Biyosensör

Biyosensör biyolojik bir bileşeni fizikokimyasal bir detektörle birleştiren, kimyasal bir maddenin saptanması için kullanılan analitik bir cihazdır.Hassas biyolojik element örneğin doku, mikroorganizmalar, organeller, hücre reseptörleri, enzimler, antikorlar, nükleik asitler, vb. incelenen analit ile etkileşime giren, bağlanan veya onu tanıyan biyolojik olarak türetilmiş bir malzeme veya biyomimetik bileşendir. Biyolojik olarak hassas elementler biyolojik mühendislik ile de oluşturulabilir. Bir sinyali diğerine dönüştüren <i id="mwGA">dönüştürücü</i> veya detektör elemanı analitin biyolojik elementle etkileşiminden kaynaklanan optik, piezoelektrik, elektrokimyasal, elektrokemilüminesans vb. gibi fizikokimyasal şekilde çalışır ve ölçmek için kullanılır. Biyosensör okuyucu cihazı sonuçların kullanıcı dostu bir şekilde görüntülenmesinden öncelikli olarak sorumlu olan ilgili elektronik veya sinyal işlemcilerle bağlantı kurar. Bu bazen sensör cihazının en pahalı kısmıdır ancak dönüştürücü ve hassas eleman (holografik sensör) içeren kullanıcı dostu bir ekran yapılabilir. Okuyucular genellikle özel olarak tasarlanmış ve biyosensörlerin farklı çalışma prensiplerine uyacak şekilde üretilmişlerdir.

Biyosensör sistemi

Bir biyosensör genellikle biyo-reseptör (enzim/antikor/hücre/nükleik asit/aptamer), dönüştürücü bileşen (yarı-iletken malzeme/nanomateryal), sinyal amplifikatörü, işlemci ve ekranı içeren elektronik sistemden oluşur. Dönüştürücüler ve elektronikler örneğin CMOS tabanlı mikro sensör sistemlerinde birleştirilebilir. Genellikle bioreseptör olarak adlandırılan tanıma bileşeni ilgilenilen analit ile etkileşime geçmek için biyolojik sistemlerden sonra modellenen organizmalardan veya reseptörlerden biyomolekülleri kullanır. Bu etkileşim, numunedeki hedef analitin varlığıyla orantılı ölçülebilir bir sinyal veren biyotransdüser tarafından ölçülür. Bir biyosensör tasarımının genel amacı numunenin verildiği ilgi veya bakım noktasında hızlı ve uygun test yapılmasını sağlamaktır.

Biyoreseptörler

Kombinazyonlu DNA kitaplıklarını taramak için kullanılan biyosensörler

Bir biyosensörde biyo-algılayıcı dönüştürücü tarafından ölçülebilen bir etki yaratmak için ilgili belirli analit ile etkileşime girecek şekilde tasarlanmıştır. Diğer kimyasal veya biyolojik bileşenlerin bir matrisi arasında analit için yüksek seçicilik bioreseptörün temel gereksinimidir. Kullanılan biyomolekül türü büyük ölçüde değişebilse de biyosensörler aşağıdakileri içeren yaygın biyoreseptör etkileşim türlerine göre sınıflandırılabilir: antikor/antijen, enzimler/ligandlar, nükleik asitler/DNA, hücresel yapılar/hücreler veya biyomimetik malzemeler.

Antikor/antijen etkileşimleri

Bir immünosensör özel bir bileşik veya antijen için antikorların çok özel bağlanma afinitesini kullanır. Antikor-antijen etkileşiminin özel doğası antijenin antikora yalnızca doğru uyumu olduğunda bağlanması kilit ve anahtar uyumuna benzer. Bağlanma olayları flüoresan moleküller, enzimler veya radyoizotoplar gibi bir izleyici ile kombinasyon halinde bir sinyal oluşturabilen fizikokimyasal bir değişikliğe neden olur. Sensörlerde antikor kullanımıyla ilgili sınırlamalar vardır: 1. antikor bağlama kapasitesi test koşullarına (ör. pH ve sıcaklık) bağlıdır ve 2. antikor-antijen etkileşimi genellikle sağlamdır ancak bağlanma kaotropik reaktifler, organik çözücüler ve hatta ultrasonik radyasyonla bozulabilir.

