PDF Dosyasi (XXX KB)

UYAR Đ., GÜVEN Ö., ARTIKTAY I.

Dokuz Eylül Üniversitesi Buca Eğitim Fakültesi

Fen Bilgisi Eğitimi

Anabilim Dalı

Đlknur Uyar, Özge Güven, Irmak Artıktay

[email protected], [email protected]

1-GĐRĐŞ

Genel anlamda biyosensörler, biyoloji, fizik, kimya,

biyokimya, mühendislik gibi pek çok bilim alanının bilgi

birikiminden multidisipliner bir anlayış çerçevesinde

faydalanılarak ve biyolojik moleküllerin veya sistemlerin

seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin

işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen

biyoanalitik cihazlar olarak biliniler.

Butun organizmalar yaşadıkları ortamdaki değişimleri

derhal algılayıp yaşamlarını sürdürebilmek için

değişimlere uymaya çalışırlar.Đşte bu algılama

mekanizması biyosensörlerin in vitro kullanımı için temel

olmustur.

Canlılar teknologların hayal bile edemeyeceği duyarlılık

özelliğine sahiptirler.Örneğin bazı köpeklerin koku

almaları insanlardan 100.000 kat daha hassastır.Yılan

balıkları tonlarca su içerisine ilave edilen birkaç damla

yabancı maddeyi derhal farkeder.Kelebekler

partnerlerinin yaydığı birkaç molekülü bile algılar.Algler

ise zehirli maddelere karşı çok duyarlıdırlar.

Canlıların bu uyarıları algılamayı mümkün kılan

biyolojik maddelerin analiz sistemleri ile birleştirilmesi

biyosensörleri meydana getirmiştir.Biyosensör teknolojisi

o kadar hızlı gelişmektedir ki,International Union of Pure

and Applied Chemistry tarafından oluşturulan

Biyosensörleri Sınıflandırma ve Adlandırma Komisyonu

1996 yılında hazırlayıp yayınladığı biyosensör tanımı

biyomikrochiplerin gelişimi ile daha şimdiden geçerliliğini

kaybetmiştir.Biyosensörlerin

gelişiminde,mikroelektronikten bildiğimiz daima daha

küçük,daha doğru ve daha ucuz aletlere eğilim

olmuştur.

Son yıllarda bilim ve teknolojideki hızlı gelişmeler

biyosensör kavram ve tanımlarında da önemli

genişlemelere ön ayak olmuştur. Canlı yaşamın önemli

unsurlarından olan görme, işitme, koklama, tad alma,

dokunma gibi algılama mekanizmaları doğal ve en

mükemmel biyosensörik sistemler olarak düşünüldükleri

için biyosensör çalışmalarına güzel örnek olurlar.

Günümüzde görme, işitme gibi yeteneklerini kaybetmiş

kişilerin bu yeteneklerini tekrar yerine koyacak yapay

sistemler üzerinde yoğun araştırmalar

gerçekleştirilmektedir.Tıp alanındaki bilim adamlarıyla


da ortak çalışmayı gerektiren bu araştırmalar da

biyosensör alanına dahil tutulabilirler.Bununla birlikte,

bugün biyosensörlerden bahsedilince ilk akla gelen daha

genel ve yaygın kullanım imkanına sahip, analiz amacına

yönelik biyoanalitik sistemlerdir.

Biyosensörlerin tarihi 50’li yılların ortalarında

L.C.Clark’ın Cincinnati Hastanesi’nde(Ohio,ABD)ameliyat

sırasında kanın O2 miktarını bir elektrod ile izlemesiyle

başlar.1962 yılında Clark ve Lyons Glukozoksidaz(GOD)

enzimini O2 elektrodu ile kombine ederek kanın glukoz

düzeyini ölçebildiler. Böylece yeni bir analitik sistem

oluştu.Bu sistem bir yandan biyolojik sistemin yüksek

spesifisikliğini (enzim) diğer taraftan ise fiziksel

sistemin(elektrod)tayin duyarlılığını birleştirmiş ve geniş

spektrumlu bir uygulama olanağına sahip olmuştur.

Glukoz + O2 Glukono-δ-lakton + H2O2

Bir biyolojik sıvıdaki glukoz ve çözünmüş oksijen

elektrod etrafındaki membranı geçerek elektrod yüzeyine

ulaştığında glukoz oksitlenerek glukonik aside dönüşür

ve bu sırada O2 kullanılır.Ortamdaki glukoz bittiğinde O2

elektrodu ile başlangıçtaki ve reaksiyon sonundaki

çözünmüş O2 miktari belirlenir.Aradaki fark ortamdaki

glukozun oksidasyonu için harcanan O2 olup buradan

biyolojik sıvıdaki glukoz miktarı bulunur. Klasik

elektrokimya ile sadece anyon ve katyonları belirleyen

sensörler hazırlanabilirken sisteme biyomateryalin de

katılması ile diğer birçok maddenin tayini yapılabilir.

Böylece hazırlanan analiz sistemlerine biyosensorler

denir.

Biyosensörlerin Kısa

Tarihçesi

Clark ve Lyons (1962) ilk

defa biyosensör terimini

kullanmışlardır. Enzim-

elektrot kompleksini imal

eden 7yikili, bu

kompleksi glikoz sensörü

olarak kullanmışlardır. Senssor oksido-reduktaz

enzim olan glikoz oksidazın pletanyum elektroduna

immobilize olmasıdır.Pletenyum elektrod enzim

tarafından üretilen H2O2 tarafından + 0.6V’da polarize

olur.Đşte basitçe bu prensibe göre çalışan tarihin ilk

biyosensörü 1974 yılında piyasada Yellow Spirngs

Instrument (YSI) olarak tanımlanır.

YSI sensörünün geliştirilmesinde ana özellik yeni nesil

membranlardır. Clark burada sandeviç membrandan

faydalanmıştır . Enzim nükleopor polikarbonat membran

ve selüloz asetat membran arasına yerlesmistir. Bu

membranlar normalde ortamın potansiyel yapısını

etkileyecek olan diğer faktörleri elemekte ve cihazın

duyarlılığını ve özgünlüğünü yukseltmektedir. Örneğin ,

Clark’ın kullandığı membran H2O2‘ı difüze ederken

askorbat ve diğer parazitik kimyasalların geçişini

olanaksız kılmaktadır.

Clark ve Lyons’un geliştirdiği ilk biyosensör generasyonu

membran diyalizatör,reaksiyon bölgesi ve çeviricileri

içermektedir.Đkinci jenerasyon biyosensörlerde O2 yerine

elektronları enzimin redoks merkezinden elektrodun

Şekil 2. Clark’ın enzim elektrodu


yüzeyine taşıyabilen bir elektron akseptörü(redoks

mediyatörü)kullanılmıştır.

GOD – FADH2 + MOX GOD – FAD + MRED + 2H2

MRED MOX

GOD:Glukoz oksidaz , FAD:Flavin Adenin Dinükleotid ,

M:Redoks Mediyatörü

Üçüncü jenerasyon biyosensörlerde enzimin redoks

merkezi ile elektrod yüzeyi arasında direkt elektriksel

iletişim sağlanmış ve redoks mediyatörlerine gereksinim

kalmamıştır.

2.Biyosensörlerin Temel Bileşenleri

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 sistemiyle

kombinasyonuyla oluşturulurlar.

Sistemin özelliğine bağlı olarak yükseltici, mikroişlemci,

dijital görüntüleyici gibi kısımlar sistem içinde yer

alabilirler.

Kuru reaktif kimyasının esas alan biyosensörlerde

olduğu gibi bu genel kombinasyonun farklı

modifikasyonları da vardır.

Biyosensörlerde Analizlenebilecek Unsurlar

Analitler

Anorganik ve organik maddeler, makromolekuller, virus

ve mikroorganizmalar

Metal iyonları

Substratlar

Aktivatorler, Inhibitorler

Enzimler, Koenzimler

Hormonlar

Antikorlar, Antijenler

Nukleik asitler

Virusler , Mikroorganizmalar

Analizlenecek madde ve yapılar genel olarak analit olarak

adlandırılırlar.


Biyosensörlerde Kullanılan Biyoaktif Yapılar

Biyosensörlerde kullanılan ve analizlenecek madde ile

spesifik bir şekilde etkileşime giren biyoaktif bileşenler,

komplekslik hiyerarşisine göre basitten karmaşığa doğru

bir sıralama yapıldığında ; iyonoforlar, antikorlar,

enzimler, nükleik asitler, lipozomlar, biyomembranlar

(örneğin; membran reseptörleri), hücre organelleri

(örneğin; mitokondri), tüm hücreler, doku kesitleri ve

homojenatları ve organlar (örneğin; koku alma organı)

olarak sınıflandırılabilirler.

Biyosensörlerde Yararlanılan Đletim ve Ölçüm

Sistemleri

Biyosensörlerde, biyoaktif bileşenin tayin edilecek madde

ile etkileştiğinde oluşan sinyalin iletim ve ölçümünde,

genel olarak, elektrokimyasal, optik, kalorimetrik ve

piezoelektrik esaslı sistemler kullanılır.

Đletim ve Ölçüm sistemleri:

Elektrokimyasal esaslı: 1- Amperometri esaslı(elektrotlar)

2- Potansiyometri esaslı(elektrtl.)

3- Yari iletken esaslı(transistorl.)

Kalorimetri esaslı: 1- (termistörler)

Optik esaslı: 1- Fotometri esaslı(optik lifler)

2- Fluometri esaslı(optik lifler)

3- Biyoluminesans esaslı(optik l.)

Piezoelektrik esaslı: 1- (Piezoelektrik kristaller)

Analizlenecek Madde-Biyoaktif Bileşen Đlişkisine Göre

Biyosensörlerin Sınıflandırılması

Biyosensörler farklı bir bakış açısıyla Analizlenecek

Madde-Biyoaktif Biyoaktif Bileşen ilişkisine göre

aşağıdaki şekilde de sınıflandırılabilirler;

*Biyoaffinite Esaslı Biyosensörler (örneğin; iletici

sistem üzerinde antikor immobilizasyonuyla antijenlerin

tayini için kullanılırlar.Kompleks oluşumu sonucu

tabaka kalınlığı, refraktif indeks, ışık absorbsiyonu ve

elektriksel yük gibi fizikokimyasal parametrelerin

magnitüdünü değiştirir ve bu değişimler optik sensörler,

potensiyometrik elektrodlar veya transistorler

tarafından(saptanır.)

*Biyokatal

itik Esaslı Biyosensörler: (örneğin; iletici sistem

üzerinde enzim immobilizasyonuyla enzimin substratı,

inhibitörü, aktivatörü veya koenzimi olan çeşitli kimyasal

maddelerin tayini için kullanılırlar.Bunlara aynı

zamanda metabolizma sensörleri de denilmektedir.)

Biyoaffinite ve biyokatalitik sensörleri bir tablo üzerinde

örnekleriyle inceleyebiliriz. Bunlar :


Biyoaffinite Sensorler Biyokatalitik sensorler

Reseptor Analit Reseptor Analit

Enzim Substrat,Inhibitor Enzim substrat

Apoenzim Antigen Mikroorganizma Kofaktor

Antikor Hormon Organel Aktivator

Reseptor Glikoproteinler Doku kesiti Inhibitor

Lektin Sakkaritler,Protein Enzim

*Đmmobilize Hücre Esaslı Biyosensörler(örneğin; iletici

sistem üzerinde hücrelerin immobilizasyonuyla o

hücreler tarafından metabolize edilen çeşitli maddelerin

tayini için kullanılırlar.)

*Transmembran Esaslı Biyosensörler: (örneğin; çeşitli

moleküllere spesifik reseptör veya farklı membran

proteinlerini içeren hücre membranlarının iletici sistem

üzerinde immobilizasyonuyla söz konusu moleküllerin

seçimli bir şekilde belirlenmesi.)

Biyosensörlerde Biyoaktif Bileşen Đmmobilizasyon

Yöntemleri

Biyoaktif bileşen ile iletici unsurun birleştirilmesinde

oldukça farklı immobilizasyon yöntemlerinden

faydalanılabilir.Biyoaktif bileşen sensör olarak da

adlandırabileceğimiz temel iletici unsur üzerinde fiziksel

olarak,jel içinde veya polimer matrikste tutuklanabilir,

elektrot yüzeyinde biriktirilebilir, kovalent veya çapraz

bağlanarak tutuklanabilir.

