Genel anlamda kimyasal ve biyosensörler, kimya, biyokimya, biyoloji, mühendislik gibi pek çok bilim alanının bilgi birikiminden yararlanılarak, kimyasal ve biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçicilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen analitik/biyoanalitik aygıtlar olarak tanımlanabilir. Günümüzdeki bilimsel ve teknik ilerlemeler, elektrokimyasal sensör teknolojisinde önemli gelişmelere yol açarak bu sensörlerin birçok alanda yaygın olarak kullanılmasına neden olmuştur.^(1-8) Klorür, pH, kalsiyum, nitrat, sodyum, potasyum, magnezyum, amonyum duyarlı kimyasal sensörler ve amonyak, laktat, glikoz, DNA, üre ve kreatinin gibi biyosensörler çevre ve biyolojik örneklerde rutin olarak kullanılan sensörlere örnek olarak verilebilir.^(9-17) AAS, Kromatografi, spektroskopi gibi analiz sistemlerin ekspert gerektirmesi ve pahalı olmaları, elektrokimyasal sensor sistemlerinin ekonomik olması ve birçok yeni türün analizi için ümit vermesi bu sensor sistemlerine olan ilgiyi artırarak devam ettirmektedir.

Sensör teknolojisindeki ilerlemeler; ultra mikro veya nano boyutlarda sensör sistemlerinin üretimi, yüksek seçicilikte kimyasal ve biyolojik molekül yapılarının sentezi, mikro-sensör-array ve akış-dedektör sistemlerinin ve bunların kompütirize enstrümantasyonlarının tasarımı üzerinde yoğunlaşmıştır.^(18-32) Ekran-baskılama (Screen-printing), lazer-depolama (laser-deposition) ve ince-film mikro-fabrikasyon (thin-film micro-fabrication) teknikleri geliştirilen sensörlerin etkinliğini artırmak amacıyla artık yaygın bir biçimde uygulanmaktadır. Bu teknikler kullanılarak hazırlanan kimyasal ve biyokimyasal sensörlerin ve akış hücrelerinin, market tarafından arzulanan FIA ve kromatografik analiz sistemlerinde detektör olarak kullanımları üzerine çalışmalar da artarak devam etmektedir.^(33-47) Böylelikle, özellikle çevre ve biyolojik örneklerde daha etkin analiz yöntemlerinin ortaya çıkarılması amaçlanmaktadır.

Analitik araştırma laboratuarlarımızda geliştirdiğimiz yeni bir teknoloji ile, kompozit ve polimerik yapılar kullanılarak mikro boyutlarda potansiyometrik ve konduktometrik kimyasal sensörler (pH, Na⁺, K⁺, NH₄⁺,Ca²⁺, Pb²⁺, Ag⁺, Cu²⁺, Cl^-, F^-, I^-, Br^-, NO₃^-, NO₂^-, ClO₄^- duyarlı), biyosensörler (üre, glikoz, kreatinin, laktat, fenil alanin ve aminoasit duyarlı), gaz sensörler (oda sıcaklığında amonyak duyarlı) hazırlanmaktadır. Geliştirdiğimiz kimyasal ve biyo-sensör sistemler, dünyada mevcut olan sensörlerle benzer performansa ancak boyut olarak onlardan onlarca kat küçüklüğe sahiptir. Saç telinden daha ince hazırlayabildiğimiz sensörler 1mL’den daha düşük hacme sahip örnekte okuma yapabilmektedir. Diğer taraftan yine saç telinden daha ince kalınlığa (0,1—0,5 mm) ve istenilen uzunluğa sahip (0,1 mm—10 mm) katı hal polimer elektrolit kaplı Ag/AgCl referans elektrot da geliştirmiş bulunmaktayız. Geliştirdiğimiz mikro referans elektrotun geliştirilen sensörlerle birleştirilmesi sağlanarak, mikro büyüklükte kombine potansiyometrik kimyasal ve biyosensör sistemleri üretilebilmektedir. Aynı zamanda mikro referans elektrotun bir den çok sensörle bir araya getirilmesi sağlanarak minyaturize çoklu-sensör dizilerinin hazırlanması gerçekleştirilmiştir. Şu aşamada yedi farklı iyon/moleküle duyarlı bir sensör sistemini yaklaşık 2 mm dış çapa sahip bir gövdeye yerleştirmeyi başarmış bulunmaktayız.

Diğer taraftan; Antibody gibi biyospesifik duyarlı maddelerin kullanıldığı biyosensörler immünosensörler olarak bilinirler. Bilinen immüno analiz yöntemlerine alternatif olarak, yerinde hızlı ve sürekli ölçüm yapabilen immünosensörlerin geliştirilmesi alanındaki çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Geliştirilen elektrokimyasal immünosensör dizileri ile çok sayıda biyo ajanın eş zamanlı tayinleri ekonomik olarak sağlanabilecektir. Antibody-antigen ilişkisine dayanan klasik immüno-tayin yöntemleri onlarca dakikadan saatlere kadar zaman alırken elektrokimyasal immünosensör sistemleri ile bu süre saniyelere inebilmektedir. Biyolojik savaş maddelerini izleyecek pratik bir immünosensör, hızlı, ekonomik, kulanım kolay, tekrarlanabilir ve sürekli ölçüm özelliklerine sahip olmalıdır. Antibody- antigen bağlanma işleminin dönüşümsüz olması, sürekli ölçüm yapabilecek sensör tasarımına engel gibi gözükmektedir. Ancak elektrot reaksiyonunun ortamdan bağımsız olarak direk elektron transferi yoluyla katalizlenmesi, lakaz gibi redoks enzimleri kullanılarak sağlanabilmektedir (Biyoelektrokataliz). Elektrot yüzeyine tutturulan PANI gibi elektroaktif bir polimere immobilize olmuş antibody-redoks enzim sisteminde, redoks enzim elektrot reaksiyonunu katalizleyen bir transdüşer gibi davranmaktadır. Bu durum sürekli ölçüme izin verebilir. Sistem amperometrik veya potansiyometrik organizasyona uygundur. Böyle bir sistem birden çok biyolojik ajanı (antijen/antikor/biyolojik savaş maddesi gibi) hedef örneklerde (serum, kan, sulu sistemler ve aerosol gibi) ölçebilecek çoklu-sensör dizilerinin oluşturulmasına imkan tanımaktadır. İlaçlar üzerine yaptığımız ön çalışmalar, antibody-antijen etkileşimlerinin dönüşümlü olarak (sürekli ölçmede) kullanılabileceğini göstermektedir. Enzim ile çiftleştirilmiş monoklonal-antibody dizilerinin PANI-sensör yüzeyine immobilizasyonu sonucu elde edilen potansiyometrik sensör dizileri ile gaz ve sıvı fazda biyolojik ajanların eşzamanlı olarak duyarlı, seçici, hızlı, tekrarlanabilir ve ekonomik tayinleri sağlanabilecektir.

Kompozit ve polimerik materyaller, ve ekran baskılama, elektrokimyasal polimerizasyon ve ince film fabrikasyon tekniklerini kullanarak hazırladığımız mikro/ultra-mikro boyutlarda sensör sistemler;

• Duyarlı, seçici, uzun ömürlü ve ekonomik özelliklere sahip,
• Çoklu-sensör dizilerinin tasarım ve üretimine uygun,
• Bilgisayar kontrollü ölçüm sistemleri ile birlikte in-vivo, in-vitro, in-situ, in-time, on-site kullanıma izin veren,
• Hareketli ortamlarda (FIA, HPLC, CE gibi) kullanılan, cok düşük deteksiyon hacmine sahip flow-through akış hücrelerinin geliştirilmesi ve hazırlanmasına imkan tanıyan,
• Farklı örnek matrikslerinde (biyolojik sıvılarda, çevre sularında, toprakta ve havada, klinik vakalarda) ölçmeye elverişli özellikler taşımaktadır.

Çalışmalarımız;

• Dijital mikro/nano-çip işleme teknolojileri (lazer-mikro-işleme, ince-tabaka-film mikro-fibrikasyon, ekran-baskılama ve elektrokimyasal-depolama) gibi yüksek teknolojik tekniklerin uygulanması sayesinde; amaca yönelik kullanılıp, atılabilen (disposable), sağlam (roboust) ve nano-büyüklüğe sahip, hızlı, basit ve ucuz kimyasal ve biyokimyasal sensörlerin üretim yöntemlerinin geliştirilmesi,
• Yeni sensör ve ölçüm sistemleri tasarım ve fabrikasyonu,
• Elektrokimyasal analize uygun yeni ve farklı sensörlerin geliştirilmesi,
• Hedef maddeler için (örneğin; biyolojik ve çevresel öneme sahip laktat, kreatinin, kokain, morfin, amfetamin, pH, Cl-, NO3- Ca+2, K+, NH4+ gibi) hedef örneklerde (örneğin; serum, kan, sulu sistemler, hava ve toprak gibi) sensörlerin tanımlanması, kalibrasyonunun sağlanması ve uygulanması,
• Çoklu ve çok kanallı (multi-chanel) kimyasal ve biyosensörlerin, ölçüm hücrelerinin, uzaktan data-kazanım sistemlerinin (hardware, software) geliştirilmesi,
• Bu sensörlerin FIA, CE ve HPLC sistemlerine detektör olarak adaptasyonunu, üzerine yoğunlaşarak devam etmektedir.

Ondokuz Mayıs Üniversitesi Sensör Teknoloji Çalışma Grubu olarak günümüzün çevre ve biyolojik analiz problemlerine çözüm getirebilecek yeni elektrokimyasal sensör ve biyosensörlerin, akış hücrelerinin ve ölçüm metotlarının geliştirilmesini sağlayacak önemli bir potansiyele ulaşmış durumdayız.

Son dört yılda çok sayıda yüksek lisans ve Doktora öğrencilerinin katılımı ile birlikte sensör teknolojisi üzerine artarak devam eden çalışmalarımız, kimyasal ve biyolojik türlere seçicilik sağlayan özel sensörlerin geliştirilmesinde önemli aşamalar kaydetmemize neden olmuştur. Bu kapsamda ulusal, uluslararası ve KOSGEP projesi yürütmüş ve yürütüyor bulunmaktayız. Ayrıca çok sayıda patent almak için müracaat aşamasındayız.

Sahip olduğumuz genç, dinamik ve geniş çalışma grubumuzla;

Araştırma faaliyetlerimizi başarı ile devam ettirmek, öğrencilerimizi gelişen teknolojiyi yakalayacak bilimsel düşünceye sahip bireyler olarak yönlendirebilmek, çevre ve biyolojik sistemleri ilgilendiren market tarafından arzulanan özelliklere sahip sensör sistem ve yöntemlerini geliştirmek, ayrıca laboratuarımızda üretilen sensörlerin ülkemizde ve diğer ülkelerde kullanımını sağlamak için çabalarımız devam etmektedir.

Resim 1. İlk kez tarafımızdan geliştirilen mikro-boyutlarda sensörler ve ticari partnerları ile karşılaştırılması

