pH Biyosensörler

Kimyasal reaksiyonlar sonucu pH değişimini ölçen ve birçok ortamda kullanılabilen biyosensörlerdir. pH elektrotların yüzeyine enzimlerin immobilizasyonu ile seri olarak üretilebilmektedirler. Bu sensörlerin birçok örnekleri vardır. Genel olarak proton konsantrasyonlarında oldukça zayıf değişikliklerin belirlenmesi, sinyal büyüklüğü ve çalışılan tamponun kapasitesi tarafından belirlenir. Çalışma pH’ sı ve tamponun özellikleri pratik sonuçlar alınmasında etkilidir (Brian ve ark. 1997 ).

2.5 3.1.1. Penisilin

pH elektrot yüzeyine penisilinaz enziminin immobilizasyonu ile biyosensör elde edilir. Penisilinaz enzimin katalizlemesi ile oluşan H+ pH elektrot tarafindan ölçülerek penisilin miktarı tayin edilir (Leszczyiska ve ark. 1998).

Çizelge 2.10. Potansiyometrik Enzim Biyosensörler (Mulchandam ve ark 1998)

Tayin edilen Madde Enzim İyon seçici sensör

Üre üreaz Katyon, pH, gaz (NH3)

Glukoz Glukoz oksidaz pH, I-

L-Amino asit L-Amino asit oksidaz Katyon NH4+ , I-

L-Tirozin L-Tirozin dekarboksilaz Gaz (CO2)

L-Glutamin Glutaminaz Katyon

L-Glutamik asit Glutamat dehidrogenaz Katyon

L-Asparajin Asparajinaz Katyon

D-Amino asit D-Amino asit oksidaz Katyon

Penisilin Penisilinaz pH

Amigladin β-Glukozidaz CN-

Nitrat Nitrat redüktaz

nitrit redüktaz

NH4+

2.5.3.1.2. Glukoz

Glukoz oksidaz enziminin glukozu katalizlemesi sonucu glikonik asitin açığa çıkmasıyla pH’da değişikliğe neden olur ve bu değişiklik pH sensörle ölçülebilmektedir (Tinkilic ve ark. 2002, Liao ve ark. 2007 ).

2.5.3.1.3. Üre

Potansiyometrik sensörler ile 1987’de Guilbault ve Kuan tarafından ilk ölçülen biyolojik madde üredir. pH elektrot yüzeyine üreazın immobilizasyonu ile üre biyosensör hazırlanır ( Sahney ve ark. 2006).

2.5.3.2. Amonyum Biyosensörler

Amonyum seçici elektrot ile enzimlerin birleştirilmesinden meydana gelmektedir. Hazırlanan biyosensörlerin Na+, K+ ve H+ iyonlarının girişim yapması dezavantajlarıdır.

2.5.3.2.1 L-Amino Asit

L-amino asitler, LOA ile katalizlenmeleri sonucu açığa çıkan NH3’un suda çözünerek oluşturduğu NH4+ iyonları amonyak seçici elektrot yardımıyla tayin edilir (Saurina ve ark. 1999, Lee ve ark. 1999).

2.5.3.2.2 Glutamin

Glutaminaz enzimi amonyum seçici elektrot üzerine immobilizasyonu ile glutamin tayin edilir (Moser ve ark. 1995).

2.5.3.2.3 Aspartam

Aspartam tayini, amonyum seçici elektrot yüzeyine karboksipeptidaz A ve L- aspartaz enzimin birlikte immobilizasyonu oluşturulan biyosensör ile gerçekleştirilir. Karboksipeptidaz A, aspartamı katalizlemesi sonucu oluşan L-aspartik asit, L-aspartaz tarafından katalizlenir ve açığa çıkan amonyum iyonları iyon seçici elektrot ile tayin edilerek başlangıçdaki aspartam miktarı hesaplanır (Male ve ark. 1991).

.

