Transcript BİYOLOJİK SENSÖRLER NEDİR

BİYOMALZEMELER
BİYOSENSÖRLER
BİYOLOJİK SENSÖRLER NEDİR ?
• Genel anlamda biyosensörler; bünyesinde biyolojik bir algılayıcısı
bulunan ve bir fizikokimyasal çeviriciyle birleştirilmiş olan analitik
cihazlar olarak tanımlanmaktadır.
• Temel olarak reseptör ve dönüştürücü olarak iki kısımdan oluşurlar.
Biyoreseptör: analiti farkedebilen biyomoleküllerdir.
Dönüştürücü: biyoreseptörün analiti farkettiği esnada ürettiği fiziksel ve
kimyasal sinyali elektrik sinyaline dönüştüren yapılardır.
• Biyosensörlerin genel çalışma mekanizması
Biyosensör Bileşenleri ve Türleri
Biyolojik tanıyıcı ajan kendi spesifik olduğu ajanı tanır, onunla
etkileşime girer ve çevirici sistemin algılayabileceği sinyali üretir. Bu
substrat için enzim olabildiği gibi, antijen için antikor, şeker için lektin,
tamamlayıcı sekans için nükleik asit olabilir. Biyosensörün
yapılandırılmasında en önemli nokta, biyolojik tanıma işleminin
hassaslığı, hedef kimyasala spesifikliğidir. Her reaksiyon için
kullanılabilecek evrensel kavramda bir çevirici vardır.
Elektrokimyasal Dönüştürücüler : Bu başlık altında en yaygın olarak
potansiyometrik, amperometrik, voltametrik ve alan etkili
dönüştürücülere rastlanmaktadır.
• Kütle Hassas dönüştürücüler : Çevirici olarak piezoelektrik
kristallerin kullanıldığı kütle hassas dönüştürüler, rezonans
frekanstaki değişime dayanarak santimetrekarede nanogram
seviyesinde kütle değişimini ölçebilen ve bu yüzden de
antikor-antijen etkileşimlerinde sıkça kullanılan
dönüştürücülerdir. Kütle hassas dönüştürücülerin çalışma
prensibi piezoelektrik etkiye dayanır.
• Kütle hassas tranduser şeması
• Optik Dönüştürücüler : Işığın iletimindeki değişimin ölçülmesine
dayalı, optik esaslı dönüştürücülerde, ölçüm sistemi, madde
derişimine bağlı olarak absorbans veya luminesansta
değişim gösteren bir boya içerir veya CO2, O2 veya pH
değişimi gibi bir fizikokimyasal özellikten faydalanılır.
•
Optik tranduser şeması
Termal dönüştürücüler : Temel prensipleri bir enzimatik
reaksiyondaki entalpi değişiminden yararlanılarak substrat
derişiminin belirlenmesine dayanır.
BİYOSENSÖRLER 8 PARAMETREYE GÖRE NİTELENDİRİLİRLER
• DUYARLILIK
• SEÇİCİLİK
• ÖLÇÜM ARALIĞI
• ÖLÇÜM SÜRESİ
• TUTARLILIK
• TESBİT SINIRI
• ÖMRÜ
• KARARLILIK
• Duyarlılık: Cihazın analitteki değişime (konsantrasyon) birebir cevap vermesi
demektir. Duyarlılık yüksekse analitteki birim değişim sensörün ekranında aynen gözükür.
• Seçicilik: Cihazın sadece analite özgünlüğünü gösterir. Cihaz başka reaktiflere
ilgi göstermez ve hatalı sonuç vermez.
• Ölçüm aralığı: Cihazın ölçebildiği analit konsantrasyonun aralığıdır. Analit belli bir
konsantrasyondan az veya çoksa cihaz iyi bir duyarlılıkta sonuç vermeyebilir.
• Ölçüm süresi: Analit konsantrasyonundaki bir basamak değişime karşı cihazın vereceği nihai
yanıtın sadece %63’lük kısmını ölçmek için gösterdiği ölçüm süresidir. Bir tür cihazın ölçme
hızını gösterir.
• Tutarlılık: Cihazın sonuçlarındaki tutarlılığı ifade eder.
