Biyosensörler Hakkında Bilgi

Biyosensörler (biyoalgılayıcılar), bünyesinde biyolojik bir duyargacı bulunan ve bir fizikokimyasal çevirici ile birleştirilmiş analitik cihazlar olarak tanımlanmaktadır. Bir biyosensörün amacı, bir veya bir grup analitin (analiz edilecek madde) miktarı ile orantılı olarak sürekli sayısal elektrik sinyali üretmektir.

Biyosensör sistemi üç temel bileşenden oluşmaktadır. Bunlar, seçici tanıma mekanizmasına sahip “biyomolekül, biyoajan” bu biyoajanın incelenen madde ile etkileşimi sonucu oluşan fiziko kimyasal sinyalleri elektronik sinyaller dönüştürülebilen “çevirici” ve “elektronik” bölümlerdir. Bu bileşenlerden en önemlisi, tayin edilecek maddeye karşı son derece seçimli fakat tersinir bir şekilde etkileşime giren, duyarlı biyolojikajandır.

Bir başka değişle biyosensörler, genel olarak analizlenecek madde ile seçimli bir şekilde etkileşime giren biyoaktif bir bileşenin bu etkileşim sonucu ortaya çıkan sinyali ileten bir iletici sistemle birleştirilmesi ve bunların bir ölçüm sistemi ile kombinasyonu ile oluşturulurlar.

Genel olarak biyoajanlar, biyoaffinite ajanları ve biyokatalitik ajanlar olarak iki alt gruba ayrılırlar. Biyoaffinite ajanları olan antikorlar, hormon almaçları, DNA, lektin gibi moleküller antijenlerin, hormonların, DNA parçacıklarının ve glikoproteinlerin moleküler tanımlanmasında kullanılırlar. Kompleks oluşum sonucunda tabaka kalınlığı, kırınım indeksi, ışık eminmesi ve elektriksel yük gibi fizikokimyasal parametrelerin değişimine neden olurlar. Biyokatalitik ajanlar ise, analit üzerinde moleküler değişime neden olmakta ve bu dönüşüm sonucu ortamda azalan yada artan madde miktarı takip edilerek sonuca gidilmektedir. Bu amaçla saf enzim sistemleri, mikroorganizmalar ve bitkisel yada hayvansal doku parçaları kullanılır.

Yapısı ve Fonksiyonu

Biyosensörler biyokomponentler (reseptör) ile fiziksel komponentlerden (transducer) oluşurlar. Biyosensörün görevi biyolojik bir olayın elktriksel sinyale dönüştürülmesidir.

Biyosensörlerde analizlenecek madde ve yapılar genel olarak analit olarak adlandırılırlar.

Analitler

•  Mikroorganizmalar

anthrax, tularemia, E.coli, Candida

•  Küçük moleküller

glukoz, alkol, CO, CO 2 , sinir ajanları, üre, pestisitler, aspirin,parasetamol,

penisillin, kolesterol, amino asitler

•  Bio-makromoleküller

DNA, RNA, enzimler, proteinler, hormonlar, virusler

•  Biyokomponentler

Biyosensörlerin yapısında görev alan komponentler çoğu kez biyoreseptör olarak da adlandırılırlar. Biyoreseptörler analizlenecek maddeyi dönüşüme uğratırlar. Bunların içinde en yaygın kullanılanlar enzimler ve antikorlardır. Enzim-substrat ve antikor-antigen arasındaki etkileşimin ilk adımı analitlerin protein moleküllerine bağlanmasıdır. Hidrolazlar dışındaki enzimler kosubstrat yokluğunda yalnız substratı enzime bağlarlar. Aynı durum inhibitör ve diğer effektörler için de geçerlidir.Kosubstrat varlığında ise substratın kimyasal bir dönüşümü gerçekleşir. Son yıllarda geliştirilmiş olan katalitik antikorlar yalnız antigenlere bağlanmakla kalmaz bunlar kimyasal bir dönüşümü de katalizlerler.

Protein yapılı makromoleküllere ilaveten nükleik asitler ve karbonhidratlar da genom zincir analizleri ve hücre yüzeyi karakterizasyonu gibi özel alanlarda kullanılan biyosensörlerin yapısına girmektedir.

