BİYOLOJİK SENSÖRLER

Bu bölümde; Biyosensörlerin tarihçesi Biyosensörler ve çalışma mekanizmaları Biyosensör tipleri İdeal bir biyosensörde bulunması gereken özellikler Biyosensörlerin genel kullanım alanları işlenecektir.

Canlıların görme, işitme, koklama ve diğer duyu organları, çevrelerindeki değişimleri algılayan en önemli mekanizmalarıdır. Bu algılama mekanizmaları, canlı çeşidine göre farklılıklar göstermektedir. Örneğin, bazı köpeklerin koku almaları, insanlardan 100 000 kat daha fazladır. Yılan balıkları tonlarca su içerisine ilave edilen birkaç damla yabancı maddeyi derhal algılayabilmekte ve kelebekler eşlerinin yaydığı birkaç molekülü bile hissedebilmekteler. Ayrıca alglerin zehirli maddelere karşı çok duyarlı olduğu da bilinmektedir. Canlılardaki bu değişik algılama mekanizmaları biyolojik sensörlerin (biyosensörlerin) temelini oluşturmuştur.

Biyosensörlerin Tarihçesi Günümüzde görme, işitme gibi yeteneklerini kaybetmiş kişilerin bu yeteneklerini tekrar yerine koyacak yapay organ sistemleri üzerinde yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Özellikle tıp alanında çalışan bilim adamlarıyla, ortak çalışmayı gerektiren bu araştırmalar biyosensör alanında hızlı ilerlemelere neden olmuştur. Bununla birlikte, biyosensör denince, ilk akla gelen, daha genel ve yaygın kullanım imkânı bulmuş, analiz amacına yönelik biyoanalitik cihazlar anlaşılmaktadır. Biyosensörler yardımıyla, uzun zaman alan analizler daha kısa sürede yapılabilmektedir. Örneğin glikoz biyosensörleri kandaki glikoz seviyesini kısa sürede ölçebilmektedir.

Biyosensör teknolojisinin öncüsü Prof. Leland C Clark (1918-2005) Biyosensörlerin ilk kullanım tarihi, 1950’lerde L.C. Clark’ın (Şekil 8.1) yaptığı ameliyatlarda kanın O2 miktarını bir elektrot ile izlemesiyle başlatılmıştır. O yıllarda makalelerde biyoelektrot, enzim elektrotu ya da biyokatalitik membran elektrotu gibi isimlerle anılan biyosensör terimi ilk defa Clark ve Lyons tarafından 1962 yılında kullanılmıştır. Biyosensör teknolojisinin öncüsü Prof. Leland C Clark (1918-2005)

Enzim-elektrot kompleksini imal eden bu ikili, Glikoz oksidaz (GOD) enzimini O2 elektrodu ile kombine ederek kanın glikoz düzeyini ölçmeyi başarmıştır. Glikoz sensörü olarak kullanılan bu komplekste, biyolojik sıvıdaki bu glikoz ve çözünmüş oksijen, elektrot etrafındaki membranı geçerek elektrot yüzeyine ulaşmakta ve glikoz oksitlenerek glukonik aside dönüşmektedir. Bu sırada O2 harcanmakta ve ortamdaki glukoz bittiğinde O2 tüketimi durmaktadır.

O2 elektrodu ile başlangıçtaki ve reaksiyon sonundaki O2 miktarı ölçülmekte, aradaki fark ortamdaki glikozun oksidasyonu için harcanan O2 olup buradan kandaki glikoz miktarı bulunmaktadır. Tüm bunlar bir örnekle açıklanacak olursa; Glikoz biyosensörleri kandaki glikoz derişimini tespit etmek için kullanılmaktadır. Burada analit olarak glikoz, biyoreseptör olarak da glikoz oksidaz enzimi kullanılmaktadır.

Biyosensörler ve Çalışma Mekanizmaları Genel anlamda biyosensörler, biyoloji,fizik,kimya,biyokimya ve mühendislik gibi bilim dallarından yararlanılarak,biyolojik moleküllerin ya da sistemlerin seçimlilik özelliklerinin, modern elektronik tekniklerle birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlardır. Biyosensörleri diğer sensörlerden ayıran en önemli nokta mutlaka bir biyolojik materyalin kullanılmasıdır.

Sensörler, fiziksel olguları elektrik sinyallerine dönüştüren cihazlardır. Bu cihazlara mekanik duyu organları da denilebilir. Günümüzün bilimsel bilgi birikimi, elektrokimyasal sensör teknolojisinde önemli gelişmelere yol açmış ve bu sensörlerin birçok alanda yaygın olarak kullanılmasına neden olmuştur. Örneğin, klorür, pH, kalsiyum, nitrat, sodyum, potasyum, magnezyum ve amonyum gibi duyarlı kimyasal sensörler ile amonyak, üre, DNA ve keratin duyarlı biyolojik sensörler, çeşitli farklılıklar içeren örneklerin incelenmesinde rutin olarak kullanılmaktadır.