• Tesbit sınırı: Cihazın tesbit edebileceği en düşük analit konsantrasyonunu ifade eder.
• Ömrü: Cihazın, performansında gözle görülür bir azalma olmadan verdiği hizmet ömrünü
ifade eder.
• Kararlılık: Belirli bir süre içinde cihazın duyarlılığındaki veya baz çizgisinde değişimleri dikkate
alan bir kalite ölçüm değeridir.
Biyosensör Uygulamaları
• Tıp Sektöründe Biyosensörler
Tıp alanında en çok kullanılan biyosensörler enzim sensörleridir. Bunun sebepleri
arasında ölçümlerindeki yüksek duyarlılık, uygulama ve kurulumdaki kolaylık ve
ticari uygun transduser (dönüştürücü) çeşitlerinin bolluğu yer almaktadır.Son yarım
asırda yaygınlaşan diyabet hastalığını teşhis etmekte kullanılan glikoz oksidazlı
enzim sensörü en fazla ilgiyi çeken biyosensördür. Son teknoloji ürünü sensörler çok
az miktar kanda ve idrarda glikoz tayinini çok hızlı yapar.
Tıp alanında kullanım söz konusu olduğunda biyouyumluluk çok önemli bir
parametre haline gelmekterir. Vücut içi kullanımlar söz konusu olduğunda enzim
içeren membran üzerinde fibrin birikimi ve platelet oluşumu meydana gelebilir veya
vücut dokularında iltihaplanmalar olabilir. Bu sorunların önüne geçmek için
biyosensörün dokuyla temas edecek yüzeyleri özel malzemelerle kaplanır.
Diğer tıbbi biyosensörlere örnekler ise üre ve kreatinin elektrotları, kolestrol
elektrotları, asetilkolin elektrotlarıdır. Bu sensörler sayesinde çok önemli
hastalıkların teşhisi sağlanabilir.
Protezlere yerleştirilen biyosensörler sayesinde, protez yüzeyinde üreyen
bakterilerin türleri tespit edilir ve protez içinde bulunan antibakteriyel maddeler
salgılanıp ve enfeksiyon engellenir.
• Gıda Sektöründe Biyosensörler
Gıdalara uygulanan analizler temelde kalite ve güvenlik
amacına yönelik olarak yapılmaktadır. Kaliteden amaç, bazı
fiziksel özellikler ve kimyasal bileşenlerin miktarlarını,
güvenlikten amaç ise zararlı mikroorganizmaları veya onların
toksinlerini ve diğer allerjen ve toksik bileşenlerin miktarlarını
saptamaktır. Ayrıca gıdalara dışarıdan katılan belirli bir amaca
yönelik olan veya olmayan maddelerin tespitide önemlidir.
Biyosensörlerin Gruplarına Göre Analiz Alanları
Biyosensör Grubu
Kapsadığı analiz alanı
Enzim Sensörleri
Küçük molekküllü organik ve anorganik maddeler (metabolitler, ilaçlar, gıda maddeleri,
vitaminler )
Mikrobiyal Sensörler
Enzim sensörlerinin kapsadığı alanlar, toksisite, mutajenite
DNA Sensörler
Virüsler, patojen mikroorganizmalar
İmmuno Sensörler
Virüsler, patojen mikroorganizmalar, ksenobiyotikler
Bazı Gıda Maddelerindeki Çeşitli Bileşenler ve Gıda Analizinde Kalıntı, Toksin,
Mikroorganizmalar için Biyosensör Uygulamaları
ANALİT
UYGULAMA
BİYOKOMPONENT
TRANDUSER
TESPİT ARALIĞI
Glikoz
Yumuşak içkiler, meyve
suları ve süt
Glikoz oksidaz
Amperometrik
50-500 mM
L-aminoasitler
Sentetik örnekler
L-aminoasit
oksidaz,horşeradiş,peroksidaz
Potansiyometrik
Bakteri
Tavuk ve balık
S. Enteridis proteinleri
Piezoelektrik quartz
kristal
Toksin
Gıdalar
Anti-Stapphylococal
enterotoksin B(SEB) antibadi
Optik
Herbisit
İçme suyu
Antibadiler
Piezoelekrtik quartz
kristal
Aset aldehit
Alkollü içecekler
Alkol dehidragenaz
Amperometrik
10-100 ng/g
0,5 – 330 µM
•
Çevre Koruma ve Kontrolünde Biyosensörler
Şehirlerde çevre kalitesi, atmosfer ve su kirliliğinin kontrol edilebilmesiyle
ilişkilidir. Su kirliliği hem endüstriyel hem de ev artıklarından kaynaklanmaktadır.