Biyoaktif Tabaka-Đletim ve Ölçüm Sistemi

Kombinasyonlarına

Genel Örnekler

*Elektrokimyasal Esaslı Biyosensörler

- Amperometri Esaslı Biyosensörler

Amperometri genel anlamda belli bir potansiyeldeki akım

şiddetinin ölçümünü temel almaktadır. Sözkonusu akım

yoğunluğu çalışma elektrodunda yükseltgenen yada

indirgenen elektroaktif türlerin konsantrasyonunun bir

fonksiyonu olarak ifade edilir. Đkinci elektrot referans

elektrottur. Kalibrasyondan sonra, akım

yoğunluklarından ilgili türlerin konsantrasyonlarının

belirlenmesinde faydalanılır.


Đletici sistem olarak bir amperometrik sensörün

kullanılması durumunda potansiyometrik sensörlerden

en büyük fark, ürünlerden sinyal oluşturan türün

elektrot yüzeyinde tüketilmesidir. Oksijen tüketimine

ilişkin reaksiyonlar aşağıdaki şekildedir.

Katodik reaksiyon;

O2 + 2H2O + 2e- → H2O2 + 2HO-

H2O2 + 2e- → 2HO-

Anodik reaksiyon;

Ag + Cl- → AgCl + e-

Toplam reaksiyon;

4Ag + O2 + 2H2O + 4Cl- → 4AgCl + 4HO-

Bir biyosensörün biyoaktif tabakasındaki reaksiyonlar

oldukça kompleks bir kinetiği vardır.

Amperometri esaslı ve biyoaktif bileşen olarak enzimlerin

kullanıldığı bazı biyosensörlere ilişkin örnekler .

- Potansiyometri Esaslı Biyosensörler

Potansiyometri bilindiği gibi en genel anlamda bir

çalışma ve referans elektrot arasındaki potansiyel

farkının ölçümünü temel almaktadır. Elektrot


potansiyelinin belirlenmesi doğrudan analit

konsantrasyonunu belirler. Potansiyometrik

biyosensörler de kullanılan temel sensörler pH yada tek

değerlikli iyonlara duyar cam elektrotlar, anyon yada

katyonlara duyar iyon seçimli elektrotlar ve

karbondioksit yada amonyağa yönelik gaz duyar

elektrotlar olarak bilinir.

Potansiyometri esaslı ve biyoaktif bileşen olarak

enzimlerin kullanıldığı bazı biyosensörlere ilişkin

örnekler.

- Yarı Đletkenleri Esas Alan Biyosensörler

Temel sensör olarak metal oksit yarı iletken alan etki

transistörlerini (MOSFET) yada iyon duyar alan etki

transistörlerini (ISFET) esas alan bu tür enzim

sensörleri, enzim ile alan etki transistörlerinin


birleştirilmesini ifade edecek şekilde enzim alan etki

transistörleridirler (ENFET).

MOSFET’lerin, gazların ölçümüne uygun hale

getirilmesiyle oluşan gaz duyar sensörlerde (GASFET)

adsorblanan gaz moleküllerinin disosiyasyonu ve oluşan

yükün oksit tabakasına transferi temel ilkedir. Bu

durum tabanın dielektrik sabitini değiştirerek ve drain

akımda bir modifikasyona yol açarak ölçüme olanak

sağlar.

*Optik Esaslı Biyosensörler

Optik biyosensörler iletici sistem olarak optik lifler

üzerine uygun bir yöntemle uygun bır biyomolekülün

immobilize edilerek hazırlanan ölçüm cihazlarıdır.

Etkileşim sonucu meydana gelen kimyasal yada

fizikokimyasal bir değişimin ölçümünü temel

almaktadırlar. Sinyal, ışık yansıması, saçılımı yada

yayımı sonucu oluşur. Örneğin optik lifin üzerine enzim

immobilizasyonuyla hazırlanan optik esaslı enzim

sensörleri temelde absorbsiyon, fluoresans,

biyolüminesans gibi temel ilkeler çerçevesinde çalışırlar.

*Kalorimetri Esaslı Biyosensörler

Kalorimetri esaslı enzim sensörleri, termal enzim

sensörleri, enzim termistörleri yada entalpimetrik enzim

sensörleri gibi değişik isimlerle adlandırılırlar. Temel

ilkeleri bir enzimatik reaksiyondaki entalpi değişiminden

yararlanarak substrat konsantrasyonunu belirlemekten

oluşur. Genel olarak enzimatik reaksiyonların

ekzotermik doğasından faydalanılır. Enzimatik reaksiyon

sonucu meydana gelen sıcaklık değişimi ile substrat

konsantrasyonu arasındaki doğrusal ilişkiden sonuca

varılir. 0oC gibi oldukça küçük sıcaklık değişimleri

termal olarak yalıtılmış ortamlarda termistör veya

termofiller yardımıyla takip edilir.

Kalorimetri esaslı termal biyoanalizör ile termal enzim

sensörleri arasında biyosensör kavramı açısından önemli

farklar vardır. Termal biyoanalizörler, yalıtılmış bir

sistemde genelde biri referans olmak üzere iki immobilize

enzim kolonu içerirler. Pompalar yardımıyla bir sürekli


akış olayı görülür. Enzimatik reaksiyon uyarınca

substrat konsantrasyonuna bağlı sıcaklık değişimi

termofiller yardımıyla gözlenir.

*Piezoelektrik Esaslı Biyosensörler

Piezoelektrik sensörler en genel anlamda karakteristik

rezonans frekansındaki farklanmayı belirleyerek bir

piezoelektrik kristal yüzeyinde toplanan örneğin

kütlesinin ölçülmesi esasına göre çalışan gravimetrik

cihazlardır. Sensör seçimliliği, kristal yüzeyindeki madde

ile spesifik bir etkileşime sahip analitin birikimiyle

alakalıdır. Sensör yüzeyinde bir madde adsorblandığı

veya biriktiği zaman piezoelektrik kristalin rezonans

frekansındaki farklanmanın ölçülmesiyle sonuca varılır.

Bir piezoelektrik sensörün üzerinde enzim

immobilizasyonuyla gerçekleştirilen piezoelektrik enzim

sensörlerinde, enzim moleküllerine substratların

bağlanmasından dolayı meydana gelen kütle

değişimlerinin, piezoelektrik kuartz diskin

vibrasyonunda sebep oldukları farklanmadan

yararlanılarak madde miktarı tespit edilir.

Piezoelektrik biyosensörlerden virüslerin tayininde de

faydanilabilirler;


Kuru Reaktif Kimyası Esaslı Biyosensörler

Đlk bakışta klasik biyosensör tanımından farklı

gözükmekle birlikte test stripleri olarak da adlandırılan

kuru reaktif kimyasını esas alan analiz preparatları

biyosensör teknolojileri içinde en yaygın kullanılan

biyosensör türlerinden birisidir. Ağırlıklı olarak

enzimatik reaksiyonların esas alındığı bu sistemlerde,

kolorimetrik cihazlar yardımıyla yada renk değişimlerini

görme yoluyla algılama şeklinde biyoaktif bileşen-iletici

sistem-ölçüm aygıtı devresi dolaylı yolla da olsa

tamamlandığı için klasik biyosensör tanımıyla da aslında

uyumludurlar.

Biyosensörlerin yüksek spesifiklik yanında; renkli ve

bulanık çözeltilerde geniş bir konsantrasyon aralığında

doğrudan ölçüme olanak sağlamak gibi üstünlükleri

vardır.Fakat reseptör olarak adlandırılan

biyokomponentlerin pH, sıcaklık, iyon şiddeti gibi ortam

koşullarından etkilenmesi biyosensörlerin kullanım

ömrünü kısalttığından olumsuz bir özelliktir.

2-GENEL BĐLGĐLER

2.1 Biyosensörler

Biyosensörler(biyoalgılayıcılar),bünyesinde biyolojik bir

duyargacı bulunan ve bir fizikokimyasal çeviriciyle

birleştirilmiş analitik cihazlar olarak

adlandırılmaktadır.Bir biyosensörün amacı,bir veya bir

grup analiz edilecek madde miktarıyla orantılı olarak

sürekli sayısal elektrik sinyali oluşturmaktadır.

Biyosensör sistemleri üç temel bileşenden meydana

gelmektedir.Bunlar;seçici tanıma mekanizmasına sahip

‘biyomolekül/biyoajan’,bu biyoajanın incelenen maddeyle

etkileşmesi sonucu oluşan fizikokimyasal sinyalleri

elektronik sinyallere dönüştürebilen ‘çevirici’ ve

‘elektronik’ kısımlar. Bu bileşenlerden en önemlisi,tayin

edilecek maddeye karşı son derece seçimli fakat tersinir

bir şekilde etkileşime giren,duyarlı biyolojik

ajandır.Genel olarak biyoajanlar,biyoafinite ajanları ve

biyokatalitik ajanlar olarak iki alt grubta

incelenirler.Biyoafinite ajanları olan antikorlar,hormon

almaçları,DNA,lektin gibi moleküller

antijenlerin,hormonların,DNA parçacıklarının ve

glikoproteinlerin moleküler tanımlanmasında

faydalanılır.Kompleks oluşumu sonucunda,tabaka

kalınlığı,kırınım indisi,ışık emilmesi ve elektriksel yük

gibi fizikokimyasal parametrelerin değişime neden

olmakta ve bu dönüşüm sonucu ortamda azalan ya da

artan madde miktarı takip edilerek sonuca

varılmaktadır.Bu amaçla saf enzim ya da enzim


sistemleri,mikroorganizmalar ve bitkisel ya da hayvansal

doku parçalarından yararlanılmaktadır.

Biyosensörlerin,klinik,teşhis,tıbbi uygulamalar,süreç

denetleme,biyoreaktörler,kalite kontrol,tarım ve

veterinerlik,bakteriyel ve viral teşhis,ilaç

üretimi,endüstriyel atık su denetimi,madencilik,askeri

savunma sanayi gibi alanlarda yaygın olarak kullanım

alanları vardır.

Özellikle 20.yüzyılın son 10 yılında, askeri bir tehdit

oluşturması açısından hem dönemin genelkurmay

başkanı, ABD eski dışişleri bakanı Colin Powell’ın

olabilecek en ürkütücü silahın biyolojik silahlar olduğu

yönündeki açıklamaları, 21.yüzyılın ilk dönemi için hem

maddi hem de teknik açıdan biyosensör araştırmalarının

yönünü tayin etmiştir.

2002 yılı Mayıs ayında Japonya’nın Kyoto şehrinde

gerçekleşen ‘7.Dünya Biyosensör Kongresi’ çalışma

gruplarına ait başlıklar, dünyanın güvenlik, teknik ve

ticari anlamda hangi tür araştırmalara öncelik tanıdığı

konusunda fikir verecektir.

� Biyoelektrik ve mikroanalitik sistemler

� Nükleik asit sensörleri ve DNA yonganları

� Organizma ve tam hücre sensörleri

� Biyosensörler için doğal ve sentetik reseptörler

� Enzim tabanlı sensörler

� Đmmunosensörler

2.2 Biyosensörlerin Yapısı ve Fonksiyonu

Biyosensörler biyokomponentler (reseptör) ile fiziksel

komponentlerden (transdeeuser) meydana gelirler.

Biyosensörün görevi biyolojik bir olayın elektriksel

sinyale çevirilmesidir.

Şekilde bir biyosensörün çalışma prensibi şematize

edilir.

