Biyosensörler

Hasan Pişkin | Bayram Kocaman | Zürbiye Çapku | Burak Özer | Numan Akdoğan

Farkında olmasak da günlük hayatta yüzlerce sensör kullanmaktayız. Sensörler hayatımızı çevrelemiş durumdadır. CCD kameralar, şeker hastaları için glikozmetreler, hastanelerde bulunan MR görüntüleme cihazları, araçlardaki yakıt miktarını bildiren sensörler, aracın hızını ve motorun devrini bildiren sensörler, sıcaklık ve nem bildiren saatler, mikrofonlar, apartmanlarda kendiliğinden yanan aydınlatma sistemleri en yaygın olarak kullanılan sensör örnekleridir. ^1-9

Ayrıca, bütün canlılar bulunduğu çevre ile vücutlarında bulunan fiziksel ve kimyasal biyolojik sensörler yardımıyla irtibata geçmektedir. Mesela, beş duyu organı sayesinde görebilir, duyabilir, koklayabilir, tadabilir veya dokunabiliriz. Canlı vücudu başlı başına bir biyolojik sensördür. Çünkü canlı bünyesinde bulunan organik ve organik olmayan maddelerin dengesi bozulduğunda veya yabancı bir madde vücuda girdiğinde canlı vücudunda çeşitli hastalıklar görülmektedir. Diğer bir ifadeyle vücutta bulunan maddelerin denge miktarından sapmalarına göre canlı vücudu bir sensör gibi tepki vermektedir. Fakat vücuttaki herhangi bir madde miktarı ile ilgili net bilginin alınabilmesi için biyolojik sinyalleri elektrik sinyallerine çeviren çok hassas biyolojik sensörlere ihtiyaç vardır.^{2-5, 10, 11, 17, 21}

Canlı bünyesinde bulunan madde miktarları genellikle miligram/litre ya da milimol/litre olarak ölçülmektedir. Yani yoğunlukları oldukça düşük seviyededir. Diğer bir yandan, ölçülen maddelerin boyutları da mikro ve nano boyuttadır. Bu düşük yoğunluklardaki küçük maddelerin seviyelerini doğru ölçebilmek için mikro ve nano boyutta biyolojik sensörlerin geliştirilmesi gerekmektedir. ^{2-5, 19, 21} Bu sebeple konu biyolojik sensörler (biyosensör) ve mikro/nano boyutta biyolojik sensörler (nanobiyosensör) olarak iki başlıkta ele alınabilir.

Biyosensörler canlıyı ilgilendiren birçok alanda kullanılmaktadır. Bir sensöre biyosensör denilebilmesi için ona biyofonksiyon kazandırılması gerekmektedir. Biyofonksiyon kazandırma işlemi sensörün çalışma alanını belirlemektedir. Çünkü sensörü biyolojik maddelere karşı seçici hale getiren etmen sensör yüzeyine tutturulmuş enzim, protein, DNA gibi biyolojik maddelerden oluşmaktadır. Bu durumda sensör yüzeyine tutturulan madde çalışma alanına uygun olarak seçilmelidir.^{3, 10-16}

Bu yazımızda biyosensörlerin çalışma usulleri, biyosensör üretimi için temiz oda şartlarının önemi ve Gebze Teknik Üniversitesi Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı’nda yapılan biyosensör çalışmaları hakkında soru-cevap yöntemiyle bilgiler verilmektedir.

Biyosensör Nedir?

Biyosensör kelime olarak biyolojik sensörün kısaltılarak bir arada yazılmasıdır. Elektronik olarak çalışan biyosensörlerin tanımı;  ortamda bulunan biyolojik numunelere karşı seçici özellik gösteren, numunelerin yapı ve yoğunluk bilgilerini ölçülebilir ve işlenebilir elektrik sinyaline dönüştüren analitik cihazlardır. Bazı biyosensörler biyolojik kısım ve elektronik kısım olmak üzere iki bileşenden oluşur.

Biyosensör ve Nanobiyosensör

Biyosensörler çok uzun yıllardan beri kullanılmaktadır. Bilinen en basit biyosensörlerden bir tanesi doktorların kalp, göğüs ve sırtı dinlediği stetoskop aletidir. Benzer şekilde tansiyon ölçen cihazlar veya 1960’lardan itibaren kullanılan kandaki şeker miktarını ölçen glikoz metreler gibi çeşitli biyosensörler kullanılmaktadır. Nanobiyosensörler ise, 1990’ların sonlarından itibaren çalışılmaya başlanmış, nanoteknoloji üretim imkânları gerektiren çok yeni bir alandır. Nanobiyosensörler; kan, ter, tükürük, idrar, gözyaşı gibi vücut sıvılarından bir damla ile tek seferde onlarca bilginin birkaç dakika içinde alınabildiği, mikro ve nano boyutta üretilmiş çok hassas ölçüm cihazlarıdır.^10-16

Neden Çok Hassas Biyosensörlere İhtiyaç Duyulmaktadır?