Yapay bağlayıcı proteinler

Biyosensörlerin biyo-tanıma bileşeni olarak antikorların kullanımının birçok dezavantajı vardır. Yüksek moleküler ağırlıklara ve sınırlı kararlılığa sahiptirler, temel disülfür bağları içerirler ve üretilmeleri pahalıdır. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için bir yaklaşımda, antikorların rekombinant bağlanma parçaları (Fab, Fv veya scFv) veya alanları (VH, VHH) tasarlandı. Başka bir yaklaşımda ana molekülün olumlu özelliklerini korurken farklı hedef proteinlere özel bağlanabilen yapay Antijen Bağlayıcı Protein (AgBP) aileleri oluşturmak için uygun biyofiziksel özelliklere sahip küçük protein yapı iskeleleri tasarlandı. Ailenin belirli bir hedef antijene özel olarak bağlanan elemanları genellikle in vitro görüntüleme teknikleriyle seçilir: faj gösterimi, ribozom gösterimi, maya gösterimi veya mRNA gösterimi. Yapay bağlanma proteinleri antikorlardan çok daha küçüktür (genellikle 100 amino-asit kalıntısından daha azdır), güçlü bir güvenilirliği vardır, disülfür bağlarından yoksundur ve bakteriyel sitoplazma gibi hücresel ortamları azaltmada, antikorlar ve türevlerinin aksine yüksek verimle ifade edilebilir. Bu nedenle biyosensörler oluşturmak için özellikle uygundurlar.

Enzimatik etkileşimler

Enzimlerin özel bağlanma yetenekleri ve katalitik aktivitesi onları popüler biyoreseptörler yapar. Analit tanıma birkaç olası mekanizma yoluyla etkinleştirilir: 1) analiti sensör tarafından tespit edilebilen bir ürüne dönüştüren enzim, 2) enzim inhibisyonunu veya analit tarafından aktivasyonunu belirleme veya 3) analit ile etkileşimden kaynaklanan enzim özelliklerinin değişimini izleme. Biyosensörlerde enzimlerin yaygın kullanım nedenleri şunlardır: 1) çok sayıda reaksiyonu katalize etme yeteneği; 2) bir grup analiti tespit etme potansiyeli (altlıklar, ürünler, inhibitörler ve katalitik aktivitenin modülatörleri); ve 3) analiti tespit etmek için birkaç farklı transdüksiyon yöntemiyle uygunluk. Özellikle enzimler reaksiyonlarda tüketilmediğinden biyosensör kolaylıkla sürekli olarak kullanılabilir. Enzimlerin katalitik aktivitesi aynı zamanda genel bağlanma tekniklerine kıyasla daha düşük tespit sınırlarına izin verir. Ancak sensörün ömrü enzimin kararlılığıyla sınırlıdır.

Afinite bağlayıcı reseptörler

Antikorlar antijen-antikor çifti oluştuğunda neredeyse geri döndürülemez bir birleşmeyi temsil eden 10^8 L/mol'den fazla yüksek bir bağlanma sabitine sahiptir. Glikoz afinite bağlayıcı proteinler gibi belirli analit molekülleri için ligandlarını bir antikor gibi yüksek bir özgüllükle ancak 10^2 ila 10^4 L/mol düzeyinde çok daha küçük bir bağlanma sabiti ile bağlayan mevcuttur. Analit ve reseptör arasındaki ilişki bu durumda tersine çevrilebilir niteliktedir ve her ikisi arasındaki çiftin yanında ayrıca serbest molekülleri de ölçülebilir bir konsantrasyonda meydana gelir. Örneğin glukoz durumunda konkanavalin A, 4x10^2 L/mol'lük bir bağlanma sabiti sergileyen afinite reseptörü olarak işlev görebilir. Biyoalgılama amacıyla afinite bağlayıcı reseptörlerin kullanımı 1979'da Schultz ve Sims tarafından önerilmiş ve daha sonra 4.4 ve 6.1  mmol / L. arasındaki ilgili fizyolojik aralıkta glikozu ölçmek için floresan bir test olarak yapılandırılmıştır. Sensör prensibi enzimatik testlerde olduğu gibi bir kimyasal reaksiyonda analiti tüketmemesi avantajına sahiptir.

Nükleik asit etkileşimleri

Nükleik asit bazlı reseptörleri kullanan biyosensörler ya genosensörler olarak adlandırılan tamamlayıcı baz eşleştirme etkileşimlerine veya aptasensörler olarak özel nükleik asit bazlı antikor taklitlerine (aptamerler) dayanabilir. Birincisinde tanıma işlemi tamamlayıcı ilkesine dayanır baz eşleşmesi timin ve sitozin: adenin guanin içinde DNA. Hedef nükleik asit sekansı biliniyorsa, tamamlayıcı sekanslar sentezlenebilir, etiketlenebilir ve ardından sensör üzerinde hareketsizleştirilebilir. Hibridizasyon optik olarak belirlenebilir ve hedef DNA/RNA'nın varlığı tespit edilebilir. İkincisinde hedefe karşı üretilen aptamerler, onu özel kovalent olmayan etkileşimlerin etkileşimi ve indüklenen uydurma yoluyla tanır. Bu aptamerler optik saptama için bir florofor/metal nanopartiküller ile kolayca etiketlenebilir veya çok çeşitli hedef moleküller veya hücreler ve virüsler gibi karmaşık hedefler için etiketsiz elektrokimyasal veya konsol tabanlı algılama platformlarında kullanılabilir.