Resim 2. Çoklu mikro sensör ve akış hücresi

Kaynaklar

• 1. Sutter J, Morf WE, DE Rooij NF, et al., J Electroanal Chem 571 (1), 2004, 27.
  2. Cheng KL., Sensors-Basel, 4 (1-3), 2004, 14.
  3. Pungor E., Sensors-Basel, 4 (1-3), 2004,16.
  4. Morf WE, Zwickl T, Pretsch E, et al., Chimia, 57 (10), 2003, 639.
  5. Sokalski T, Lingenfelter P, Lewenstam A., J Phys Chem B, 107 (11), 2003, 2443.
  6. Erdosy M, Cosofret VV, Buck RP, et al., Electroanal, 14 (19-20), 2002, 1433.
  7. Shultz MM, Stefanova OK, Mokrov SS, et al., Anal Chem, 74 (3), 2002, 510.
  8. Hall DG., J Membrane Sci, 206 (1-2), 2002, 307.
  9. Sheehan PE, Edelstein RL, Tamanaha CR, et al., Biosens Bioelectron, 18 (12), 2003, 1455.
  10. DA Lavan, T Mcguire, R Langer, Nat Biotechnol, 21 (10), 2003, 1184.
  11. CY Lee, GB Lee, J Micromech Microeng, 13 (5), 2003, 620.
  12. ML Pourciel-Gouzy, W Sant, I Humenyuk, et al., Sensor Actuat B-Chem, 103 (1-2), 2004, 247.
  13. PD Mitcheson, P Miao, BH Stark, et al., Sensor Actuat A-Phys, 115 (2-3), 2004, 523.
  14. C Hierold, J Micromech Microeng, 14 (9), 2004, 1.
  15. ML Pourciel-Gouzy, W Sant, I Humenyuk, et al., Sensor Actuat B-Chem, 103 (1-2), 2004, 247.
  16. PD Mitcheson, P Miao, BH Stark, et al., Sensor Actuat A-Phys, 115 (2-3), 2004, 523. 21
  17. E Rodil, K Persson, JH Vera, et al., Aiche J, 47 (12), 2001, 2807. 1. P. Nikolskii, E.A. Materova, Ion Sel. Electrode Rev. 7, (1985), 3.
  18. J. Janata, Principles of Chemical Sensors, Plenum Press, New York, 1989.
  19. R.W. Cattrall, I.C. Hamilton, Ion Sel. Electrode Rev. 6, (1984), 125.
  20. L.Y.U. Kupriyanov Ed. , Semiconductor Sensors in Physico-Chemical Studies, Elsevier, Amsterdam, 1996.
  21. M. Lambrechts, W. Sansen, Biosensors: Microelectrochemical Devices, IOP Publishers, Bristol, 1992.
  22. H. van den Vlekkert, C. Francis, A. Grisel, N. de Rooji, Analyst 113, (1988), 1029.
  23. M. Maj-Zurawska, A. Hulanicki, Anal. Chim. Acta, 136, (1982), 395.
  24. M.J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, Boca Raton, 1997, p. 590.
  25. M.J. Madou, R.S. Morrison, Chemical Sensing with Solid State Devices, Academic Press, London, 1989.
  26. R.W. Cattrall, Chemical Sensors, Oxford Univ. Press, Oxford, 1997.
  27. Diamond, Principles of Chemical and Biological Sensors,J. Wiley&Sons Inc. New York 1998.
  28. M. Dror, E.A. Bergs, R.K. Rhodes, Sensors Actuators B 11, (1987), 23.
  29. A Hulanicki, M. Trojanowicz, Anal. Chim. Acta, 87, (1976), 411.
  30. J.W. Gardner, Microsensors: Principles and Applications, Wiley, Chichester, 1994.
  31. J.W. Gardner, Ph.N. Bartlett Eds., Sensors and Sensory Systems for an Electronic Nose NATO ASI Series E: Applied Sciences - Vol. 212 , Kluwer Academic Publishing, Dordrecht, 1991.
  32. W. Gopel, T.A. Jones, M. Kleitz, I. Lundstrom, T. Seiyama Eds., Chemical and biochemical sensors: Part I, in: W. Gopel, J. Hesse, J.N. Zemel Eds., Sensors, A Comprehensive Survey, Vol. 2, Wiley-VCH, Weinheim, 1991.
  33. W. Gopel, T.A. Jones, M. Kleitz, I. Lundstrom, T. Seiyama Eds. , Chemical and biochemical sensors: Part II, in: W. Gopel, J. Hesse, J.N. Zemel Eds., Sensors, A Comprehensive Survey, Vol. 3, Wiley-VCH, Weinheim.
  34. R.W. Cattrall, D.M. Drew, I.C. Hamilton, Anal. Chim. Acta 76, (1975), 269.
  35. S. Alegert, A. Florido, Analyst, 116, (1991), 473.
  36. R.S. Muller, R.T. Howe, S.D. Senturia, R.L. Smith, R.M. White, Microsensors, IEEE Press, Piscateway, 1991.
  37. U.E.Spichiger-Keller, Chemical Sensors and Biosensors for Medical and Biological Applications, Willey-VCH, Weinheim, 1998.
  38. A.F. Diaz, J.L. Cassillo, J.A. Logan, W.Y. Lee, J. Electroanal. Chem. 129, (1981), 115.
  39. E.M. Genies, A. Boyle, M. Lapkowski, C.P. Tsintavis, Synth. Met. 36, (1990), 139.
  40. J. Bobacka, T. Lindfors, M. McCarrick, A. Ivaska, A. Lewenstam, Anal. Chem. 67, (1995), 3819.
  41. T. Lindfors, A. Ivaska, Anal. Chim. Acta, 437, (2001), 171.
  42. M. Fibbioli, K. Badyopadhyay, S.G. Liu, L. Echegoyen, O. Enger, F. Diedriech, P. B ühlmann, E. Pretsch, Chem. Com. (2000), 339.
  43. H.D. Goldgberg, The Batch Fabrication of Integrated Chemical Sensors Arrays, Ph. D. Dissertation, University of Michigan, 1993.
  44. J. Fraden, Handbook of Modern Sensors, 2nd edn., Springer-Verlag, Berlin, 1997.
  45. C.D. Fung, P.W. Cheung, W.H. Ko, D.G. Fleming. Eds., Elsevier, Amsterdam, 1985.
  46. G.S. Cha, M.E. Meyerhoff, H.C. Cantor, A.R. Midgley, H.G. Goldberg, R.B. Brown, Anal. Chem. 63, (1991), 1666.
  47. K. Wyglądacz, E. Malinowska, J. Jaźwiński, Z. Brzózka, Sens. Actuators B, 83/1-3, (2002), 109.
  48. Isildak I. and Covington A.K., Ion Selective Electrode Detection in Ion Chromatography, “Proposed United Kingdom Patent, Newburn Ellis Chartered
  49. Isildak I, Asan A, Talanta 48 (4): (1999) 967N
  50. Isildak I, Chromatographia 49 (5): (1999) 338.
  51. H Kahlert, JR Porksen and I Isildak, et al., Electroanalysis 17 (12): 1085-1090 2005.