ำลง
|
|
5. มีความเลือกเฉพาะ (Selectivity)
|
เซนเซอร์ที่มีความเลือกเฉพาะสูงต่อสารวิเคราะห์ จะทำให้การวิเคราะห์มีความน่าเชื่อถือ
|
|
6. มีสภาพไว (Sensitivity)
|
สภาพไวคืออัตราการเปลี่ยนแปลงสัญญาณต่อหน่วยความเข้มข้น หากเซนเซอร์มีสภาพไวสูง การใช้ตัวอย่างเพียงเล็กน้อยก็เพียง
|
|
7. มีการวัดซ้ำได้สูง (Reproducibility)
|
ไบโอเซนเซอร์ควรมีประสิทธิภาพในการวัดซ้ำสูง มีค่าความคลาดเคลื่อนน้อย
|
|
8. อายุการใช้งาน (Working lifetime)
|
อายุการใช้งานหมายถึงจำนวนครั้งหรือระยะเวลาของไบโอเซนเซอร์โดยเริ่มนับจากสัญญาณที่เริ่มใช้ครั้งแรก จนกระทั่งสัญญาณลดลงครึ่งหนึ่งของครั้งแรก ไบโอเซนเซอร์ควรมีอายุการใช้งานที่ยาว และสามารถใช้ได้หลายครั้ง
|
นอกจากนี้ ลักษณะเฉพาะของไบโอเซนเซอร์ที่ได้ควรมีดังรูปที่ 1.2 ซึ่งในการรายงานค่าลักษณะเฉพาะจะต้องแสดงค่าขีดจำกัดการตรวจวัด (Limit of detection, LOD) ค่าความเป็นเส้นตรง (Linearity) ค่าสภาพไว (Sensitivity) สารรบกวน (Interferences) นอกจากนี้ค่าขีดจำกัดการวิเคราะห์เชิงปริมาณ (Limit of quantitation, LOQ) บางครั้งก็จำเป็นต้องรายงาน
รูปที่ 1.2 ลักษณะเฉพาะของไบโอเซนเซอร์