Biyosensörler biyolojik örneklerdeki kimyasal bileşenleri belirlemek için özel biyokimyasal reaksiyonları kullanan cihazlardır. Örneğin, bir enzim elektrodu bir biyosensördür. Enzim elektrotlarında enzim molekülü ve substratın etkileşime girmesi ile ortamda kaybolan ya da oluşan bir ürün söz konusudur. Başka bir biyosensör olan immünosensörlerde ise antijen-antikor bağlanması gerçekleşmektedir. Böylece hormonlar, ilaçlar, virüsler, tümör antijenleri, bakteri antijenleri ve protein gibi maddelerin belirlenmesi ve ölçümü, immünolojik teknikler aracılığıyla düşük konsantrasyonda bile başarılabilmektedir.

Nükleik asit (DNA,RNA) sensörleri, hibridizasyon yani baz çiftlerinin karşılıklı bağlanarak ikili yapılar oluşturması esasına dayanmaktadır. Örneğin, DNA sensörlerinde DNA’da meydana gelen zararlar kimyasal olarak belirlenebilmektedir. Mikrobiyal sensörlerde ise mikroorganizmalar biyosensör yüzeylerinde tanıyıcı olarak kullanılmaktadır.

İdrarda karyonik gonadotropin (hCG) proteinini tespit ederek gebelik testinde kullanılan bir biyosensör

Kalorimetrik (termal) Biyosensörler: Biyosensör Tipleri Kalorimetrik (termal) Biyosensörler: Kalorimetre esaslı enzim sensörleri, termal enzim sensörleri, enzim termistörleri ve entalpimetrik enzim sensörleri gibi değişik isimleri bulunmaktadır. Bu sensörlerin çalışma mekanizması, bir enzimatik çalışma reaksiyondaki entalpi değişiminden yararlanılarak substrat konsantrasyonunun belirlenmesine dayanmaktadır. Genel olarak enzimatik reaksiyonlar ekzotermiktir. Bu sensörlerde enzimatik reaksiyon sonucu oluşan sıcaklık değişimi ile substrat konsntrasyonu arasındaki doğrusal ilişkiden, sonuca ulaşılmaktadır.

2. Potansiyometrik Biyosensörler: Kullanılan temel sensörler pH ya da tek değerlikli iyonlara duyarlı cam elektrotlar, anyon ya da katyonlara duyarlı iyon seçici elektrotlar ve CO2 ya da amonyağa yönelik gaz elektrotlardır.

3. Amperometrik Biyosensörler: Biyokimyasal ve elektrokimyasal reaksiyon sonucu oluşan, bir çalışma elektrotundaki akım değişikliklerini ölçer. Bu biiyosensördeki sinyal, biyoreseptör tabakada bulunanbiyolojik sistem ve bir elektrot arasındaki elektron alışverişi ile meydana gelmektedir.

4. Optik Biyosensörleri: İletici sistem olarak optik liflerin kullanıldığı bu biyosensörler, iletici sistemde biyomolekülün sabitlenmesiyle absorbans, emilim ve saçılım yöntemiyle ölçüm yapan cihazlardır. Etkileşim sonucu meydana gelen kimyasal ya da fizikokimyasal bir değişimin ölçümü esas alınmaktadır. Sinyal, ışık yanması, saçılımı ya da yayılımı sonucu meydana gelmektedir.

5. Piezoelektrik (kütle hassas) Biyosensörler: Virüslerin tayininde de kullanilebilen bu tip sensörlerin çalışma mekanizması piezoelektrik etkiye dayanmaktadır. Piezoelekrik özellikli algılayıcılarda kuartz, roşel tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılmaktadır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilim ve akımı üretirler. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır.

İdeal Bir Biyosensörde Bulunması Gereken Özellikler Seçicilik: İdeal bir biyosensörde en önemli parametrelerden birisi seçicilik özelliğidir.cihaz sadece analite özgünlük göstermelidir, aksi durumda hatalı sonuç verir. Kullanım ömrü: Biyosensörün kullanım ömrünü kısıtlayan en önemli faktör biyolojik çevircinin aktivitesindeki azalmadır. Bu durum ayrıca, biyosensörün kalibrasyon sıklığı, stabilite, tekrarlanabilirlik gibi diğer parametrelerini de etkilemektedir. Kalibrasyon gereksinmesi: İdeal bir biyosensörün hiç kalibrasyona gerek duymaması ya da en az kalibrasyona ihtiyaç duyması istenir. Fakat bu özellik, teorikte planladığı gibi, pratikte gerçekleştirilememiştir. Kullanım ömürleri boyunca biyosensörler,sıklıkla kalibre edilmelidir.

Tekrarlanabilirlik: Elektrotun aynı koşullar altında arka arkaya yapılan ölçümlerde hemen hemen aynı sonuçların okunması istenir Stabilite: Elektrot stabilitesinin (karalılığınun) yüksek olması ideal biyosensörler için gereklidir. Kullanılan biyolojik materyalin fiziksel dayanıklılığına bağlıdır. Geniş ölçüm aralığı: Biyosensörlerden alınan akım-derişim eğrilerinin lineer olduğu derişim aralığıdır. Hızlı cevap zamanı: Bir biyosensör elektrotunun cevap zamanı elde edilen akım-zaman eğrilerinden anlaşılabilir.