Epigenetik

Epigenetik değişimleri belirlemek için uygun şekilde en uygun yapılmış bütünleşik optik rezonatörlerden yararlanılabileceği önerilmiştir (örn. DNA metilasyonu, kanser veya diğer hastalıklardan etkilenen hastalardan alınan vücut sıvılarındaki translasyon sonrası histon modifikasyonları). Ultra duyarlılığa sahip fotonik biyosensörler günümüzde hastanın idrarındaki kanserli hücreleri kolayca tespit etmek için araştırma düzeyinde geliştirilmektedir. Farklı araştırma projeleri uzman teknisyenler tarafından daha fazla işlemeye, yıkamaya veya manipülasyona gerek kalmadan yalnızca basit kullanım gerektiren ucuz, çevre dostu, tek kullanımlık kartuşlar kullanan yeni taşınabilir cihazlar geliştirmeyi amaçlamaktadır.

Organeller

Organeller hücrelerin içinde ayrı bölmeler oluşturur ve genellikle bağımsız olarak iş görür. Farklı organel türleri çeşitli metabolik yollara sahiptir ve işlevini yerine getirmek için enzimler içerir. Yaygın kullanılan organeller arasında lizozom, kloroplast ve mitokondri bulunur. Kalsiyumun uzamsal-zamansal dağılım modeli her yerde bulunan sinyal yolu ile yakından ilişkilidir. Mitokondri fonksiyonu kontrol etmek ve ayrıca kalsiyumla ilgili sinyal yollarını değiştirmek için kalsiyum iyonlarının metabolizmasına aktif olarak katılır. Deneyler mitokondrinin kalsiyum kanallarını açarak çevrelerinde oluşan yüksek kalsiyum konsantrasyonlarına yanıt verme kabiliyetine sahip olduğunu kanıtlamıştır. Bu şekilde mitokondri ortamdaki kalsiyum konsantrasyonunu tespit etmek için kullanılabilir ve mekansal çözünürlük nedeniyle tespit çok hassastır. Su kirliliğinin tespiti için başka bir mitokondri uygulaması kullanılır. Deterjan bileşiklerinin zehirleyiciliği, hücreye ve mitokondri dahil hücre altı yapıya zarar verir. Deterjanlar emme değişikliği ile ölçülebilen bir şişme etkisine neden olur. Deney verileri değişim oranının deterjan konsantrasyonu ile orantılı olduğunu gösterir ve tespit doğruluğu için iyi bir standart sağlar.

Hücreler

Hücreler genellikle biyoreseptörlerde kullanılır çünkü çevre ortama duyarlıdırlar ve her türlü uyarıcıya cevap verebilirler. Hücreler yüzeye tutunma eğilimindedir böylece kolayca hareketsiz hale getirilebilirler. Organellere kıyasla daha uzun süre aktif kalırlar ve tekrarlanabilir olmaları onları tekrar kullanılabilir hale getirir. Genellikle stres durumu, toksisite ve organik türevler gibi küresel parametreleri tespit etmek için kullanılırlar. İlaçların tedavi etkisini izlemek için de kullanılabilirler. Bir uygulama, ana sucul kirletici olan herbisitleri belirlemek için hücreleri kullanmaktır. Mikroalgler kuvars mikrofiber üzerinde tutulur ve herbisitler tarafından değiştirilen klorofil floresanı fiber optik demetinin ucunda toplanır ve bir florimetreye iletilir. Algler en iyileştirilmiş ölçümler elde etmek için sürekli olarak kültürlenir. Sonuçlar belirli herbisitlerin tespit limitinin ppb altı konsantrasyon seviyesine ulaşabileceğini göstermektedir. Bazı hücreler mikrobiyal korozyonu izlemek için de kullanılabilir. Pseudomonas sp. aşınmış malzeme yüzeyinden yalıtılır ve asetilselüloz membran üzerinde sabitlenir. Solunum faaliyeti oksijen tüketimi ölçülerek belirlenir. Üretilen akım ile sülfürik asit konsantrasyonu arasında doğrusal bir ilişki vardır. Tepki süresi hücrelerin ve çevredeki ortamların yüklenmesi ile ilgilidir ve en fazla 5 dakika kontrol edilebilir.

Doku

Dokular, mevcut enzimlerin bolluğu için biyosensör için kullanılır. Biyosensör olarak dokuların iyi yararları şunlardır:

• hücrelere ve organellere kıyasla hareketsizleştirmek daha kolaydır
• doğal ortamda enzimlerin saklanmasından kaynaklanan daha çok aktivite ve kararlılık
• kullanılabilirlik ve düşük fiyat
• enzimlerin çıkarılması, santrifüjü ve saflaştırılması gibi zahmetli işlerden kaçınma
• enzimin çalışması için gerekli kofaktörler vardır
• farklı amaçlarla ilgili geniş bir seçim yelpazesi sunan çeşitlilik.

