الکترونیک زیستی (Bioelectronics) به عنوان یک زمینه تحقیقاتی مشترک بین زیستشناسی و الکترونیک، به سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از پیشروترین حوزه های فناوری است. این حوزه به استفاده از مواد و معماری زیستی برای سیستم های پردازش اطلاعات و دستگاه های جدید میپردازد. این مقاله مروری جامع بر مفاهیم پایه، مواد مورد استفاده، کاربردهای نوین و چشم اندازهای آینده الکترونیک زیستی ارائه میدهد، با تمرکز ویژه بر پیشرفتهای اخیر در حوزه های مختلف از جمله پزشکی، صنعت غذا و محیط زیست.
در دنیای فناوری امروز، مرز بین زیستشناسی و الکترونیک در حال کمرنگ شدن است. الکترونیک زیستی حوزهای است که به بررسی این تقاطع میپردازد و راهکارهای نوآورانهای برای چالشهای مختلف ارائه میکند. طبق تعریف موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST)، الکترونیک زیستی «رشتهای است که از همگرایی زیستشناسی و الکترونیک حاصل میشود». این حوزه پتانسیل فوق العادهای در تغییر پارادایمهای مرسوم در تشخیص و درمان بیماریها، پایش محیط زیست و حتی صنایع غذایی دارد.
الکترونیک زیستی را میتوان «استفاده از مواد و معماری زیستی برای سیستمهای پردازش اطلاعات و دستگاههای جدید» تعریف کرد . این تعریف برای اولین بار در کارگاه C.E.C در بروکسل در نوامبر ۱۹۹۱ ارائه شد.
از نظر تاریخی، توسعه این حوزه را میتوان به اولین الکترود اکسیژن ساخته شده توسط کلارک در سال 1962 برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون مرتبط دانست. این حسگر که بعدها به الکترود کلارک معروف شد، پایه و اساس توسعه حسگرهای زیستی بعدی را تشکیل داد . با پوشاندن سطح این الکترود با آنزیمهای مختلف، امکان اندازه گیری مواد مختلفی مانند گلوکز و اوره در خون فراهم شد.
الکترونیک زیستی آلی کاربرد مواد الکترونیکی آلی در این حوزه است. این مواد که حاوی کربن هستند، هنگامی که برای ارتباط با سامانه های زیستی استفاده میشوند، عملکرد فوق العادهای از خود نشان میدهند . این مواد به دلیل سازگاری بهتر با بافت های زیستی، امکان ایجاد ادواتی با حداقل تهاجم و حداکثر کارایی را فراهم میکنند.
ترکیب نانوموادی مانند نانوسیمهای سیلیکونی، نانولوله های کربنی و گرافن با زیستشناسی و الکترونیک، پتانسیل حل چالش های موجود در زیستالکترونیک و بهبود حساسیت و سازگاری زیستی را فراهم کرده است . این نانوساختارها به عنوان حسگرهای زیستی مبتنی بر ترانزیستور، امکانات جدیدی را در حوزههای مختلف از جمله تشخیص دقیق مولکول های زیستی فراهم کردهاند.
کاربردهای پزشکی الکترونیک زیستی گستردهترین حوزه کاربردی این رشته را تشکیل میدهند:
حسگرهای نانو زیستالکترونیکی میتوانند برای شناسایی سریع و دقیق آلاینده ها، پاتوژن ها و دیگر عوامل زیانآور در مواد غذایی به کار گرفته شوند و به ارتقای ایمنی و کیفیت غذا کمک کنند. این فناوری همچنین میتواند در ارزیابی شرایط نگهداری و تشخیص فساد مواد غذایی نقش مهمی ایفا کند .
اگرچه محصولات الکترونیکی میتوانند اثرات منفی بر محیط زیست داشته باشند، اما الکترونیک زیستی از طریق توسعه حسگرهای پیشرفته برای پایش آلایندهها و همچنین ارائه راهکارهایی برای مدیریت پایدار زباله های الکترونیکی به کاهش این اثرات کمک میکند .
حسگر زیستی گروهی از حسگرها هستند که به گونهای طراحی شدهاند که بتوانند تنها با یک ماده خاص واکنش نشان دهند. نتیجه این واکنش به صورت پیامهایی در میآید که یک «ریزپردازنده» میتواند آنها را تحلیل کند .
هر حسگر زیستی دارای سه بخش اصلی است:
اگرچه الکترونیک زیستی پیشرفتهای چشمگیری داشته، اما هنوز با چالش های متعددی روبرو است. از جمله این allenges میتوان به بهبود پایداری مواد در محیطهای زیستی، کاهش هزینه تولید، افزایش مقیاس پذیری و تضمین امنیت سامانه های کاشتنی اشاره کرد.
روندهای آینده در این حوزه بر توسعه هرچه بیشتر حسگرهای یکبار مصرف برای تشخیص های پزشکی، ایمنی مواد غذایی و تحلیلهای محیطی متمرکز خواهد بود . همچنین، توسعه فناوری هایی نظیر الکترونیک، نانو و زیستشناسی میتواند منجر به تولید ادوات جدید و جالبی شود که روی پوست یا درون بدن به کار روند .
الکترونیک زیستی به عنوان یک حوزه میان رشتهای، پتانسیل فوق العادهای برای ایجاد انقلاب در حوزههای مختلف از پزشکی تا صنایع غذایی و حفاظت از محیط زیست دارد. با ادامه تحقیقات در این حوزه و توسعه مواد و فناوریهای نوین، میتوان انتظار داشت که در آینده نزدیک، شاهد ادوات و سامانه های پیشرفت هتری در این حوزه باشیم که زندگی بشر را متحول کنند. موفقیت در این حوزه نیازمند همکاری نزدیک متخصصان علوم مختلف از جمله زیستشناسی، پزشکی، مهندسی برق، علوم مواد و شیمی است.