Hızlı geriye dönme zamanı: Geriye dönme zamanı örneğin amperometrik çalışmalarda ilk örnekten ne kadar süre sonra ikinci örneğin ölçülebileceğini belirler. Basitlik ve ucuzluk: Tasarımı basit ve ucuz, kullanımı kolay olmalıdır. Küçültülebilirlik ve sterilize edilebilirlik: Biyosensör tasarımında önemli bir özelliktir. Buna karşın, biyosensör yapısına giren biyolojik materyalin fiziksel dayanıklılığı, sterilazyonu kısıtlayan en önemli parametredir.

Biyosensörlerin Genel Kullanım Alanları Genel kullanım alanları incelendiğinde biyosensörlerin tıbbi analizlerinden çevresel analizlere, proses izlenmesinden ilaç analizlerine ve savunma faaliyetlerine kadar pek çok alanda uygulama alanı bulduğu görülmektedir. Tıptaki Uygulamalar Üretimin büyük bir kısmının tıp alanında kullanıldığı görülmektedir. Bu alanda ilk sırayı, glikoz tayinine yönelik enzim esaslı biyosensörler oluşturmaktadır.

Gıda Alanındaki Uygulamalar Biyoteknoloji ve gıda endüstrisinde en başta glikoz olmak üzere, monosakkaritler, amino asitler, organik asitler (laktik asit), üre ve alkol tayinlerinde enzim sensörleri kullanılmaktadır. Ayrıca gıdalarda bulunan yabancı maddelerin içinde biyosensörlerden yaralanılmaktadır. Yine çevre kirliliğinin kontrolünde mikrobiyal sensörler ve enzim sensörleri kullanılmaktadır.

Silahlı Kuvvetlerdeki Uygulamalar Silahlı kuvvetlerde mevcut biyosensörlerin kullanımında en sık karşılaşılan sorunlar biyosensörlerin boyutları ve ağırlığıdır.yaklaşık 4.5 kg olan sensörlerin giyilebilir ve rahatlıkla taşınabilir bir ağırlığa uyarlanması, duyarlılığını kaybetmeden boyutlarının küçültülmesi, sistemin daha hassas bir hale getirilerek olası yanlış alarmların önlenmesi, savaş sırasında uzun süre verimliliğini koruyabilmesi ve herkes tarafından kullanılabilecek basitlikte olması gerekmektedir.

SORULAR

( D ) Biyosensörleri diğer sensörlerden ayıran en önemli nokta mutlaka bir biyolojik materyalin kullanılmasıdır. ( Y ) Enzim elektrotu bir biyosensör değildir. ( D ) Mikrobiyal sensörlerde mikroorganizmalar biyosensör yüzeyinde tanıyıcı olarak kullanılmaktadır. ( D ) İdeal bir biyosensörde en önemli parametrelerden birisi seçicilik özelliğidir. ( D ) Enzimatik reaksiyonlar ekzotermiktir.

Biyosensörlerin ………. , …………. , ………… , …………. ve ………… tipleri vardır Biyosensörlerin ……….. , …………. , ………… , ………….. ve ………… tipleri vardır. ( kalorimetrik biyosensörler, potansiyometrik biyosensörler, amperometrik biyosensörler, optik biyosensörler ve piezoelektrik biyosensörler ) …………………… sensörlerde mikroorganizmalar biyosensör yüzeylerinde tanılayıcı olarak kullanılmaktadır. ( Mikrobiyal ) Enzim elektrotlarında ………………….. ve ………………… etkileşime girmesi ile ortamda kaybolan ya da oluşan bir ürün söz konusudur. ( enzim molekülü , substratın ) Biyoteknoloji ve gıda endüstrisinde en başta glikoz olmak üzere …………. , ……………… , …………… , ………… ve ……….. tayinlerinde enzim sensörleri kullanılmaktadır. ( monosakkaritler, amino asitler, organik asitler, üre ve alkol )

Biyosensörlerin genel kullanım alanları nerelerdir? Genel kullanım alanları incelendiğinde biyosensörlerin tıbbi analizlerden çevresel analizlere, proses izlenmesinden ilaç analizlerine ve savunma faaliyetlerine kadar pek çok alanda uygulama alanı bulduğu görülmektedir.

2. İdeal bir biyosensörde bulunması gereken özellikler nelerdir? Seçicilik Kullanım ömrü Kalibrasyon gereksinmesi Tekrarlanabilirlik Stabilite Geniş ölçüm aralığı Hızlı cevap alışkanlığı Hızlı geriye dönme zamanı Basitlik ve ucuzluk Küçültülebilirlik ve sterilize edilebilirlik

Nesibe KÖROĞLU FBÖ 4/A 161104063