Diğer enzimlerin etkileşimi nedeniyle özgüllük eksikliği ve taşıma bariyerinden dolayı daha uzun yanıt süresi gibi dokuların bazı kötü yanları da vardır.

Biyolojik elementlerin yüzeye tutunması

Bir grafen yüzeyine bağlanmış negatif yüklü eksozomları algılama

Biyosensörün önemli bir parçası biyolojik elementleri (küçük moleküller/protein/hücreler) sensörün yüzeyine (metal, polimer veya cam) bağlamaktır. En basit yol yüzeyi biyolojik elementlerle kaplamak için işlevsel hale getirmektir. Bu, silikon yongalar/silika cam durumunda polilisin, aminosilan, epoksisilan veya nitroselüloz ile yapılabilir. Daha sonra bağlı biyolojik etken örneğin alternatif olarak yüklü polimer kaplamaların katman katman bırakılmasıyla sabitlenebilir.

Alternatif olarak üç-boyutlu kafesler (hidrojel /kserojel) bunları kimyasal veya fiziksel olarak tuzağa düşürmek için kullanılabilir (burada kimyasal olarak hapsedilmeden kasıt biyolojik elementin güçlü bir bağla yerinde tutulması, fiziksel olarak yerinde tutulmasından kasıt jel matrisinin gözeneklerinden geçmemesinin sağlanması anlamına gelir). Fiziksel tuzak durumunda en yaygın kulanılan hidrojel biyolojik elementlerin (PEG gibi diğer stabilize edici polimerlerle birlikte) varlığında silikat monomerlerinin (TMOS veya TEOS gibi tetra alkil ortosilikatlar olarak eklenir) polimerizasyonu ile oluşturulan bir camsı silika olan sol-jeldir.

Hücreler veya protein için uygun koşullar altında yerleşen başka bir hidrojel grubu radikal başlatma üzerine polimerize olan akrilat hidrojeldir. Bir tür radikal başlatıcı genelde bir persülfatın TEMED (Poliakrilamid jel ayrıca protein elektroforezi için yaygın olarak kullanılır), ile birleştirilmesiyle üretilen bir peroksit radikalidir alternatif olarak ışık DMPA (2,2-dimetoksi-2-fenilasetofenon) gibi birlikte de kullanılabilir. Bir sensörün biyolojik bileşenlerini taklit eden akıllı malzemeler yalnızca aktif veya katalitik bölge veya bir biyomolekülün analog gruplaşmaları kullanılarak biyosensörler olarak da sınıflandırılabilir.

Biyotransdüser

Biyotransdüser türüne göre biyosensörlerin sınıflandırılması

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

İyon kanalı anahtarı

Uygulamalar

Antikorla modifiye edilmiş bor katkılı elmas kullanılarak influenza virüsünün biyoalgılanması

Çeşitli tiplerde biyosensörlerin birçok olası uygulaması vardır. Bir biyosensör yaklaşımının araştırma ve ticari uygulamalar açısından değerli olması için temel gereksinimler, bir hedef molekülün tanımlanması, uygun bir biyolojik tanıma elemanının mevcudiyeti ve tek kullanımlık taşınabilir algılama sistemlerinin hassas laboratuvar tabanlı tekniklere tercih edilme potansiyelidir. bazı durumlarda. Bazı örnekler diyabet hastalarında glikoz izleme, diğer tıbbi sağlıkla ilgili hedefler, çevresel uygulamalar, örneğin pestisitlerin ve ağır metal iyonları gibi nehir suyu kirleticilerinin havadaki bakterilerin uzaktan algılanması, örneğin biyoterörle mücadele faaliyetlerinde, dünya çapında terkedilmiş çift kabuklular gruplarında deniz tarağı etiolojisinin farklı yönlerini (biyolojik ritimler, büyüme oranları, yumurtlama veya ölüm kayıtları) çevrimiçi olarak tanımlayarak kıyı sularında su kalitesinin uzaktan algılanması, patojenlerin tespiti, daha önce toksik madde seviyelerinin belirlenmesi ve bioremediasyon sonrası organofosfat tespiti ve tayini, mikrobiyolojik tahlile alternatif olarak folik asit, biotin, vitamin B12 ve pantotenik asidin rutin analitik ölçümü, antibiyotikler ve büyüme destekleyiciler, özellikle et ve bal gibi gıdalardaki ilaç kalıntılarının tespiti, ilaç keşfi ve yeni bileşiklerin biyolojik aktivitesinin değerlendirilmesi, b'de protein mühendisliği iosensörler, ve mikotoksinler gibi toksik metabolitlerin tespitidir.

