Elektrokimyasal biyosensörler, biyolojik veya kimyasal bir değişimi tespit edilebilir sinyallere dönüştürerek analiz etmeye yarayan biyosensör türüdür. Şeker hastalarının kullanmakta olduğu glikoz ölçüm cihazları başta olmak üzere, laktat, dopamin, CRP, kortizol, kolestrol ve toksin gibi daha pek çok maddenin vücuttaki referans değerlerine göre ölçümünü yapmakta ve teşhis kolaylığı sağlamaktadırlar. Klinik çalışmalar için DNA ve RNA dizileri, virüsler, bakteriler, patojenler ve ilaç düzeyinde ölçüm gerçekleştirmektedirler. Ayrıca gıda güvenliği alanında çok zararlı bir küf olan aflatoksin B1, ağır metaller Pb²⁺ (Kurşun) ve Hg²⁺ (Cıva), zararlı tarım ilaçları pestisitlerin ölçümünü yapmak için de elektrokimyasal biyosensörler kullanılmaktadır.
Glikoz Ölçüm Sensörü (Pixabay)
Bu tip biyosensörlerde transdüser yani sinyal dönüştürücü olarak elektrotlar kullanılmaktadır ve bu sayede akım, sinyal, empedans gibi elektriksel değişimler ölçülmektedir. Elektron transferine dayalı redoks tepkimeleri olarak adlandırılan tepkimelerde kullanılan elektrokimyasal sensörler, elektrotlar sayesinde ölçülebilir bir sinyal üretmektedir. Redoks terminolojisinde elektron alan molekül indirgenmiş, elektron veren molekül ise oksitlenmiş olarak adlandırılmaktadır. Bu elektron transfer mekanizmaları ise redoks çifti olarak bilinmektedir. Oksitlenmiş ve indirgenmiş türler Nernst Denklemi kullanılarak ifade edilir ve elektrokimyasal biyosensörlerin çalışma prensibi de bu denkleme dayanmaktadır.
Nernst Denklemi (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)
Denklemde yer alan harfler, aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.
E: Gerçek elektrot potansiyeli
E∘: Standart elektrot potansiyeli (1 M, 1 atm, 25°C)
R: Evrensel gaz sabiti (8.314 J/mol·K)
T: Sıcaklık (Kelvin cinsinden)
n: Tepkimede transfer olan elektron sayısı
F: Faraday sabiti (96485 C/mol e⁻)
Q: Reaktif/ürün derişimleri oranı
Diğer biyosensörlerde de olduğu gibi ölçülmek istenen hedef madde analit, bu maddeyi tespit etmek için kullanılan moleküle ise biyolojik tanıma elemanı ismi verilmektedir. Analit; DNA veya RNA dizileri, protein, antikor, hücreler veya mikroorganizmalar olabilir.
Elektrot Yapısı
Genellikle metal ve karbondan üretilmiş elektrotların kullanımı yaygındır. Karbon temelli olan grafit ve karbon fiber, yüksek kimyasal eylemsizlikleri ve düşük elektriksel dirençleri nedeniyle avantaj sağlamaktadır. Bunlardan farklı olarak altın, gümüş ve paslanmaz çelik de elektrot üretirken faydalanılan diğer malzemelerdendir.
Elektrotun Yapısı (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)
- Referans elektrodu (Reference electrode) sabit ve bilinen bir potansiyeli ile ölçümlerde referans değer sağlamaktadır. Üzerinden akım geçişi olmayan bu elektrot, potansiyel için referans noktası oluşturur ve genellikle Ag veya AgCl gibi malzemelerden üretilmektedir.
- Çalışma elektrodu (Working electrode) analitin algılandığı kısımdır. İndirgenme ve oksitlenme kimyasal reaksiyonları burada gerçekleşmektedir. Genellikle altın, platin ve karbon tercih edilmektedir.
- Karşı elektrodu (Counter electrode) çalışma elektrodundan geçen akımın tamamlandığı ve devredeki sürekli elektron akışının sağlandığı yerdir. Genellikle platin ve karbon gibi daha inert maddeler tercih edilmektedir.
Bu düzenekte, ayrıca elektrotlar arasında yalıtımı sağlayıp kısa devreyi önleyen yalıtkan madde bulunur. PVC, PDMS, cam veya seramikten oluşturulabilen yalıtkan madde biyomoleküllerin tutunmasını sağlarken ölçümde kontrollüğü arttır.
Elektrot ve Çözeltilerden Oluşan Elektrokimya Sistemi (Pixabay)
Elektrotlar, iyon bulunduran ve elektrik iletimini sağlayan bir çözelti içerisinde bulunur. Bu çözeltiler genelde potasyum ferrosiyanür, fosfat tampon çözeltsi (PBS), KCl, Na₂SO₄, HCl, NaOH, tuzlu su gibi maddelerle oluşturulmaktadır.
