Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

Enzim Biyosensörleri ve Enzim Elektrotları

No description
by

salih ulu

on 12 May 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Enzim Biyosensörleri ve Enzim Elektrotları

Biyosensör-elektrot
Uygulamaları

Salih Ulu
Enzim Biyosensörleri ve Biyokimyasal Analizlerde kullanılan Enzim Elektrotları
1. Biyosensörlere genel bir bakış ve biyosavunmada kullanılan biyosensörler
Dr. Mustafa F. Abasıyanık*, Ergün Şakalar**, Mehmet Şenel***, Fatih Üniversitesi, Genetik ve Biyomühendislik Bölümü*, Biyoloji Bölümü**, Kimya Bölümü
2. Biyosensörler ve Gıdalarda Kullanımı
Umut AYKUT, Hasan TEMiZ Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Gıda Mühendisliği Bölümü
3. BAZI AĞIR METALLERiN TAYiNĠNDE KULLANILMAK ÜZERE MiKROBiYAL BiYOSENSÖR GELişTiRiLMESi
Meral YÜCE, Ankara Üniversitesi
4. BİYOSENSÖR HAZIRLAMADA ENZİM KAYNAĞI OLARAK DEĞERLENDİRİLMEK ÜZERE BAZI BİTKİSEL DOKULARIN İNCELENMESİ, Özhan HASANÇEBİ
5.Biyosensörlerin Tanımı ve Biyosensörlere Genel Bakış
Y. Bulut, Fırat Üniversitesi
6. Enzimlerin polimer matrislerde tutuklanması ve sensör olarak kullanılmaları, Levent Toppare
7.MİKROBİYAL BOİ BİYOSENSÖRLERİNİN
GELİŞTİRİLMESİ, Bülent Keskinler, GYTE
Kaynaklar:
Kaynaklar 2:
Peki Nedir Biyosensör?
Sensör:
Fiziksel bir özelliği belirleyerek kaydeden cihazdır.
Biyosensör:
Biyolojik sistemle kombine edilen sensör sistemleridir.
Biyosensör, biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlardır.
Biyosensörler biyoloji, fizik, kimya, biyokimya gibi pek çok bilim alanının bilgi birikiminin multidisipliner bir anlayış çerçevesinde kullanılmasıyla geliştirilmiştir.
İmmobilize Enzimler
Biyosensör:
Biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlardır.
Yöntemler:
İmmobilizasyon
Enzimlerin çözünmeyen, destek görevi gören materyaller (matriksler) yardımıyla suda çözünmeyen hale getirilmeleridir.
Biyosensör Tarihçesi:
1950’li yılların ortalarında L.C.Clark'ın Cincinnati Hastanesi’nde(Ohio, ABD) ameliyat sırasında kanın O2 miktarını bir elektrod ile izlemesiyle başlar.
1962 yılında Clark ve Lyons, Glukozoksidaz (GOD) enzimini O2 elektrodu ile kombine ederek kanın glukoz düzeyini ölçmeye başarmışlardır. Böylece yeni bir analitik sistem oluşmuştur. Bu sistem bir yandan biyolojik sistemin yüksek spesifikliğini (enzim) diğer yandan fiziksel sistemin (elektrod) tayin duyarlılığını birleştirmiş ve geniş spektrumlu bir uygulama olanağı bulmuştur.
Kandaki glikozu ölçmeye yarayan ilk biyosensör ise 1960'lı yıllarda tanıtılmıştır.