2.5.3.2.4 Üre

Ürenin üreaz ile katalizlenmesi sonucu oluşan NH3, ortamda NH4+ iyonlarına dönüşür ve amonyum seçici elektrot tarafından tayin edilir( Minni ve ark. 2008, Nien ve ark. 2008 ).

2.5.3.3. Amonyak Biyosensörler

Amonyak gazı çıkarabilen tüm reaksiyonlar amonyak seçici elektrotlar kullanılarak izlenebilir. Biyosensör, gaz geçirgen bir membran üzerine uygun immobilizasyon yöntemi kullanılarak enzimlerin yerleştirilmesiyle hazırlanır. Amonyum seçici membranın sadece gaz geçirgen olması kan gibi karmaşık biyolojik numunelerde ön işleme gerek kalmadan spesifik analiz yapılmasına imkan sağlar.

2.5.3.3.1 Kreatinin

Kreatinazın immobilizasyonu ile hazırlanan polipiren membranlı amonyak seçici elektrotdan 8 ay süresince 200 uygulama ve tayin limiti 8.10-6 M olarak kararlı ölçümler alınmıştır ( Koncki 2007 ).

2.5.3.3.2 Adenozin

Bu biyosensensör, adenin deaminaz amonyak sensörün yüzeyine glutaraldehidle çapraz bağlanarak elde edilir ( Deng ve ark. 1980; Meyerhoff ve ark. 1993).

2.5.3.3.3 Aspartam

Aspartaz enzimi ile katalizlenen reaksiyonda oluşan amonyak, gaz sensör tarafından tayin edilir (Yebra 2000).

2.5.3.3.4 Üre

Üreaz, iyon seçici elektrotdaki polipropilen membrana immobilizasyonu ile elde edilir. Bu sayede yüksek duyarlılık, 10-6 M gibi düşük tayin limiti ve saatte 20 defa tekrar edilebilir ölçümler alınmaktadır (Gutierrez ve ark. 2008).

2.5.3.3.5 Glutamin

Glutamin, glutaminaz enziminin katalizlemesi sonucu oluşan amonyak gazı üzerinden tayin edilir (Arnold ve ark. 1980).

.

2.5.3.3.6 Fenilalanin

Ticari amonyak gaz sensörler üzerine L-fenilalanin amonyak liyaz enzimi immobilizasyonu ile biyosensör elde edilir. Reaksiyon sonucu açığa çıkan NH3 üzerinden fenilalanin miktarı tayin edilir (Shanker ve ark. 1992).

2.5.3.4. Karbondioksit Biyosensörler

Karbondioksit duyarlı biyosensör, enzimin katalizlemesi sonucu oluşan karbondioksit sulu ortamda H+ iyonları oluşturmaktadır. Enzim, temel sensörü çevreleyen hidrofobik membran üzerine immobilize edilir. Bu sayede çözeltideki iyonik etkilerden korunabilir. Uçucu asidik ve bazik türler girişim yapabilmektedir.

2.5.3.4.1 Okzalat

İdrarda bulunan okzalat hiperokzaluria hastalığının tanısında çok önemlidir.

İdrarda bulunan fosfat ve sülfat iyonları enzimi inhibe etmektedir. Bu nedenle alternatif olarak okzalat oksidaz kullanılır. Okzalat oksidaz enzimi de farklı anyonlar tarafından inhibe edilir (Canizares ve ark. 1997) .

2.5.3.4.2 Tirozin

Tirozin dekarboksilazın tirozini katalizlemesi oluşan CO2 gaz sensör tarafından tayin edilir ve tirozin miktarı hesaplanır (Havas ve ark. 1982).

Tirozin Tiramin + CO2

Tirozin dekarboksilaz

2.5.3.4.3 Üre

Ürenin üreaz tarafından katalizlenmesi sonucu oluşan CO2 gaz sensör tarafından tayin edilir ve üre miktarı hesaplanır (Gerard ve ark. 2002).

