Biyosensör

Biyosensör, biyolojik süreçlerdeki değişiklikleri algılayan ve bunları elektrik sinyaline dönüştüren analitik bir cihazdır. İlk biyosensör, 1950 yılında Amerikalı biyokimyacı L.L. Clark tarafından icat edildi. Bu biyosensörün amacı, kandaki oksijen miktarını ölçmekti ve başarılı olundu. Sensörde kullanılan elektrotlar, Clark elektrot olarak adlandırılmıştır.

Biyosensörün tanımında belirtilen biyolojik süreç terimi, enzimler, dokular, mikroorganizmalar, hücreler, asitler vb. gibi herhangi bir biyolojik element veya malzeme olabilir. Bu nedenle, biyosensör, verileri elektrik sinyallerine dönüştüren biyolojik algılama elemanı ve bir dönüştürücünün birleşimidir. Ek olarak, bir sinyal koşullandırma birimi, işlemci veya mikrodenetleyici ve bir görüntüleme biriminden oluşan bir elektronik devre olacaktır. Biyosensör nedir? Tanım olarak öğrendik. Biyosensörün çalışma prensibi konusuna da göz atarak tıp ve sağlık sektöründe önemli bir yeri olan bu cihazı daha yakında tanıyalım. İstenilen biyolojik materyal genellikle bir enzim formundadır. Enzimleri bir dönüştürücü yardımıyla karşılık gelen elektrik sinyallerine (genellikle akım) dönüştürmenin kimyasal bir işlemi olan elektro-enzimatik yaklaşım olarak bilinen bir işlemle yapılır. Yaygın olarak kullanılan Biyolojik tepkilerden biri, enzimin oksidasyonudur. Oksidasyon bir katalizör görevi görür ve biyolojik materyalin pH’ını değiştirir. pH’daki değişiklik, bir kez daha ölçülen enzimle doğrudan ilişkili olan enzimin akım taşıma kapasitesini doğrudan etkileyecektir. Dönüştürücünün çıkışı, yani akım, ölçülen enzimin doğrudan bir temsilidir. Akım, uygun şekilde analiz edilebilmesi ve temsil edilebilmesi için genellikle voltaja dönüştürülür.

Biyosensör, biyolojik hassas eleman ve bir dönüştürücünün kombinasyonu olarak biyolojik materyale karşılık gelen bir elektrik sinyaline dönüştürecektir. Enzimin türüne bağlı olarak, dönüştürücünün çıkışı akım veya voltaj olacaktır. Çıkış voltaj ise, o sağlıklı ve iyidir. Ancak çıkış akım ise, daha fazla ilerlemeden önce bu akım eşdeğer voltaja dönüştürülmelidir (Op-Amp tabanlı bir akımdan voltaja dönüştürücü kullanılarak).

Çıkış voltajı sinyali genellikle genlik olarak çok düşüktür ve yüksek frekanslı bir gürültü sinyali üzerine bindirilir. Böylece, sinyal yükseltilir (Op-Amp tabanlı bir Amplifikatör kullanılarak) ve ardından Düşük Geçişli RC Filtreden geçirilir. Sinyali yükseltme ve filtreleme işlemi, sinyal işleme biriminin veya bir sinyal koşullandırma biriminin işidir. Sinyal işleme biriminin çıkışı, ölçülen biyolojik miktara eşdeğer bir analog sinyaldir.

Analog sinyal doğrudan bir LCD ekranda görüntülenebilir. Ancak genellikle bu analog sinyal, bir dijital sinyalin analiz edilmesi, işlenmesi veya saklanması kolay olduğundan, analog sinyalin dijital sinyale dönüştürüldüğü bir mikrodenetleyiciye iletilir.

Biyosensör Çeşitleri

Biyosensörlerin sınıflandırması, sensörde kullanılan transdüksiyon tipine, yani algılama olayından kaynaklanan fizyokimyasal tipine dayanmaktadır. Transdüksiyon yöntemine dayalı biyosensörler yine üç tipe ayrılır. Bunlar:

  • Kütle Tabanlı Biyosensörler
  • Optik Biyosensörler
  • Elektrokimyasal Biyosensörler

Bu türlerin her birinin birkaç alt sınıfı vardır. Aşağıdaki resim, farklı biyosensör çeşitlerinin kapsamlı bir listesini göstermektedir.

Biyosensör Çeşitleri

Biyosensör Çeşitleri

Şemadan da görüldüğü üzere alt sınıflar da dahil edildiğinde biyosensör çeşitleri oldukça fazladır. Bu yüzden, transdüksiyon yöntemine göre üçe ayrılan üç çeşidi inceleyelim.

1.      Piezoelektrik Biyosensörler

Kütle tabanlı biyosensörlerin bir alt bölümüdür. Piezoelektrik biyosensörler, ses titreşimleri, yani akustik prensibine dayandıkları için Akustik Biyosensörler olarak da bilinir. Piezoelektrik biyosensöre mekanik bir kuvvet uygulandığında, elektrik sinyali üretirler.

Biyolojik elementler piezoelektrik biyosensörün yüzeyine tutturulur. Esasen bir kütle-frekans dönüştürücü olan piezoelektrik biyosensör, algılama moleküllerinin mekanik titreşimlerini orantılı elektrik sinyallerine dönüştürür.