Örnekler:
8- Meyers, M.A., et al., "Biological Materials: Structure & Mechanical Properties", Progress in Materials Science, 2008; 53: 1-4.
9- von Lucadou I, Luft G, Preidel W, Richter GJ. The electrocatalytic glucose sensor. Horm Metab Res Suppl. 1988; 20: 41-3.
10- Nice EC, Catimel B. Instrumental biosensors: new perspectives for the analysis of biomolecular interactions. Bioessays. 1999; 21: 339-52.
11- Ziegler C, Göpel W. Biosensor development. Curr Opin Chem Biol. 1998; 2:585-91.
12- Turner AP. Biosensors. Curr Opin Biotechnol. 1994; 5: 49-53.
13- Mulchandani A, Bassi AS. Principles and applications of biosensors for bioprocess monitoring and control. Crit Rev Biotechnol. 1995; 14: 105-24.
15- Su L, Jia W, Hou C, Lei Y. Microbial biosensors: a review. Biosens Bioelectron. 2011;26:1788-99.
16- Otlu B. Biyosensörler (Biyoalgılayıcılar). XXXIV Türk Mikrobiyoloji Kongresi 7-11 Kasım 2010, 54-55.
17- Aykut U., Temiz H. Biyosensörler ve Gıdalarda Kullanımı. Gıda Teknikleri Elektronik Derg., 2006, 3: 51-59.
18- Clarke DJ, Calder MR, Carr RJ, Blake-Coleman BC, Moody SC, Collinge TA. The development and application of biosensing devices for bioreactor monitoring and control. Biosensors. 1985; 1: 213-320.

Suda çözünen ve çözeltide serbest şekilde hareket eden enzim moleküllerinin, suda çözünmeyen taşıyıcılara bağlanarak, adsorblanarak veya tutuklanarak hareketinin sınırlandırılması olayıdır.

BİYOSENSÖR NOTLARIM
ENZİM-ELEKTROT
NOTLARIM

BUNLARI
UNUTMA

Enzim İmmobilizasyonu nedir?
Enzim
Kimyasal tepkimelerin hızını
artıran biyomoleküllerdir.
Biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlardır.
Biyosensör
Enzim
Elektrotları
L.C. Clarc
Biyosensörlerin Temel Özellikleri

Seçicilik
Kullanım ömrü
Kalibrasyon gereksinimi
Tekrarlanabilirlik
Kararlılık
Yüksek duyarlılık
Yeterli düzeyde tayin sınırı
Geniş ölçüm aralığı
Hızlı cevap zamanı
Hızlı geriye dönme zamanı
Basitlik ve ucuzluk
Küçültülebilirlik, sterilize edilebilirlik
Avantajları
Yüksek duyarlık,
Kısa ölçüm süresi,
Gereksinime göre işlem akışı,
Ölçüm ve analiz giderlerinde düşme,
Otomatik ölçüm ve ayar sistemlerinin devreye sokulması,
Multi sensör sistemlerinin geliştirilmesi, aynı anda birçok analitin tayini.
Dezavantajları
Biyokomponentlerin ömrünün kısa olması,
Biyosensör hazırlamanın uzun sürmesi,
Moleküler biyolojik süreçler hakkında yeterli bilgi birikimi olmaması,
Biyokompatibilite sorunları,
İmplante edilebilen sensörlerin steril tutulabilme güçlüğü,
Mikroorganizmaların genetik stabilitelerinin düşük olması,
Gerekli duyarlılığa ve seçiciliğe sahip olmayan mikroorganizmalar.
*Enzimler parçalanmadan ve değişikliğe uğramadan, kimyasal reaksiyonları katalizleyen moleküllerdir; aynı zamanda biyokimyasal olayların vücutta yaşam ile uyumlu bir şekilde gerçekleşmesini sağlayan kimyasal ajanlardır.

**Enzimlerin substratlarına karşı oldukça yüksek bir özgünlüğü, afinitesi mevcuttur. Binlerce kimyasal arasından ilgili oldukları substratı seçer ve reaksiyonu katalizlerler. Enzimler kimyasal tepkimelere katıldıklarında birçok ölçülebilir reaksiyon ürününü meydana getirdiklerinden, (proton, elektron, ışık ve ısı gibi) biyoreseptör olarak kullanılan popüler biyomoleküllerdir.

***Biyosensörlerde olduğu gibi enzim sensörleri de biyoaktif tabaka, iletici ve ölçüm sisteminden oluşur. Diğer biyosensörlerden tek fark ise biyoaktif tabakada biyomolekül olarak
ENZİMLERİN
yer almasıdır.
Enzim temelli biyosensörler;
*Hayvansal ve bitkisel bazı dokuların ve organellerin enzimlerce zengin olduğu bilinmektedir. İşte bu enzimlerin izole edilmiş doku parçaları da biyobileşen olarak kullanılmaktadırlar.

