Biyosensör gibi düşünmek

Yazı öncesi not: bu yazı 2012 yılında yazıldı ancak şimdi yayınladım. Ders notu yada biyosensör temellerini öğretici nitelikte değildir. Konuyu zaten bilenler için farklı yönlerden teknik düşündürme amaçlıdır.

Tanımlanan ve geliştirilen pek çok farklı biyosensör türü vardır. IUPAC’a göre biyosensör tanımı şöyledir “ genelde elektriksel, termal veya optik sinyaller aracılığıyla izole enzimler, immunosistemler, dokular yada tüm hücrenin yönlendirdiği biyokimyasal reaksiyonları kullanarak kimyasal bileşikleri tespit edebilen cihazdır”( IUPAC, 1997). Bu tanımı genel bir tanım (yaygın olarak kullanılan ürünleri göze alarak) olarak düşünürsek doğrudur ancak akademik çalışmalar için oldukça yetersiz bir tanımdır.

Özel maddelere yada biyolojik olarak anlam taşıyan olaylara karşı (analit) özel tepkiler üreterek analitin varlığına bir işaretle yanıt veren alet yada araçlara sensör denir. Biyosensörün sensörden tek farkı, analitin yada sensörün yaşayan bir canlı, canlı parçası (organel) veya canlılık faaliyetlerinde görev alan bir molekül olmasıdır. Bahsedilen altı ihtimalin de tek başına bulunması sensörün biyo olması için yeterlidir. Aslında bu altı madde tüm mühendislik uygulamalarını biyo yapmak için yeterlidir. Bir biyosensörde analit; hücre boyut ve şekli, kalp atış ritimleri, sinir tellerinin nörosinyal aktarma kabiliyetleri ve hatta organizma sayısı, ağırlığı, hacmi bile olabilir.

biyosensör sema

Biyosensör olsa da olmasa da evrende biyolojik olay ve maddelerin varlığı devam etmektedir. Biyosensörler beş duyumuz ile algılamakta zorluk çektiğimiz bu biyolojik analitleri bize hissettiren cihazlardır. Sensörler kullanıldıkları alanda kullanıcılar için adeta altıncı bir duyu organıdır. Teknik açıdan ele alınırsa biyosensörler aslında sıradan analiz aletleri değil, analiz senaryolarına daha önceden hazırlanmış ve analiz yapmayı öğrenmiş ve analiz yapma becerisini kazanmış robotlardır. Günümüzün en popüler teknolojilerinde olduğu gibi biyosensörlerde de, yaratılmış olanı taklit etmekle çok ilerleme sağlanılmıştır (biyomimetik).

Peki bir biyosensör nasıl çalışır? Sensör analitle etkileştiğinde bir işaret üretir. Üretilen işaretle analitteki (nicel yada nitel) değişim aynı yön ve zamanda farklanır. Sensör sistemleri aslında tek türden bir işaretle son bulmak zorunda değildir. Örneğin şekil 2’deki gibi bir analitten alınan işaret optik bir sinyal olabilir fakat daha sonra bu işaret ses dalgalarına dönüştürülebilir. Böylece biyosensör analit yoğunluğuna işaret olarak ses üretmiş olur. Bu durumda işaret dönüşümü yapan 2. sensörün analiti, 1.sensörün işareti olur.

Biyosensörün çalışma mantığı analit-alıcı etkileşimi (analog değişim girişi)  ve bu etkileşimi elektriksel işarete çeviren (dijital çıkış) bir transduser varlığı çerçevesinde değil de, analit sensör etkileşimi ve sensörün cevap olarak ürettiği işaret olarak daha kapsamlı düşünülürse ortaya şekil 2 deki bir süreç çıkar. Örnek olarak pH indikatörü olan turnusol kağıdı tek başına bir biyosensördür, ancak kağıdı bir renkölçer sensöre okutursak ve kalibre edersek pH değerini sayısal olarak elde edebileceğimiz daha gelişmiş bir biyosensör yapmış oluruz.

biyosensör kaskadı

Biyosensörlerin kronolojisinde ön sıralarda tıbbi bir biyosensör olan glikoz tayini yapan amperometrik enzim elektrodu yer almaktadır (Clark, 1962). Bazı kitaplarda bu biyosensör ilk biyosensör olarak yer alır. İlk potansiyometrik biyosensör de yine tıbbi amaçlarla kullanılan üre biyosensörü olmuştur. Biyosensör tarihçesinde tıp alanının ön sıralarda olması tesadüf değildir. Tıp bilimleri biyosensörler ile çağ atlamıştır ve halen de atlamaktadır.