Ticari bir biyosensörün yaygın bir örneği, kan şekerini parçalamak için glikoz oksidaz enzimini kullanan kan şekeri biyosensörüdür. Bunu yaparken önce glikozu oksitler ve FAD'yi (enzimin bir bileşeni) FADH2'ye indirgemek için iki elektron kullanır. Bu da elektrot tarafından birkaç adımda oksitlenir. Ortaya çıkan akım, glikoz konsantrasyonunun bir ölçüsüdür. Bu durumda elektrot dönüştürücüdür ve enzim biyolojik olarak aktif bileşendir.

Madenciler tarafından gaz konusunda uyarmak için kullanılan kafesteki kanarya, bir biyosensör olarak kabul edilebilir. Günümüzün biyosensör uygulamalarının çoğu, toksik maddelere, varlıklarını uyarmak için insanların algılayabileceğinden çok daha düşük konsantrasyonlarda tepki veren organizmaları kullanmaları bakımından benzerdir. Bu tür cihazlar çevresel izleme, eser gaz tespiti ve su arıtma tesislerinde kullanılabilir.

Birçok optik biyosensör, yüzey plazmon rezonans (SPR) teknikleri olgusuna dayanır. Bu, ve diğer malzemelerin bir özelliğini kullanır; özellikle yüksek kırılma indeksli bir cam yüzey üzerindeki ince bir altın tabakasının lazer ışığını emebilmesi ve altın yüzeyinde elektron dalgaları (yüzey plazmonları) üretebilmesi. Bu, yalnızca gelen ışığın belirli bir açısında ve dalga boyunda meydana gelir ve altın yüzeyine büyük ölçüde bağlıdır, öyle ki bir hedef analitin altın yüzeyindeki bir reseptöre bağlanması ölçülebilir bir sinyal üretir.

Yüzey plazmon rezonans sensörleri, bir tarafı mikroskobik bir altın tabakasıyla kaplanmış bir cam plakayı destekleyen plastik bir kasetten oluşan bir sensör çipi kullanarak çalışır. Bu taraf, cihazın optik algılama aparatına temas eder. Karşı taraf daha sonra bir mikroakışkan akış sistemi ile temas ettirilir. Akış sistemiyle temas, reaktiflerin çözelti içinde geçirilebileceği kanallar oluşturur. Cam sensör çipinin bu tarafı, ilgilenilen moleküllerin kolayca bağlanmasını sağlamak için çeşitli şekillerde değiştirilebilir. Normalde karboksimetil dekstran veya benzeri bir bileşikle kaplanır.

Çip yüzeyinin akış tarafındaki kırılma indisi, altın tarafından yansıyan ışığın davranışı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Çipin akış tarafına bağlanma, kırılma indisi üzerinde bir etkiye sahiptir ve bu şekilde biyolojik etkileşimler, bir tür enerji ile yüksek derecede hassasiyetle ölçülebilir. Biyomoleküller yüzeye bağlandığında yüzeye yakın ortamın kırılma indisi değişir ve SPR açısı bu değişimin bir fonksiyonu olarak değişir.

Sabit bir dalga boyundaki ışık, toplam iç yansıma açısında çipin altın tarafından yansıtılır ve cihazın içinde algılanır. Gelen ışığın açısı, yüzey plazmon plaritonlarının yayılma hızı ile kaybolan dalga yayılma hızını eşleştirmek için değiştirilir. Bu, kaybolan dalganın cam plakadan geçmesine ve yüzeyden akan sıvıya biraz mesafe girmesine neden olur.

Diğer optik biyosensörler, esas olarak uygun bir gösterge bileşiğinin absorbans veya floresansındaki değişikliklere dayanır ve toplam bir dahili yansıma geometrisine ihtiyaç duymaz. Örneğin, sütte kazeini tespit eden tamamen işlevsel bir prototip cihaz üretilmiştir. Cihaz, bir altın tabakasının emilimindeki değişiklikleri tespit etmeye dayanmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bir araştırma aracı olan mikro dizi de bir biyosensör olarak kabul edilebilir.

Biyolojik biyosensörler genellikle bir doğal protein veya enzimin genetiği değiştirilmiş bir şeklini kapsar. Protein, belirli bir analiti tespit edecek şekilde yapılandırılır ve ardından gelen sinyal, bir florometre veya luminometre gibi bir tespit aleti tarafından okunur. Yakın zamanda geliştirilen bir biyosensör örneği, hücre zarı üzerindeki reseptörlerle etkileşime giren ligandlar tarafından tetiklenen hücresel sinyalleşmede yer alan ikinci bir haberci olan analit cAMP'nin (siklik adenosin monofosfat) sitozolik konsantrasyonunu saptamaya yönelik bir biyosensör örneğidir. Doğal ligandlara veya ksenobiyotiklere (toksinler veya küçük molekül inhibitörleri) verilen hücresel tepkileri incelemek için benzer sistemler oluşturulmuştur. Bu tür "tahliller", farmasötik ve biyoteknoloji şirketleri tarafından ilaç keşfi geliştirmede yaygın olarak kullanılır. Mevcut kullanımdaki çoğu cAMP tahlili, cAMP ölçümünden önce hücrelerin parçalanmasını gerektirir. cAMP için bir canlı hücre biyosensörü, reseptör tepkisinin kinetiğini incelemek için çoklu okumaların ek avantajı ile parçalanmamış hücrelerde kullanılabilir.