**Özellikle uzun ve masraflı enzim saflaştırma zorluğundan kurtardığı için ve hedef analitin çok basamaklı dönüşümünde farklı enzimlerin bir arada kullanılması yerine bu enzimleri içeren dokunun kullanımı ve ilgilenilen enzim ticari olarak bulunmuyorsa doku parçalarının biyobileşen olarak kullanımı avantajlıdır. Bunun yanında dokular pek çok enzimi bünyelerinde içerdiklerinden analitin istenilen enzim dışındaki diğer enzimlerle dönüştürülmesi ile oluşacak hataları engellemek için diğer enzim sistemlerini inhibe edecek maddeler ve koşullar biyosensör hazırlanırken kullanılabilir.
Doku temelli biyosensörler
*Biyobileşen olarak tek zincirli DNA oligomerlerinin kullanıldığı biyosensör sistemleridir. DNA parçasının hibridizasyonu prensibine dayanır.
*DNA çipleri ile “Genomics” kapsamındaki çalışmaların hemen hemen hepsini yapmak mümkündür. DNA’da genleri ve bunların dizilimleri bulunabilir. Özellikle kriminolojik çalışmalarda çok hızlı olarak DNA testi ile suçlu belirlemesi yapabilabilir. Hastalık durumunda ortaya çıkabilecek mutasyonları izleyip, hastalık tanısını koyup, gen ekspresyon profili zamanla nasıl değiştiğini bakıp hastalığın gelişmesi/gerilemesi izlenebilir. Yeni ilaç adaylarının olası toksik etkilerini çok hızlı bir şekilde izleyip eleminasyonu çok kolaylıkla yapılabilir. Potansiyal ilaçların farmakolojik etkilerin çip üzerinde bulunabilir.
DNA temelli biyosensörler
*Biyobileşen olarak antikorların kullanıldığı biyosensörler,
antikor temelli
biyosensörler ya da
immünosensörler
olarak adlandırılırlar.


**Vücuda giren yabancı organizmalara (virüs, bakteri ve protozoa) veya onların protein ürünlerine karşı bağışıklık sistemi hücreleri tarafından üretilen protein yapılı maddelere
antikor
denir. Antikorlar ve antijenler arasında özgül etkileşim olduğundan immünosensörler ile son derece özgül ve duyarlı analizler yapılabilir. Antikorlar uygun transduserler ile eşleştirilerek hormon, ilaç, virüs, bakteri ve çevresel kirletici olan diğer moleküllerin, pestisitlerin, biyomedikal maddelerin tayini için immünosensörler geliştirilebilir.
Antikor/Antijen temelli biyosensörler
Biyosensör
Kaynakları
*Bir mikrobiyal biyosensör bir transduser ile canlı veya canlı olmayan mikrobiyal hücrelerin sabitlenerek (immobilize edilerek) birleşmesi ile oluşur. Biyosensörlerin yapımında kullanılan mikroorganizmalar bir takım avantajlara sahiptir. Mikroorganizmalar geniş bir aralıktaki kimyasal bileşikleri metabolize edebilir. Mikroorganizmalar olumsuz şartlara uyma konusunda büyük bir kapasiteye sahiptirler ve yeteneklerini geliştirerek zamanla yeni moleküller oluşturabilirler. Mikroorganizmalar aynı zamanda mutasyonla veya rekombinant DNA teknolojisi ile oluşan genetik modifikasyonlar için de ekonomik hücre içi enzim kaynağıdır.
**Saflaştırılmış enzimler yüksek spesifik aktivitede olmalarına rağmen pahalı ve kararsız olmaları biyosensör alanında uygulamalarını sınırlandırmaktadır. Mikroorganizmalar ise biyosensörlerin biyoaktif tabaka materyalleri olarak pek çok avantaja sahiptirler.
Saf enzimlerle gerçekleştirilen biyotransformasyon reaksiyonları elbette bu enzimi içeren hücre ile de gerçekleştirilebilir. Bunun için ana koşul hedeflenen biyotransformasyon reaksiyonunun hücrenin içerdiği diğer enzimler tarafından etkilenmemesidir.
Mikrobiyal Biyosensörler
BİYOTABAKANIN ELEKTROD YÜZEYİNE İMMOBİLİZASYONU NASIL GERÇEKLEŞİR?
Genel olarak biyoajanlar uygun bir şekilde immobilizasyonla transdusere baglanır. İmmobilizasyon metodu, immobilize edilecek biyoajanın yapısına göre belirlenir. Kullanılan transdüksiyon elementi ve analitin fiziksel durumu da seçilecek immobilizasyon metodu için önemli faktörlerdir.