BĐYOSENSÖRLER

Çizelge.Biyosensörlerin Yapısı ve Çalışma şekli

Bir biyosensor, biyolojik algılayıcı elementin seçiciliği ile

hedef analitin konsantrasyonuyla orantılı olarak sinyal

üreten transduserin kombinesinden oluşan bir

aygıtdır.Bu sinyal proton konsantrasyonundaki

değişimden, amonyak ve oksijen gibi gazların salınması

yada yükseltgenmesi, ışık emisyonu, absorbsiyon yada

reflektans, ısı emisyonu, kütle değişimi ve bunun gibi

değişimlerin sonucudur. Sinyal transduşer yardımıyla

akım, potansiyel, sıcaklık değişimi, ışığın absorbsiyonu,

ya da elektrokimyasal, termal, optik olarak yada

• Enzimler

• Doku kesitleri

• Organeller

• Tutucu ajanlar

• Nükleik asitler

• Mikroorganiz-malar

• Reseptör

molekülleri

Elektrokimyasallar

• Potensiyometrik

• Amperometrik

• Konduktometrik

• Transistorler

Optik

• Fotometri

• Florimetri

• Luminesans

Kütle değişimi

• Piezoelektrik

Isı Değişimi

• Termistörler

ELEKTRONİK NUMUNE

Absorbsiyon : soğurma


piezoelektrik anlamda kütle artışıyla ölçülebilir forma

çevirilir. Sinyal ayrıca ileriki analizler için

güçlendirilebilir, işlenebilir ya da saklanabilir. Prensipte

herhangi bir reseptör herhangi bir transduserle

birleştirilip işleyen bir biyosensör meydana getirilebilir.

Aşağıdaki şekilde biyosensörlerin genel çalışma

mekanizması gösterilmektedir.

2.2.1.BĐYOKOMPONENTLER(BĐYORESEPTÖRLER)

Biyosensörlerin yapısında görev alan biyokomponentler

çoğu kez biyoreseptör olarak isimlendirilirler. Bunların

içinde en yaygın kullanılanlar enzimler ve antikorlardır.

Enzim substrat ve antikor–antijen arasındaki etkileşimin

ilk adımı analitlerin protein moleküllerine tutunmasıdır.

Hidrolazlar dışındaki enzimler kosubstrat yokluğunda

yalnız enzimi substrata bağlarlar. Aynı durum inhibitor

ve diğer effektörler içinde söz konusudur. Kosubstrat

varlığında ise substratın kimyasal bir dönüşümü olur.

Son yıllarda geliştirilmiş olan katalitik antikorlar yalnız

antijenlere bağlanmakla kalmaz bunlar kimyasal bir

dönüşümüde tetiklerler.

Biyolojik membranlar içine yerleşmiş kimyasal

reseptorler ise hücre metabolizmasi tarafindan

yönlendirilir ve biyolojik aktif maddeler tarafindan

kontrol edilirler. Bu durum toksinler, ilaçlar ve

hormonların seçimli tayini icin mükemmel imkan

sağlarlar.

Protein yapılı makro moleküller olarak nükleik asitler

ve karbonhidratlar da genom zincir analizleri ve hücre

yüzeyi karakterizasyonu gibi özel alanlarda kullanılan

biyosensörlerin yapısındadırlar.

Biyokomponent (Biyoreseptör) Molekülleri :

Enzimler:

Enzimler başta da belirtildiği gibi biyoreseptör

moleküllerinin en çok bilinenidir . Sensörün analite olan

özgünlüğü aslında tamamen biyoreseptörün analite karşı

özgünlüğüdür. Enzimlerin substratlarına karşı oldukça

yüksek bir özgünlüğü, afinitesi vardır. Binlerce kimyasal

arasından ilgili oldukları substratı seçer ve reaksiyonu

tetiklerler. Tabi tüm diğer reaksiyonlarda olduğu gibi

enzimatik reaksiyonlarda da ortamın sıcaklığı, pH’ı,

iyonik kudreti ve diğer çevre şartları da önemli

faktörlerdir.

Antikorlar:

Antikorlar bir glikoproteindir. Kandaki proteinlerin

%20’sini oluştururlar ve immünoglobinler diye de

isimlendirilirler. Y şeklinde olup iki adet antijen tanıma

bölgesi bulundururlar. Bağışıklık sisteminde antikorlar


tarafından tanınan ve immün cevap oluşumuna sebep

olan yabancı moleküller antijen olarak isimlendirilir.

Antikorları genelde birbirlerinden ayıran farklılık antijen

tanıma bölgeleridir. Her farklı antikor kendine özgün

olan antijeni tanır ve ona geçici olarak bağlanır. Kovalent

olmasa da güçlü bir bağlanma yaptığından antijen-

antikor bağlanma stratejisi bir çok modern tanı

metodunda faydalanılmaktadır. Özellikle monoklonal

antikor üretim teknolojisi sayesinde artık herhangi bir

antijene özgün IgG tipi monoklonal antikorlar

üretilmekte ve üretilen bu antikorlar biyosensör

teknolojisinde de faydalanılmaktadır.

Aptamerler:

Genel olarak aptemerler rastgele sentezlenmiş tek zincirli

oligonükleotidlerdir. Önce oligonükleotid sentezleyicisine

zincir dizim sekansı bakımından rastgelelik gösteren

trilyon adet farklı sentetik oligonükleotid sentezlettirilir.

Baz dizimi farklı olan her bir molekül, farklı üç boyutlu

yapıdadır. Dolayısıyla bu kadar farklı molekül,

Tanınması düşünülen analitle muamele edilir ve hangi

rastgele üretilen oligomerik molekülün analite karşı

yüksek bağlanma kapasitesine sahip olduğu SELEX adı

verilen özel bir yöntemle belirlenir. Sonrasında tespit

edilen oligomerin sekansı belirlenip sentezleyiciye ikinci

defa ama bu sefer bilinçli olarak bu molekülden

ürettirilir; ürünler ise biyosensör teknolojisinde

biyoreseptör olarak faydalanılır. Monoklonal antikorlara

rakip olan bu moleküller gün geçtikçe uygulamada

kendini daha fazla gösterir. Hatta son 10 yıl içinde özel

yöntemlerle üretilen aptamer proteinlerin bazılarının

altın ve bakır gibi madenlere karşı bile özgün bağlanma

gösterdikleri keşfedilmiştir. Bu da, özellikle yer altı suları

üzerinden maden aramaları yapmak için orijinal

biyosensör imalatının yapılabileceğini göstermektedir.

Reseptör proteinler:

Reseptör proteinler biyolojik aktif bileşikler için yüksek

ama özgün bağlanma güçleri vardır. Yani, herbir farklı

reseptör protein yalnızca kendine has bileşiğe

bağlanabilir. Bu özelliklerinden dolayı biyoreseptör

olarak biyosensör teknolojisinden faydalanılmaktadır.

Mesela, normalde hücrelerdeki ölüm reseptörleri

apoptosis sinyali veren ligandlara karşı faydalanılır.

Hücre bu ligandları bu reseptörlerle hisseder ve

apoptosisi (planlı hücre ölümü) başlar. Sensör

teknolojisinde bu reseptörler kullanılarak çevremizde

üretilen hangi kimyasalın apoptotik sinyale sebebiyet

verdiği belirlenmektedir.

Diğer Adaylar:

Dünyamızda, biyosensörlerde biyoreseptör olarak

kullanılmaya aday bir çok biyolojik materyal vardır.

Bakteriler, hücreler, organeller, membran tabakaları

bunlardan birkaçıdır. Herhangi bir biyomateryalin

biyoreseptör amaçlı kullanımı için tek koşul, materyalin

istenilen analiti bir şekilde özgün olarak tanıma

kapasitesine sahip olmasıdır.


2.2.2.ÇEVĐRĐCĐLER (TRANSDÜŞERLER)

Biyosensörlerin, biyolojik tanima ajanının bulunduğu

“taniyici tabaka” dışında, en önemli ikinci kısmı da

“Çevirici (Transducer)” kısmıdır. Çeviriciler biyoajan-

analit etkileşmesi sonucu gerçekleşen fizikokimyasal

sinyali elektrik sinyaline dönüştürerek, bu sinyalin daha

sonra güçlenerek okunabilir ve kaydedilebilir bir şekle

girmesini sağlarlar. Biyokimyasal reaksiyona gore

transduser seçilir. Biyoajan–analit etkileşmesi sonucu

olan degişimler, sadece tek bir değişkenle belirlenemez.

Örneğin, glikoz ölçümü için kullanılan glikoz sensöründe

glikoz, oksijen varlığında glikoz oksijen enzimi tarafindan

glikonik aside ve hidrojen peroksite parçalanır. Bu

tepkime ile:

I) Ortamda bir miktar oksijen tüketilir ve bu azalma bir

oksijen elektrodu ile takip edilebilir mi?.

II) Ortamda glukonik asit arttığı için pH değişimi olmuştur

ve bu bir pHmetre ile ölçülebilir mi?.

III) Ortamda bir elektroaktif madde olan hidrojen peroksit

açığa çıktığı için bu maddenin miktari amperometrik

olarak ölçülebilir mi?

Hem evet hem de hayır. Çünkü biyoajan-analit

tepkimesindeki değişimin boyutları,mutlak ölçüt

olarak(nanogram,pikoamper, microvolt. vb) gibi

inanılmaz(10-6, 10-12 mertebesinde veya daha küçük)

küçük boyutlarda olabilmekte. Đşte bu aşamada

çeviricilerin onemi gündeme gelir. Bu bize

küçüklügümüzde defalarca dinledigimiz “ Prenses ve

Bezelye Tanesi ” masalını anımsatıyor. Çevirici ,

yatağının altındaki bezelye tanesi nedeni ile uyuyamayan

prenses rolünde. Bu kadar kuçuk boyutta ki bir değişimi

en sağlıklı, doğru ve orantılı olarak yansıtan çevirici, o

tepkime için idealdir denebilir. Ancak, bir tepkime için

ideal olan bir çeviricinin bir başka tip tepkime için uygun

olmayabilecegi unutulmamalı. Biyosensörlerin

araştırmaları, analit çeşidini zenginleştirme ve daha

düşük derisimlerde ölçüm yönünde ilerlerken,

çeviricilerinde daha yuksek, guçlendirilmiş bir sinyal

yaratmaları için araştırmalar yoğun şekilde devam

etmektedir. Elektrotlar amperometrik ve potansiyometrik

olçümlerde kullanilir ve burada hedef; maddedir(O2-

elektrodunda çözünmüs O2, pH elektrodunda H+ iyonu

gibi).Optic sensörlerde hedef; ışık, pieozoelektrik

sensörlerde ise kristalin salınım rezonansının kütle

yüklenimi sebebiyle degişmesidir bunların dışında

transistorler ve termistorlerden de transduser olarak

faydalanılmaktadır.

Transduserler esas olarak dört grup altında toplanırlar;

1-Elektrokimyasal transduserler

-Amperometrik

-Potansiyometrik

-Konduktometrik

2-Optik transduserler

3-Akustik transduserler

4-Termal transduserler

Biyosensörlerde Çevirici Çeşitleri ve

Özellikleri

Geleneksel dönüştürücüler 3 çeşittir. Bunlar; H2O2 veya

O2 ölçümlerine odaklanan amperometre, pH veya iyon


ölçümleri yapan potansiyometre ve fiber optik kablo

kullanan fotometrelerden oluşur. Biyotanıma

reaksiyonları genelde kimyasal ürünler üretir ki bunlar

elektrokimyasal metotlarla kolayca tespit edilebilirler. H2

O2 (veya reaktif O2) bir çift eletrod vasıtası ile ölçülebilir.

Önce referans elektrodun karşısında olan elektroda

(Ag/AgCl veya Kalomel) uygun bir voltaj verilir. Bu

durumda hedef moleküller olan H2O2 veya O2 elektrotta

yüksetgenir ve ardından bir akım oluşur ve oluşan bu

akım amperametre ile algılanır. Potansiyometre ise bir

membranın iki tarafındaki H+ farkına bakarak çalışır.

Fotometre, oluşan ışığı sinyal olarak algılar. Fiber optik

kablolar oluşan bu ışığı yönlendirmede kullanılırlar.

Piezoelektrik Dönüştürücüler:

Pieazoelektrik materyalleri ve yüzey akustik dalga

cihazları kütle değişimine karşı hassas bir ortam sunar.

Bu tip dönüştücüler, biyoreseptörde tanıma reaksiyonu

sonrasında kütle artışı oluyor ise, çok uygundur. Mesela

kuartz kristal mikrobalans (QCM) adı da verilen

piezoelektrik silikon kristalleri hali hazırda pikogramlık

kütle değişimlerini bile hissedebilmektedirler. QCM’ lere

sabitlenen antikorların antijenleriyle karşılaşmalarıyla

oluşacak kütle değişimi işte bu şekilde algılanıp dijitalize

edilir.

