Kullanıcı:Turgay Seferli/deneme tahtası
Biyosensörler, "bir veya daha fazla analiti ölçmek için biyolojik bir bileşeni fizikokimyasal bir detektörle birleştiren, kimyasal bir maddenin saptanması için kullanılan "analitik cihazlar" olarak tanımlanır.[1] Başka bir deyişle, bir biyosensör, "biyolojik bir sinyali optoelektronik, elektrokimyasal veya piezoelektrik sinyale dönüştürmek için biyolojik bir molekülün özgüllüğünü kullanan" bir cihazdır.[2] Bu sayede, spesifik biyolojik süreçlerin fizyolojisi ve patofizyolojisi ayrıntılı bilgi sağlamak için izlenebilir.
Tarihçesi[değiştir | kaynağı değiştir]
Biyosensörler için kesin bir başlangıç noktası belirlemek kolay olmasa da, erken icatlar yarım asırdan fazla bir süre önce başladığı söylenebilir. İlk çalışmalardan birinde[3], kanın kimyasal bileşimini gösterebilecek aletlerin bir açıklaması verilmiş ve hastaların kan kimyası, icat edilmiş bir elektrokimyasal tespit sistemi kullanılarak tespit edilmiş ve kaydedilmiştir. Gerçek biyosensör (ler) terimini içeren yayınlar, 1966'dan birkaç çalışmada[4][5] ve 1970'lerden birkaç çalışmada gözükmektedir.[6][7][8] 1980'lerde ise daha fazla sayıda çalışmada ortaya çıkmaya başlamıştır. İlerleyen yıllar içerisinde biyosensörler ile ilgili bilimsel yayınlar gittikçe artmıştır ve günümüzde hala önemli araştırma konuları arasında yer almaktadır.
Biyosensör sistemi[değiştir | kaynağı değiştir]
Spesifik olarak, biyosensör üç bölümden oluşur: ilk eleman biyomediatördür (biyomimik veya biyolojik olarak türetilmiş bir materyal, örneğin doku, mikroorganizmalar, organeller, hücre reseptörleri, enzimler , antikorlar , nükleik asitler ve genetik mühendisliği ile oluşturulan biyolojik duyarlı elementler). İkinci eleman biyotransdüser, analitin biyolojik element ile etkileşiminden kaynaklanan sinyali ölçülebilen bir sinyale dönüştüren dönüştürücüdür (fizikokimyasal, optik, piezoelektrik, elektrokimyasal vb.). Üçüncü eleman ise sonuçların görselleştirilmesinin kullanıcı dostu bir yolundan sorumlu olan ilişkili elektronikler veya sinyal işlemci komponentlerdir.[9]
Biyoreseptörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Bir biyosensörde, biyoreseptör, dönüştürücü tarafından ölçülebilen bir etki oluşturmak için belirli ilgilenilen analit ile etkileşime girecek şekilde tasarlanmıştır. Kimyasal veya biyolojik bileşenler arasında analitin yüksek seçiciliği, bioreseptörün temel gereksinimidir. Kullanılan biyomolekül tipi büyük ölçüde değişkenlik gösterse de biyosensörler, içerdikleri yaygın biyoreseptör ajan türlerine göre şu şekilde sınıflandırılabilir: antikor / antijen, enzimler / ligandlar, nükleik asitler / DNA, hücresel yapılar / hücreler veya biyomimetik malzemeler.[10][11]
Antikor / antijen etkileşimleri[değiştir | kaynağı değiştir]
Spesifik bir bileşik veya antijen için antikorların çok spesifik bağlanma afinitesini (Çekim gücü) kullanır. Antikor-antijen etkileşiminin doğası gereği antijenin yalnızca doğru konformasyona sahip olması durumunda antikora bağlanması bakımından kilit ve anahtar uyuma benzerdir.
Antikor-antijen etkileşimleri ayrıca serolojik test için veya spesifik bir hastalığa yanıt olarak dolaşımdaki antikorların saptanması için kullanılabilir . Daha da önemlisi, seroloji testleri Covid-19 pandemisinde önemli bir nokta haline geldi.[12]
Yapay bağlayıcı proteinler[değiştir | kaynağı değiştir]
Biyosensörlerin biyo-tanıma bileşeni olarak antikorların kullanımının birçok dezavantajı vardır. Yüksek moleküler ağırlıklara ve sınırlı stabiliteye sahiptirler, temel disülfür bağları içerirler ve üretilmeleri pahalıdır.