Çalışma Prensibi
Redoks tepkimelerinin gerçekleşmesinin ardından elektrot yüzeylerinde değişen akım ve potansiyel değerleri ölçülür. Elektrottan çıkan sinyal toplandıktan sonra oluşan değerler genelde mikro veya nano düzeyinde çok küçük değerler olduğu için sinyal yükseltilir. Sonrasında toplanan ve analog olarak adlandırılan sinyal, bilgisayar ve diğer dijital sistemler ile işlenebilmesi amacıyla analog-dijital çevirici ile dijital forma çevrilir. Dijital cihazların arayüzünde işlenmiş sinyaller monitör ve mobil ekranlarda veri olarak kullanıcılara sunulur.
Bir bakım noktasında (point of care) test türü olan elektrokimyasal biyosensörler, kantitatif analiz sağlamalarının yanında yüksek hassasiyet ile kalitatif yani sayısal analiz de sağlamaktadır. Bu özellikleri, yanal akış testi olarak adlandırılan LFA sistemleri ile karşılaştırıldığında avantaj sağlamaktadır.
Elektrokimyasal biyosensörlerde gerçekleşen bazı sistemlerde elektrot yüzeyinde kirlenme gerçekleşmesi, karmaşık analizler dolayısıyla uzman kişiye ihtiyaç duyulması, yüksek kalibrasyona duyulan ihtiyaç ve istenmeyen parazitlerin elektrotlara bağlanması gibi unsurlar diğer bakım noktası testler ile karşılaştırıldığında dezavantaj olarak görülürken; kullanım kolaylığı sağlamaları, taşınabilir olmaları, küçük bir numune hacmi gerektirmeleri, hızlı sonuç vermeleri ve düşük maliyetlere sahip olmaları sağladıkları avantajlar olarak değerlendirilmektedir.
Sinyal İletim Yolları
Redoks reaksiyonu sonrasında oluşan sinyal 3 ana başlık yoluyla elektrota iletilmektedir.
- Doğrudan oksidasyon-redüksiyon: Analit ile biyolojik molekül arasında gerçekleşen redoks tepkimesinin direkt elektroda aktarılmasıdır. Basit molekül yapısına sahiptir ve aracı molekül (mediator) gerektirmez.
- Dolaylı oksidasyon-redüksiyon: Aracı molekül varlığında elektron transferi gerçekleşmektedir. Daha iyi sinyal kontrolü ve biyomolekül çeşitliliği sağlamaktadır.
- Amplifikasyon reaksiyonları: Biyolojik sinyaller zayıf ve düşük yoğunlukta olduğunda, ölçülebilirliğini kolaylaştırmak amacıyla sinyalin kimyasal ve biyolojik olarak arttırılmasıdır. Yüksek hassasiyet sağlamaktadır.
Voltametrik Analiz Yöntemleri
Elektrokimyasal biyosensörlerde analitlerin tanımlanması ve yoğunluklarının tespit edilmesi için kullanılan yöntemlerdir.
- Döngüsel Voltametri (Cyclic Voltammetry-CV): Elektrot üzerine uygulanan voltaj değiştirilerek akım değeri ölçülmektedir. Redoks tepkimesini gösteren grafikte, üstte oluşan tepe noktası oksidasyonu (elektron verilmesi) ve altta oluşan tepe ise indirgenmeyi (elektron alımı) temsil etmektedir. Döngüsel voltametri, elektriksel bir biyosensör geliştirirken ilk yapılan testtir. Elektrot karakterizasyonu olarak bilinen, elektrotların ve sistemin çalışıp çalışmadığının gösterimini sağlamaktadır.
Döngüsel Voltametri Grafiği (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)
- Diferansiyel Darbe Voltametri (Differential Pulse Voltametry-DPV): Bu yöntemde, düzenli aralıklarla oluşturulan pulse (kademeli darbe) ile voltaj uygulanmakta ve her pulse hamlesinde oluşan akım değeri ölçülmektedir. Çok düşük konsantrasyonlarda analit tespiti sağlayan bu yöntem ayrıca kalibrasyon ve kantitatif analizlerde yüksek hassasiyet sağlaması için kullanılmaktadır. Oluşturulan grafikte yüksek konsantrasyon yüksek tepe oluştururken, düşük konsantrasyona sahip analitlerde düşük bir tepe oluşumu gözlemlenmektedir.
Diferansiyel Darbe Voltametri Grafiği (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)
- Elektrokimyasal Empedans Spektroskopi (Electrochemical Impedance Spectroscopy-EIS): Empedans bir sistemin doğru akıma (AC) karşı göstermiş olduğu dirençtir. Bu yöntemde direnç ölçmek üzerine kuruludur. Az analit varlığı düşük konsantrasyon anlamına gelmektedir ve bu da elektron transferini zorlaştıran bir unsurdur. Elektron transferinin zorlaşması ise direncin artması anlamına gelmektedir, dolayısıyla düşük konsantrasyon yüksek direnç demektir. Yani direnç ve konsantrasyon ters orantılıdır. Elektrot yüzeyindeki biyomolekül tespiti ve direnç ölçümü amacıyla bu yöntem kullanılmaktadır.
Elektrokimyasal Empedans Spektroskopi Grafiği (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur)