Đletkensel Dönüştürücüler:

Solusyon iletkenliğindeki değişmeler bir reaksiyonun

hızını belirlemede kullanılır. Oluşan iyonların yaptığı

haraket sonucu iletkenlikdeki değişimleri baz alan bu

teknik bir çok enzim alakalı reaksiyon hızlarının

ölçülmesinde uygulanılmaktadır.

Elektrik Kapasitans Dönüştürücüleri:

Kapasitans ölçüm metodu kullanılarak oluşan bir

çeviricidir. Mesela, iki farklı elektrodlu levha üzerine

antikorlar immobilize edilse ve bir antijenantikor

reaksiyonu oluşsa sonuç doğal olarak iki levha

arasındaki ortamın dielektrik sabitesinde dikkate değer

bir değişim meydana gelir. Bu değişim de kolayca

belirlenebilir.

Termometrik Dönüştürücüler:

Bazı biyotanımlama reaksiyonları esnasında ortam

sıcaklığında fiziksel bir değişme olur. Bu değişim

gözlenerek reaksiyon dolayısıyla analit varlığı hakkında

yorum yapılabilir. Mesela ATP’nin hidrolizlenmesinde

veya antijen-antikor kompleksi oluşumları esnasında

meydana gelen reaksiyon sonucu ortam sıcaklığında

değişme olur.

FET Tipi Dönüştürücüler:

Đyon konsantrasyonlarındaki değişimi algılayabilen

FET’ler oldukça uygundurlar.


2.2.3.ĐMMOBĐLĐZASYON( TUTUKLANMA)

Genel olarak biyolojik komponent uygun bir şekilde

immobilizasyonla transdusere bağlanır.Biyoaktif bileşen

ile iletici unsurun birleştirilmesinde oldukça farklı

immobilizasyon yöntemlerinden faydalanılabilir.

Reseptorlerin transduserler üzerinde immobilizasyonu

fiziksel(adsorpsiyon, polimer matrikste tutuklanma vb)

veya kimyasal(kovalent bağlama, bir veya multi

fonksiyonel reaktifler ile çapraz bağlama) yöntemler ile

gerçekleştirilir.Immobilizasyon metodu immobilize

edilecek biyokomponentin yapısına gore belirlenir.

Kullanılan transdüksiyon elementi ve analitin fiziksel

durumu da seçilecek metod için önemli

özelliklerdir.Doku kültürleri, organeller ve

mikroorganizmaların immobilizasyonunda daha çok

polimer jellerde tutuklama yöntemi uygulanır. Polimer

matriksi biyokatalizörün kaçışını engellerken küçük

substratlar ve ürün moleküllerinin geçisine engel olmaz.

Genel olarak 5 yaygın metot vardır. Bunlar;

1-Adsorbsiyon, 2-Mikroenkapsulasyon, 3-Tutuklama,

4-Çapraz bağlama, 5-Kovalent

Nitelikli Biyosensörlerde Aranan Özellikler

Biyosensörler sekiz parametreye göre

nitelendirilirler:

1. Duyarlılık (ing:sensitivity): Cihazın analitteki değişime

(konsantrasyon) birebir cevap vermesi

anlamındadır. Duyarlılık yüksekse analitteki birim

değişim sensörün ekranında aynen görülür.

2. Seçicilik (ing:selectivity): Cihazın sadece analite

özgünlüğünü gösterir. Cihaz başka reaktiflere

ilgi göstermez ve hatalı sonuç vermez.

3. Ölçüm aralığı: Cihazın ölçebildiği analit

konsantrasyonun aralığıdır. Analit belli bir

konsantrasyondan az veya çoksa cihaz iyi bir duyarlılıkta

sonuç vermeyebilir.

4. Ölçüm süresi: Analit konsantrasyonundaki bir

basamak değişime karşı cihazın vereceği nihayi

yanıtın verilmesidir. Bir tür cihazın ölçme hızını gösterir.

5. Tutarlılık: Cihazın sonuçlarındaki tutarlılığı ifade

eder.

6. Tesbit sınırı: Cihazın tesbit edebileceği en düşük

analit konsantrasyonudur.

7. Ömrü: Cihazın, performansında gözle görülür bir

azalma olmadan verdiği hizmet ömrüdür.

8. Kararlılık: Belirli bir süre içinde cihazın

duyarlılığındaki veya baz çizgisinde değişimleri dikkate

alan bir kalite ölçüm parametresidir.

Biyosensör Dizaynında Dikkat Edilmesi

Gerekenler:


Biyosensör tasarımlarında önce biyosensörün hangi

analiti tanıyacağı tesbit edilmelidir. Sonrasında ise

aşağıdaki maddeler dikkate alınarak biyosensörler

dizayn edilmelidir. Bunlar sırasıyla;

1. Analite uygun bir biyoreseptörün belirleme (tanıyıcı

molekülün)

2. Biyoreseptörü dönüştürücüye sabitlemede

kullanılacak uygun ve verimli immobilizasyon yöntemi

teshis etme,

3. Biyoreseptörün analiti tanıyacak dönüştürücüyü

seçme ve dizayn etme,

4. Ölçüm aralığının, duyarlılığın ve ölçümlerdeki

parazitlere dikkate edilmesi,

5. Cihazın kompakt bir hale dönüştürülmesi

Tüm bunları yapmak için ise bir çok alanda geniş bir

bilgi birikimine ihtiyaç duyulur. Mesela, birinci şık için

biyokimya ve biyoloji, ikinci ve üçüncü için kimya,

elektrokimya ve fizik ve dördüncü için kinetik ve kütle

transferi alanları bunlardan birkaçıdır. Biyosensör

dizayn edilir edilmez sıra onun elverişli imalat ve

kullanma için uygun bir şekilde paketlenme kısmına

geçer. Modern imalat teknolojileri ve stratejileri sayesinde

çok daha az maliyetle biyosensör üretimi mümkündür.

Tasarıdan imalata tüm bu basamaklarda çoklu-

disiplinlerin bir arada kafa kafaya çalışması son derece

mühimdir.

Biyosensörlerin avantaj ve dezavantajlarını

belirleyen özellikler

Biyosensörleri esas alan analiz sistemlerinin avantaj ve

dezavantajlarını belirleyen temel özellikler aşağıdaki

şekilerde sıralanabilir;

*Biyosensörlerdeki biyoaktif bileşen spesifik ve kararlı

olma özelliklerini taşımalıdır. Biyoaktif bileşenin spesifik

olması girişim yapabilecek türleri içeren karmaşık içerikli

ölçüm ortamlarında detaylı ön işlem yapılmaksızın

analize olanak sağlar. Biyoaktif bileşenin kararlı olması

ise çok sayıda analize imkan vereceği için biyosensörün

ekonomik olmasını olanaklı kılar.

*Biyosensörlerdeki temel reaksiyonun fiziksel

parametrelere olabildiğince az duyarlı olması tercih

edilir. Bu özellik fiziksel koşulların değişebildiği

laboratuvar dışı koşul ve ortamlarda da güvenilir

analizlerin yapılabilmesine olanak sağlar.

*Biyosensör cevaplarının doğru, duyarlı ve tekrarlanabilir

olması büyük önem taşır. Cevapların doğruluğu

beklenen esas özelliklerdir. Duyarlık, biyolojik

sistemlerden gelen unsurlar kullanıldığı için genelde

çoğu klasik yöntemden daha kullanışlıdır.Tekrarlanabilir

sonuçlar alınması ise bir ölçüde daha önce sözü edilen

parametrelerle de alakalıdır.Cevap zamanının kısa olması

ise genelde biyosensörlerin tercihli olarak kullanımlarına

yol açan en önemli özelliğidir.

*Biyosensörlerde algılayıcı elementin küçük ve bazen

biyouyumlu olması önemlidir. Küçük ve biyouyumlu

sistemlerin özellikle in vivo ölçümlere uyarlamada önemli

üstünlükleri mevcuttur.

*Ölçüm ünitesinin ucuz ve taşınabilir olması değişik

alanlarda yaygın kullanımına olanak sağlar.


*Biyosensörler düşük maaliyette seri olarak büyük

miktarlarda imal edilebilirler. Özellikle tek kullanımlık

şekilde standardize edilebilen biyosensör türleri,

kullanım kolaylığını arttırabildiği gibi kullanacak

kişilerin de detaylı bir tecrübeye sahip olmasını

gerektirmez. Bu nedenle yaygın kullanım olanakları

karşımıza çıkar.

Doğal olarak tüm biyosensörlerin bu özelliklerin tümünü

üzerinde taşıması mümkün değildir. Ancak doğru

,duyarlı ve tekrarlanabilir cevaplar kesinlikle beklenen

parametrelerdir. Bunların dışındaki parametrelerdeki

değişiklikler biyosensörlerin diğer yöntemlere avantaj ve

dezavantajları olarak karşımızdadır.

BĐYOSENSÖRLERĐN UYGULAMA ALANLARI

Biyosensörler tıp, gıda, eczacılık, çevre kirliligi, savunma

ve bir çok endustriyel aktivitede özellikle otomasyon,

kalite kontrolü, durum tespit ve enerji saklanmasında

çok önemli rol oynarlar.

Bugüne kadar 180’den fazla farkli madde için biyosensör

hazirlanmiş olup bunlardan ancak 25 kadarı ticari

olarak üretilmektedir.

Biyosensorlerin başlıca kullanım alanları:

• Klinik diyagnostik, biyomedikal sektör

• Proses kontrolü:

o Biyoreaktor kontrol

o Gida uretim ve analizi

• Tarla tarımı, bag-bahçe tarımı ve veterinerlik

• Bakteriyel ve viral diyagnostik

• Endüstriyel atık su kontrolu

• Çevre koruma ve kirlilik kontrolü

• Maden ve işletmelerinde toksik gaz analizleri

• Askeri uygulamalar

Tıp

Metabolitlerin ölçülmesi, insulin eksikliği belirtilerinin

ölçülmesi, hastane koşullarının gözlenmesi, yapay

pankreasın çalışma koşullarının kontrolü, vb. şeyler.

Antijen - Antikor - Toksin - Lipozom - Enzim

kombinasyonuyla hazırlanan kolera toksin biyosensörü,

DNA hibridizasyonu temeline dayanan DNA-Avidin-

Biotin-Lipozom-Enzim kombinasyonuyla oluşturulan Tay

Sacs biyosensörleri örnek olabilir.

Son yıllarda analizatörlere enzim elektrodlari monte

edilmiştir ve yoğun bakım ünitelerinde kullanılmaktadır.

Ayrıca biyoproseslerin nükleik asit düzeyinde izlenmesi,

ilaçların reseptörlere etkisi ve özellikle transmitter-

reseptör etkileşimi de biyosensörlerin gelecekteki önemli

tibbi uygulamaları olması beklenmektedir.

Biyosensörlerin gelecekte önemli uygulamalarından biri

superoksit ve nitrik oksit gibi kısa ömürlü ve

hormonlar ve norotransmitterler gibi düşük

konsantrasyonlu maddelerin in vivo tayini olacaktır.

Çevresel analizlerde

Klorür, pH, kalsiyum, nitrat, sodyum, potasyum,

magnezyum, amonyum duyarlı kimyasal sensörler

vardır. Biyoraportörler yoluyla petrol sızıntıları, yeraltı

sularındaki uranyum miktarı, zehirli atıkların,

kanserojenlerin ve içme sularını kirleten

Çevre Koruma

Ajansı (ing:EPA

(Environmental

Protection

Agency) EPA


mikroorganizmaların konsantrasyonları tespit

edilmektedir. Çevre Koruma Ajansı tarafından hava ve su

düzenli olarak kontrol edilmektedir. Ayrıca yerel idari

mercilerin de bölgesel izleme birimleri vardır. Bu birimler

düzenli olarak hava ve suyu tahlil ederler.

Đlaç analizleri

Artık, kimyasal silahların tesbitinde olduğu gibi, biyo-

silahların tesbiti için de küçük boyuttaki robotlar ya da

uçaklar kullanılabilecektir.