Genel olarak 4 yaygın immobilizasyon metodu kullanılmaktadır.

1-Adsorbsiyon

*Selüloz, silikajel, cam, hidroksiapatit, ve kollagen; enzimleri adsorplamak için kullanılan başlıca yapılardır.

*Hidrojen bağları, çoklu tuz köprüleri, Van der walls bağları ve elektron transisyon kompleksleri oluşumu sayesinde bağlanma gerçekleşir. Kararlılıgı az olduğundan biyosensörlerde pek tercih edilmeyen bir immobilizasyon metodudur.
2-Tutuklama
Biyomolekülü içeren çözelti içinde polimerik jel hazırlandığı zaman jelin donmasıyla biyomolekül jel matriks içinde tutuklanmış olur.
Poliakrilamid, nişaşta, naylon ve siliastik jel biyomoleküllerin tutuklanması için biyosensörlerde kullanılabilir.
3-Çapraz bağlama

*Glutaraldehit, hekzametilen di izosiyanat gibi bifonksiyonel ve multifonksiyonel reaktiflerin kullanılmasıyla biyomoleküllerin intermoleküler çapraz bağlanması sağlanır. Bu reaktifler, katı desteklere biyomolekülleri bağlayabilirler. Bu nedenle de biyosensörlerde sık kullanılan immobilizasyon yöntemlerinden biridir.
4-Kovalent bağlama

*Enzimde katalitik aktivite için gerekli olmayan fonksiyonel grupların bağlanması yoluyla gerçekleştirilir. Genellikle proteinlerin aminoasit yan zincirlerinde bulunan amino, karboksil, imidazol, tiyol, hidroksil gibi nükleofilik fonksiyonel gruplarla kovalent bağlama yapılır.
Sorunlar
Biyosensörlerin ticari olarak üretilmesine engel teskil eden bazı etkenler vardır. Bunlar biyoreseptörlerin, antibadilerin ve enzimlerin uzun süreli stabilizasyonundaki sorunlar, sensörlerin sterilize edilebilirlikleri, in vivo uygulamalar için biyouygunluk sorunları, diğer maddelerle olusan spesifik olmayan adsorbsiyonlar, enzim bazlı sensörlerde immobilizasyon ve mediatör sorunları, gıdalardaki diğer
bilesenlerin olusturduğu girisimin azaltılmasındaki problemler, sensörlerin ufaltılmasındaki problemler sayılabilir.

Sensörler fiziksel olguları elektrik sinyallerine dönüştüren cihazlardır. Mekanik duyu organlarıda
diyebileceğimiz bu cihazlar, çalışma şekillerine göre ve dönüştürücü (ing: tranducer) adı verilen
yapılarına göre çeşitlere ayrılmaktadır. Termal, mekanik, kimyasal, akustik, radyoaktif sensörler ve
biyosensörler bunlardan bazılarıdır.
İlgi alanımıza giren biyosensörler genel olarak, biyolojik yapıdaki analitleri hisseden sensörler veya reseptör birimi biyomoleküler yapıda olan sensörlerdir.
Sensör ve Biyosensör
Biyosensörler bir çok sensör gibi reseptör ve dönüştürücü olmak üzere iki ana yapıdan ibarettir. Eğer reseptör biyomoleküler bir yapıda ise buna biyoreseptör adı verilir.
Biyoreseptörler analiti fark edebilen biyomoleküllerdir. Dönüştürücüler ise biyoreseptörün analiti fark ettiği esnada ürettiği kimyasal veya fiziksel sinyali elektrik sinyallerine dönüştüren yapılardır.
Biyosensörler sayesinde normalde uzun tahliller gerektiren analizler daha kısa sürede yapılabilmektedir. Mesela glikoz biyosensörleri kandaki glikoz seviyesini kısa sürede ölçebilmektedir. Aynı ölçüm normalde geleneksel yöntemlerle daha uzun sürede yapılabilmektedir. Kısa sürede sonuca ulaştırması ve uygulama kolaylığı biyosensörlerin en önemli avantajlarındandır.
Biyoreseptörler: Biyoreseptör olarak değişik biyomoleküller kullanılabilmektedir. Bu biyomoleküllerden en çok kullanılanı enzimlerdir. Enzimler hedef moleküllere karşı oldukça özgüldür.
Binlerce farklı analit içinden hedef analiti seçip reaksiyon oluşturabilen bu biyokatalizatörlerin dönüştürücülere immobilize edilmesi gerekmektedir. Matrikse fiziksel hapisleme veya kimyasal bağlama yöntemleri analiti tanıyan biyomoleküllerin dönüştürücülere immobilizasyonunda kullanılan stratejilerdir. Kimyasal bağlama yönteminde biyomolekül dönüştürücü yüzeyine uygun bir reaktif tarafından kovalent olarak bağlanır. Çok az sayıda biyomolekülün bağlanması bile biyosensörün etkili çalışması için yeterli olabilir.

