Biyosensörler
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Sensörler, kimyasal veya fiziksel bir uyaranı tespit eden ve daha sonra bu bilgileri elektronik ya da optik gibi ölçülebilir bir değere dönüştüren düzeneklerdir. Sensörler madde niteliklerine bağlı olarak veri toplar, analiz eder ve sinyal oluştururlar. İnsan doğası da çevresindeki değişimlere karşı tam bir sensör gibi davranır. Algılayıcı reseptörlerimiz (görme, işitme ve dokunma) yardımıyla topladığımız bilgiler işlenmesi üzere beyine gönderilir ve ardından uyarana karşı bir yanıt olarak bir tepki oluştururuz. Bir sensörün temel iki bileşeni bulunmaktadır: reseptör (alıcı) ve transdüser (dönüştürücü). Reseptörler, seçici olarak belirlenen madde (analit) ile etkileşime girebilen bileşenlerdir. Reseptörler tarafından yakalanan analit, ölçülebilir bir sinyale dönüştürülmek üzere transdüserlere bağlanır. Sensörler, analit özelliğine bağlı olarak fiziksel ve kimyasal şeklinde sınıflandırılır. Fiziksel algılama sıcaklık, basınç, ışıma, iletkenlik veya kütle değişimini referans alan ve herhangi bir kimyasal arayüzü bulunmayan sensörlerdir. Kimyasal sensörler ise analitin gerçekleştirdiği reaksiyonlar sonucunda elde edilen bilgilerin sinyale dönüştürülmesi prensibi ile çalışır [1,2].
Kimyasal sensörlerin alt grubunda yer alan biyosensörler, diğer sensörler gibi uyarıların algılanması ve sinyallere dönüştürülmesi ilkesiyle çalışmaktadır. Biyoreseptörler, biyosensörlerin en önemli parçasını oluşturmaktadır çünkü analitle ilk temas eden ve içerdiği biyoaktif bileşenin (enzim, antikor, nükleik asit, hücre vb.) analit ile etkileşime girmesi sonucu elde edilen sinyalin oluşmasını sağlar. Biyoreseptörler tek başına biyosensör olarak işlev göremezler, bunun için biyoreseptörlerin verilerini bir elektrik sinyaline dönüştüren transdüserler ile birleştirilmesi gerekmektedir. Biyosensörler çeşitli transdüser tabanlı çıkış sinyalleri oluşturmaktadırlar. Bunlar optik, termometrik, kütle duyarlı (piezoelektrik) ve elektrokimyasal sinyallerdir [3]. Elektrokimyasal biyosensörler yüksek hassasiyet, düşük maliyet ve küçük boyutlara uygunluğu nedeniyle aralarında en yaygın tercih edilenidir. Elektrokimyasal biyosensörler, biyoreseptör ve analit etkileşimine göre biyokatalitik ve biyoafinite olarak gruplandırılır. Biyokatalitik, enzimlerin kullanıldığı ve enzim-substrat ilişkisini temel alan biyosensörlerdir. Biyoafinite sensörler, analit ve biyolojik bir bileşen içeren reseptörün arasındaki seçici bir bağlanmanın sonucunda elde edilen verilerin işlendiği bir başka deyişle antikor-antijen etkileşimini baz alan sensörlerdir [4].
Şekil 1: Biyosensörlerin şematik gösterimi [2].
Günümüzde sıklıkla kullanılan biyosensörler arasında kan şekeri ölçüm cihazı ve gebelik testleri farklı biyoreseptör çalışma prensibine dayanır. Örneğin, antikor-antijen etkileşiminden faydalanılarak tasarlanan biyosensöre en iyi örnek gebelik testleridir. İnsan koryonik gonadotropin (hCG), yumurta döllenmesinin sonucunda plasentadan salınan ve bir hormondur. α ve β olarak bilinen iki alt birimden oluşan glikoprotein yapısındaki bu hormon gebeliğin 8. gününden itibaren hem kanda hem de idrarda çoklu hCG formları tespit edilebilir. Gebelik testleri, hCG’ye bağlanan ve renk değişikliğine neden olan bir reaksiyon üretmek için antikorlar kullanır [5]. Leland C. Clark’ın 1962 yılında icat etmiş olduğu kandaki glikoz seviyesini ölçebilen biyosensör, bugün milyonlarca diyabet hastası tarafından kan şekerini düzenli kontrol edebilmek adına kullanılmaktadır. Kan şekeri ölçüm cihazları, glukoz oksidaz enziminden oluşan biyoreseptörler ile tasarlanmıştır. Biyolojik sıvıdaki glukoz ve çözünmüş oksijen, glukoz oksidaz enzimi tarafından katalizlenerek glukonik asit ve hidrojen peroksite dönüştürülmektedir. Elektroaktif bir madde olan hidrojen peroksit, yükseltgenerek O2’ye parçalanır ve elektron açığa çıkar. Daha sonra bu elektronlar elektrotlar tarafından algılanarak kandaki glikoz seviyesi hesaplanır [6].
Şekil 2: Glikoz oksidaz enziminin kullanıldığı biyokatalitik biyosensörün şematik gösterimi [6].
Bir sensörün etkinliği, yüksek hassasiyet ve seçicilik gücüne bağlıdır. Biyosensörlerde performans ve verimliliği artırmak için nanoyapılar (nanoparçacık, nanotüp, nanotel, nanopor, nanokompozit) kullanılmaktadır. Madde makro veya mikro boyutlardan nanoboyutlara küçüldükçe yüzeyin hacme olan oranın artmasıyla yüzey alanı artmaktadır. Geniş yüzey alanına sahip madde, yüksek serbest yüzey enerjisi oluşturur. Bu durumda nanoyapılar, elektrokimyasal biyosensörlerde hassasiyet ve seçiciliği artırır. Böylece biyosensörler reseptör stabilizasyonu, kataliz, elektron transferi ve analit etiketleme gibi özellikler kazanır. Yüksek yüzey enerjisi nanoparçacıklara, biyoreseptör olarak kullanılacak biyomolekülleri güçlü bir şekilde absorbe edebilme imkânı verir. Nanoparçacık ve biyomoleküller arasındaki elektrostatik etkileşim sayesinde, biyoreseptörler biyosensör yüzeyinde stabilizasyon sağlayabilmektedir. Ayrıca biyomoleküllerin biyolojik aktivitelerini koruyabilmeleri, biyouyumluluk gösteren nanoparçacık kullanımı ile gerçekleşir. Nanoparçacıklar, yüksek yüzey enerjilerinden dolayı makro boyutlarına kıyasla daha aktiftirler. Bu durum, özellikle metal nanoparçacıkların reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılmasına neden olur. Katalizör etkisi, elektrokimyasal biyosensörler için önemli bir avantaj sağlamaktadır. Elektrokimyasal sensörler redoks tepkimelerine dayanarak çalışmaktadır. Yapılarında bulunan elektrotlar sayesinde reaksiyon sonunda elde edilen veriler, analit derişimi hakkında bir sinyal oluşturmayı sağlar. Biyosensör yapısında reseptör amacıyla kullanılan enzim veya proteinin, elektrotlar yüzeyine bağlanması gerekmektedir fakat iletken olmayan bu biyoreseptörler ve elektrotlar arasında herhangi bir elektrik akışı (elektron transferi) meydana gelmez. Metal nanoparçacıklar (örneğin Au NP), biyoreseptör ve elektrot arasındaki elektron transferinin gerçekleşmesine olanak sağlar [7].
Referanslar
Banu, N., D., Adriana, F., Valentin, J., Jerca, V., (2021). Biosensors, Food, Medical, and Environmental Applications of Polysaccharides, s.381-400 doi: 10.1016/B978-0-12-819239-9.00016-6
Ensafi, A., A., (2019). An introduction to sensors and biosensors, Electrochemical Biosensors, s.1-10 doi: 10.1016/B978-0-12-816491-4.00001-2
Yahaya, M., L., Noordin, R., Razak, K., A., (2019). Advanced Nanoparticle-Based Biosensors for Diagnosing Foodborne Pathogens, Advanced Biosensors for Health Care Applications, s.1-43 doi: 10.1016/B978-0-12-815743-5.00001-9
Ronkainen, N., J., Halsall, H., B., Heineman, W., R., (2010). Electrochemical Biosensors, The Royal Society of Chemistry, 39, s.1747–1763.
Gnoth, C., Johnson, S., (2014). Strips of hope: accuracy of home pregnancy tests and new developments, Geburtshilfe und Frauenheilkunde, 74(07), s661-669 doi: 10.1055/s-0034-1368589
Fitzpatrick, D., (2015). Glucose Biosensors, Implantable Electronic Medical Devices, s.37-51 doi: 10.1016/B978-0-12-416556-4.00004-8
Huang, X., Zhu, Y., Kianfar, E., (2021). Nano Biosensors: properties, applications and Electrochemical Techniques, Materials Research and Technology, s. 649-1672, doi: 10.1016/j.jmrt.2021.03.048