Đlaçlarin kötü amaçla kullanımı ve uyuşturucu ile

mücadelede biyosensörler uygulanabilecektir.

Uyuşturucu arayan köpeklerin yerini biyosensörler

almasi beklenmektedir. Böylece özellikle gümrüklerde,

karakollarda zaman tasarrufu sağlanmış olacaktır.

Endüstri

Endüstriyel proses kontrollerinde gereklidir.

Biyoreaktörlerin kontrolü, giren hammadde ve çıkan

ürünlerin ölçülmesi, vb şeklindedir.

Biyomedikal Sektör

Hiç kuşkusuz biyomedikal sektör biyosensörler için en

iyi pazar alanıdır. Enzim sensörleri bu alanda uygulama

olanağı bulan ilk biyosensörlerdir. Ticari olarak üretilen

ilk biyosensör ise şeker hastalığı teşhisi için kan ve

idrarda glukoz tayinini mümkün kılan glikoz oksidaz

elektrodudur. Biyosensörlerin , ilaçların vücuttaki

düzeylerinin ayarlanmasi ve kontrolunde kullanılması

yakın bir gelecekte gerçekleştirilebilecektir. Örneğin

:Yapay pankreas çalışmaları.

Savunma (askeri ve sivil)

Askeri ve sivil savunma alanında kullanılmak üzere bir

çok sensör ve biyosensör dizaynı ve imalatına, son körfez

krizi ve 11 Eylül sonrasında hızlandırılmıştır. Herhangi

bir biyoterör ve biyosaldırı sonrası erken tesbit ve analiz

için çok güçlü ve taşınabilir biyosensörler en elzem

aygıtlardır.

Savaş durumunda kimyasal ve bakteriyolojik silahlara

karşı korunma olasılığı çok kolay değildir. Çünkü

bunların algılanması zordur. Ancak biyosensörler

sayesinde bu algılama mümkündür. Birçok kimyasal

savas maddesinde organofosfor bileşikleri bulunur ve

bunlarda kolinesteraz enzim sensörleri ile tayin edilir.

Bakteriyolojik silahlardaki virus,bakteri ve toksik ajanlar

diğer bazı biyosensörler ile tayin edilebilmektedir.

Bu konu ilerde daha detaylı verilecektir.

Biyoteknoloji ve Gıda

Biyoteknoloji ve gıda endüstrisinde başta glikoz olmak

üzere bir çok monosakkarit, amino asitler, organik

asitler (laktik asit) üre ve alkol tayinlerinde enzim

sensörleri kullanılır. Ayrıca gıdalardaki yabancı maddeler

(peptisitler, toksitler ve yabancı hormonlar vb.) yanında

aroma ve tazelik gibi komplex parametreler içinde

biyosensörler geliştirilebilir.


Günümüzde gıda zehirlenmelerinin gittikçe artması

toksik ve mikrobiyal kontaminantların daha hızlı

tayinini zorunlu tutmaktadır. Biyosensörler yardımı ile

bu tayin 2 şekilde başarıyla uygulanır.

I. Antigen-antikor reaksiyonu veya DNA

hibridizasyonu vasitasi ile mikroorganizmalarin

dogrudan analizi

( immüno sensörler+DNA sensörleri).

II. Mikrobiyal kontaminasyonun gidanin metabolik

değişimi üzerinden dolaylı analizi (Enzim tayini).

GIDA

Gıdalara uygulanan analizler temelde kalite ve güvenlik

amacına yönelik olarak uygulanmaktadır. Kaliteden

amaç, bazı fiziksel özellikler ve kimyasal bileşenlerin

miktarlarını, guvenlikten amaç ise zararlı

mikroorganizmaları veya onların toksinlerini ve diğer

allerjen ve toksik bileşenlerin miktarlarını bulmaktır.

Ayrıca gıdalara dışarıdan katılan belirli bir amaca yönelik

olan veya olmayan maddelerin tespiti de önemlidir.

Biyosensörlerin gruplarına göre analiz alanları Tablo 1’de

gösterilmiştir.

BIYOSENSOR

GRUBU

KAPSADIGI ANALIZ ALANI

Enzim sensorleri Kucuk molekullu organik ve

anorganik maddeler

Mikrobiyal

sensorler

Enzim sensorlerin kapsadigi

alanlar + BOD, Toksisite,

Mutajenite

BOD: biyokimyasal oksijen

ahtiyaci

DNA – sensorleri Virusler, Patojen,

mikroorganizmalar

Immuno sensorler Virusler,Patojen,mikroorganiz-

malar+Ksenobiyotikler

Proses boyunca in-line (sensörün örneğe daldırıldığı)

yada on-line (örneğin sürekli olarak sensörün üzerinden

geçtiği) analizlerde biyosensörler ürünlerin kalite

kontrolünde ve gıda endüstrisinin bazı uygulamalarında

kolaylık sunabilir. Proses kontrolünde kromatografik

yöntemlerle karşılaştırıldığında biyosensörlerin iki

avantajlı yönü yüksek seçicilik ve hızlı cevap zamanıdır.

Doksanlı yılların sonunda gıda endüstrisinde çok az

sayıda biyosensör kullanılmaktaydı ve bunlar da off-line

analiz niteliğinde gerçekleştirilmekteydi. Ticari olarak

kullanım gıda ve içecek sanayinde benzer teknolojiler

üzerine tasarlanmaktaydı. Ya bir oksijen elektrodu yada

bir hidrojenperoksit elektrodu ile birleştirilmiş enzim

sistemleri uygulanmaktaydı. Gıda analizlerinde

elektrokimyasal ve enzim sistemlerinin kombine edildiği

sistemler ve özellikle oksidaz temelli sistemler ticari

anlamda baskın rol oynamakta hücre doku veya

mikroorganizmaya dayalı biyosensörlerin geç cevap

süreleri nedeniyle kullanımının ise kısıtlı olacağı

beklenmektedir. Enzimlerin saflaştırılması, enzim

stabilizasyonu ve immobilizasyon yöntemleri

konusundaki ilerlemeler ve

biyosensörlerde cevaplama hızının artması, analiz

süresinin azalmasına katkılar sunmaktadır.

Biyosensorlerin eş zamanlı veri sağlama yetenekleri ve

basit dizaynlarının yanı sıra ucuz olmaları gıda

üretiminde kalite ve güvenliğin izlenmesinde çok çeşitli


uygulamalarda kullanılmalarına olanak verecektir.

Örneğin optik biyosensörler asetaldehit, glikoz, alanin,

laktat, nitrat, gliserol, etanol, ksilitol, glutamat ve

sorbitol gibi çesitli bileşenlerin konsantrasyon

belirlemelerinde potansiyel uygulama belirlenecektir.

Bunun yanında et ve süt ürünlerinde ilaç kalıntıları,

hormonlar, antibiyotik kalıntılarının belirlenmesi ve

gıdaya bulaşan Salmonella, Listeria ve Staphylococus

gibi çeşitli mikroorganizmaların belirlenmesi

biyosensörler tarafından yapılabilmektedir. Günümüzde

birkaç ticari biyosensör çeşidi içermektedir. Bu

biyosensörler; otoanalizatörler, manuel laboratuar

cihazları ve taşınabilir cihazlar şeklinde vardır. Bunlar,

Apec Glikoz Analiz Sistemi, ESAT Glikoz Analiz Sistemi,

Glucoprocesseur, Amperometrik Biyosensor Detektor, ISI

Analiz Sistemi ve Oriental Tazelik Ölçer gibi ya oksijen

elektrodu yada hidrojenperoksit elektroduna bağlanmış

oksidaz sistemleri içeren benzer teknolojiler vardır.

Elektrokimya prensibine dayalı olarak çalışan Malthus

2000 gibi mikroorganizma izleyebilen ticari sistemler de

vardır. Bu cihaz mikroorganizmanın Aykut U., Temiz H.

Teknolojik Araştırmalar: GTED 2006 (3) 51-59-55

gelişmesi ve metabolizması sonucunda meydana gelen

yapıların elektriksel iletkenliğindeki (konduktansı)

değişiklikleri belirlemektedir ve bu cihazın analiz süresi

8-24 saattir. Midas Pro adlı cihaz ise amperometrik

belirleme tekniğine vardır ve 20 dakika icinde mL’de 106

hücrelik değişim aralığında mikroorganizmaları tayin

edebilmektedir. BIACORE’un mikroorganizma

belirlenmesi icin SPR (Yuzey plazmon resonans)

teknolojisine dayalı cihazları vardır. Lumac Biocounter ve

Unilite ise biyoluminesans prensibine dayalı olarak

çalışmakta ve mikrobiyal biyokutleyi tayin etmektedirler.

Her iki analiz cihazı da 10 dakikalık sure icinde mL’de

103 hucrelik değişimi algılayabilmektedir.

Gıda endüstrisinin gereksinimlerini karşılamaya yönelik

dünya çapındaki biyosensör üreten firmalardan bazıları

Tablo 2’de gösterilmektedir.

Tablo 2. Gıda endüstrisi için ticari biyosensörler [3]

Sirketler( ulkeler) Biyosensorler Gizli Bilesen

Danvers (ABD) Apec Glukoz

Analyser

Glikoz

Biometra

Biomedizinische

Analytik

GmbH(Almanya)

Biometra

Biosensors For

HPLC

Glikoz, etanol ve

Methanol

Eppendorf (Almanya) ESAT 6660

Glukoz Analyser

Glikoz

Solea-

Tacussel(Fransa)

Glukoprocesseur Glikoz ve Laktat

Universal

Sensors(ABD)

Amperometrk

Biosensor

Detector

Glikoz, Galaktoz, L-

amino asitler,

Askorbat ve Etanol

Yellow Springs

Enstrument

(ABD)

ISI Analysers Glikoz, Laktoz, L-

laktat,Etanol, Metanol,

Glutomat ve Kolin

Toyo Joso

Biyosensors(Japonya)

Models: PM-

1000 ve PM-1000

DC (on line), M-

100,AS-200 ve

PM-1000 DC

Glikoz, Laktat, L-

amino asitler,

Kolesterol,Trigliseritler

,Gliserin, Askorbik

asit, Alkol

Oriental Oriental Balik Freshness


Electric(Japonya) Freshnees Meter

Swedish Biacore

AB(Isvec)

BIOCORE Bakteri

Malthus Instruments

(Ingiltere)

Malthus 2000 Bakteri

Biosensori SpA

(Italya)

Midas Pro Bakteri

Biotrace(Ingiltere) Unilite Bakteri

Biyosensorler gıdalarda kompozisyon belirlemede,

işlenmiş ve çiğ gıdalarda kontaminasyonu belirlemede,

fermentasyon prosesinin on-line kontrolünde

uygulanmaktadır. Yine analiz süresini Teknolojik

Araştırmalar : GTED 2006 (3) 51-59 Biyosensörler Ve

Gıdalarda Kullanımı 56 kısaltması ve maliyetinin daha az

olması nedeniyle on-line olçüm sistemleri oluşturularak

HACCP sistemlerinde kontrol mekanizması olarak

uygulanabilmektedir[3].

Gıda bileşenleri üzerine değişik gıdalarda çeşitli

transduserler ve biyokomponentlerle hazırlanmış

biyosensörlerin tespit aralıkları Tablo 3 ve 4’de

gösterilmiştir.

Tablo 3. Gıda maddelerindeki çeşitli bileşenler için

biyosensör uygulamaları [3

Kontaminasyon :

Bulaşma, genelde

yabancı maddelerin

karışması-kirlenme

olarak kullanılır.