Dönüştürücüler: Biyoreseptörün analiti tanıdıktan sonra ortamda oluşan fiziksel veya kimyasal değişimi algılayıp bunu ölçülemebilir dijital sinyallere dönüştüren cihazlardır.

Biyosensörün ana gövdesini oluşturan parçalar
Glikoz biyosensörleri kandaki glikoz konsantrasyonunun tesbitinde kullanılırlar. Burada analit glikoz iken glukoz oksidaz enzimi biyoreseptör olarak kullanılır.

Burada kullanılacak dönüştürücü, 3 farklı kimyasala odaklanabilen 3 farklı dönüştürücüden biri olabilir.
1. Oksijen sensörü: Ortamda kullanılan oksijen miktarını ölçer ve bunu anlaşılabilir sinyal olan elektrik akımına dönüştürür.
2. pH sensörü: Glukonik asit ortamın pH’ını düşürür. Bir pH sensörü olan dönüştürücü ortamın pH’ına bakarak yıkılan glikoz miktarını tesbit edebilir. Dönüştürücü ile pH değişimi voltaj değişimine sebep olur.
3. H2O2 sensörü: Dönüştürücü ortamdaki H2O2 konsantrasyonunu ölçer ve elektrik akımına dönüştürür.
Duyarlılık (sensitivity): Cihazın analitteki değişime (konsantrasyon) birebir cevap vermesi demektir. Duyarlılık yüksekse analitteki birim değişim sensörün ekranında aynen gözükür.
Seçicilik (selectivity): Cihazın sadece analite özgünlüğünü gösterir. Cihaz başka reaktiflere ilgi göstermez ve hatalı sonuç vermez.
Ölçüm aralığı: Cihazın ölçebildiği analit konsantrasyonun aralığıdır. Analit belli bir konsantrasyondan az veya çoksa cihaz iyi bir duyarlılıkta sonuç vermeyebilir.
Ölçüm süresi: Analit konsantrasyonundaki bir basamak değişime karşı cihazın vereceği nihayi yanıtın sadece %63’lük kısmını ölçmek için gösterdiği ölçüm süresidir. Bir tür cihazın ölçme hızını gösterir.
Tutarlılık: Cihazın sonuçlarındaki tutarlılığı ifade eder.
Tesbit sınırı: Cihazın tesbit edebileceği en düşük analit konsantrasyonunu ifade eder.
Ömrü: Cihazın, performansında gözle görülür bir azalma olmadan verdiği hizmet ömrünü ifade eder.
Kararlılık: Belirli bir süre içinde cihazın duyarlılığındaki veya baz çizgisinde değişimleri dikkate alan bir kalite ölçüm değeridir.
Biyosensör tasarımlarında önce biyosensörün hangi analiti tanıyacağı tesbit edilmelidir. Sonrasında ise aşağıdaki maddeler dikkate alınarak biyosensörler dizayn edilmelidir. Bunlar sırasıyla;
1. Analite uygun biyoreseptörün (tanıyıcı molekülün) seçimi,
2. Biyoreseptörü dönüştürücüye sabitlemede kullanılacak uygun ve verimli immobilizasyon metodunun seçimi,
3. Biyoreseptörün analiti tanımasıyla oluşan kimyasal veya fiziksel sinyali anlaşabilir sinyal formuna dönüştürecek olan dönüştürücünün seçimi ve dizaynı,
4. Ölçüm aralığının, duyarlılığın ve ölçümlerdeki parazitlerin dikkate alınması,
5. Cihazın kompakt bir hale dönüştürülmesi, olarak sıralanabilir.
Biyosensör Dizaynında Dikkat Edilmesi Gerekenler
Nitelikli Biyosensörlerde Aranan Özellikler
Örnek:
İmmobilizasyonun amacı,