Biyotransdüser[değiştir | kaynağı değiştir]
Biyosensörler, biyotransdüser türlerine göre sınıflandırılabilir . Biyosensörlerde kullanılan en yaygın biyotransdüser türleri şunlardır:
- elektrokimyasal biyosensörler
- optik biyosensörler
- elektronik biyosensörler
- piezoelektrik biyosensörler
- gravimetrik biyosensörler
- piroelektrik biyosensörler
- manyetik biyosensörler
Elektrokimyasal biyosensörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Elektrokimyasal biyosensörler, yüksek hassasiyetleri, seçicilikleri, uygun maliyetli olmaları ve hızlı yanıt vermeleri nedeniyle önemli miktarda ilgi çekmiştir. Dahası, elektrokimyasal biyosensörler kullanılarak virüslerin ve yol-ojenlerin tespit edilmesinin, taşınabilir ve giyilebilir sensör cihazları ve ticari ürünler geliştirme potansiyeli de dahil olmak üzere, geleneksel teşhis tekniklerine göre çeşitli avantajlar sergilediği gösterilmiştir.[13]
Bu nedenle günümüzde elektrokimyasal biyosensör, COVID-19'un yayılmasını önlemek için erken teşhis için etkili, yenilikçi ve gelecek vaat eden bir araç olarak kabul edilir.[14]
İyon kanalı anahtarı[değiştir | kaynağı değiştir]
İyon kanallarını, altın bir elektroda bağlı desteklenen veya bağlı çift katmanlı membranlara gömerek , bir elektrik devresi oluşturulur. Bu sayede hedef biyolojik moleküllerin oldukça hassas bir şekilde tespit edilmesini sağlanır.[15] Antikorlar gibi yakalama molekülleri iyon kanalına bağlanabilir, böylece hedef molekülün bağlanması kanal boyunca iyon akışını kontrol eder. Bu, hedefin konsantrasyonu ile orantılı olan elektrik iletiminde ölçülebilir bir değişiklikle sonuçlanır.
Bir iyon kanal anahtarı biyosensörü olan (ICS), bağlı olduğu iki tabakalı bir membranda dimerik bir peptit kanalı olan gramisidin kullanılarak oluşturulabilir. Antikor eklenmiş gramisidin peptitlerinden biri hareketli diğeri ise sabittir. Dimerin kırılmasına bağlı olarak zardan geçen iyonik akımı durur. Elektrik sinyalindeki değişikliğin büyüklüğüne bağlı, membranı hidrofilik bir aralayıcı kullanarak metal yüzeyden ayırarak büyük ölçüde artırır.
Reaktifsiz floresan biyosensör[değiştir | kaynağı değiştir]
Reaktifsiz bir biyosensör, ilave reaktif olmadan karmaşık bir biyolojik karışımdaki bir hedef analiti izleyebilir. Bu nedenle, sağlam bir destek üzerinde hareketsiz hale getirildiğinde sürekli olarak çalışabilir. Bir floresan biyosensör, floresan özelliklerinde bir değişiklik ile hedef analiti ile etkileşime tepki verir. Floresan ışıma prensibine dayalı olarak çalışan ve önemli görülen in vivo görüntüleme sistemleri ve florofor sıkça kullanılır. Floroforun entegrasyonu, reseptörün afinitesini bozmadan analitin bağlanmasına duyarlı olduğu bir bölgede yapılmalıdır.
Manyetik biyosensörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Manyetik biyosensörler, biyolojik etkileşimleri saptamak için paramanyetik veya supra-paramanyetik parçacıkları veya kristalleri kullanır. Temel olarak manyetik hedeflerin miktarıyla orantılı olan, belirli bir frekansta veya birkaç karıştırma frekansında manyetik nanokadların elektromanyetik tepkilerine bağlıdır.[16]Manyetik nano parçacıkların işaretleyici olarak kullanılmasıyla manyetik çeviriciler de biyosensör uygulamalarında kullanılmaktadır.
Optik biyosensörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Optik çeviricilerde ışığın iletimindeki değişimin ölçülmesi veya floresansın ölçülmesi söz konusudur. Işığın iletimindeki değişimin ölçülmesine dayalı optik esaslı sensörlerde ölçüm sistemi, madde derişimine bağlı olarak absorbans veya luminesansta değişim gösteren bir boya içerir veya CO2, O2, pH değişimi gibi bir fizikokimyasal özellikten faydalanılır. Bu sensörlerde en önemli etken, fiber boyunca ışık iletiminin etkinliğidir. Floresansın ölçüldüğü durumlarda ise fiberin kendi özelliklerindeki (intrensek) değişimleri kapsar ve arka alan (evanescent) immünosensörler ve yüzey plazmon rezonans immünosensörler olarak iki gruba ayrılırlar. Optik sensörlerde, absorbsiyon, yansıma veya floresans ölçüm sistemlerinden biri kullanılır. Floresans ölçümleri en çok kullanılandır. Sensörün konfigürasyonu optimal dizaynda en önemli faktördür ve hassaslığı, dinamik bölgeyi cevap verme süresini seçimesi ve kullanım zamanını tayin eder.
Piezoelektrik sensörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Piezoelektrik immünosensörler, çeşitli makromoleküler bileşiklerin ve mikroorganizmaların belirlenmesi için gerçekleştirilebilen analitik cihazlardır.