Biyosensörler farklı bir bakış açısıyla analizlenecek madde(analit)-Biyoaktif bileşen ilişkisine göre aşağıdaki şekilde de sınıflandırılabilirler;

•  Biyoaffinite esaslı biyosensörler

•  Biyokatalitik esaslı biyosensörler

•  İmmobilize hücre esaslı biyosensörler

•  Transmembran esaslı biyosensörler

Transduserler  

Transduserler, reseptörlerin biyolojik reaksiyonunu ölçülebilir fiziksel bir sinyale dönüştürürler. Biyokimyasal reaksiyona göre transduser seçilir. Elektrodlar amperometrik ve potensiyometrik ölçümlerde kullanılır ve burada hedef; maddedir (O 2 - elektrodunda çözünmüş O 2 , pH elektrodunda H + iyonu gibi). Optik sensörlerde hedef; ışık, pieozoelektrik sensörlerde ise kristalin salınım rezonansının kütle yüklenimi sebebiyle değişmesidir. Bunların dışında transistörler ve termistörler de transduser olarak kullanılmaktadır.

Teorik olarak reseptör ve transduserlerin birçok kombinezonu mümkün olmasına rağmen bu kombinezonlar bir elektrik sinyali oluşturmazlarsa biyosensör fonksiyon göstermez. Örneğin; transduser olarak bir termistörün kullanılması durumunda substratın dönüşüm reaksiyonu sonucu entalpide bir değişim olmaz ise biyosensör çalışmaz.

1) Elektrokimyasal biyosensörler

•  Potansiyometrik sensörler 

Bir karşılaştırma elektrodu ve uygun bir çalışma elektrodu ile oluşturulan bir elektrokimyasal hücrede ölçülen gerilim değerleri yardımı ile hücre çözeltisindeki türlerin nicel analizine potansiyometri denir. Çalışma elektrodu, çözeltideki türlerden bazılarına seçimlilik gösteren ve iç kısmında bir başka karşılaştırma elektrodu ile nicel analizi yapılacak türün belli derişimdeki çözeltisi bulunan ve bir membran ile analizi yapılacak çözeltiden ayrılmış bir elektrottur. Analizi yapılacak çözeltiye daldırılan bu elektrot ile aynı çözeltiyle temasta olan bir karşılaştırma elektrodu arasında oluşan gerilim değeri ile analizi yapılan türün derişimi arasında logaritmik ilişki vardır. Bu hücre geriliminin ölçümü sırasında iki elktrot arasında uygun bir devre yardımıyla bir akımın geçmemesi sağlanır. İçte ve dışta bulunan çözeltilerde analizi yapılacak türün derişimi açısından bir fark varsa membranın iç yüzeyi ve dış yüzeyi arasında bir gerilim farkı oluşur. Bu gerilim farkının değeri analizi yapılan türe ve derişimine bağlı olduğu gibi, membranın cinsine ve çözeltide bulunan öteki bileşenlerin cins ve miktarlarına da bağlıdır.

•  Amperometrik sensörler  

Bir mikro çalışma elektrodu ile bir karşıt elektrot arasına dışardan denge geriliminden farklı bir gerilim uygulanırsa, sistem yeniden dengeye ulaşmaya çalışır ve bu sırada bir elektrot tepkimesi olur yani iki elektrot arasında bir akım geçer. Bu yönteme amperometri adı verilir. Çalışma elektrodunda indirgenen veya yükseltgenen madde bir katyon, bir anyon veya yüksüz bir bileşik olabilir

Amperometrik ölçümlere dayanan sensörler giderek önem kazanmaktadır. Bu tür sensörlerin öncüsü ve en çok kullanılanı oksijen elektrodudur. Clark oksijen sensörü olarak da bilinen bu sistemde altın, gümüş veya platin katot, silikon ve teflondan yapılmış bir gaz geçirgen membran ile kaplıdır. Bu katot ile aynı zamanda bir karşılaştırma elektrodu olan bir gümüş anot arasına 1.5 Voltluk bir pil bağlanır ve iki elektrot arasından geçen akım bunların arasına yerleştirilen bir mikroampermetre ile ölçülür. Bu elektrot sisteminin daldırıldığı çözeltide çözünmüş olan oksijen membrandan geçer ve katoda ulaşır ve uygulanan gerilimde indirgenir.