Analit Uygulama Biyokompone

nt

Transduser Tespit

Araligi

Glikoz

Yumusak

ickiler,

Meyve

sulari ve

Sut

Glikoz oksidaz

Amperometrik

50-500 mM

Glikoz ve

Laktoz

Sut

Glikoz oksidaz,

β-galaktosidaz

ve

mutarotaz

Amperometrik

4.44 g/100g

(laktoz)

Glikoz,

Fruktoz,

Etanol,

L-Laktat,

L-Malat,

Sulfit

Sarap

Glikoz oksidaz,

D-fruktoz

dehidrogenaz,

Alkol

dehidrogenaz,

L-malat

dehidrogenaz,

Sulfit oksidaz,

Diyaforaz

Amperometrik

0.03-15 mmol

(Glikoz)

0.01-10 mM

(fruktoz)

0.014-4 mM

(etanol)

0.011-1.5 mM

(L-laktat)

0.015-1.5 mM

(

L-malat)

0.01-0.1 mM

(sulfit)

Fruktoz Bal, Sut,

Meyve suyu

ve Sarap

D-fruktoz

dehidrogenaz

Amperometrik 50 x 10-6- 10

x10-

3 mol/L

Nisasta Bugday unu

ornekleri

α- amilaz,

Amiloglikosilaz

ve glikoz

oksidaz

Amperometrik 5 x 10-6-5

x10-4

mol/L

Etanol Bira

Alkol oksidaz Amperometrik 0.12- 2.00

mM

Aset aldehit

alkollu

icecekler

Alkol

dehidrogenaz

Amperometrik

0.5-330 M

Polifenol Yesil cay,

uzum ve

Zeytin

ekstarktlari

Tyrosinaz Amperometrik 10-100 mol

/L

Sitrik asit

Meyva suyu

ve Sporcu

Sitrat Liyaz

Amperometrik

0.015-0.5 mM


icecekleri

L-malat

Sarap,

Meyve

sulari ve

Cider

L-malat

dehidrogenaz

ve Salsilat

hidroksilaz

Amperometrik

0.01-1.2

mmol/L

Askorbik

asit

Meyve

sulari

Askorbat

oksidaz

Amperometrik

5.0x10-5-

1.2x10-3

M

L-amino

asitler

Sentetik

ornekler

L-amino asit

oksidaz ve

Horseradis

peroksidaz

Potansiyometrik

-

L-glutamat Gida

aromalari

L-glutomat

oksidaz ve

NADH oksidaz

Amperometrik

0.05-1.0 mM

Aminler Balik Diamin

oksidaz

Amperometrik

<6 mm

Biyojenik

aminler

Balik Diamin

oksidaz

Amperometrik

<9.5x10-7 M

Histamin Deniz

urunleri

Histamin

oksidaz

Amperometrik

10-20 µM

Hipoksantin Balik Ksantin

oksidaz

Amperometrik

0.5-30 µM

Nitrat Sentetik

ornekler

Nitrat reduktaz

Amperometrik

< 100 µM

nitrat

Oksalat

Ispanak

ornekleri

Oksalat

oksidaz

Amperometrik

0.12-100 µM

Oksalat

Ispanak

ornekleri

Oksalat

oksidaz ve

horseradish

peroksidaz

Amperometrik

0.1-2.0

mmol/L

Tablo 4. Gıda analizlerinde kalıntı, mikroorganizma,

toksin ve katkılar için biyosensör uygulamaları [3]

Analit Uygulam

a

Biyokomponent Transduser Tespit

orani

Antibiyotikl

er

Sut Antibadiler SPR -

Antibiyotikl

er

Gidalar Antibadiler SPR 20-35

ng/ml

Bakteri Tavuk

karkasi

Anti-salmonella

antibody

Amperometrik 103- 107

cfu/ml

Bakteri Beef Anti-E coli 0157:H7 Fiber-optik 3-30-

cfu/ml

Bakteri Gidalar Anti-E coli ve Anti-

Salmonella

Antibadileri

Amperometrik 50-200

hucre/ml

Bakteri Tavuk ve

balik

S.Enteridis

proteinleri

Piezopelektrik

quartz Kristal

-

Bakteri Gidalar Anti-Salmonella

spp antibadi

Piezopelektrik

quartz Kristal

5x105-

1.2x109

cfu/ml

Herbisit Sebzeler Antibadiler ISFET 5-175

ng/ml

Herbisit Gidalar Antibadiler Potansiyometrik 0.5- 5

µg/ml

Herbisit Icme

suyu

Antibadiler Piezopelektrik

quartz Kristal

-

Peptisitler

Sentetik

ornekler

Asetilkolinesteraz

Piezopelektrik

quartz Kristal

5x10-8-

1.0x10-5 M

(parokson)

1.0x10-7-

5x10-5 M

(karbaril)

Peptisit

Sentetik

ornekler

Asetilkolinesteraz

Fiber-optik

5x10-8-

5.0x10-7 M

(karbofura

n)

5x10-7-

5.0x10-6 M

(parokson)

Peptisit Sentetik

ornekler

Butinilkolinesteraz

ve kolin oksidaz

Amperometrik 3.3-209

µmol/L

Peptisit Sentetik Asetilkolinesteraz Fiberoptik 0.5-20mM


ornekler

Peptisit Sentetik

ornekler

Asetilkolinesteraz

ve

Butinilkolinesteraz

Potansiyometrik 1.5x10-5 -

2.5x10-3

mol/L

Peptisit Sentetik

ornekler

Asetilkolinesteraz Amperometrik 1.8x10-7-

5.4x10-5 M

Peptisit Sut Kolinesteraz Amperometrik 1x10-11-

5x10-7 M

Peptisit Sebzeler Asetilkolinesteraz

ve

Butinilkolinesteraz

Amperometrik 5x10-5-50

mg/kg

Peptisit Meyve

sebze

sulari

Asetilkolinesteraz

ve

Butinilkolinesteraz

Amperometrik 0.5-2500

µg/L(karba

ril)

Peptisit Meyve ve

sebzeler

Kolinoksidaz,

Asetilkolinesteraz

ve Asetilkolin

Amperometrik 1x10-8-

4x10-7 M

Peptisit Spiket

elma

ornekleri

Tirosinaz Amperometrik 0.2-2.2

µmol/L

Toksin Gidalar Anti-aflatoksin

antibadi

Fiber-optik -

Toksin Sentetik

ornekler

Anti-staphylococal

enterotoksin

B(SEB) Antibadi

Piezoelektrik

quartz kristalin

1-10 µg

SEB/ml

Toksin Sentetik

ornekler

Antibadiler SPR -

Toksin Gidalar Antisphylococal

enterotoksinA(SEA)

antibadi

Optik 10-100

ng/g

Toksin Gidalar Antisphylococal

enterotoksinA(SEA)

antibadi

SPR 1-10 ng/ml

Aspartam Gidalar Alkol oksidaz, α-

simotrizin ve

katalaz

Amperometrik -

Biyosensörlere Đlişkin Bazı Spesifik

Uygulamalar

Son yıllarda geliştirilen ve yeni uygulama olanağı bulmuş

değişik biyosensör çalışmaları vardır;

*Antijen - Antikor - Toksin - Lipozom - Enzim

kombinasyonuyla hazırlanan kolera toksin

biyosensörüne, DNA hibridizasyonu temeline dayanan

DNA-Avidin-Biotin-Lipozom-Enzim kombinasyonuyla

oluşturulan Tay Sacs biyosensörleri örnek olabilir.

*Diasetilen lipid ile türevlendirilmiş sialik asit molekülleri

yardımıyla enfekte edilmiş örneklerde, UV ışık etkisiyle

renk değişimi yoluyla virüslerin tayini, S.aureus ve

E.Coli'nin fluoresans veren sistemler yoluyla

belirlenmesi, gıda zehirlenmelerinde yaygın olarak

karşılaşılan çeşitli bakterilerin antijen-antikor ve optik

sistem kombinasyonlarıyla analizlenmesi son yıllardaki

diğer ilginç biyosensör örnekleridir.


Maviden Kirmiziya Basit Renk Degisimiyle Viruslerin

Belirlenmesi:

Önemli bir ekipmana gerek duyulmaz.Virüs bağlayıcı

element, sialik asit olarak bilinen hücre yüzeyi

şekerlerinin sentetik bir halidir. Sentetik sialik asit daha

uzun bir diasetilen lipit ile kombine edilmiştir . Bu

moleküller bir mikroskop camı üzerine yayılmıştır. UV

ışığına maruz bırakıldığında diasetilen lipitlerdeki üçlü

bağ aktive edilerek film tabakasının mavi renkli görünüm

alır. Enfekte edilmiş örneklerde virüslerin sialik aside

bağlı lipit zincirlerinin konformasyonunda degişikliğe yol

açarak farklı dalga boyunda ki ışığın *absorblanmasına

neden olur ve renk maviden kırmızıya değişir. Renk

şiddeti örnekte var olan virus miktariyla

ilişkilendirilmiştir. Kalorimetrik olarak yorum yapılır.

Mavi Florasan:

Kırmızı Florasan:

*Gıda zehirlenmelerinde karşılaşılan 12 bakteri arasında

Salmonella , Listeria, Monocytogones , Yersenia

enterecolitica , E.coli 01.57:H , generic E. coli ve

Campylobacter jejuni en sık karşılaşılan altı tanesidir.

System belirlenecek bakterilere ilişkin ve ureaz aktivitesi

gidilebilmektedir. Oligonükleotidler de hibridizasyon

içeren antigenlerin ilgili bakterilere karşı üretilmiş ve

optik sistemlerle birleştirilmiş antikorlarla etkileşimini

kapsar. Ortama üre katılmasıyla birlikte amonyak

oluşumunu meydana getirdiği değişiklikler, sensörün,

lazer ışığı ile etkileşiminde değişikliklere yol açarak

patojen mikroorganizmaların konsantrasyonunun

belirlenebilmesine olanak sağlar.

Mikrocantilever olarak adlandırılan , 500 X 100 X 1

mikronboyutlarında, silikondan oluşturulabilen örnekleri

bulunan, üç yanı serbest ve tek bir kenarından merkezi

bir odağa bağlı çıkıntılardan meydana gelen, antijen-

antikor yada oligonükleotid hibridizasyonunu esas alan

biyosensör sistemleri de son yıllardaki ilginç örneklerden

bazılarını kapsamaktadır. Söz konusu çıkıntılar üzerinde

immobilize edilen PSA ya karşı üretilmiş antikorlar ile

PSA analizi yapılabilir. Sistemin temel prensibi, antijen -

antikor bağlanması sonucunda ince çıkıntıların eğilmesi

ve bu çıkıntılara yönlendirilmiş lazer ışınlarının doğrultu

değişiminin belirlenerek tayin edilecek madde miktarıyla

korelasyonudur. Mikrocantilever esaslı sistemlerde

vibrasyonal frekanstaki değişimlerin ölçülmesi yoluyla da

sonucun özellikleri sayesinde bu sistemle tayini

yapılabilmektedir. Özellikle makromoleküllerin analizine

imkan veren bir sistem olması diğer pek çok klasik

Hibridizasyon, genellikle

moleküler biyolojide DNA

havuzlarındaki sıraların

genetik olarak

benzerliklerini ölçmek için

kullanılan bir tekniktir


biyosensör türünde çeşitli problemlere sahip

makromolekül tayinleri açısından önemlidir.

In vivo ölçümlerde, beyin veya diğer dokularda sürekli

analiz ve izleme yapılabilen, enzimlerin değiştirilebildiği

ve bu sayede farklı maddelerin de analizine imkan veren

iğne tip mikrodiyaliz biyosensörleri de son yılların ilginç

gelişmelerindendir.

*Biyosensörden çok bir sensör olarak nitelenebilecek

olan telesensörler, biyolojik sistemlerle ilişkili olmaları

nedeniyle genelde literatürde biyosensörlerle birlikte

geçmektedirler.Telesensörler 2 X 2 mm boyutlarında

vücuda bir bantla tutturulan ve yoğun bakım hastaları,

bebekler, polisler, itfaiyeciler ve askeri personelin

fizyolojik durumlarının uzaktan

izlenebilmesine imkan sağlarlar.

Telesensörler, uzaktan ve bağlantısız bir


şekilde radyo frekansları yoluyla ilgili kişilerin vücut

sıcaklıklarının izlenmesini gerçekleştirebilirler.