2.      Optik Biyosensörler

Optik fiberler, optik biyosensörlerde önemli bir rol oynamaktadır. Optik fiberler, absorpsiyon, saçılma ve floresan gibi ışığın farklı özelliklerine dayalı olarak algılama elemanlarının algılanmasına izin verir.

Reaksiyon, etkileşen yüzeyin kırılma indisindeki değişikliğin bir sonucu olarak yukarıda belirtilen özelliklerden herhangi birinde değişikliklere neden olur. Örneğin, biyolojik elementler antikorlarsa ve metal bir tabaka ile bağlıysa, bu tabaka ile temas eden ortamın kırılma indisi değişecektir.

Optik biyosensör kullanmanın ana avantajlarından biri, elektriksel olmayan yapılarıdır. Bu, sadece ışığın dalga boyunu değiştirerek tek bir katmandaki birden fazla öğeyi analiz etmelerini sağlar.

3.      Elektrokimyasal Biyosensörler

Elektrokimyasal biyosensörlerde, biyolojik moleküller bir problama yüzeyi üzerine kaplanır. Algılayıcı moleküller, parazit yapmayan membran yardımıyla yerinde tutulur. Daha sonra, algılama molekülleri tespit edilecek bileşiğe uygun şekilde tepki verir ve ölçülen miktarla orantılı bir elektrik sinyali üretir.

Elektrokimyasal biyosensörlerde, kimyasal bilgiyi ölçülebilir bir elektrik sinyaline dönüştüren potansiyometrik, amperometrik, impedimetrik vb. gibi çeşitli transdüserler kullanabilir.

BiyoSensör Kullanım Alanları

1950’lerin başındaki gelişimlerinden bu yana, biyosensörler tıp, klinik analiz ve genel sağlık izleme alanlarında çok önemli hale gelmiştir. Biyosensörlerin laboratuvar tabanlı ekipmanlara göre küçük boyutu, düşük maliyeti, hızlı sonuçlar vermesi ve kullanımının kolay olması avantajları arasında yer almaktadır.

Biyosensör kullanım alanları sadece ilaç ve sağlık temelli uygulamalar değildir. Bunun dışında, endüstriyel işleme, tarım, gıda işleme, kirlilik kontrolü gibi diğer birçok alanda da kullanılmaktadır. Biyosensörlerin sıklıkla kullanıldığı alanlardan bazıları şunlardır:

  • Tıp, Klinik ve Tanısal Uygulamalar
  • Çevresel İzleme
  • Endüstriyel Uygulamalar
  • Gıda Endüstrisi
  • Tarım Endüstrisi

Biyosensörlerin bu uygulama alanlarına ayrı ayrı kısaca bir göz atalım.

1.      Tıp, Klinik ve Tanısal Uygulamalar

Biyosensörün asıl kullanım alanı tıp, klinik ve diagnostik uygulamalarıdır. Elektrokimyasal bazlı biyosensörler, laktik asidin yanı sıra glikoz seviyelerini izlemek ve ölçmek için biyokimyasal laboratuvarlarda ve kliniklerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kişisel sağlık hizmetleri alanındaki ticari biyosensör, özellikle kan şekerinin kendi kendini izlemesi oldukça popüler hale geliyor. Bu yöntemin en büyük avantajı, kan örneklerinin kontamine olmaması ve daha doğru sonuçlar için seyreltilmemiş olmasıdır.

Daha önceki kendi kendini izleme cihazları tek kullanımlık uygulamalardır. Yani test tek bir kez yapılabilir ve sensör bundan sonra atılmalıdır. Ancak bu alandaki ilerlemeler, daha iyi hasta bakımı için yeniden kullanılabilir sensörlere izin verir.

2.      Çevresel İzleme

Biyosensörün kullanım alanları arasında çevre kirliliği izlemesi de yer almaktadır. Özellikle su kirliliğinin izlenmesi, biyosensörlerin önemli avantajlara sahip olduğu bir alandır. Yeraltı sularını kirleten numaralandırılmış kirleticiler vardır ve sonuç olarak kaliteli içme suyu kötüleşmektedir.

Nitratlar ve fosfatlar için algılama elemanlarına sahip biyosensörler, su kirleticileriyle mücadelede yaygın hale gelmektedir.

Bir diğer önemli uygulama, ordunun biyosilah olarak kullanılabilecek kimyasalları ve tehlikeli biyolojik örnekleri tespit etmesidir.

3.      Endüstriyel Uygulamalar

Fermantasyon, süt ürünleri, alkol ve diğer benzer ürünlerde kullanılan büyük bir endüstriyel işlemdir. Bu amaçla büyük ölçekli bakteri ve hücre kültürü korunmalıdır. Üretim maliyetini en aza indirmek ve risksiz fermantasyon için bu hassas ancak pahalı süreçleri izlemek çok önemlidir.

Biyosensörler, fermente bir ürünün oluşumunu izlemek ve ölçmek için tasarlanmıştır.

4.      Gıda Endüstrisi

Karbonhidratları, asitleri, alkolü vb. ölçebilen ticari biyosensörler piyasada zaten mevcuttur. Biyosensörler, gıda endüstrisinde amino asitler, karbonhidratlar alkoller, gazlar gibi ölçümleri yapmak için gıda kalite kontrolü amacıyla kullanılır.

Yaygın gıda endüstrilerinden bazıları şarap, bira, yoğurt, alkolsüz içeceklerdir.

5.      Tarım Endüstrisi

Biyosensörler, tarım alanında genellikle pestisitlerin tespiti için kullanılmaktadır.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here