Biyosensörler sudaki organik kirliliklerin ölçülmesinde ve toksik maddelerin tayin
edilmesinde kullanılırlar.
Canlı organizmalar bir bütün olarak su veya yağ örneklerindeki potansiyel
biyolojik zehirliliği ölçmekte kullanılır. Örneğin toksitite tespit kiti Microtox®’da
olduğu gibi. Bu kit, luminesent bakteri Vibrio fischeri’yi kullanır. Bakteriyel
biyolüminesansın, hücre metabolizmasının takip edilmesinde ve su örneklerinde
toksik kimyasalların tespitinde çok uygun olduğu ispatlanmıştır.
Askeri Savunmada Biyosensörler
Biyolojik savaş ajanların (BSA) tespitinde biyosensörler, çok yoğun olarak
kullanılır. BSA, 11 Eylül saldırıları sonrası artık korkulan bir saldırı türü olmaya
başlamıştır. 1995’de Tokyo’da şarbon saldırısından sonra, 11 Eylül saldırılarında da
yine şarbonlu mektuplar ortaya çıkmıştır. BSA’ların tespitinde kullanılan
biyoreseptör moleküllerin pek çoğu, ya analitin yüzeyine bağlanan antikor veya
BSA’nın genetik materyaline bağlanan nükleik asit türü moleküllerdir.
DNA sensörleri çeşitli kimyasal ve biyolojik silahların tayinine yönelik yeni yöntem
geliştirme çalışmalarında yer alır. Son yıllarda çeşitli ülkelerin biyolojik silah
amaçlı kullandığı, genetik olarak modifikasyona uğramış mikroorganizmalar,
elektrot yüzeyine tutturulan ve o mikroorganizmayı temsil eden prob dizi ile
hibridizasyonu sonucu, modifiye edilmiş ve doğal olarak bulunan
mikroorganizmaya ait alınan sinyal farklılaşmasından yola çıkılarak tespit
edilebilir.
Diğer yöntem ise güvenilir, yanlış ve negatif sonuç vermekten uzak, özgün, hassas,
kullanımı kolay, hızlı cevap vererek ideal sensör olma özelliklerini taşır. Bu tip ilk
ticari biyosensör BioVeris, Response Biomedical Corporation ve QTL tarafından
piyasaya sürülmüştür. QTL’ın ürettiği biyosensör, bir dizüstü bilgisayar kadar
küçük ve hafiftir. Kartuşlar cihaz üzerine kolayca yerleştirilmekte ve sonuç, 10
dakika içinde alınabilmektedir.
KAYNAKLAR
• http://biyokure.org/tag/biyosensorlerin-uygulama-alanlari/
• Whitaker,J.R.(1994),in Food BiosensorAnalysis, (Wagner,G.and Guilbault,G.G.,eds.) Marcel Dekker Inc.,New
York.
• http://www.biyomedtek.com/bmt-konular-no4.htm
• http://www.csiro.au/Organisation-Structure/Flagships/Food-Futures-Flagship/Quality-BiosensorsTheme/Cybernose-overview.aspx
• A.N. Naimushin ve ark., Biosens. Bioelectro., 17 (2002), sayfa:573.
• Yucel, U. ve Yıldız, H., 2001. Kalite guvence sisteminde yeni uygulamalar: Biyosensorler. Dunyayayıncılık. GIDA
Subat:93-94.
• Junhui, Z., Hong, C. ve Ruifu, Y., 1997. DNA based biosensors. Biotechnology Advances Vol 15 (1):43-58.
• Alocijila, E. C. ve Radke, S. M., 2003. Market analysis of biosensors for food safety. Biosensors and
Bioelectronics Vol 18:841-846.