Canlı vücudunda bulunan biyolojik maddeler miligram/litre ya da milimol/litre miktarı mertebesindedir.^2-5 Nanobiyosensörlerin hassasiyeti bu miktarlardan 1 milyon kattan daha fazladır (nanomol/L ya da pikomol/L).^{10-13, 16, 18} Eğer canlı bünyesinde bir değişim söz konusu ise bu değişim anında ölçülüp hastaya gerekli müdahale yapılabilir. Diğer bir ifadeyle, çok hassas olan nanobiyosensörler hastalığı daha başlangıç evresindeyken önleme imkânı sağlamaktadır.

Günümüzde Çalışılan Biyosensör Çeşitleri Nelerdir?

Farklı ölçüm yöntemlerine göre birçok biyosensör çeşidi bulunmaktadır. Bu biyosensörlerden bazıları şunlardır: 

• Kimyasal Biyosensörler, ^{13, 14}
• Elektrokimyasal Biyosensörler, ^{12, 20}
• Potansiyometrik Biyosensörler, ¹⁹
• Amperometrik Biyosensörler, ^{16, 17}
• Kalorimetrik Biyosensörler, ¹⁸
• Piezoelektrik Tabanlı Biyosensörler, ¹¹
• Optiksel Biyosensörler, ¹⁵
• Manyetodirenç Tabanlı Biyosensörler. ²²

Bu biyosensörler, kullanılan sensör malzemesinin cinsine, sensörün geometrik şekline ve ölçülecek biyolojik numuneye göre kendi içlerinde daha fazla çeşitlendirilmektedir.

Gebze Teknik Üniversitesi bünyesinde elektrokimyasal ve manyetodirenç tabanlı mikro/nano boyutlu biyosensörler çalışılmaktadır. Temiz oda ortamında bu sensörler mikro boyutta şekillendirilerek üretilmektedir.

GTÜ’de sensör yapılarının üretildiği sistem (Nanomanyetizma ve Spintronik Laboratuvarı) ve biyosensörlerin mikro boyutta hazırlandığı temizoda ortamı (GTÜ, Mikro/Nano Aygıt Üretim Laboratuvarı)

Manyetodirenç Tabanlı Biyosensörlerin Üstünlükleri Nelerdir?

Her bir sensör prensibinin kendine özgü üstün olduğu ve birbirlerine göre zayıf olduğu yanları vardır. Manyetodirenç tabanlı nanobiyosensörlerin tercih edilmesini sağlayan önemli özelliklerinden bazıları aşağıda verilmiştir: ²²

• Üretimi kolaydır ve tek seferde başparmağımızın tırnağı kadar bir alana yüzlerce sensör yapısı üretme imkânı vardır.
• Biyolojik ortam normalde manyetik olmadığından manyetodirenç tabanlı biyosensörlerin yanlış sinyal verme olasılığı yok denecek kadar azdır.
• Birçok biyosensör prensibine göre çok daha hızlı sonuçlar verir.
• Düşük yoğunluklu biyolojik maddelerin ölçümüne imkân sağlar.
• Biyolojik maddelerden gelen bilgi elektrik sinyaline dönüştürüldüğünde sinyal/gürültü oranı çok yüksektir (tertemiz bir sinyal sunar). 

GTÜ’de üretilmiş manyetodirenç tabanlı biyosensör geometrileri. Sensörlerin toplam alanı bir saç telinin çapından daha küçüktür.

Biyosensörlerin Kullanım Alanları Nelerdir?

Biyosensörler tıp, tarım, hayvancılık, gıda, endüstri, kalite kontrol, çevre koruma, atık kontrolü ve askeri uygulamalar gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. ^10-16

Kullanım alanları incelendiğinde biyosensörlerin çoğunlukla insan sağlığını doğrudan ilgilendiren konularda teşhis amaçlı kullanıldığı ortaya çıkmaktadır. Hayati önem taşıyan teşhis alanlarından birkaç tanesi şunlardır: 

• Yoğun bakım ünitelerinde veya kritik ameliyatlarda ilaçların miktarını ayarlayabilmek için ilacın kandaki yoğunluğunun anlık olarak takip edilmesi,
• İlacın kanda uzun süreli olarak belirli bir miktarda bulunmasını gerektiren durumlarda ilacın kandaki yoğunluğunun periyodik olarak takip edilmesi,
• Belirli bir bölgede yayılan bulaşıcı hastalıkların erken teşhis edilmesi,
• Vücutta bulunan zehirli, uyuşturucu maddelerin ya da yüksek dozajdaki ilaçların teşhis edilmesi,
• Kapalı ortamlarda atmosfer gazlarının ve zehirli gazların anlık olarak ölçülmesi.

