1

Biyosensörler: Genel İlkeler ve Uygulamalar

Biyosensör Teknolojilerinde Nanomalzemeler

Armağan Yalgın04.12.2014

Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Biyomedikal Teknolojiler A.B.D.

2

Biyosensör Bileşenleri

3

• 0D; quantum noktalar, nanopartiküller• 1D; nanokablolar, nanoçubuklar, karbon nanotüpler• 2D; metal levhalar, grafenler

Biyosensörlerde Kullanılan Nanomalzemeler

Biyosensörlerde, 1-100 nm arasında boyutlara sahip nanomalzemelerin büyük boyutlarında elde edilemeyen quantum, yüzey ve makro-quantum tünel etkisi gibi spesifik fiziksel ve kimyasal özelliklerinin kullanımı ve arttan hassasiyetler özellikle in vivo analizlerin gerçekleştirilmesini kolaylaştırmaktadır.

4

Nano-malzemeler

1. Nanopartiküller2. Nanokablolar3. Nanotüpler4. Nanoçubuklar5. Manyetik partiküller6. Dendrimerler

5

1. Nanopartiküller• Boyutları 100 nm nin altında olan parçacıklardır.

• Üstün fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler; kuantum boyut etkileri, elektronik yapısının boyut

bağımlılığı, yüzey atomlarının benzersiz karakterleri ve yüksek yüzey/hacim oranı …

• Nanopartiküllerin fizikokimyasal ve morfolojik özellikleri kullanılan başlangıç malzemesinin

karakteristiğinden etkilenmesinden dolayı farklı üretim yöntemlerin geliştirildiği görülmektedir.

• Nanoteknolojik malzemelerin çıkış noktasını oluşturan nanopartiküller geniş bir kimyasal aralık ve

morfolojide üretilebilirler.

• Günümüzde çekirdek-kabuk, katkılı, sandvic, boşluklu, küresel, çubuk benzeri ve çok yüzlü gibi farklı

morfolojilere sahip metal, metal alasımı, seramik ve polimer esaslı veya bunların karışımından istenilen

özelliklere sahip nanopartiküller hazırlanabilir.

6

• İmmobilizasyonları sonucunda kullanılan çevirici sistemlerin yüzey alanını genişleterek

biyomoleküllerin daha hassas ve seçimli bir şekilde analizlerini mümkün kılarlar.

• Yüzeyin iletkenliğini arttırırlar.

• Yüzeyin büyüklüğü ve morfolojisi üzerinde modifikasyon yapabilmeyi sağlarlar.

• DNA analizlerinde sinyal amplifikasyonunu sağlarlar.

Avantajları

Kullanım Alanları• Yüksek aktiviteli katalizörler, • Süper iletkenler, • Aşınmaya karsı katkılar, • Yüzey aktif maddeler, • İlaç taşıyıcılar, • Özel teşhis aletleri • Nanotasıyıcılar, sensorler, nanomakinalar • Yüksek yoğunluklu veri depolama hücreleri

7

AuNP ve CdS NP hazırlanmıştır. Hazırlanan AuNP lerin ortalama çapı, 24 nM; CdS NP lerin ortalama çapı 20 nM dir.

P.Du, H. Li,Z. Mei, S. Liu, «Electrochemical DNA biosensor for the detection of DNA hybridization withthe amplification of Au nanoparticles and CdS nanoparticles»

Altın ve Kadmiyum-Sülfat nanoparçaçık ile Elektrokimyasal DNA biyosensörü

8

•Nanokablolar, çapları metrenin milyarda biri olan nanomateryallerden oluşmuş yapılardır.

•Uzunlukları hesaba katılmadan kalınlığı 10 nm’den ince yapılar nanokablo olarak adlandırılabilir.

•Bu boyutlaraki yapılar; yapıyı oluşturan maddenin, atomlarının özellikleri , kuantum mekaniği dahilinde etkilere sahiptir. Bu nedenle bu yapılara “kuantum kablolar” da denilmektedir.

Çapları: Tek atomdan --> Birkaç yüz nmUzunlukları: Birkaç atomdan --> Yüzlerce Mikrona

•DNA doğadaki en iyi bilenen moleküler nanokablodur. Yapılan çalışmalarda henüz DNA kadar özellikli ve kararlı yapıda olabilen bir organik nk sentezlenememiştir.

•Farklı boyutsal durumdaları nano-materyallerin çoğuna yüksek derecede

Elektriksel iletkenlik,

magnetiklik,

ısı ,

optik özellikler sağlamaktadır.

2. Nanokablolar

9

Avantajları• Hasas ve Rasyonel oluşları,

• Elektriksel Tanı ve Sinyal özelliklerilerinin değiştirilebilir oluşu,

• Paralel ölçümlerde güvenilir sonuçlar vermesi.

Nanokabloların özellikleri sentezleri sırasında kontrol edilebilir

-Kimyasal Bileşenleri (Kullanılacak ortam,yer,analit ve maliyete göre değiştirilebilir)

-Çap (Küçük olması - İletkenlik avantajı sağlar)

-Uzunluk (istenilen uzunluklarda sentezlenebilmesi)

Kullanım Alanları• Yarı-İletken Nanokabloların elektronik cihazlarda kulanımı (p-n diyotlar,

FET, Mikroçip, Transistör, Optoelektronik devreler)

• Nano-elektronik Devrelerde ve Cihazlarda Kullanımı

• Magnetik Cihazlarda Kullanımı

• Kimyasal Sensörlerde Kullanımı

• Biyolojik Sensörlerde Kullanımı

• Biyolojik Etiketlerde Kullanımı

10

Kanser Proteinleri için Si NK sensörleri işleyişi

1 ve 2 numaralı NK farklı Antibody reseptörleri ile modifye edilmişlerdir. Kanser Yapıcı Protein 1 numaralı NK daki kendi reseptörüne bağlanarak NK yüzey karakteristiğini değiştirmiştir.

1,2,3 numaralı NK benzer şekilde üretilmişlerdir.Her biri farklı kanser yapıcı proteinleri algılamak üzere reseptörler ile modifiye edilmiştir.(Spesifiklik)

11

Reference: Jim Heath, California Institute of Technology http://nano.cancer.gov

12

• İdeal bir nanotüp ; düzgün, silindir, yuvarlatılmış hegzagonal karbon atom ağından oluşur

3. Karbon Nanotüpler

• Bükülebilir, halka haline getirebilir, Sıkıştırıldıkları zaman, tekrar eski haline dönerler.(Aşırı çekilmede ise plastik bozulma görülür.)

• Nanotüpler neredeyse sürtünme olmadan etraflarında dönebilir. (Bu özellikten en küçük motor yapımında faydalanılmıştır.)

• Hem yarıiletken hem metalik iletkendirler. İletkenlik 1 Milyar Amper/m2olabilir (Bakır = 1 milyon Amper/m2)

• Kimyasal olarak inerttirler. (Graphene levhalardan daha reaktiftirler. )

• Optik olabilirler. (Kiral nanotüplerçok uzun iseler optiklik ortadan kalkar.)

13

• Büyük bir yüzey alanına sahip küçük boyutlu tanecikler

• Mükemmel elektron transfer yeteneği

• Kolay protein immobilizasyonu aktivitesinin yüksek olması

• Elektrokimyasal olarak inert malzeme

• Bunların yanında Karbon nanotüpler, bilinen en sağlam malzeme olma özelliğine sahiptir.

(Kendi ağırlığının 300 milyon katı bir ağırlığa dayanabilir. )

Avantajları

Kullanım Alanları• Elektronik malzeme olarak; manyetik ve optik nanoaygıt yapımında; hafıza elemanı, • kapasitör, transistor, diyot, mantık devresi ve elektronik anahtar yapımında kullanılır.

• Süper kapasitör özelliği ile yapay kas üretimi

• Damarların karbon nanotüplerden yapılması,

• Hastalık/Metabolit tanınmasında biyosensör olarak kullanımı

• İlaç taşınım malzemesi olarak kullanımı

14

Karbon Nanotüp ile Optik Biyosensör

Device concept. (a) Conceptual diagram of the CNT photodetector insulatedwith parylene (b) schematic illustration of charge generation in PmPV changingthe conductivity of CNT.

Shim J.S. , Ahn C.H. ‘‘Optical immunosensor using carbon nanotubes coated with a photovoltaic polymer’’

15

4. Nanoçubuklar• Uzunluğu 50 nm kadar olan nano yapılara nanoçubuklar adı verilir.

• Nanokablolardan farkı uzunluklarıdır.

• Çoğu literatürde nanokablolar ve çubuklar aynı başlık altında incelenmektedir.

• Sahip oldukları özellikler sentezlenme prosedürlerine göre değişiklik göstermektedir.

• Tek boyutlu nanomalzemeler olarak bilinen nanoçubukların boyutları 1-50 nm arasında bir

dağılım göstermektedirler.

• Metallerden ya da yarı iletken malzemelerden kimyasal sentez yoluyla geliştirilirler.

16

Altın nanoçubuklar ile patojenlerin tesipiti için optik DNA Hibridizasyon biyosensörü

A gold nanorod-based optical DNA biosensor for the diagnosis of pathogens, Biosensors and Bioelectronics

17

Kitosan ve altın nanoçubuklardan kan proteinlerini ayıran biyosensör

Jean R.D., Cheng W.D., Hsiao M.H., Chou F.H., Bow J.S., Liu D.M., 2014, Highly electrostatically-induced detection selectivity and sensitivity for a colloidal biosensor made of chitosan nanoparticle decorated with a few bare-surfaced gold nanorods, Biosensors and Bioelectronics

18

5. Manyetik Partiküller

• Manyetik nanopartiküller manyetik alan kullanılarak manipüle edilebilen nanopartiküllerin bir sınıfıdır.

• Genellikle, Fe, Ni, Co ve bunların bileşimleri olan manyetik elemanlardan oluşur.

• Manyetik nanopartiküller bir araya geldiklerinde toplamda büyük manyetik moment ve kolektif spinli dev atomları oluştururlar.

• Nanopartikül türleri;Magnetite (Fe3O4)

Ferrites (MeO . Fe2O3; Me = Ni, Co, Mg, Zn, Mn)

Magemit (-Fe2O3)

Greigite (Fe3S4)

Demir, nikel (Fe, Ni)

19

Avantajları

Kullanım Alanları

• Manyetik biyomateryaller manyetik alan içerisinde hedef doku bünyesinde kolayca yönlendirilebilmekte ve konsantre edilebilmekte, işlem tamamlandığında kolayca ayrılabilmektedir.

• Manyetik nanopartiküller süpermanyetik etki gösterebilmekte, işlem sonrası manyetizlenme olgusu kalmamakta ve böylece partikül birikim riski azalmaktadır.

• Duyarlılıkları yüksek olduğu için bio-uygulamalarda sıklıkla kullanılabilmektedirler. • İlaçların hedef organa iletiminde etkin rol oynayarak, ilaç israfını azaltmakta, görülen yan

etkilerin hafifletilmesine yardımcı olmakta ve iletim sürekliliğini sağlayabilmektedirler.

• Biyomedikal alan uygulamaları;Hipertermi , Hedeflenmiş ilaç taşınımı, Nükleer Manyetik Rezonans Görüntüleme (NMR)• Bakterilerin Tespiti• Manyetik Veri Depolama• Atık Su Arıtımı

Setterington, E.B. Ve Alocilja, E.C., 2012. Electrochemical Biosensor for Rapid and Sensitive Detection of Magnetically Extracted Bacterial Pathogens . Biosensors 2012, 2, 15-31; doi:10.3390/bios2010015

23

6. Dendrimerler• Nitrojen gibi başlangıç atomundan yapılır• Karbon ve diğer elementler tekrarlanan kimyasal reaksiyon ile nitrojene eklenir • Son olarak küresel dallı bir yapı oluşur• Yapının boyutu albumin ve hemoglobin ile aynı, fakat bazı antikor komplexlerinden

küçük olabilir• Merkezinden çevresine doğru aşırı dallanmayla katmanlar oluşur.

• Dendrimerler 3 ayrı yapısal bileşenden oluşur ;→başlatıcı çekirdek →iç katmanlar →dış katman

• Farklı grup ve sentezlenme çeşitlerine göre 11 farklı tüp dendrimer vardır.

24

• Dendrimerler yüksek çözünürlük, reaktiflik ve bağlanma eğilimindedir.• Dendrimerlerde çok sayıdaki terminal grupların varlığı çözücü yüzeyler veya

moleküller ile yüzey gruplarının aynı anda birden çok etkileşim yapmasını kolaylaştırır.

• Hidrofilik gruplarla sonlanan dendrimerler polar çözücülerde çözünür• Hidrofobik gruplarla sonlanan dendrimerler polar olmayan çözücülerde

çözünür• DNA kompleksi ve dendrimer oluşumu için yüzey aminleri ve nükleik asit

fosfatları arasındaki çoklu etkileşimler çok önemlidir• Dendrimerlerin çözünürlüğü yüzey gruplarının doğası tarafından şiddetle

etkilenir.

Avantajları

Kullanım Alanları• Tanı kitleri (Biyosensör olarak hızlı tanı ve patojenik hastalıklar için kullanılır.)

• İlaç taşıyıcı sistemler,

• Konjuge gen transfer sistemleri,

• MRI için kontrast tanı ajanı.

25

İnsan serum albuminini tespit etmek için kuartz ve cam katmanlar ile fonksiyonlaştırılmış aminoya kovalent olarak bağlanmış aldehit terminal gruplarını taşıyan 3a-G5 fosfor dendrimerleri kullanıldı.

AFM yöntemiyle bu katmanların görünümü:

A. Caminade, C. Turrin, J. Majoral ; Biological properties of phosphorus dendrimers, New J. Chem., 2010, 34, 1512-1524

26

• From Wikipedia, the free encyclopedia• Sensors 2008, 8, 1400-1458 , Review Paper “Electrochemical Biosensors - Sensor Principles and Architecture”• HongPhan, “Application of Silicon Nanowire in Biosensor” presentation pdf.• Küçükyıldırım, B. O., Akdoğan, Eker, A. 2012. “Karbon Nanotüpler, Sentezleme Yöntemleri ve Kullanım Alanları,” TMMOB

MMO Mühendis ve Makina Dergisi, 53, 630, 34-44.• Koç, M.B., ‘’Nanotüpler’’ Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bitirme Tezi (2003)• Shim J.S. , Ahn C.H. ‘‘Optical immunosensor using carbon nanotubes coated with a photovoltaic polymer’’ Biosensors

and Bioelectronics 34 (2012) 208– 214• Ahammad,A. J.S., Lee J., and Rahman, A., ’’Review:Electrochemical Sensors Based on Carbon Nanotubes’’ Sensors 2009,

9, 2289-2319• Edelstein, A. S. and Cammarata, R. C., [31] 2001. Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Institute of

Physics Publishing, Bristol. • Gubin, S.P., 2009. Introduction. In Magnetic Nanoparticles. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. ISBN: 978-

3-527-40790-3• Eggins B.R., 2002, Chemical Sensors and Biosensors; John Wiley & Sons: New York• Archer M., Christopherson M., Fauchet P.M., 2004, Microporous silicon electrical sensor for DNA hybridization

detection, in Biomed Micodevices 6, 203-211pp.• Papaefthymiou, G.C., 2010. Synthesis and Characterization of Nanoparticulate Magnetic Materials. BuildMoNa

Workshop University of Leipzig Leipzig, Germany October 28-29, 2010. • Janssen, X.J.A., 2009. Magnetic particle actuationfor functional biosensors. PROEFSCHRIFT. Printed by University Press

Facilities, Eindhoven, The Netherlands. ISBN: 978-90-386-2031-2. • Setterington, E.B. Ve Alocilja, E.C., 2012. Electrochemical Biosensor for Rapid and Sensitive Detection of Magnetically

Extracted Bacterial Pathogens . Biosensors 2012, 2, 15-31; doi:10.3390/bios2010015 • Paraba H.J., Junga C., Leeb J.H., Parka H.G., 2010, A gold nanorod-based optical DNA biosensor for the diagnosis of

pathogens, Biosensors and Bioelectronics, 26: 667–673pp.• Jean R.D., Cheng W.D., Hsiao M.H., Chou F.H., Bow J.S., Liu D.M., 2014, Highly electrostatically-induced detection

selectivity and sensitivity for a colloidal biosensor made of chitosan nanoparticle decorated with a few bare-surfaced gold nanorods, Biosensors and Bioelectronics, 52: 111–117pp.

• A. Caminade, C. Turrin, J. Majoral ; Biological properties of phosphorus dendrimers, New J. Chem., 2010, 34, 1512-1524

Kaynaklar

Dinlediğiniz için Teşekkür Ederim

Armağan Yalgın

armaganyalgin86@gmail.com