biyosensörün yanıtını, işletme karalılığını ve uzun süre kullanımını sağlamaktır.
Biyosensör uygulamalarında immobilizasyon teknolojisi önemli bir rol üstlenmekle
beraber immobilizasyon tekniğinin seçimi önemlidir. Enzimler dönüştürücü
veya destek madde üzerine kimyasal veya fiziksel metotlarla immobilize edilir.
İmmobilizasyon tekniklerini geri dönüşümlü ve geri dönüşümsüz olarak iki geniş
kategori içine de sokabiliriz. Enzimlerin bağlanma kuvveti onların kolay dönüştürülebilir olup olmadığı ile ters orantılıdır. Stabil olma ve geri dönüştürülebilme gibi iki amaç eş zamanlı olarak uygulanması zor konulardır. Genel
yaklaşım ise enzimlerin bağlanmasını kuvvetli bir şekilde yapmak ve geri dönüşümü
feda etmektir.
Geri dönüşümsüz immobilizasyon
enzimin veya destek maddenin biyolojik aktivitesini
imha etmeden destek maddeye immobilize olmuş biyokatalizörün ayrılamayacağını
ifade etmektedir. Geri dönüşümsüz enzim immobilizasyonu kovalent bağlanma,
tutuklama, mikro-kapsülasyon ve çapraz bağlama olarak ayırabiliriz.

Geri dönüşümlü immobilizasyon
ise immobilize olmuş enzimin uygun şartlar altında destek maddeden kolaylıkla koparılabilmektedir. Bu immobilizasyon yöntemi ekonomik olması bakımından oldukça cazibelidir çünkü enzim aktivitesinin bittiği veya azaldığı noktada enzimler sistemden uzaklaştırılır ve taze enzimler sisteme immobilize edilebilirler. Geri dönüşümlü enzim immobilizasyon sistemlerini adsorpsiyon, iyonik bağlama, afinite bağlaması, çelat-metal bağlama ve disülfit bağlaması olarak ayırabiliriz.
Biyoaktif bileşen ile iletici sistemin(transduser) birleştirilmesinde oldukça farklı immobilizasyon yöntemlerinden yararlanılabilir. Biyoaktif bileşen, sensör olarak da adlandırabileceğimiz temel iletici sistem üzerinde;
Fiziksel olarak tutturulabilir,
Jel içinde veya polimer matrikste tutuklanabilir,
Elektrot yüzeyinde biriktirilebilir,
Çapraz bağlanarak immobilize edilebilir
Enzimlerin çeşit ve sayısının fazla olması, çok farklı kullanım alanı ve
amaçlarına sahip olmaları biyoaktif bileşen olarak enzim esaslı biyosensörlerin yaygın olarak kullanılmalarına neden olmuştur. Enzimlerin endüstriyel alanda kullanımını arttırmak için, özellikle son otuz yılda enzim immobilizasyonu üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bu alanda yapılan yayınların sayısı da yıldan yıla artmaktadır. Kelime anlamı olarak “immobilizasyon” hareketi sınırlandırma demektir.