Biyosensörler Şekillendirilebilir mi?

Günümüz elektroniğinin, canlılar ile dijital dünya arasında kesintisiz bir bağ kurmaya başlaması göz önüne alındığında, gelecekte kullanılacak cihazların hem canlı ile uyumlu hem de esnek yapıda olması gerektiği görülmektedir. Bu sebeple şekillendirilebilir (esnek, yazdırılabilir, biyo uyumlu ve gerdirilebilir) elektronik cihazların geliştirilmesi son yılların teknolojik araştırma alanlarından biri haline gelmiştir. Bu amaçla üretilen sensörler genellikle şekillendirilebilir olmaları sebebiyle inorganik malzemelerin üzerine büyütülmektedir.

Elde edilen sensörün şekillendirilebilir, ince, hafif ve esnek olması giyilebilir bir cihaz üretimine olanak sağlamaktadır. Günümüzde ticari uygulamaları bulunan kıvrılabilir ekranlar, enerji saklama elemanları, entegre devreler gibi şekillendirilebilir cihazlar, giyilebilir sensör alanında ilerlemek için iyi bir temel oluşturmaktadır. Son zamanlarda şekillendirilebilir elektronik cihaz teknolojisinde manyetik alan sensör elemanları da benzersiz mekanik özellikleri ve insan cildi dâhil olmak üzere çoğu biyolojik ortama uyum sağlama özellikleriyle önem kazanmıştır. ^{5, 20, 21}

Referanslar

1. Burke, B. E. et al. CCD Imager Development for Astronomy. Linc. Lab. J. 16(2), 2007, pp.392–412.
2. David, C. et al. A Review of Continuous Glucose Monitoring Technology. Diabetes Technology & Therapeutıcs, 7(5), 2005, pp.770-775.
3. Feldman, B. et al. A Continuous Glucose Sensor Based on Wired Enzyme™ Technology—Results from a 3-Day Trial in Patients with Type 1 Diabetes. Diabetes Technology & Therapeutics, 5(5), 2003, pp. 769-779.
4. Zhai, D. et al. Highly Sensitive Glucose Sensor Based on Pt Nanoparticle/Polyaniline Hydrogel Heterostructures. ACSNano, 7(4), 2013, pp. 3540-3546.
5. Shichiri, M. et al. Wearable Artificial Endocrine Pancreas with Needle-Type Glucose Sensor. The Lancet, 20, 1982, pp. 1129-1131.
6. Fleming, W.J. New Automotive Sensors—A Review. IEEE Sensors Journal, 8(11), 2008, pp. 1900-1921.
7. Obikoya, D.G. Design, construction, and implementation of a remote fuel-level monitoring system. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2014:76 pp. 1-10.
8. Voogt, J.A. et al. Thermal remote sensing of urban climates. Remote Sensing of Environment, 86, 2003, pp. 370-384.
9. Rittersma, Z.M. Recent achivements in miniaturised humidity sensors - a review of transduction techniques. Sensors and Actuators A, 96, 2002, pp. 196-210.
10. Tang, X. et al. Carbon Nanotube DNA Sensor and Sensing Mechanism. Nano Letters, 6(8), 2006, pp. 1632-1636.
11. Mukhopadhyay, R. et al. Cantilever Sensor for Nanomechanical Detection of Specific Protein Conformations. Nano Letters, 5(12), 2005, pp. 2385-2388.
12. 12.Wang, J. et al. DNA electrochemical biosensors for environmental monitoring. A review. Analytica, Chimica, Acta, 347, 1997, pp. 1-8.
13. Liu, G. et al. An Enzyme-Based E-DNA Sensor for Sequence-Specific Detection of Femtomolar DNA Targets. J. Am. Chem. Soc., 130, 2008, pp. 6820-6825.
14. Kong, H. et al. Protein Sensing and Cell Discrimination Using a Sensor Array Based on Nanomaterial-Assisted Chemiluminescence. Analytical Chemistry, 83, 2011, pp. 1867-1870.
15. Tantama, M. et al. Imaging Intracellular pH in Live Cells with a Genetically Encoded Red Fluorescent Protein Sensor. J. Am. Chem. Soc., 133, 2011, pp. 10034-10037.
16. Lobo, M.J. et al. Review, Amperometric Biosensors Based on NAD(P)-Dependent Dehydrogenase Enzymes. Electroanalysis, 9(3), 1997, pp. 191-202.
17. Wang, J. et al. Solubilization of Carbon Nanotubes by Nafion toward the Preparation of Amperometric Biosensors. J. Am. Chem. SOC., 125, 2003, 2408-2409.
18. Zhang, Y. et al. Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels. Biosensors and Bioelectronics, 19, 2004, pp. 1733-1743.
19. Karyakin, A. A. et al. Potentiometric biosensors based on polyaniline semiconductor films. Sensors and Actuators B, 33, 1996, pp. 34-38.
20. Windmiller, R. J. et al. Wearable Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review. Electroanalysis, 25(1), 2013, pp. 29-46.
21. Gao, W. et al. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis. Nature, 529, 2016, pp. 509-514.
22. Hung, Q. T. et al. Novel Planar Hall Sensor for Biomedical Diagnosing Lab-on-a-Chip. State of the Art in Biosensors, Book chapter, 2013, pp. 199-239.