Bilim adamlarınca hastalıkların teşhisinde kullanılmak

üzere geliştirilen yeni fanilanın en önemli özelliği akıllı

olmasıdır. Akıllı fanila, giyildiği birkaç gün boyunca

giyenin kalp atışlarını, ateşini kontrol ediyor, ter analizini

yapıp kayda alıyor. Biyoloji mühendislerince geliştirilen

ve halen test aşamasında olan akıllı fanila, tıpta yakın

bir gelecekte kullanılmaya başlanacak biosensör

teknolojilerinden yalnızca bir tanesidir. Geliştirilmekte

olan teknoloji harikası biosensörler sayesinde, stresten

baygınlık nöbetlerine, mide ekşimesinden kalp

spazmlarına kadar her türlü rahatsızlık, doktorlar

tarafından sonradan takip edilebilecek. Vücudun içine

yerleştirilen ya da giyilebilen bu biosensörlerin bazıları

şimdiden satılıyor, bazıları ise insan ‘‘kobaylar’’ a

uygulanıyor. BT laboratuarlarından Prof. Peter Cochrane,

biosensörleri deneyen gönüllü kobaylardan. Cochrane'in

denediği alet, sıradan bir saat şeklinde. Görevi ise,

konferans verirken aşırı heyecanlandığında ve nabzı

110'a çıktığında profesörü uyarmak ve sakinleşmesini

sağlayarak nabzını 80'e düşürmek. Đngiliz bilim adamları

hastalıkları anında teşhis ve tedavi için çip

teknolojisinden yararlanarak yeni bir yöntem

tasarladılar. Buna göre vücuda yerleştirilen bir çip en

küçük bir sağlık sorununda elektronik olarak bağlantılı

olduğu bilgisayara haber veriyor ve bu bilgi oradan da

hastanın doktoruna iletiliyor. Biyosensör, yani

biyoalgılayıcı adı verilen çip böylelikle sağlık

problemlerinin en kısa sürede giderilmesine olanak

sağlıyor, hatta hayat kurtarıcı bir nitelikte. Đnsan sağlığı

konusunda devrim niteliğindeki yöntem Đngiltere'nin en

saygın üniversitelerinden Londra'daki Imperial College

Kimya Fakültesi öğretim üyelerinden Prof.John Perkins

tarafından üretildi. Biyosensör, kan damarlarına veya

istenilen bir organa basit bir işlemle naklediliyor.

Gerekirse vücuda birden fazla biyosensör

uygulanabiliyor. Biyosensör kandaki veya verilen

nefesteki, yada beyinde oluşan kimyasal maddeleri ölçüp

vücutta meydana gelen her türlü kimyasal değişimleri

anında bulup ve hastalık bulguları halinde sinyal halinde

merkezi bilgasayara bulguları gönderiyor. Biyosensör

bununla da kalmayarak hastalığa ilk müdahaleyi

yapıyor, hastaya ne yapacağını bilgisayar aracılığıyla

iletiyor. Kalp, felç veya şeker koması gibi acil durumlarda

doktora telefon ederek randevü alabilen biyosensör daha

acil vakalarda ise ambulans çağırıp, hastanın

yakınlarına bilgilendiriyor. Biyosensör acil durumlarda

hastanın nerede, hangi pozisyonda olduğunu, bayılıp

bayılmadığını haberdar edebiliyor.

DNA ile 15 dakikada teşhis Ege Üniversitesi (EÜ)

Eczacılık Fakültesi, "biyosensör" adı verilen algılayıcı

cihaz sayesinde bulaşıcı ve kalıtsal hastalıkların tayinini

15 dakikada gerçeklestirebiliyor. Eczacılık Fakültesi

Öğretim Üyesi Prof. Dr. Mehmet Şengün, DNA

incelemeleri ile genetik ve bulaşıcı hastalıkların "hızlı,

basit ve ucuz yoldan" tanımlanabilmesinin mümkün

olduğunu söyleyerek, açıklamasında şu ifadelere yer

verdi: "Kişilerin gen haritasından faydalanarak, DNA

incelemeleri ile kalıtsal veya bulaşıcı bir hastalığı olup

olmadığını belirleyebiliyoruz."

Pittsburgh kentindeki Allegheny-Singer Araştırma

Enstitüsü’nde görevli bilim adamı Garth Ehrlich ve


ekibi, New York’taki Amerikan Mikrobiyoloji Birliği’nin

konferansında yeni protezler konusunda açıklama

yaptılar. Ehrlich, konferansta yaptığı konuşmada,

protezlere yerleştirilen biyoalgılayıcı (biyosensör)

sayesinde bakterilerin türlerinin tespit edileceğini

belirterek, protezin, bakterileri tanıdıktan sonra, içinde

bulunan antibakteriyel maddeleri salgılayacağını ve

böylece enfeksiyonun tedavi edileceğini söyledi.

Algılayıcıların tedavi sürecini takip edeceğini ve özel bir

iletişim sistemiyle hekimi bilgilendireceğini söyleyen

Ehrlich, projede hekimlerin, mikrobiyologların,

mühendislerin ve biyofilm uzmanlarının görevli olduğunu

belirtti. Ehrlich, protezin ilk prototipinin 7 yıl içinde

üretileceğini müjdeledi.

'Đtfaiye robot'lar geliyor

Deprem, sel gibi doğal afetlerde insanlara yardım

eden, inşaatlarda işçi olarak çalışan, dans eden

robotlardan sonra şimdi de itfaiye işlevi görecek

robot üretildi.

Bir ormanı saatte 10 – 20 km hızla dolaşan OLE

adındaki robot, biyosensörler yardımıyla etrafı sürekli

tarayarak çıkan yangını anında algıladıktan sonra

harekete geçiyor ve gerekli miktarda su püskürtmeye

başlıyor.

Biyosensör Pazarı

Biyosensör pazarı incelendiğinde üretimin %90 dan

fazlasının tıp alanında kullanıldığı ve bunun da ağırlıklı

olarak glukoz tayinine yönelik enzim esaslı

biyosensörlerden oluştuğu anlaşilmaktadir. Đnsan

sağlığının birincil önemi, şeker hastalığının yaygınlığı,

vücut sıvılarının genelde standart bileşimi ve tasarlanan

sistemlerin uygunluğu bu sonucu meydana getirmiştir.

Doğal olarak, son yıllardaki bilimsel ve teknolojik

gelişmeler diğer bazı biyosensör türlerinin de bu

pazarda paylarının hızlı bir şekilde artmasına sebep

olacaktır. Ancak enzimlerin çok yüksek sayı ve çeşitliliği

ve çok farklı kullanım alan ve amaçlarında

yararlanılabilir olmaları bu pazarda egemenliğin enzim

esaslı biyosensörlerde olması sonucunu getirmektedir.

Biyosensör piyasasi günden güne ilerlemektedir. 2000

yılında 1.4 milyardolarlık bir piyasaya ulaşacağı bunun

%45’I tıp,

%22’si gıda,

%17’si çevre koruma ve biyoteknolojiye,

%16’sinin ise diger sektörlere yönelik olacağı

düşünülmektedir.

Biyosensör pazarının sektörler ,konular ve firmalar

bazında dağılımı aşağıdaki tabloda gosterilmektedir.

(Veriler 90’lı yılların ikinci yarısına aittir )


2.2.3.ENZĐM SENSÖRLERĐ

Biyosensör teknolojisinin geçmişine bakıldığında bu

alandaki ilk çalişmaların enzim sensörleriyle başladığı

anlaşılmaktadır. 1962’de Clark ve Lyson ve 1962’de

Updike ve Hick tarafından rapor edinilen glukoz tayinine

yönelik glikoz oksidaz enzim elektrotları bu konudaki ilk

örneklerdir. Biyosensör teknolojisinde ki ilk örnekler

özellikle amperometrik ve potansiyometrik temelli enzim

elektrotları olarak geliştirilmiştir. Bu durumun en önemli

nedeni o tarihte ki bilgi ve teknolojik birikimin söz

konusu çalışmalar için yeterli düzeye erişmesidir.

Biyosensör teknolojisinde kullanılan biyolojik

materyaller artan komplekslik niteliklerine göre

sıralandıklarında;iyonoforlar , antikorlar,enzimler,

lipozomlar, biyomembran parçalari(orn:reseptor), hücre

organelleri(orn:mitakondri) doku veya tüm hücreler ve

organlar(örn:görme ve koklama) şeklinde

gruplandırılabilirler.

1960’lı yıllarda biyoloji ve biyokimya bilimlerindeki

tarihsel gelişme parelelinde tüm bu yapılar içinde

fonksiyonları nispeten daha ayrıntılı bir biçimde

tanımlanan en önemli grubu enzimler içermekteydi.

Bunun yanısıra elektrokimya alanındaki gelişmeler,

özellikle amperometrik ve potensiyometrik esaslı

sensörlerin pratik uygulamalarda rahatlıkla

kullanılabileceği bir zemin sağlamıştı. Çeşitli maddelerin

cok sayıdaki duyarli ve pratik analizlerine duyulan

gereksiniminde artmasıyla ilk enzim elektrotlarıyla ilgili

bilimsel çalışmalara başlanir. 1960’lardan bu yana iletim

ve ölçüm teknolojilerindeki gelişmeler ve elektrokimyasal

esasların yanı sıra kalorimetrik, optik ve akustik temelli

sistemlerde de çok önemli gelişmelere ön ayak olmuştur.

Temel bilimlerdeki ilerlemeler enzimler yanı sıra diğer

biyolojik materyallerin fonksiyonlarının da çok daha

ayrıntılı bir şekilde ortaya çıkmasına olanak

sağlanmıştır. Bu ilerlemelerin doğal bir sonucu olarak

farklı biyolojik materyallerin ve iletim sistemlerinin

kombinasyonuyla çok çeşitli biyosensörler geliştirilmiş

ve geliştirilmektedir. Bugünkü sonuca bakıldıgında

hangi temel iletim sistemi söz konusu olursa olsun ki

elektrokimyasal esaslı olanların tartışılmaz bir ağırlığı

söz konusudur, pratik ve ticari uygulamalarda enzim

elektrotlarının büyük bir üstünlüğü vardır. Bu sonuçta

ki en büyük etmen canlı sistemlerle ilgili hemen hemen

her türlü maddenin doğrudan veya dolaylı olarak

analizinde kullanılabilecek binlerce enzimin

bulunuşudur. Bilinen enzimlerin yanı sıra bilinmeyen

potansiyel varlığı, piyasada yüzlerce ticari enzim

preparatının bulunabilirliği ve bu sayının her geçen gün

yükselmesi enzim sensörlerinin tartışılmaz

üstünlüğünün devam edeceğinin kanıtıdır.Son yıllarda


organik faz enzimolojisi konusunda ki bulgular, enzimler

ile organik fazda oldukça analizlerin yapılabilirliğini

göstermiştir. Söz konusu bulgular hem tasarlanabilecek

enzim sensörlerinin sayısında artışa hemde uygulama

alanlarının yaygınlaşmasına katkı sağlayacak

özelliktedir.(Telefoncu1999)

2.2.3.1.ENZĐM SENSÖRLERĐNĐN GENEL ÇALIŞMA

ĐLKESĐ

En genel anlamda bakıldığında diğer biyosensörlerde

olduğu gibi enzim sensörleride biyoaktif tabaka, iletici ve

ölçüm sisteminden meydana gelir. Diğer

biyosensörlerden tek fark biyoaktif tabakada biyomolekül

olarak enzimlerin bulunmasıdır. Buna karşılık diğer

iletici ile ölçüm düzeneği arasında sinyal yükselticiler,

mikroislemciler veya ölçüm düzeneğiyle bağlantılı

kaydedici veya bilgisayar sistemleri gereksinimlerine göre

eklenen öğelerdir.

BĐYOLOJĐK SĐLAHLAR

Silahlar bildiğimiz gibi kullanıldığında uzaktan veya

yakından canlıları yaralayan, zarar veren ya da

ölümlerine sebep olan araçların tümüdür. Kimyasal ve

fiziksel silahların yanında bir de bitolojik silahlar

vardır.Bunlar canlıların üzerinde zararlı etki bırakmak

amacıyla kullanılırlar.biyolojik silahlar çok tehlikelidir ve

etkileri canlılar üzerinde oldukça güçlüdür. Biyolojik

savaş araçları kokusuz ve tatsızdır havaya atıldıklarında

1 ila 5 mikron arası bir boyuta sahip olduklarından fark

edilemezler.silah olarak kullanılabilen biyolojik ajanlar

şunlardır;

Bakteriler: Oluşturdukları hastalıklar genelde spesifik

antibiyotik tedavilerine cevap verir.