2.5.3.4.4 Digoksin

Digoksin, polisitiren beadslere immobilize edilir ve digoksin örneği peroksidaz- antikor şekilde bir araya getirilir. Kompleks peroksidaz katalizörlüğünde pirogallol ve H2O2 reaksiyona girerek oluşan karbondioksit ölçülür (Rechnıtz ve ark. 1985).

2.5.3.4.5 Malat

Malat dekarboksilazın katalizlemesi sonucu oluşan CO2 üzerinden malat tayini yapılır (Hamada ve ark. 2004).

2.5.3.5 İyot Biyosensör

Oksidoredüktazların katalizlediği enzimatik reaksiyonlarda açığa çıkan H2O2’nin peroksidaz katalizörlüğünde ortamda bulunan iyot iyonlarının I2’ ye yükseltgenmesiyle I- nin miktarındaki azalmadan hesaplama yapılır.

2.5.3.5.1 Glukoz

Glukozoksidazın katalizlemesi sonucu glukozdan oluşan H2O2 peroksidaz enzimi kullanılarak I- dan I2’ ye dönüşümünden hesaplanır. Azalan I- miktarı iyot iyonlarını seçici elektrot tarafından tayin edilir ( Merkoci ve ark. 1999 ).

2.5.3.5.2 Fenilalanin

L-Aminoasit oksidaz (LAO) ve peroksidaz (PO) poliakrilamit jel ile İyot seçici elektrot yüzeyine birlikte immobilizasyonuyla biyosensör hazırlanır. Bu sensörün girişim ve seçicilik problemleri vardır (Eggins 2002).

2.5.3.5.3 Östradiol

Bu sensör potansiyometrik immunoassay’dir. Anti–17β-oestrodiol jelatin membranla iyot seçici elektrot üzerine immobilize edilir. Peroksidaz ile etiketlenmiş olan antijen ve örnek antijen miktarı ters orantılı olarak etiketlenir ve sonra H2O2 ve I- ilave edilerek ortamda bulunan iyot iyonları I2 molekülüne dönüşür. İyot iyonlarındaki azalma iyot seçici elektrotla hesaplanır ve fenilalanin miktarı bulunur (Boitieux ve ark. 1981; Boitieux ve ark. 1984). Şekil 2.24’de şematize edilmiştir.

Şekil 2.24. Östradiol–17β’nın antijenle modifiye edilmiş iyot seçici elektrotla tayini

2.5.3.6 Gümüş-Sülfit Biyosensör

2.5.3.6.1. Sistein

Yukarıdaki reaksiyon sisteinin enzimatik olmayan reaksiyon sonucu direk potansiyometrik metotla ölçülmesini sağlar. Fakat tamamen seçici değildir.

β-siyanoalanin sentetaz enziminin katalizlediği reaksiyon oldukça spesifik olmasına rağmen ortamdaki siyanür elektrota girişim yapmaktadır (Hassan ve ark. 2007).

Ticari firmalar tarafından üretilen biyosensörler hakkında bilgiler Çizelge 2.11’de görülmektedir.

Çizelge 2.11 Ticari olarak üretilen biyosensörler

Üretici Firma Ülke Madde Uygulama Alanı

Genetics İnternational İngiltere Glukoz Kan

Prüfgeraetewerk medingen GmbH,

Almanya Glukoz, Laktat Kan, Plazma

Matertech Inc. Tayvan Glukoz Kan

Yellow Springs Instrument Cor.

A.B.D. Glukoz, Laktat, Etanol, Laktoz, Sukroz, Metanol

Biyoteknoloji, Plazma Farmakoloji, Plazma

Gıda, Kan,

TOA Electronics Ltd. Japonya Glukoz Biyoteknoloji, Gıda, Tıp

Kalger GmbH Almanya Laktat Biyoteknoloji, Gıda, Tıp

Electrlux

Fermentation Getinge

İsveç Glukoz Biyoteknoloji

Sigma Rusya Glukoz Gıda, Tıp

Dovisit Fransa Laktat, Etanol, Laktoz, Sukroz

Gıda, Tarım

3. MATERYAL VE YÖNTEMLER