____________________________________________________

Yazarlar Hakkında

Doç. Dr. Numan Akdoğan, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü lisans ve yüksek lisans programlarının ardından, 2004 yılında Max-Planck Enstitüsü’nün bursuyla gittiği Ruhr Üniversitesi (Bochum, Almanya) Deneysel Katıhal Fiziği Enstitüsü Doktora programından mezun oldu. Doktora esnasında Almanya’daki DESY (Hamburg), DELTA (Dortmund) ve BESSY (Berlin) gibi elektron hızlandırıcılarında araştırmacı olarak görev yapan Akdoğan, 2008 yılında Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü’nde çalışmaya başladı. Ulusal ve uluslararası birçok araştırma projesinde araştırmacı ve yürütücü olarak yer alan, uluslararası hakemli dergilerde birçok makalesi, kitabı ve kitap bölümü yayınlanan, ulusal ve uluslararası birçok konferans ve seminere konuşmacı olarak davet edilen Akdoğan, 2011 yılında “Nano yapılı malzemelerin analizini yapabilen MOKE ve manyeto-direnç cihazlarının tasarımı” projesiyle Doğu Marmara Kalkınma Ajansı (MARKA) tarafından Kocaeli Birincisi seçildi. 2012 yılında "doçent" unvanını alan Akdoğan halen Gebze Teknik Üniversitesi Nanoteknoloji Enstitüsü Müdürü olarak görev yapmaktadır.

Hasan Pişkin Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü lisans programını, ardından Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim dalı yüksek lisans programını tamamladı. Organik ve inorganik kristallerin yapı tayini, nanoteknoloji, nanomanyetizma, manyetik alan sensörleri, biyosensörler, spin elektroniği, mikro/nano üretim teknikleri konularında araştırmalar ve çalışmalar yapan Pişkin halen Gebze Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı doktora programına devam etmektedir.

Bayram Kocaman Süleyman Demirel Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü lisans ve yüksek lisans programlarını tamamladı. 2013 yılında Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü’nde başladığı doktora eğitimi sırasında nanoteknoloji, nanomanyetizma, manyetik alan sensörleri, biyosensörler, spin elektroniği ve bilgi okuma-depolama teknolojileri gibi konularda araştırmalar ve çalışmalar yapan Kocaman halen Gebze Teknik Üniversitesi Fizik Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görev yapmaktadır.

Zürbiye Çapku Marmara Üniversitesi Atatürk Eğitim Fakültesi Fizik Öğretmenliği Bölümü lisans ve Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü Teorik Yuksek Enerji Anabilim Dalı yüksek lisans programlarından mezun oldu. 2014 yılında Boğaziçi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Enerji Fiziği Anabilim Dalı doktora programına kabul edilen Çapku halen manyeto direnç tabanlı biyosensörlerin üzerine mikroakışkan kanalların yerleştirilmesi ile ilgili çalışmalar sürdürdüğü Gebze Teknik Üniversitesi Fizik bölümünde Araştırma Görevlisi olarak çalışmaktadır.

Burak Özer, 2014 yılında Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fizik Bölümü’nden lisans derecesini aldıktan sonra, 2016’da Gebze Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü’nde yüksek lisans eğitimine başladı. Halen planar Hall etkisi tabanlı şekillendirilebilir (esnek, gerdirilebilir, giydirilebilir) biyosensörler üzerine çalışmalarını sürdürmektedir.