Virüsler: Đçlerinde çoğalabilecekleri bir canlı

organizmaya ihtiyaç duyarlar ve etkileri konak hücrelere

bağımlı olarak değişir.antibiyotik tedavilerine cevap

vermezler.

Rikatsialar: Hem bakterilerin hem de virüslerin

karakterini taşırlar antibiyotiklere duyarlıdırlar.

Klamidya: Zorunlu hücre içi parazitleridirler.

Mantarlar: Çürüyen bitkisel olgulardan besin

ihtiyaçlarını karşılarlar.

Toksinler: Hayvanlar, bitkiler ve mikroorganizmalardan

elde edilen zehirli maddelerdir. Özel antiserum ve

farmolojik ajanlarla korunabilirler.

Biyolojik ajanların etkileri: Yaşayan organizmalarda

biyolojik silahların etkilerinin gözlenmesi için 1 gün ila 6

gün arasında bir kuluçka süresinin geçmesi gerekir.

Etkiler görülmeye başlandığında korunmak için

koruyucu giysiler giyinmek zorunda kalınabilir. Biyolojik

silahların bazıları ölümcüldür geri kalanları ise

genellikle kapasite düşürücü olarak kullanılırlar.Klasik

tedavi yöntemleriyle tedavileri oldukça güçtür. Kimyasal

silahlar da oldukça zararlıdır ancak biyolojik silahların

çok küçük bir miktarı bile öldürücü olabilir ve fark

edilmeleri kimyasal silahlardan çok daha zor olduğundan

önlem almak daha güçtür.biyolojik ajanlara

bulundukları ortamda daha uzun süreli tutunmalarını

sağlayan katkı maddeleri kullanılarak güçlendirilirler.

Biyolojik silahların üretimi:


Biyolojik silahların üretimi organizmanın seçimi

organizmanın küçük kültür ortamlarında geniş

spektrumlu çoğaltılması ve ajanların korunması

evrelerinden oluşur son yıllardaki biyoteknoloji

alanındaki gelişmeler savaş alanında da biyolojik

silahların sivil halk ve askeri güçler üzerinde caydırıcı

etkileri olmuştur. Biyoteknoloji alanında gelişmelerin

silahlara olan etkisi hastalık yapıcı ve kullanım sonrası

etkinlik süresinin arttırılması ve hedef topluluklar

üzerinde daha başarılı yönlendirme olmuştur.

Biyolojik silahların sınırlamaları:

1. Biyolojik ajanların kimyasal silahların aksine hedef

alanlarının kestirilmesi zordur ve her koşulda etki

etmezler etkileri ısı, hava koşulları ve topografik yapıya

bağlıdır.

2. Hedeften sapma riskleri vardır bu da çok kötü

sonuçlara sebebiyet verebilir.

3. Biyolojik silahlar biyolojik yollarla etki ederler

(solunum, sindirme ) gibi. Bu yüzden tespit

edildiklerinde korunma mekanizmaları geliştirmek

kimyasallara göre daha kolaydır.

4. Biyolojik ajanlar zaman içinde etkilerini kaybederler.

5. Biyolojik silahların depolanması ve kullanılması teknik

beceri gerektirir bu yüzden zordur.

Biyolojik silahların avantajları:

1. Üretimleri kimyasal silahlara nazaran kolay ve

ucuzdur. Kullanılacak mikroorganizmalr kolaylıkla elde

edilebilir ve birkez elde edildiği takdirde çok hızlı

bölündüklerinden çok fazla sayıda ortaya çıkar.

2. Etkilikleri çok yüksektir.

3. Korunmak zordur çünkü korunma yolları

geliştirmeden önce maruz kalının biyolojik silahın tipi

belirlenmelidir bu da uzun bir süreçtir.Genellikle hava

yoluyla alındıları ve çok küçük oldukları için fark

edilmeleri de uzun zaman alır.

Çözünmesi gereken problemler:

• Biyokomponentlerin ömrünün kısa olması,

• Biyosensör hazırlamanın uzun sürmesi,

• Moleküler biyolojik prosesler hakkında yeterli bilgi

birikimi olmaması,

• Biyokompabilite sorunları,

• Đmplante edilebilen sensörlerin steril tutulabilme

güçlüğü.

Biyolojik silahlardan korunma 5 aşamada

maddelendirilmiştir.

Önleme:

Biyolojik silahların kullanımının durdurulmasıyla ilgili

dünyanın her yerinde çalışmalar yapılmaktadır ve

potansiyel tehlikeler tespit edilerek önlemler

alınmaktadır.

Korunma:

Biyolojik ajanlardan koruyucu elbiseler ve maskeler

sayesinde korunma sağlanabilir ancak bu korunma kısa

süreli olur. Daha çok yapılması gereken biyolojik

tehlikelerin olabileceği durumlarda yediklerimize ve


içtiklerimize dikkat etmemizdir. Yiyeceklerin temizliğine

çok fazla özen göstermeli ve sağlığından emin

olmadığımız besinleri tercih etmemeliyiz. Solunum

yoluyla tehlikeler söz konusu olduğunda ise kolonyalı

mendil gibi önleyiciler ağız ve buruna tutularak o anlı

bulaşmalar engellenebilir. Herhangi bir tehdit ya da

şüphe durumunda derhal doktora başvurulmalıdır.

Açılmamış şüpheli mektup ya da "şarbon" gibi tehdit

mesajı taşıyan paketlere nasıl yaklaşılması gerektiği

Amerikan Hastalık Kontrol ve Koruma Merkezleri (CDC)

tarafından şu şekilde açıklanmıştır;

a) Zarfı sallamayın ve açmayın

b) Zarfı plastik bir torbanın ya da akma ya da sızıntıyı

engelleyecek bir kabın içine koyun

c) Eğer torba ya da kap bulamazsanız zarfı her hangi bir

şeyle (kağıt örtü vb) örtün

d) Bulunduğunuz odadan çıkın kapıyı sıkıca kapatın ve

başkalarının girmesini engelleyin

e) Ellerinizi su ve sabunla iyice yıkayın

f) Güvenlik birimlerini olaydan haberdar edin

g) Eğer zarf içindeki toz yere dökülür ya da üstünüze

bulaşırsa; derhal dökülen tozun üstünü örtün ve odadan

çıkın toza bulaşmış giysilerinizi çıkartın ve bir torbaya

koyup ağzını sıkıca kapatın...

Tedavi:

Tedavi uzman kişiler tarafından yapılmalıdır.öncelikle

hastalığa sebep olan biyolojik ajan tespit edilmesli daha

sonra hangi yollarla önüne gecileceği belirlenmeli ve

tedaviye başlanmalıdır.

Dekontaminasyon ve temizleme:

Kimyasal silahlar zamanla etkilerini yitirirken biyolojik

silahlar etkilerini arttırabilirler.en tehlikeli biyolojik

silahlardan biri olan şarbon doğada etkinliğini 40 yıl

kadar devam ettirir ve her tür çevre koşuluna

dirençlidir.bu yüzden biyolojik silahların doğadan

temizlenmesi daha zor bir iştir.biyolojik silahların

kullanımının durdurulması için 1925 yılında Cenova

Protokolü, 1972 yılında Biyolojik Silahlar Konvansiyonu

(BWC-Biological Weapons Convention) imzalanmış ve

farklı toplantılar yapılmıştır ancak hala günümüzde

birçok ülkenin biyolojik silah stoklarının bulunduğu bir

gerçektir.Bunlar da genellikle güçlü ülkeler olduğundan

söz geçirmek kolay değildir bu yüzden biyolojik silahların

ortadan kaldırılması mümkün değildir korunma ve

önlem alma konusunda insanların bilinçlendirilmesi

gerekir.

• Diyabet hastalığı teşhisinde biyosensör kullanımı:

Diabet, insan vücudunun glikoz seviyesini

ayarlayamamasından ve insülin azlığından kaynaklanır.

diabet hastası olmayan sağlıklı insanlarda bu denge

oldukça kolay ayarlanabilir ve başta beyin olmak üzere

organlar için çok önemlidir. Glikozun azlığına ve

çokluğuna bağlı olarak diabet hastalarında hiperglisemi

yada hipoglisemi görülebilir.

• Diyabet hastalarının kan glikoz seviyelerini evde

ölçebilmeleri onlar için büyük bir konfordur. Bu da

glikoz biyosensörüyle gerçekleştirilebilir.

• Parmak ucundan alınan kan biyosensöre

damlatılır ve belirli bir süre içinde sonuç alınıp herhangi

bir değişiklikte hasta doktorlarına başvurabilir.

• Glikoz biyosensörleri elektrokimyasal heksokinaz

glikoz oksidaz mekanizması ile çalışabilir.


Bilim ve Teknik Dergisi’nin Nisan sayısında yer alan

çalışmaya göre tıpkı kanda olduğu gibi tükürükte de

genler tarafından kodlanan birçok protein ve RNA

molekülleri bulunduğu bu sayede de doktorların bir

damla tükürük örneğindeki molekülleri kullanarak

hastalıklara tanı koyabileceği ve onları izleyebileceği

saptandı.Mikro ve nano elektirik- mekanik-sistem adı

verilen biyosensör yardımıyla birkaç yıl içinde hiçbir

ekstra alet kullanmaksızın sadece bir damla tükürüğü

alıp tanıya gidilmesinin mümkün olacağı belirtiliyor.

Sonuç olarak biyosensör teknolojileri çeşitli alanlarda

pek çok bilim alanındaki bilgi birikimini gelişmeler

paralelinde ve gereksinimler doğrultusunda kullanarak

çok hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Biyosensörlerin klasik

tayin yöntemlerine nazaran çoğu zaman spesifik ve

duyarlı sonuçların pratik ve kısa sürede alınmasını

sağlamaları, tekrar kullanılabilir ya da düşük maaliyetle

tek kullanımlık şekilde seri olarak üretilebilmeleri onları

gelecek vaat eden biyoanalitik sistemler olarak ön planda

tutmaktadır.

KAYNAKLAR

1. Telefoncu,A.(1999)

Biyosensörler,(Telefoncu,A.,ed.),s.1.,Ege Üniversitesi Fen

Fakültesi Baskı Atölyesi,Đzmir.

2. Dinçkaya,E.(1999)

Biyosensörler,(Telefoncu,A.,ed.),s.81.,Ege Üniversitesi

Fen Fakültesi Baskı Atölyesi,Đzmir.

3. Bartlett,P.N.(1990) in

Biosensors,(Cass,A.E.G.ed.),p.42, Oxford University

Press,Oxford.

4. Paddle,B.M.,(1996),Biosens.Bioelectron.,11(10),1079.

5. Whitaker,J.R.(1994),in Food BiosensorAnalysis,

(Wagner,G.and Guilbault,G.G.,eds.) Marcel Dekker

Inc.,New York.

6. Ziegler,C,Göpel,W.(1998) Current Opinion in

Chemnical Biology,2,585.

7. Wersinke,A.(1997), Frontiers in BiosensoricsII:Practical

Applications (Scheller,F.W.,Schubert,F. And

Fedrowittz,J.,eds.) Birkhauser Verlag,Basel.

8. Paddle,B.M.(1996),Biosens & Bioelectron.,11(10),1079

9. Tran-Minh.C.(1993) Biosensors,Chapman and

Hall,London.

10. Eggins,B.R.(1996) Biosensors:an Introduction,John

Wiley and Sons LTD. and B.G.Teubner,West Sussex.

11. Danielsson,B.,Winquist,F.(1990) in

Biochemistry(Cass,A.E.G.,ed.) Oxford University

Press,Oxford.

12.Bilim ve teknik dergisi

13.http://www.biotechproducts.com

14.http://www.biyomedtek.com/bmt-konular-no4.htm

15.Biosensors-Wiley


16.Biosensors vs chemical sensors-Peter-B.Edelman and

Joseph Vang

17.www.teknolojikarastirmalar.org

18.www.gazete.itu.edu.tr

19.Biyosensörler,RF Entegre Devre ve Sistemler,Entegre

Sensör Sinyal Okuyucu Devre ve Sistemler-Yaşar Gürbüz

Documents

PDF Dosyasi (XXX KB)