Nanobiyosensörler, hedef analit molekülleri için seçici olan hareketsiz bir biyoreseptör probu kullanır. Nanomalzemeler son derece hassas kimyasal ve biyolojik sensörlerdir. Nano ölçekli malzemeler benzersiz özellikler gösterir. Geniş yüzey alanı/hacim oranı, çeşitli tasarımlar kullanarak hızlı ve düşük maliyetli reaksiyonlar sağlayabilir.

Diğer geçici dalga biyosensörleri, dalga kılavuzu boyunca yayılma sabitinin moleküllerin dalga kılavuzu yüzeyine emilmesiyle değiştirildiği dalga kılavuzları kullanılarak ticarileştirilmiştir. Böyle bir örnek, ikili polarizasyon interferometrisi, yayılma sabitindeki değişimin ölçüldüğü bir referans olarak gömülü bir dalga kılavuzu kullanır. Mach-Zehnder gibi diğer konfigürasyonlar, bir alt tabaka üzerinde litografik olarak tanımlanmış referans kollarına sahiptir. Moleküller emildiğinde bir halka rezonatörünün rezonans frekansının değiştiği rezonatör geometrileri kullanılarak daha yüksek entegrasyon seviyeleri sağlanabilir.

Son zamanlarda, birçok farklı dedektör molekülü dizileri, bir maddenin parmak izini almak için dedektörlerden gelen yanıt modelinin kullanıldığı elektronik burun cihazlarında uygulanmıştır. Wasp Hound koku dedektöründe, mekanik eleman bir video kameradır ve biyolojik eleman, belirli bir kimyasalın varlığına tepki olarak sürüye girmeye şartlandırılmış beş parazit yaban arısıdır. Ancak mevcut ticari elektronik burunlar biyolojik elementler kullanmamaktadır.

Glikoz izleme

  Ticari olarak temin edilebilen glikoz monitörleri, elektrot tarafından tespit edilen glikoz üreten hidrojen peroksiti oksitleyen glikoz oksidaz vasıtasıyla glikozun amperometrik olarak algılanmasına dayanır. Amperometrik sensörlerin sınırlamasının üstesinden gelmek için, floresan glikoz biyosensörleri gibi yeni algılama yöntemlerine yönelik bir araştırma çabası vardır.

İnterferometrik yansıma görüntüleme sensörü

İnterferometrik yansıma görüntüleme sensörü (IRIS), optik girişim ilkelerine dayanır ve bir silikon-silikon oksit alt tabakadan, standart optiklerden ve düşük güçlü uyumlu LED'lerden oluşur. Işık, katmanlı silikon-silikon oksit substrat üzerine düşük büyütmeli bir objektif aracılığıyla aydınlatıldığında, bir interferometrik imza üretilir. Silisyum oksit ile benzer bir kırılma indeksine sahip olan biyokütle, substrat yüzeyinde biriktikçe, interferometrik imzada bir değişiklik meydana gelir ve bu değişiklik ölçülebilir bir kütle ile ilişkilendirilebilir. Daaboul et al. yaklaşık 19 etiketsiz bir hassasiyet elde etmek için IRIS kullandı ng/mL.Ahn et al. toplu etiketleme tekniği ile IRIS'in duyarlılığını geliştirdi.

İlk yayından bu yana, IRIS çeşitli işlevleri yerine getirmek üzere uyarlanmıştır. İlk olarak, IRIS, floresan protein mikrodizi değişkenliğini ele almanın potansiyel bir yolu olarak interferometrik görüntüleme cihazına bir floresan görüntüleme yeteneği entegre etti. Kısaca, floresan mikrodizilerindeki varyasyon esas olarak yüzeylerdeki tutarsız protein immobilizasyonundan kaynaklanır ve alerji mikrodizilerinde yanlış tanılara neden olabilir. Protein immobilizasyonundaki herhangi bir varyasyonu düzeltmek için floresan modalitesinde elde edilen veriler daha sonra etiketsiz modalitede elde edilen verilerle normalleştirilir. IRIS ayrıca, etiketsiz biyokütle ölçümü için kullanılan düşük büyütme hedefini daha yüksek bir objektif büyütmeye çevirerek tekli nanoparçacık sayımını gerçekleştirmek üzere uyarlanmıştır. Bu modalite, karmaşık insan biyolojik örneklerinde boyut ayrımcılığına olanak tanır. Monroe et al. insan tam kanına ve serumuna eklenen protein seviyelerini ölçmek için IRIS kullandı ve sıfır numune işleme kullanarak karakterize edilmiş insan kan numunelerinde alerjen duyarlılığını belirledi. Bu cihazın diğer pratik kullanımları arasında virüs ve patojen tespiti yer alır.