•  Yarı iletkenlik sensörleri

Elektriksel alanın varlığında bir çözeltide elektrik yükü, iyonlar tarafından taşınır. Çözeltinin iletkenliği çözeltideki tüm iyonik türlerin katkısı ile oluşur. İki elektrot arasına bir alternatif akım uygulandığında düşük frekanslarda yük taşınımı iyonların elektriksel alandaki göçü ile taşınırken, yüksek frekanslarda çözücünün polarlanması nedeni ile yük taşınımına çözücünün de katkısı olur. İki elektrot arasına alternatif sinyalin uygulanması elektrotlarda elektrolizle olabilecek madde kaybını en aza indirmek içindir. İletkenlik sensörlerinin bir örneği oksijen sensörüdür. Suda çözünmüş O 2 miktarı, bu molekülün Tl metali ile oluşturduğu iyonlar nedeni ile artan iletkenliğin ölçülmesi ile bulunur.

2) Optik esaslı sensörler

Optik enzim sensörleri iletici sistem olarak optik lifler üzerine uygun bir yöntemle enzim immobilize edilerek hazırlanan ölçüm aygıtlarıdır. Enzimatik reaksiyon sonucu meydana gelen kimyasal yada fizikokimyasal bir değişimin ölçümünü esas alırlar. Sinyal ışık yansıması, saçılımı yada yayımı sonucu meydana gelir. Dolayısıyla optik lifin üzerine enzim immobilizasyonuyla gerçekleştirilen optik esaslı enzim sensörleri temelde absorpsiyon, flouresans, biolüminesans gibi temel ilkeler çerçevesinde işlev görürler.

•  Absorpsiyon esaslı optik enzim sensörleri

Bu tür enzim sensörlerinin temelini enzimatik reaksiyon uyarınca renkli madde konsantrasyonundaki değişimler sonucu meydana gelen absorbsiyon farklarının belirlenmesi oluşturur. Renkli madde konsantrasyonundaki değişimler genelde enzimatik reaksiyon uyarınca meydana gelen pH farklanmalarından kaynaklanır.

•  Flouresans esaslı optik enzim sensörleri

Flouresans esaslı optik enzim sensörlerinde absorbans esaslı optik enzim sensörlerinden farklı olarak flouresan özellik gösteren indikatör maddeler kullanılır.

•  Biyolüminesans esaslı optik enzim sensörleri 

Biyolüminesans, ateş böceği, yıldız kurdu ve bazı değişik su canlıları gibi yaşayan organizmalardaki enzimatik temeline dayalı ışık yayınımı ile ilişkilendirilmiş bir ilkeye dayanır. Bu tür olaylara verilebilecek en açıklanmış örnek, lüsiferas tarafından eksite durumu getirilmiş bir bileşiğin tekrar zemin durumuna geri dönmesiyle ilişkili enzimatik reaksiyondur.

3) Kalorimetrik esaslı sensörler  

Kalorimetrik esaslı enzim sensörleri, termal enzim sensörleri, enzim termistörleri yada entalpimetrik enzim sensörleri gibi değişik isimlerle tanımlanırlar. Temel ilkeleri bir enzimatik reaksiyondaki entalpi değişiminden yararlanarak substrat konsantrasyonunu belirlemekten oluşur. Genel olarak enzimatik reaksiyonların ekzotermik doğasından yararlanılır.Enzimatik reaksiyon sonucu meydana gelen sıcaklık değişimi ile substrat konsantrasyonu arasındaki doğrusal ilişkiden sonuca ulaşılır. m 0 C gibi oldukça küçük sıcaklık değişimleri termal olarak yalıtılmış ortamlarda termistör veya termofiller yardımıyla izlenir.

4) Piezoelektrik esaslı sensörler

Piezoelektrik sensörler en genel anlamda karakteristik rezonans frekansındaki farklanmayı belirleyerek bir piezoelektrik kristal yüzeyinde toplanan örneğin kütlesinin ölçülmesi esasına göre çalışan gravimetrik aygıtlardır.Sensör seçimliliği kristal yüzeyindeki madde ile spesifik bir etkileşime sahip analitin birikimiyle ilişkilidir.

Bir piezoelektrik sensörün üzerinde enzim immobilizasyonuyla gerçekleştirilen piezoelektrik enzim sensörlerinde, enzim moleküllerine sübstratların bağlanmasından dolayı meydana gelen kütle değişimlerinin, piezoelektrik kuartz diskin vibrasyonunda sebep oldukları farklanmadan yararlanılarak madde miktarına ulaşılır.

Uygulama alanları: Pestisid tayinleri, formaldehit tayini