Enzimler, suda çözünmeyen bir taşıyıcıya fiziksel veya kimyasal olarak bağlanarak immobilize edilebilirler. Suda çözünmeyen ürün veren bir kopolimerizasyon reaksiyonuna enzim molekülünün monomer olarak katılması ve suda çözünmeyen bir matriks veya mikro kapsüllerde tutuklanmasıyla immobilizasyon gerçekleştirilir.
Reaksiyon sonunda ortamdan kolayca uzaklaştırılabilir (süzme, santrifüjleme vb.) ve ürünlerin enzim tarafından kirletilmesi gibi bir problem oluşturmaz.
Çevre koşullarına (pH, sıcaklık v.b.) karşı daha dayanıklıdır.
Birçok kez ve uzun süre kullanılabilir.
Sürekli işlemlere uygulanabilir.
Doğal enzime kıyasla daha kararlıdır.
Ürün oluşumu kontrol altında tutulabilir.
Birbirini izleyen çok adımlı reaksiyonlar için uygundur.
Bazı durumlarda serbest enzimden daha yüksek bir aktivite gösterebilir.
Enzimin kendi kendini parçalaması (autolysis, self-digestion) olasılığı azalır.
Bir biyosensör, farklı özellikteki iki elemanın (iletici sistem(sensör) ve
biyoaktif bileşen) birleştirilmesiyle ile oluşturulur. Uygun biyoaktif materyal ve
sensör seçildikten sonra bunların birbirine bağlanması aşılması gereken en
önemli sorundur.
Bu bağlama işlemi biyosensörlerin immobilizasyonu olarak
tanımlanmaktadır. Bağlama işleminde çok değişik yöntemler kullanılabilir.
Hangi immobilizasyon yönteminin kullanılacağı seçilen sensöre, biyoaktif bileşenin kimyasal yapısına ve fiziksel durumuna göre belirlenir. Enzimler protein yapısında bileşikler oldukları için enzimlere uygulanan tüm immobilizasyon yöntemleri protein yapısındaki diğer biyoaktif bileşenlere de uygulanabilir.
Hayvan ve bitki dokuları membran yapısında olduklarından farklı
immobilizasyon yöntemleri uygulamak gerekir.
Biyosensörlerde en sık kullanılan biyoaktif bileşenler enzimlerdir.
Enzimler, aktive edilmiş sensör yüzeylerine doğrudan bağlanabileceği gibi önceden uygun bir film veya tabakaya immobilize edilmiş olarak da sensör yüzeylerine kovalent olarak bağlanabilirler.
Kovalent bağlama
Enzimler polimer jel matrikslerde tutuklanabilirler. Bu yöntem enzimler yanında organeller, hücreler ve antikorlar için de uygulanabilir. Updike ve Hicks, tarafından hazırlanan, ilk enzim elektrotunda glukoz oksidaz (GOD) poliakrilamid jelinde tutuklanmıştır. Guilbault ve arkadaşlarının hazırladığı üre elektrotunda ise üreaz süspansiyonu elektrot yüzeyinde diyaliz membranı tarafından sarılarak tutuklanmıştır. Çözeltide enzim aktivitesi hızla düştüğünden fiziksel tutuklama yerine kimyasal kovalent bağlama tercih edilir.
Tutuklama için en yaygın kullanılan film veya matriksler; nişasta, selüloz asetat, silikon, poliamid, poliakrilamid, polistiren, polivinilklorür, polivinilbütirat, poliester ve polivinil alkoldür.
Jel İçinde veya Polimer Matrikste Tutuklama