Gıda analizi

Gıda analizinde biyosensörlerin çeşitli uygulamaları vardır. Gıda endüstrisinde, patojenleri ve gıda toksinlerini tespit etmek için antikorlarla kaplı optikler yaygın olarak kullanılır. Genellikle bu biyosensörlerdeki ışık sistemi floresandır, çünkü bu tip optik ölçüm sinyali büyük ölçüde yükseltebilir.

Suda çözünür vitaminler gibi küçük moleküllerin ve sülfonamidler ve Beta-agonistler gibi kimyasal kirleticilerin (ilaç kalıntıları) tespiti ve ölçümü için bir dizi immüno- ve ligand-bağlanma tahlili, mevcut ELISA veya diğer immünolojik testlerden uyarlanarak, genellikle SPR tabanlı sensör sistemlerinde kullanılmak üzere geliştirilmiştir.

Bunlar gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılır.

DNA biyosensörleri

DNA, belirli yollarla saptanan bir biyosensörün analiti olabilir, ancak aynı zamanda bir biyosensörün parçası olarak veya teorik olarak bütün bir biyosensör olarak da kullanılabilir.

Genellikle belirli DNA'ya sahip organizmaları belirlemenin bir yolu olan DNA'yı tespit etmek için birçok teknik mevcuttur. DNA dizileri de yukarıda tarif edildiği gibi kullanılabilir. Ancak DNA'nın enzimleri biyolojik, kararlı bir jelde tutmak için sentezlenebileceği daha ileriye dönük yaklaşımlar da vardır. Diğer uygulamalar, istenen bir molekülü bağlamak için belirli bir şekle sahip olan DNA dizileri olan aptamerlerin tasarımıdır.

En yenilikçi süreçler, bunun için DNA origamisini kullanır ve tespit için yararlı olan öngörülebilir yapıda katlanan diziler oluşturur.

Mikrobiyal biyosensörler

Mikrobiyal biyosensörler, bakterilerin belirli bir maddeye verdiği tepkiden yararlanır. Örneğin, arsenik, birkaç bakteri taksonunda bulunan ars operonu kullanılarak tespit edilebilir.

Ozon biyosensörleri

Ozon zararlı ultraviyole radyasyonu filtrelediğinden, dünya atmosferinin ozon tabakasındaki deliklerin keşfi, ultraviyole ışığının dünya yüzeyine ne kadar ulaştığı konusunda endişeleri artırdı. Ultraviyole radyasyonunun deniz suyuna ne kadar derinden nüfuz ettiği ve deniz organizmalarını, özellikle planktonları (yüzen mikroorganizmalar) ve planktona saldıran virüsleri nasıl etkilediği soruları özellikle endişe vericidir. Plankton deniz gıda zincirinde tabanını oluşturan ve fotosentez için CO 2 girişi ile oluşan gezegenimizin sıcaklık ve hava etkilediğine inanılmaktadır.

Radyo-biyoloji ve Çevre Sağlığı Laboratuvarında ( California Üniversitesi, San Francisco ) araştırmacı olan Deneb Karentz, ultraviyole penetrasyonunu ve yoğunluğunu ölçmek için basit bir yöntem tasarladı. Antarktika Okyanusu'nda çalışırken, DNA'larına verilen ultraviyole radyasyon hasarını neredeyse tamamen onaramayan özel E. coli suşları içeren ince plastik torbaları çeşitli derinliklere daldırdı. Bu torbalardaki bakteriyel ölüm oranları, aynı organizmanın maruz kalmayan kontrol torbalarındaki oranlarla karşılaştırıldı. Bakteriyel "biyosensörler", 10 m derinliklerde ve sıklıkla 20 ve 30 m'de sürekli önemli ultraviyole hasarı ortaya çıkardı. Karentz, ultraviyolenin okyanuslardaki mevsimsel plankton çiçeklerini (büyüme atakları) nasıl etkileyebileceğine dair ek çalışmalar planlıyor.

Metastatik kanser hücresi biyosensörleri

Metastaz, kanserin dolaşım sistemi veya lenfatik sistem yoluyla vücudun bir bölümünden diğerine yayılmasıdır. Enerji şekillerini (x-ışınları, manyetik alanlar, vb.) vücuda göndererek yalnızca iç mekan resimleri çeken radyoloji görüntüleme testlerinin (mamogramlar) aksine, biyosensörler tümörün habis gücünü doğrudan deneme potansiyeline sahiptir.

Biyolojik ve dedektör elemanının kombinasyonu, incelenen analit için küçük bir numune gereksinimi, kompakt tasarım, hızlı sinyaller, hızlı algılama, yüksek seçicilik ve yüksek hassasiyet sağlar.

Normal radyoloji görüntüleme testleriyle karşılaştırıldığında, biyosensörler yalnızca kanserin ne kadar yayıldığını bulma ve tedavinin etkili olup olmadığını kontrol etme avantajına sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda kanserin erken evrelerinde metastatikliği değerlendirmek için daha ucuz, daha verimli (zaman, maliyet ve üretkenlik) yoludur.

Biyoloji mühendisliği araştırmacıları meme kanseri için onkolojik biyosensörler yaptılar.

Meme kanseri, dünya çapında kadınlar arasında önde gelen yaygın bir kanserdir.

Bir örnek, bir transferrin-kuvars kristal mikro terazisi (QCM) olabilir. Biyosensör olarak, kuvars kristali mikro terazileri, nano-gram kütle değişikliklerini algılamak için alternatif bir potansiyelden kristalin duran dalgasının frekansında salınımlar üretir. Bu biyosensörler, hücre (kanserli ve normal) yüzeylerdeki reseptörler için etkileşime girmek ve yüksek seçiciliğe sahip olmak üzere özel olarak tasarlanmıştır. İdeal olarak, bu, mamogramlar tarafından verilen nitel bir resim algılaması yerine, yüzey alanı başına bu reseptör ile hücrelerin nicel bir algılanmasını sağlar.

Hacettepe Üniversitesi'nde biyoteknoloji araştırmacısı olan Seda Atay, QCM ve MDA-MB 231 meme hücreleri, MCF 7 hücreleri ve aç MDA-MB 231 hücreleri arasındaki bu özgüllüğü ve seçiciliği in vitro olarak deneysel olarak gözlemledi. Diğer araştırmacılarla birlikte, farklı miktarlarda transferrin reseptörleri nedeniyle kütle kaymalarını ölçmek için bu farklı metastatik seviyeli hücreleri sensörler üzerinde yıkamak için bir yöntem tasarladı. Özellikle meme kanseri hücrelerinin metastatik gücü, potansiyel olarak kanser hücresi yüzeylerindeki transferrin reseptörlerine bağlanacak nanopartiküller ve transferrin içeren Kuvars kristal mikro terazileri ile belirlenebilir. Kanser hücrelerinde aşırı eksprese edildikleri için transferrin reseptörleri için çok yüksek seçicilik vardır. Hücreler, yüksek metastatik güçlerini gösteren yüksek transferrin reseptörleri ifadesine (ingilizce: expression) sahiplerse, daha yüksek yakınlığa sahiptirler ve kütledeki artışı ölçen QCM'ye daha fazla bağlanırlar. Nano gram kütle değişiminin büyüklüğüne bağlı olarak metastatik güç belirlenebilir.

Ek olarak, son yıllarda biyopsi yapılmadan akciğer kanserinin biyobelirteçlerinin saptanmasına büyük önem verilmiştir. Bu bağlamda, biyosensörler, erken akciğer kanseri teşhisi için hızlı, hassas, spesifik, kararlı, uygun maliyetli ve yayılmacı olmayan tespitler sağlamak için çok çekici ve uygulanabilir araçlardır. Bu nedenle, antikorlar, tamamlayıcı nükleik asit probları veya bir dönüştürücü yüzeyindeki diğer hareketsizleştirilmiş biyomoleküller gibi spesifik biyolojik tanıma moleküllerinden oluşan kanser biyosensörleri. Biyotanıma molekülleri, özellikle biyobelirteçler (hedefler) ile etkileşime girer ve üretilen biyolojik tepkiler, dönüştürücü tarafından ölçülebilir bir analitik sinyale dönüştürülür. Biyolojik yanıtın türüne bağlı olarak, elektrokimyasal, optik ve kütle tabanlı dönüştürücüler gibi kanser biyosensörlerinin üretiminde çeşitli dönüştürücüler kullanılır.

Ayrıca bakınız

Bibliyografya

• Biosensoren. Akademie-Verlag, Berlin. 1989. ISBN 978-3-05-500659-3. 
• Bioelectronics Handbook - MOSFETs, Biosensors and Neurons. McGraw-Hill, New York. 1998. ISBN 978-0070031746. 

Dış bağlantılar

• biyosensörler nelerdir 6 Kasım 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Biyosensörlerin yüzeyindeki çizikler 18 Nisan 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – yüzey kimyasının gözenekli silikon biyosensörlerin Royal Society of Chemistry'den vaatlerini yerine getirmesine nasıl izin verdiğini tartışan Anında Bilgi 10 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.