1: Elektrokimyasal Biyoalgılama

Elektrokimyasal biyosensörler, enzim katalizi ve diğer bağlanma olayları gibi birçok biyolojik sürecin doğal redoks özelliklerinden yararlanır. Elektrokimyasal sensörler, genellikle redoks aktif enzimlerle işlevselleştirilen elektrotları kullanır. Hedef molekül enzim ile bir reaksiyona girdiğinde, elektron kazancı veya kaybı ölçülür ve konsantrasyon ile ilişkilendirilir. Bu videoda, elektrokimyasal algılama ilkelerini gözden geçireceğiz ve ardından örnek bir elektrokimyasal sensör olan kan şekeri biyosensörünün temellerini açıklayacağız.

İlk olarak, bir elektrokimyasal biyosensörün arkasındaki genel kavramları inceleyelim. Klasik elektrokimyasal hücreler gibi, bu sensörler de normalde üç elektrottan oluşur: çalışma elektrodu, karşı elektrot ve referans elektrodu. Reaksiyon çalışma elektrotunda gerçekleşirken, karşı elektrot devreyi tamamlar. Referans elektrodu, redoks potansiyeli için kararlı bir referans noktası sağlar. Elektrot malzemeleri, sensör tipine, algılanacak analite ve kullanılan ölçüm tekniğine göre seçilir. Hedef molekülün özgüllüğünü arttırmak için, tamamlayıcı enzimler, antikorlar veya tek sarmallı DNA gibi biyo-tanıma elemanı, elektrotların yüzeyine immobilize edilir ve karşılık gelen hedef molekülü yakalamak için kullanılır. Daha sonra, hedefin azalmasına veya oksidasyonuna neden olan bir elektrik sinyali uygulanır. Bu, tespit edilen bir elektron fazlalığı veya açığı yaratır. Şimdi, klasik üç elektrotlu hücreyi örnek olarak kullanarak, elektrokimyasal sensörlerin bu redoks olayını nasıl ölçtüğüne bir göz atalım.

Elektrokimyasal sistemler farklı kategorilere ayrılır: ölçülen çıkış sinyalinin türüne bağlı olarak amperometrik, potansiyometrik ve imppedimetrik. Amperometrik cihazlar, voltaj bilindiğinde çalışma ve karşı elektrotlar arasındaki akım değişimini ölçer. Voltaj girişi ya sabit bir değerde ya da doğrusal bir rampa olarak tutulur ya da sürekli olarak iki değer arasında geçiş yapar. Ölçülen oksidasyon veya indirgeme akımı değişimi, analit konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Bu teknik hakkında daha fazla bilgi için lütfen döngüsel voltametri videomuza bakın.

Potansiyometrik cihazlar, sabit bir akımda çalışma ve referans elektrot arasındaki voltaj değişimini ölçer. Çözeltinin konsantrasyonu daha sonra potansiyeldeki değişim kullanılarak hesaplanabilir.

Son olarak, impedimetrik cihazlar, analit çözeltisinin elektriksel iletkenliğindeki değişimi ölçer. Bilinen bir giriş A/C voltaj frekansında zaman içinde çalışma ve karşı elektrotlar arasındaki akım değişimini ölçerek. Voltajdaki bu akımdan, analit çözeltisinin empedansı hesaplanır. Bu empedans, analit çözeltisinin elektriksel iletkenliği arttığında azalır ve analit çözeltisinin elektriksel iletkenliği azaldığında artar.

Elektrokimyasal algılama ilkelerini ve farklı türlerini gözden geçirdikten sonra, şimdi örnek olarak el tipi kan şekeri sensörü olan bir elektrokimyasal biyosensörün işleyişine bakalım. Günümüzde kan şekeri seviyeleri üzerinde evde yapılan testler, tek kullanımlık şeritler üzerine serigrafi ile basılmış elektrotlar kullanılarak yapılmaktadır. Bu elektrot şeritleri veya devreler daha sonra enzim ve aracı tabaka, bir sıvı fitil tabakası ve tümü ince yapışkan tabakalar ve ara parçalarla bir arada tutulan bir devre koruyucu film ile kaplanır. Şeridin sıvı emici tabakası, kan hücrelerinin ayrılmasına yardımcı olur, böylece sadece kan serumu enzim ve aracı kaplı elektrotlara ulaşır. Son olarak, elektrotlar arasına, hareketsizleştirilmiş mediatör-enzim tabakası üzerinde glikoz enzim aracı redoks reaksiyonunu tetikleyen bir voltaj uygulanır. Kan serumundaki glikoz, glikoz oksidaz enzimini indirgerken glukonik aside dönüştürülür. İndirgenmiş enzim, elektronları aracı moleküle kaptırarak oksitlenmiş durumuna geri döner, böylece aracıyı azaltır. Şimdi bu indirgenmiş arabulucu, aracı-enzim tabakası ile altındaki elektrot tabakası arasındaki elektronlar için bir mekik görevi görür; Elektrot yüzeyindeki elektronları kaybeder ve oksitlenerek elektrotta akım üretir. Belirli bir potansiyelde ölçülen bu akım artışı, numunedeki glikoz konsantrasyonu ile doğru orantılıdır.

Glikoz oksidazın elektrokimyasını gözden geçirdikten sonra, bir hastada kullanılan glikoz sensörüne hızlıca bir göz atalım. Bu test için kan, bir güvenlik neşteri kullanılarak toplanır. Daha sonra, toplanan kan, doğru test için tek kullanımlık şeridin kan alma alanında dikkatlice tespit edilir. Glikoz ölçer, aracı tarafından elektrotlarda biriken elektronları akım olarak sayar ve ardından bu kadar elektrik üretmek için ne kadar glikoz gerektiğini hesaplar. Glikoz ölçüm cihazı daha sonra bu numarayı ekranında görüntüler.

Artık kan şekeri sensörlerinin arkasındaki ilkeleri ve prosedürü ele aldığımıza göre, araştırmaların elektrokimyasal biyoalgılamayı diğer bazı alanlarda nasıl uyguladığını görelim. Elektrokimyasal algılama, kanseri tespit etmek için de kullanılabilir. Bir sensör sisteminde, kanser proteinine özgü antikorlar, numune çözeltisinde inkübe edilen manyetik boncukların yüzeyine immobilize edilir, ardından yine hedefe tamamlayıcı olan ikinci bir redoks aktif dedektör antikor çözeltisi uygulanır. Boncuklar daha sonra manyetik alanlar kullanılarak bir elektrot yüzeyine yakalanır ve numunedeki kanser proteini konsantrasyonunu tespit etmek için amperometrik ölçümler yapılır.

Son olarak, elektrokimya, biyoelektrokimyasal yakıt hücreleri olarak bilinen güç üretmek için mikroorganizmalarla da kullanılır. Mikroorganizmalar, yakıt hücresinin anot veya katot yüzeyi üzerinde bir film oluşturmak üzere kültürlenir. Mikroplardaki redoks aktif proteinler, elektron üreten ve diğer uygulamalar için kullanılan gücü üreten elektrotların redoks reaksiyonlarına katılır.

Az önce Jove'un elektrokimyasal biyoalgılama hakkındaki videosunu izlediniz. Bu video, elektrokimyasal biyosensörlerin temel prensiplerine temel bir genel bakış içeriyordu ve kan şekeri sensörünün işleyişini ayrıntılı olarak açıklıyordu. Son olarak, elektrokimyasal biyoalgılamanın birkaç gerçek dünya uygulamasını gösterdik. İzlediğiniz için teşekkürler.