Piezoelektrik immünosensörler, bir biyo-tanıma elemanı olarak bir antikor içeren biyosensörlerdir ve antikorun spesifikliği, tüm immünosensörün spesifikliğini önemli ölçüde etkiler. Genel bir ifadede, bir piezoelektrik immünosensör, kullanılan antikor spesifik olduğunda spesifiktir ve piezoelektrik materyalin diğer hassas kısımlarıyla elektrot, karışan bileşiklerle spesifik olmayan reaksiyonlara duyarlı olmayacaktır. İmmünosensörler tipik olarak hareketsizleştirilmiş antikor içermelerine ve antijenleri tanıyabilmelerine rağmen, karşı reaksiyon da mümkündür. Bu, immünosensörün hareketsizleştirilmiş antijen içerebileceği ve bir antikorun tanınması için kullanılabileceği ve sadece antikorun analiz edilen molekül olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, immobilize edilmiş bir antijene sahip piezoelektrik immünosensörler, bulaşıcı hastalıkların teşhisi için uygun bir araçtır.[17]
Termal Biyosensörler[değiştir | kaynağı değiştir]
Temel prensipleri; bir enzimatik reaksiyondaki entalpi değişiminden yararlanılarak substrat derişiminin belirlenmesine dayanır. Bütün biyolojik reaksiyonlar ekzotermiktir. Enzimatik reaksiyon sonucu oluşan sıcaklık değişimi ile substrat konsantrasyonu arasındaki doğrusal ilişkiden sonuca ulaşılır. Sıcaklık değişimleri termal olarak yalıtılmış ortamdaki termistörler veya termofiller aracılığıyla izlenir. Kullanılan termistörler çok küçük sıcaklık değişimlerine bile duyarlıdır. Dolayısıyla çok düşük miktardaki substrat derişiminin ölçümüne olanak tanır.
Malzemenin sıcaklık değişimine karşı elektrik potansiyel oluşturması özelliği olarak bilinen pyroelektrik etkiyi kullanan pyroelektrik çeviriciler, termoelektrik malzemelere kıyasla daha avantajlıdır; 1200 derecede bile kararlıdırlar.
Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]
- ^ Subrahmanyam, Sreenath et al. “Application of natural receptors in sensors and assays.” Analytical chemistry vol. 74,16 (2002): 3942-51. doi:10.1021/ac025673+
- ^ Sheikh, Nasir J., and Omar Sheikh. "Forecasting of biosensor technologies for emerging point of care and medical IoT applications using bibliometrics and patent analysis." 2016 portland international conference on management of engineering and technology (PICMET). IEEE, 2016.
- ^ CLARK, L C Jr, and C LYONS. “Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery.” Annals of the New York Academy of Sciences vol. 102 (1962): 29-45. doi:10.1111/j.1749-6632.1962.tb13623.x
- ^ Miller, H. B. "Practical Applications of Biosensors to Patient Care." AEROSPACE MEDICINE. Vol. 37. No. 3. 320 S HENRY ST, ALEXANDRIA, VA 22314-3579 USA: AEROSPACE MEDICAL ASSOC, 1966.
- ^ Wollert, W. "Preparation of Patients for Biosensors." AEROSPACE MEDICINE. Vol. 37. No. 3. 320 S HENRY ST, ALEXANDRIA, VA 22314-3579 USA: AEROSPACE MEDICAL ASSOC, 1966.
- ^ Cammann, Karl. "Bio-sensors based on ion-selective electrodes." Fresenius' Zeitschrift für Analytische Chemie 287.1 (1977): 1-9.
- ^ KARNAUKH. NA. "Biosensor Made of Electroconductive Paper to Measure Respiratory Activity." Kosmicheskaya Biologiya I Aviakosmicheskaya Meditsina 8.5 (1974): 82-84.
- ^ Thompson, Michael, et al. "Electrochemical biosensors in the assay of antibiotics." Analytica Chimica Acta 104.2 (1979): 195-203.
- ^ Cavalcanti, Adriano, et al. "Nanorobot hardware architecture for medical defense." Sensors 8.5 (2008): 2932-2958.
- ^ Vo-Dinh, Tuan, and Brian Cullum. "Biosensors and biochips: advances in biological and medical diagnostics." Fresenius' journal of analytical chemistry 366.6 (2000): 540-551.
- ^ Valenti, Giovanni, et al. "An electrochemiluminescence-supramolecular approach to sarcosine detection for early diagnosis of prostate cancer." Faraday discussions 185 (2015): 299-309.
- ^ Stowell, Sean R., and Jeannette Guarner. "Role of Serology in the Coronavirus Disease 2019 Pandemic." (2020): 1935-1936.
- ^ Souf, Selma. "Recent advances in diagnostic testing for viral infections." Bioscience Horizons: The International Journal of Student Research 9 (2016).
- ^ Tran, Vinh Van et al. “Development strategies of conducting polymer-based electrochemical biosensors for virus biomarkers: Potential for rapid COVID-19 detection.” Biosensors & bioelectronics vol. 182 (2021): 113192. doi:10.1016/j.bios.2021.113192
- ^ Vockenroth, Inga K., et al. "Functional tethered bilayer membranes as a biosensor platform." SENSORS, 2005 IEEE. IEEE, 2005.
- ^ Wang, Lei, and Jianhan Lin. "Recent advances on magnetic nanobead based biosensors: from separation to detection." TrAC Trends in Analytical Chemistry (2020): 115915.
- ^ Pohanka, Miroslav. "Overview of piezoelectric biosensors, immunosensors and DNA sensors and their applications." Materials 11.3 (2018): 448.