Biyosensörler, gaz veya sıvı ortamlarda bulunan maddelerin nitel ve/veya nicel olarak tayin ve izlenmesinde kullanılan cihazlardır. Biyosensörler üç temel bileşenden oluşur:
(i) Biyoajan,
(ii) Çevirici (transducer)
(iii) Elektronik bölüm
Bir biyosensörün en önemli bileşeni tayin edilecek maddeye duyarlı, onunla son derece seçimli olarak etkileşen biyoajandır. Biyosensörlerde, başta enzim ve enzim sistemleri olmak üzere, immünolojik faktörler (antibadiler, antijenler ve diğer immunkompleksler), biyolojik membran bileşenleri (reseptörler), mikroorganizmalar ve hayvansal ve bitkisel doku parçaları biyoajan olarak kullanılmaktadır. Çevirici tayin edilecek madde ile biyoajan etkileşmesi sonucu ortaya çıkan sinyali (elektrokimyasal, elektriksel, optik, manyetik, kütle ve ısıl değişiklikler) elektronik bölümde işlenecek şekle, bir elektronik sinyale dönüşen bileşendir. Biyosensörün üçüncü bölümü olan elektronik bölümde, transistörden gelen elektronik sinyal yükseltilir, depolanır görüntülenir.
Biyoajanın tayin edilecek madde ile etkileşimi başlıca şu iki şekilde olur:
(i) Reaksiyonu katalizleme : Birinci durumda biyoajan tayin edilecek madde ile ilgili bir reaksiyonu katalizler (biyokataliz olarak davranır). Enzim elektrodları buna tipik örneklerdir.
(ii) Bağlanma : Biyoajanla tayin edilecek maddenin etkileşiminin ikinci şekli bağlanmadır. Buna tipik örnekler immunosensörlerdir. Burada biyoajan olarak, örneğin antibadiler kullanılır. Antibadiler, canlılarda genellikle vücudun savunma sistemiyle ilgili olarak, antijen atlı verilen yabancı cisimlerle son
derece seçimli olarak reaksiyona girmek üzere vücut tarafından üretilen proteinlerdir.
Biyosensörde Olması Gereken Özellikler
Bir biyosensörde başlıca şu beş temel özellik aranır:
(i) Seçicilik,
(ii) Kararlılık,
(iii) Duyarlılık,
(iv) Cevap süresi,
(v) Doğrusallık
Biyosensörlerin seçiciliğini sağlayan biyoajan ile tayin edilecek madde arasındaki son derece seçici olan etkileşimdir. Bu özellik biyosensörlerin diğer sensörlere (örneğin kimyasal sensörier) göre önemli avantajıdır.
Kararlılık, biyosensörlerin önemli bir dezavantajı olarak değerlendirilebilir. Biyoajanlar biyolojik maddelerdir. Biyolojik sistemdeki fonksiyonların ancak üç boyutlu yapılarını korudukları süre gösterebilirler. Örneğin, enzimler, proteinlerdir. Bir protein bir veya birden fazla poliaminoasit zincirinin üç boyutlu katlanması ile spesifik fonksiyon kazanır. Enzim örneğinde, bu yapının bozulma derecesine bağlı olarak enzim aktivitesini kısmen veya tamamen kaybedebilir.
Başka bir ifadeyle, örneğin biyosensör uygulamasında biyoajan (enzim) biyokataliz görevini yapamaz. Özellikle enzimler, antibadiler ve çevre koşullarından (sıcaklık, pil, iyon güç, kimyasallar, vb.) önemli oranda etkilenir. Biyosensörlerin kararlıgılığı yönünden bunların özel koşullarda saklanmaları ve kullanılmaları gerekir.
Biyosensörlerin duyarlılıkları diğer sensörlere (örneğin kimyasal sensörier) göre çok yüksektir. Enzim elektrodlarla HH’ mol/litre konsantrasyonlara kadar inilebilmektedir. Kofaktör ve koenzim içeren enzim sistemleri ile hem ölçüm limitini daha aşağıya çekmek hem de olası girişimleri elimine ederek sensör seçiciliğini artırmak olasıdır.
Biyosensörün cevap süresi türüne göre birkaç saniyeden saat mertebesine kadar değişmektedir. Cevap süresinin kısa olmasının önemli bir avantaj olduğu açıktır. Cevap süresi biyoajan türü, biyoajanın sensörle entegrasyon yöntemi ve sensörün diğer bileşenleri ile ilgilidir. Genellikle saf olarak kullanıldıklarında biyolojik moleküllerin (enzimler, antibadiler, vb.) reaksiyonları çok hızlıdır, biyosensör cevap süresini etkilemez. Ancak, enzimler yerine mikroorganizmalar veya hücre parçaları kullanıldığında sensör cevap süresi uzar. Bunun nedeni, bu yapılar içindeki difüzyon kısıtlamalarıdır.
Biyosensör cevap süresini etkileyen ikinci parametre biyoajanın sensörle entegrasyonudur. Ticari olarak satılan biyosensörlerin çoğu birinci generasyon biyosensörlerdir.
İkinci generasyon biyosensörlerde biyoajan tercihen kovalent bağlar ile veya fiziksel adsorpsiyonla çevirici yüzeyine bağlanmıştır. Difüzyon kısıtlamalarının ortadan kaldırıldığı bu yaklaşımda cevap süresi önemli ölçüde kısalmıştır.
Üçüncü generasyon biyosensörlerde bir adım daha ileri gidilmiş ve biyosensörde çevirici de aradan kaldırılarak biyoajan doğrudan elektronik element (örneğin bir silikon çip) üzerine takılmıştır. Bu sensörler çok hızlı cevap verir, boyutları çok küçüktür, çok sayıda maddenin aynı anda tayini ve kontrolü olasıdır.
Doğrusallık bir biyosensörde aranan önemli özelliklerden biridir. Ölçülecek maddenin ortamdaki konsantrasyonu ile alınan cevabın (voltaj, akım miktarı, kütle, optik yoğunluk, renk, vb. değişimleri) arasındaki ilişkinin doğrusal olarak değişmesi gerekir. Başka bir ifadeyle biyosensörler ancak doğrusal oldukları konsantrasyon aralığında kalibre edilebildiklerinden ancak bu bölgede doğru sonuç verirler. Doğrusallık, biyoajan türü, çevirici ve elektronik bölümlerin yapısı ve tüm elemanların birbiri ile entegrasyonu ile ilgilidir. Doğrusallık sorunu halen tam olarak çözülememiştir. Biyosensörlerin doğrusal davrandıkları sınırların genişletilmesi devam eden araştırmaların hedeflerinden biridir.
Biyosensörler, temel ve klinik tıpta biyoaktif maddelerin tanı, tayin ve izlenmesi; biyoteknoloji ve gıda endüstrisinde üretimin kontrolü ve ürün analizi; endüstriyel gaz ve sıvıların analizi; çevre kirliliği analizi ve kontrolünde; biyoloji, kimya, ziraat, veterinerlik ve diğer birçok alanda çeşitli analizlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
KAYNAK: