با همکاری مشترک انجمن علوم و فناوری‌های شیمیایی ایران

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 گروه علوم مهندسی ، دانشکده فناوری های نوین ، دانشگاه محقق اردبیلی ، اردبیل، نمین ، ایران.

2 گروه بیوفیزیک، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، نمین، ایران.

10.30473/ijac.2025.76375.1330

چکیده

حسگرهای ژنی نوری، پیشرفت قابل توجهی در زمینه فناوری حسگرهای زیستی هستند که از روش‌های تشخیص مبتنی بر نور برای شناسایی توالی‌های خاص اسید نوکلئیک استفاده می‌کنند. این حسگرها از اصول اپتیک و بیوشیمی برای دستیابی به دقت و صحت بالا در شناسایی اجزای ژنتیکی استفاده می‌کنند و آنها را به ابزارهای ارزشمندی در تشخیص پزشکی، نظارت بر محیط زیست و ایمنی مواد غذایی تبدیل می‌کنند. هدف اصلی این فناوری، بهبود دقت، صحت و سرعت شناسایی توالی‌های ژنی و استفاده از روش‌های نوری برای تشخیص اختصاصی DNA یا RNA است. حسگرهای ژنی نوری معمولاً از تکنیک‌هایی مانند فلورسانس، رزونانس پلاسمون سطحی (SPR) و اندازه‌گیری‌های جذب برای تشخیص توالی‌های DNA یا RNA هدف استفاده می‌کنند. تعامل بین اسیدهای نوکلئیک هدف و سطح حسگر، یک سیگنال نوری قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند که با غلظت هدف همبستگی دارد. طرح‌های مختلفی برای حسگرهای ژنی نوری وجود دارد، از جمله حسگرهای فیبر نوری، پلتفرم‌های ریزآرایه و سیستم‌های آزمایشگاه روی تراشه. هر طرح از نظر حساسیت، قابلیت‌های چندگانه‌سازی و سهولت استفاده، مزایای منحصر به فردی را ارائه می‌دهد. این حسگرها کاربردهای گسترده‌ای از تشخیص بالینی برای اختلالات ژنتیکی گرفته تا تشخیص پاتوژن در محصولات غذایی و نمونه‌های محیطی دارند. توانایی آنها در ارائه نتایج سریع، کاربرد آن‌ها را در سناریوهای آزمایش در محل مراقبت افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

[1] P. Zhurauski, Electrochemical detection of cancer biomarkers, University of Bath (2017).
[2] V. Naresh and N. Lee, A review on biosensors and recent development of nanostructured materials-enabled biosensors, Sensors 21 (2021) 1109.
[3] L. Hadian-Dehkordi, et al., DNA–metal composites as bioinspired catalysts in chemical reactions, Coord. Chem. Rev. 505 (2024) 215635.
[4] S.A. Dar, et al., Biosensors: components and applications—A review, Trends Eng. Appl. Sci. Manag. (2018).
[5] B. Nikhil, et al., Introduction to biosensors, Essays Biochem. 60 (2016) 1–8.
[6] A. Williams, et al., Biosensors for public health and environmental monitoring: the case for sustainable biosensing, ACS Sustain. Chem. Eng. 12 (2024) 10296–10312.
[7] M. Hemdan, et al., Innovations in biosensor technologies for healthcare diagnostics and therapeutic drug monitoring: applications, recent progress, and future research challenges, Sensors 24 (2024) 5143.
[8] S. Bohlooli, et al., Electrochemical Determination of Human Growth Hormone (HGH) Utilizing A Pyrrole (Py) Molecularly Imprinted Polymer (MIP) On Screen-Printed Carbon Electrode (SPCE), Anal. Bioanal. Electrochem. 15 (2023) 410–427.
[9] S. Kia, S. Bahar and S. Bohlooli, A novel electrochemical sensor based on plastic antibodies for vitamin D3 detection in real samples, IEEE Sens. J. 19 (2019) 4752–4757.
[10] S. Bohlooli, et al., Development of molecularly imprinted polymer on ferric oxide nanoparticles modified electrode as electrochemical sensor for detection of human growth hormone, Monatsh. Chem. 153 (2022) 39–48.
[11] Y. Hua, et al., DNA-based biosensors for the biochemical analysis: A review, Biosensors 12 (2022) 183.
[12] B. Shen, et al., Advances in DNA walking nanomachine‐based biosensors, Interdiscip. Med. 2 (2024) e20230046.
[13] F. Teles and L. Fonseca, Trends in DNA biosensors, Talanta 77 (2008) 606–623.
[14] S. Kosara, R. Singh and D. Bhatia, Structural DNA nanotechnology at the nexus of next-generation bio-applications: challenges and perspectives, Nanoscale Adv. 6 (2024) 386–401.
[15] M. Kowshik, Structural DNA nanotechnology and its biomedical applications, in Advances in Nano and Biochemistry, Elsevier (2023) pp. 561–585.
[16] Y. Zhang, et al., Programmable and multifunctional DNA‐based materials for biomedical applications, Adv. Mater. 30 (2018) 1703658.
[17] P. Damborský, J. Švitel and J. Katrlík, Optical biosensors, Essays Biochem. 60 (2016) 91–100.
[18] C. Chen and J. Wang, Optical biosensors: An exhaustive and comprehensive review, Analyst 145 (2020) 1605–1628.
[19] J. Stetefeld, S.A. McKenna and T.R. Patel, Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences, Biophys. Rev. 8 (2016) 409–427.
[20] G. Lubin, et al., Photon correlations in spectroscopy and microscopy, ACS Photonics 9 (2022) 2891–2904.
[21] A. Singh, et al., Recent advances in electrochemical biosensors: Applications, challenges, and future scope, Biosensors 11 (2021) 336.
[22] R.E. Fishman, et al., Photon-emission-correlation spectroscopy as an analytical tool for solid-state quantum defects, PRX Quantum 4 (2023) 010202.
[23] F.-C. Chien and S.-J. Chen, A sensitivity comparison of optical biosensors based on four different surface plasmon resonance modes, Biosens. Bioelectron. 20 (2004) 633–642.
[24] A. Siabi-Garjan, et al., Highly sensitive silver-based localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensor for microRNA-21 detection: discrete dipole approximation together with molecular polarizability method, Appl. Surf. Sci. 634 (2023) 157681.
[25] K.A. Meradi, et al., Optical biosensor based on enhanced surface plasmon resonance: theoretical optimization, Opt. Quantum Electron. 54 (2022) 124.
[26] Y.S. Wang, et al., Functional biointerfaces based on mixed zwitterionic self-assembled monolayers for biosensing applications, Langmuir 35 (2019) 1652–1661.
[27] S. Basak, A. Borah and B. Ramchiary, Surface plasmon resonance: a comprehensive review of principles, instrumentation, analytical procedures, and pharmaceutical applications, J. Prev. Diagn. Treat. Strateg. Med. 4 (2025) 93–103.
[28] F. Zezza, et al., Detection of Fusarium culmorum in wheat by a surface plasmon resonance-based DNA sensor, J. Microbiol. Methods 66 (2006) 529–537.
[29] M.M. GA, Polymerase chain reaction (PCR) and primers, Ekonomika i Sotsium 3–2 (2022) 208–211.
[30] T. Luo, et al., Research progress of nucleic acid detection technology for genetically modified maize, Int. J. Mol. Sci. 24 (2023) 12247.
[31] S.H. Park, Development of rapid detection methods and novel control measures for Salmonella in poultry (2013).
[32] C.M. Taylor, The molecular determination of the adhesion of Listeria monocytogenes to plant surfaces, PhD thesis, University of Manchester (2000).
[33] M. Hernández, T. Esteve and M. Pla, Real-time polymerase chain reaction based assays for quantitative detection of barley, rice, sunflower, and wheat, J. Agric. Food Chem. 53 (2005) 7003–7009.
[34] A. Siabi-Garjan, S. Kia and S. Mirzaee, Simulation of highly sensitive multi-core-satellite plasmonic structures for detection of gastric cancer agent microRNA-21 using modified discrete dipole approximation, Plasmonics 19 (2024) 2473–2481.
[35] J. Zuo, et al., Preparation and application of fluorescent carbon dots, J. Nanomater. 2015 (2015) 787862.
[36] Z. Barandiarán, J. Joos and L. Seijo, Luminescent materials, Springer Int. Publ. (2022).
[37] M.K. Patel, et al., A label-free photoluminescence genosensor using nanostructured magnesium oxide for cholera detection, Sci. Rep. 5 (2015) 17384.
[38] M. Zarei-Ghobadi, et al., A genosensor for detection of HTLV-I based on photoluminescence quenching of fluorescent carbon dots in presence of iron magnetic nanoparticle-capped Au, Sci. Rep. 8 (2018) 15593.
[39] S. Park, et al., Aptameric fluorescent biosensors for liver cancer diagnosis, Biosensors 13 (2023) 617.
[40] S.S. Mourad, M.A. Barary and A.F. El-Yazbi, Sensitive “release-on-demand” fluorescent genosensors for probing DNA damage induced by commonly used cardiovascular drugs: comparative study, Int. J. Biol. Macromol. 269 (2024) 131821.
[41] L. Fu, et al., Fluorescence‐based quantitative platform for ultrasensitive food allergen detection: from immunoassays to DNA sensors, Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 19 (2020) 3343–3364.
[42] B. Martín-Fernández, et al., Electrochemical genosensors in food safety assessment, Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 57 (2017) 2758–2774.
[43] Y. Zhang, et al., DNA aptamer for use in a fluorescent assay for the shrimp allergen tropomyosin, Microchim. Acta 184 (2017) 633–639.
[44] Y. Ding, et al., Rapid and sensitive detection of ketamine in blood using novel fluorescence genosensor, Anal. Bioanal. Chem. 409 (2017) 7027–7034.
[45] R. Liu, et al., A sensitive and accurate fluorescent genosensor for Staphylococcus aureus detection, Sens. Actuators B Chem. 355 (2022) 131311.
 
[46] M. Srisa-Art, et al., Monitoring of real-time streptavidin–biotin binding kinetics using droplet microfluidics, Anal. Chem. 80 (2008) 7063–7067.
[47] Y.-T. Chen, et al., Review of integrated optical biosensors for point-of-care applications, Biosensors 10 (2020) 209.