Biyosensör hazırlanmasında elektropolimerizasyon, kullanılan en etkili
immobilizasyon metodudur. Politiyofen, polianilin, poliindol, polipirrol gibi iletken polimerler iletici sensör(transduser) yüzeyinde elektrokimyasal olarak
biriktirilebilir. Bu da sensör yüzeyinde enzim immobilizasyonu için kolay ve etkili bir elektrokimyasal polimerizasyon imkânı sunmaktadır. Polimer filmin kalınlığı çoğu kez elektrokimyasal polimerizasyon sırasında iletkenlik ölçülerek kontrol edilir. Elektrokimyasal polimerizasyon tekniği ile enzim immobilizasyonu basit, tek adımda ve enzimin homojen olarak dağılması gibi avantajlara sahiptir.
Elektrot Yüzeyinde Biriktirme (Elektropolimerizasyon)
Bu yöntem, biyosensör hazırlanmasında daha çok tutuklama ve kovalent bağlama yöntemlerinin birleştirilmesi şeklinde uygulanır. Çapraz bağlayıcı
reaktif olarak glutaraldehid, hekzametilen diizosiyanat sık kullanılan reaktiflerdir. Glutaraldehid en sık kullanılan bifonksiyonel reaktiftir.
Çapraz Bağlama
Biyoreseptörlerin immobilizasyonu için birçok alternatif vardır. Ancak bunların ticari üretimlere uygulanabilmesi için basit, mümkünse bir adımda ve nötral pH, oda sıcaklığı gibi reaksiyon koşullarında gerçekleşip biyomolekülün yapı ve fonksiyonunu etkilemeyen bir yöntem olması gerekir. Bu koşulların nispeten kolay sağlanabildiği enzim esaslı birçok biyosensör ticari olarak üretilmekte ve bunlara talep gittikçe artmaktadır.
OKU
İlk bakışta klasik biyosensör tanımından farklı gözükmekle birlikte test stripleri olarak da adlandırılan kuru reaktif kimyasını esas alan analiz preparatları biyosensör teknolojileri içinde en yaygın kullanılan biyosensör türlerinden birini oluştururlar. Ağırlıklı olarak enzimatik reaksiyonların esas
alındığı bu sistemlerde, kolorimetrik cihazlar yardımıyla ya da renk değişimlerini görme yoluyla algılama şeklinde biyoaktif bileşen-iletici sistem-ölçüm aygıtı devresi dolaylı yolla da olsa tamamlandığı için klasik biyosensör tanımıyla da aslında uyum sağlamaktadırlar.
Son yıllarda geliştirilen ve yeni uygulama olanağı bulmuş değişik biyosensör çalışmaları da dikkat çekmektedir.
Kuru Reaktif Kimyası Esaslı Biyosensörler
Antijen—Antikor—Toksin—Lipozom—Enzim kombinasyonuyla hazırlanankolera toksin biyosensörü [A],
DNA hibridizasyonu temeline dayanan DNA—Avidin—Biotin—Lipozom—Enzim kombinasyonuyla oluşturulan Tay Sacs biyosensörleri [B]
Çapraz bağlama
Jelde tutuklama
Polimer matrixte tutuklama
Elektrot yüzeyinde biriktirme
Kovalent bağlama
Kolera Toksin Sensörü
Tay Sacs Sensörü
Üre biyosensörleri
Glukoz biyosensörleri
ARAŞTIRMA KONUM
KAYNAKLAR
Biyosensörlerde Biyoaktif Bileşen İmmobilizasyon Yöntemleri
İmmobilize enzimlerin doğal (serbest) enzimlere göre üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Enzimlerin elektrot yüzeyine tutturulması şeklinde biyosensör yöntemi
Amperometri Esaslı Biyosensörler
Amperometri genel anlamda belli bir potansiyeldeki akım şiddetinin ölçümünü esas alır. Söz konusu akım yoğunluğu çalışma elektrotunda yükseltgenen ya da indirgenen elektro aktif türlerin konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak tanımlanır.

İletici sistem olarak bir amperometrik sensörün kullanılması durumunda potansiyometrik sensörlerden en büyük fark, ürünlerden sinyal oluşturan türün elektrot yüzeyinde tüketilmesidir.

Potansiyometri Esaslı Biyosensörler

Potansiyometri en genel anlamda bir çalışma ve referans elektrot arasındaki potansiyel farkının ölçümünü esas alır. Elektrot potansiyelinin belirlenmesi doğrudan analit konsantrasyonunu tanımlar. Potansiyometrik biyosensörlerde kullanılan temel sensörler; pH ya da tek değerlikli iyonlara duyar cam elektrotlar, anyon ya da katyonlara duyarlı iyon seçimli elektrotlar ve karbondioksit ya da amonyağa yönelik gaz duyar elektrotlardır.
Yarı İletken Esaslı Biyosensörler


Temel sensör olarak metal oksit yarı iletken alan etki transistörlerini (MOSFET) ya da iyon duyar alan etki transistörlerini (ISFET) esas alan bu tür enzim sensörleri, enzim ile alan etki transistörlerinin birleştirilmesini ifade edecek şekilde enzim alan etki transistörleri (ENFET) olarak adlandırılırlar.
Full transcript