Sağlık durumu, hastalığın takibi ve tedavinin izlenmesi işlemlerinin non-invasif (herhangi cerrahi bir işlem olmadan) yapılması, sağlık bilimleri alanında ön sıralarda gelen hedeflerden olduğu bilinmektedir. Sensör teknolojilerinde bu hedeflere ulaşmak için üç zorunluluk vardır: hastalık ya da iyileşme durumunu gösteren özgün biyoişaretçiler, bu biyoişaretçileri tespit etmek ve göstermek için gerekli non-invasif yaklaşımları geliştirmek ve biyoişaretin alındıktan sonra ayrılıp işlenilmesi (Pier, 2011). Tıbbi biyosensörleri ele alırken böyle düşünmemiz, ilk yaptığımız biyosensör tanımına da uygun düşmektedir.

Tıbbi biyosensörlere bakış açınızı genişletmek amacıyla en çok kullanılan tıbbi biyosensörlerin steteskop ve vücut termometresi olduğunu söylemem gerekiyor. Daha sonra tansiyon aletleri, oksimetre (hemoglobinin oksijenlenmesini gösterir), pH metre, glikoz, kolestrol ve bütün metabolik iyonları, patojen mikroorganizmaları, enzim miktarlarını, protein-hormon miktarlarını analiz etmemizi sağlayan sensörler gelmektedir. Günümüzde yukarıda bahsettiğim tüm biyosensörler vücutta herhangi bir kesik ya da delik açmadan analiz yapabileceğimiz düzenekte üretilmişlerdir (örnek taşıyarak da olabilir). Bir tıbbi biyosensörün illa elle taşınabilir ya da masaüstü olması gerekmez. Biyosensör kromatografi kolonlarına da eklenebilir, hastanın koluna saat gibi takılabilir, belki bir elbise ya da takı şeklinde olabilir. Örneğin tıbbi analitlerle çalışıldığında ELISA cihazı da bir biyosensör sayılmasa bile biyosensörle aynı temelleri paylaşmaktadır. Aynı şekilde protein analizinde kullanılan spektroskopiler ve jelde yürütme yöntemlerinin de temelleri kullanılarak biyosensörler geliştirilebilir.

Son olarak tıbbi biyosensör alanında bizleri bekleyen gelecekten örnekler vermeye çalışacağım. Son yıllarda yapılan çalışmalar hastanın sürekli takibi veya analizin anında yapılabilmesi üzerine yürümektedir. Bu amaçla geliştirilen biyosensörler mümkün olduğu kadar az yer kaplamalı, küçük miktarlarda analitle doğru sonuçlar verebilmeli ve hastayı mümkün olduğu kadar rahatsız etmemelidir. Bu amaçlarla fizyolojik analizler kan örnekleriyle değil de ter veya tükürük ile yapılabilir. Örnek olarak 1 mm’den küçük boyutlarda olan ve 4–5 μL kadar az ter örnekleri ile glikoz gibi fizyolojik değerleri ölçebilen sensörler geliştirilmektedir (WEB1). Bazı çalışmalarda gibi non-invasif olma avantajı ultrasonik ses dalgaları, IR ışınları gibi dokulardan geçebilen sinyallerle sağlanmaktadır. Yada vücutta belirli kimseler için kritik hastalık takibi gereken bölgelerde dolaşan yada sabit bir nano-aletin verdiği sinyaller dışarıdan takip edilebilir. Örnek olarak beyin damarlarında anevrizma riski yüksek kimselerde kullanılmak için beyin damarlarından birine kan akış hızına göre işaretler üretip radyo dalgaları ile bildiren ‘embolizasyon sarmalı’ denenmektedir (WEB2). Tıbbi biyosensör geliştirmenin sonraki hedefleri arasında lab-on-chip denilen ve MEMS teknolojine ait olan, piko litreden bile daha küçük sıvı örnekleri ile çalışan çok küçük boyutlardaki sensörler de yer alır.
Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir