İletken Polimerlerin Elektrokimyasal Biyosensörlerde Kullanımı (TEZ)

Özet

Son yıllarda, iletken polimerlerin biyosensörlerde kullanımı oldukça ilgi gören bir konudur. İletken polimerler, biyosensör yüzeyine immobilizyonda oldukça uygun materyallerdir. İletken polimer ile kaplanan yüzeyde elektron transferi daha etkili olacağından daha duyarlı bir tayin gerçekleştirebilmek için biyosensör tasarımında tercih edilmektedirler. Bu derlemede iletken polimerlerin öne çıkan özellikleri ve elektrokimyasal biyosensörlerde kullanımıyla sağlık, gıda ve çevre alanındaki uygulamaları incelenecektir.

Anahtar kelimeler: iletken polimerler; biyosensörler; elektrokimyasal tayin; polianin; polipirol; PEDOT; politiyofen.

1. Giriş

Polimerlere iletkenlik özelliği kazandırılabilmesi için polimer yapısındaki elektronları bulundukları yerde kaldırma (oksitlenme) veya elektronları tekrar yerine yerleştirme (indirgenme) işlemi yapılır ve bu işlem “doplama” olarak adlandırılır. Bu iş için kullanılan moleküle veya atoma ise dopant denir. Doping sonucu iletkenlik özelliği kazandırılan polimerlere “dop edilmiş polimer” denir. Poliasetilen, halojen dopantı ile yükseltgenme reaksiyonu ile (p-tipi doping) iyi bir elektriksel iletkene dönüştürülür. İndirgenme ile doping (n-tipi doping) de mümkündür ve sıklıkla alkali metaller için kullanılır. İletken polimerler aynı diğer polimerlerin sentezi gibi başlama, büyüme ve sonlanma adımlarından oluşur. Başlama adımında monomerin yükseltgenmesi sonucunda radikal katyon oluşur. Büyüme adımında monomer katyonlarının çiftlenme reaksiyonu ile zincir, zincir üstündeki reaktif merkezlerde de zincir büyümesi meydana gelir. Sonlanma reaksiyonunda ise monomer radikallerinin ve zincirler üstündeki aktif merkezlerinin çiftleşmesi olayı gerçekleşir. İletken polimerler için doplama teknikleri; gaz fazında katkılama, çözelti ortamında katkılama, radyasyon kaynaklı katkılama, iyon değişimi ile katkılama ve elektrokimyasal katkılama olarak sıralanabilir. Farklı polimer zincirleri arasındaki elektron transferi hopping mekanizmasıyla açıklanmaktadır. Bir nötral solitonun bulunduğu polimer zincirine yakın bir zincirdeki yüklü solitonla etkileşir ve solitonun elektronu, etkileşime girdiği zincirdeki kusurlu yere atlamaktadır. Polipirol (PPY), polianilin (PANI), politiyofen (PT), Poli (3,4-etilendioksittiyofen) (PEDOT), poli (p-fenilen sülfit) (PPS), poliasetilen (PAC), ve poli (p-fenilen vinilen) (PPV) çalışmalarda en sık kullanılan iletken polimerlerdir.

Geleneksel kullanımı dışında iletken polimerler son yıllarda nanomalzeme olarak da kullanılmaktadır. Kimyasal ve fiziksel özellikleri sayesinde metal malzemelere göre avantajlıdırlar. Kolay işlenmeleri, estetik görüntüleri, esneklikleri, hafiflikleri ve kimyasal açıdan inert olmaları diğer üstün özellikleridir. İlk kez, poliasetilen üzerine yapılan çalışmalarla, bir polimerin kendisinin doğrudan elektriği elektronlar üzerinden iletebileceği anlaşılmıştır. Shirakawa ve ark. sentezlediği poliasetilenin iletkenliğini katkılama (doplama) yoluyla büyük ölçüde arttırarak iletken polimerlerin dikkat çekmesinde önemli bir araştırma olmuştur.  Analitik kimyada iletken polimerler biyosensör alanında sıklıkla kullanılmaktadır. Çeşitli araştırmacılar bu konuda araştırmalarıyla elektrotların iletken polimerler ile kaplandığına sahip olduğu özellikleri incelemişlerdir

Maddenin elektrik enerjisiyle etkileşmesi sonucunda meydana gelen kimyasal dönüşümle fiziksel farklanmaları ve kimyasal enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesini araştıran bilim dalı elektrokimya adını almaktadır.  Elektrokimya, bir maddeden diğer maddeye olan elektron aktarımını incelemektedir. Elektrokimyasal tepkimeler, yükseltgenme-indirgenme türü tepkimeleridir. Elektrokimyasal olaylar, elektrokimyasal hücre denilen bir düzenekte gerçekleştirilmektedir. Elektrokimyasal hücre, incelenen maddeyi içeren bir çözelti, maddenin kimyasal dönüşüme uğradığı elektrotlar ve bu elektrotları birbirine bağlayan bir dış devreden oluşmaktadır.

Biyosensörler, biyolojik bir sistemin belirgin spesifikliği ile fiziksel bir sistemin tayin duyarlılığının bir araya gelmesi ile oluşturulan ölçüm ve analiz sistemleridir. Biyosensörler, biyokomponentler ile fiziksel komponentlerden oluşmaktadır. Biyokomponent yüzeyi analiti tanır ve sensör biyomoleküldeki değişimi ölçülebilir bir sinyale dönüştürür. Biyosensörler tıp, eczacılık, tarım, gıda, çevre analizleri, savunma ve çeşitli endüstriyel aktivitede özellikle kalite kontrolü ve durum tespitinde çok önemli rol oynamaktadır.

2. Elektrokimya

Elektrokimya, maddenin elektrik enerjisiyle etkileşmesi ile oluşan kimyasal dönüşümlerle fiziksel farklanmaları ve kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünü inceleyen bilim dalıdır. Elektrokimyasal tepkimeler, redoks yani yükseltgenme-indirgenme türü tepkimeleridir. Elektron transferinin olduğu, yükseltgenme ve indirgenme tepkimeleri bir arada yürür ve elektrokimyasal hücre içerisinde gerçekleştirilir. Bir elektrokimyasal tepkimenin gerçekleşebilmesi için, analiz edilecek maddeyi yani analiti içeren bir çözelti, maddenin kimyasal dönüşüme uğradığı elektrot sistemi (ikili ya da üçlü elektrot sistemi) ve bu elektrotları birbirine bağlayan bir çevirici yapıya (transducer) ihtiyaç duyulur.

Çalışma elektrodu, yüzeyinde analitin yükseltgendiği veya indirgendiği elektrot olarak adlandırılır. İkinci elektrot, polarlanmayan özellikte olan ve karşılaştırma (referans) elektrodu olarak isimlendirilir. Üçlü elektrot sisteminde kullanılan üçüncü elektrot ise yardımcı elektrot olarak adlandırılır.

2.1. Elektrokimyasal Biyosensörler

Elektrokimyasal biyosensörler genel olarak DNA’lar, mikroRNA’lar, farklı hastalıklara ait biyobelirteçlerin tayini, DNA bağlı ilaçların tayini, glukoz, kolesterol gibi biyomoleküllerin tayini, nörotansmitterlerin, çeşitli toksinlerin tayini için kullanılır.  Elektrokimyasal biyosensörlerin prensibindeki ilke birçok kimyasal tepkimenin iyon ya da elektronları üretmesi veya tüketmesidir. Bu tepkimenin sonucunda çözeltinin elektriksel özelliklerinde değişimler meydana gelir ve bu değişimler ölçülerek parametre olarak değerlendirilir. Elektrokimyasal biyosensörler ölçülen elektriksel parametreye göre (i) voltametrik biyosensörler, (ii) empedimetrik biyosensörler, (iii) amperometrik biyosensörler ve (iv) potansiyometrik biyosensörler (iii) olmak üzere sıralanabilir.

2.1.1. Voltametrik Biyosensörler

Voltametride, bir mikroelektrot içeren elektrokimyasal hücreye farklandırılabilir bir potansiyel uyarma sinyali uygulanır. Bu uyarma sinyali sonucunda karakteristik bir akım cevabı meydana gelir.

Voltametrik Akımlar

Bir elektroliz işleminde akım, analiz edilen maddenin difüzyon tabakasının dış kısmından elektrot yüzeyine transfer hızı ile kontrol edilir ve bu hız ¶CA/¶X ile verilir. Bu denklemde X, elektrottan olan uzaklığı cm cinsinden vermektedir. Düzlemsel bir elektrotta akım,

i = nFDA (¶CA / ¶X )

şeklinde ifade edilebilir. Bu denklemde, I = Akım (Amper cinsinden), A = Elektrot yüzey alanı (cm2 cinsinden), N= Analitin molü başına elektronların mol sayısı, F =Faraday sabiti ( 96487 Coulomb / mol elektron), DA = A’ nın cm2s-1 cinsinden difüzyon katsayısı, CA = mol/cm3 cinsinden A’nın derişimini ifade etmektedir.

Meydana gelen difüzyon akımın zamana karşı fonksiyonu COTTRELL denklemini vermektedir.

i = {\ frac {nFAc _ {{j}} ^ {{0}} {\ sqrt {D _ {{j}}}}} {{\ sqrt {\ pi t}}}}
Cottrell Denklemi

Diferansiyel Puls ve Kare Dalga Voltametrisi: 1960’lı yıllardan sonra doğrusal taramalı voltametri yöntemleri önemli bir yöntem olmaktan çıkmıştır bu klasik yöntemin yerine puls metotları gelişmeye başlamıştır. Doğrusal taramalı voltametrinin dedeksiyon limitinin düşük olması, yavaş olması ve pahalı parçalar gerektirmesi gibi dezavantajları sebebiyle DPV ve SWV gibi önemli yöntemler gelişmiştir. SWV ve DPV hem nicel hem de nitel analiz için kullanılmaktadır. Bu yöntemlerde elektrota uygulanan gerilim sinyalinin zamanına bağlı olarak iki noktada akım sinyalleri ölçülmektedir. İki akım değeri arasındaki fark uygulanan DC potansiyelin fonksiyonu olarak grafiğe geçirilir. Oluşan pikler elektrokimyasal hücredeki türlerin elektroaktifliğini gösterir. Bu akım farkının temel bileşeni elektrot yüzeyindeki yükseltgenme ve indirgenmeye bağlı olarak oluşan akımdır. Bu yöntemlerde sinyal/gürültü oranı DC metotlara oranla daha yüksektir. İki yöntem arasındaki fark uygulanan potansiyel puls dalga formudur.

Dönüşümlü Voltametri: Dönüşümlü voltametri hızlı taramalı voltametriye benzer, ancak burada potansiyel tarama işlemi döngüseldir. Potansiyel E1 değerinden E2 değerine belli bir hızla tarandıktan sonra, taramanın yönü tersine çevrilerek çoğunlukla aynı hızla E1 değerine ulaşılır. Dönüşümlü voltametri ile durgun sistemde ve üçlü elektrot sistemiyle çalışılır. Burada hızı difüzyon belirlemektedir. Analitin yükseltgenmesi ve indirgenmesi voltamogramda görüntülenebilmektedir. Başlangıç taramanın yönü, numune bileşimine bağlı olarak negatif veya pozitif yönde olabilir. Genel olarak çevrim süresi 1 ms veya daha kısa süreden 100 s veya daha uzun süre aralığındadır. Dönüşümlü voltamogramların ayrıntılı incelenmesiyle, bir sistemin hangi gerilimlerde ve kaç adımda indirgenip yükseltgendiğini, elektrokimyasal açıdan tersinir olup olmadığını, elektrot tepkimesinin bir çözelti tepkimesi ile el ele gidip gitmediğini, indirgenme ya da 20 yükseltgenme ürünlerinin kararlı olup olmadığı, elektrot tepkimesinde rol alan maddelerin yüzeye tutunup tutunmadıklarını kolayca anlamak mümkündür.

(ii) Empedimetrik Biyosensörler:

Sıvı/katı ara yüzeylerin karakterizasyonu amacıyla kullanılan bir elektrokimyasal yöntem olan elektrokimyasal empedans spektroskopisi, ara yüzeylerin dielektrik özellikleri ile ilgili bilgi vermektedir. Bununla birlikte, elektrokimyasal reaksiyonların meydana geldiği durumlarda yük aktarım değerleri hakkında da bilgi sunmaktadır. Bir elektrokimyasal hücrede, potansiyelin zamana bağlı sinüzoidal değişimi sonucunda oluşan alternatif akıma karşı bir direnç oluşur.

                                               V = I . Z

denkleminde potansiyel (V) ve alternatif akım (I) zamana bağlı olarak değişmektedir. Z ise empedansı ifade eder. Devrede oluşan direnç (R) ve Z’nin birimi Ohm (Ω) ile ifade edilir.

Empedans, gerçek ve zahiri olmak üzere iki bileşenden oluşur;

                                        Z = Z’-jZ’’ (i=√-1 )

Burada, Z = empedans, Z’ = gerçek empedans, Z’’ = zahiri empedansı ifade etmektedir. Nyquist eğrisi, gerçek empedansın x ekseninde, zahiri empedansın y ekseninde olduğu grafik olarak tanımlanmaktadır.

Ölçümün ilk aşamasında yüksek frekanslarda meydana gelen çözelti direnci (Rs), bu direncin devamında oluşan yarım daire elektrota transfer edilen yüke karşı oluşan direnç (Rct) ve düşük frekanslarda oluşan lineer bölge ise Warburg empedansı (Rw) olarak gösterilmiştir. Sistemin yük depolama özelliği ise kapasitans olarak tanımlanır. Bu teknikle belirlenen bir frekans aralığında empedans taraması gerçekleştirilir ve elektrot yüzeyinde meydana gelen olayların aydınlatılmasında Rct değerindeki farklanmalar yorumlanır.

Empedans ölçümleri; yarı iletken elektrotların özelliklerinin incelenmesi, metal kaplama çalışmaları, korozyon çalışmaları, biyosensörler, iletken polimer özelliklerinin incelenmesi, biyolojik sistemler, ince organik film özelliklerinin tespiti, yarı iletken polimerlerin özelliklerinin incelenmesi gibi pek çok alanda kullanılır.

(iii) Amperometrik Biyosensörler:

Amperometrik sensörler, elektrokimyasal biyosensörler içinde en yaygın kullanılan biyosensör tipidir. Amperometrik biyosensörlerde ölçüm yapılacak türün belli bir potansiyel altında yükseltgenmesi ve indirgenmesi sağlanır. Biyokimyasal reaksiyon sonucu oluşan akım analit konsantrasyonu ile doğru orantlılıdır. Amperometrik biyosensörler biyolojik bir materyal ve elektrokimyasal bir algılayıcıdan oluşur. Biyolojik materyal analit ile birleşerek onun tanınmasına olanak sağlar. Algılayıcı ise biyolojik materyal ile analit arasında belli bir potansiyel altında reaksiyon sonucu sinyali ölçer.

(iv) Potansiyometrik Biyosensörler:

Bu tür bir sensörde ölçülen parametre bir elektrokimyasal tepkimenin indirgenme ve yükseltgenme potansiyelidir. Çözeltideki bir elektroda bir atlama gerilimi uygulandığında elektrokimyasal tepkimelerden dolayı bir akım oluşur. Bu tepkimelerde oluşan gerilim özel bir tepkime veya türü belirtir. En basit potansiyometrik teknik Nernst eşitliğine bağlı olarak tersinir redoks tepkimelerinde potansiyelin derişime bağlılığı temeline dayanır.

E = E0 + RTln(a)/nF

Burada; E 0 : standart redoks potansiyeli, R: ideal gaz sabiti, T: mutlak sıcaklık, F: Faraday Sabiti, n: S maddesinin değişen elektron sayısı, a: S maddesinin aktivitesi.

Elektrosentezle Elde Edilen İletken Polimer Filmler

İletken polimerler kimyasal ve elektrokimyasal polimerizasyon üzerinden polimerleşirler. Yapısındaki π elektronlarının lokalizasyonuyla iletken özellik gösteren bu polimerizasyon yapıları düşük iyonizasyon potansiyeli ve yüksek elektron afinitesi gösterirler. Elektrokimyasal polimerizasyon, film morfolojisi ve kalınlığını daha iyi kontrol etme şansı sagladığı için genellikle daha çok tercih edilir. İletken polimerik filmler, elektrolit çözeltisi varlığında bulunan uygun monomerin anodik oksidasyonu (elektropolimerizasyonu) ile elektrot yüzeylerine birikirler. Potansiyodinamik (döngüsel voltammetri), galvonastatik (sabit akımda), potansiyostatik (sabit potansiyalde) gibi farklı elektrokimyasal yöntemler kullanılabilir.

Elektropolimerizasyonda istenilen, anyonik tuz içeren uygun bir çözgende çözülen monomer, anodik potansiyel uygulamasıyla elektrot yüzeyinde okside olur. Monomerin oksidasyon potansiyelinde, stabil olması ve iyonik-iletken bir ortam sağlanabilmesi için çözgen ve elektrolit seçimi oldukça önemlidir. Anot; platin, altın, camsı karbon gibi çesitli materyellerden yapılabilir. Elektrokimyasal yöntem genellikle potansiyostatik (sabit potansiyelde) ya da galvanostatik (sabit akımda) olarak gerçekleştirilir. Bu teknikleri kantitatif olarak tanımlamak kolaydır. Potansiyodinamik tekniklerden taramalı voltametrik yöntem, polimerizasyon reaksiyonun erken evrelerinde bulunan redoks prosesleri hakkında kalitatif bilgi elde etmek için kullanılır. Ayrıca, elektropolimerizasyondan sonra, polimer filmin elektrokimyasal davranışını incelemede de tercih edilen bir yöntemdir.

Daldırmalı kaplama, sprey kaplama ve elektropolimerizasyon gibi çesitli kaplama yöntemleri, bir metal yüzeyini kaplamak için elverişlidir.

Elektrosentezle elde edilen polimerik filmlerin birçok avantajı vardır.

  • Entegre, tek tip ve dayanıklı bir film olabilme
  • Basit ve tekrar üretilebilme
  • Farklı monomerlerin kopolimerizasyonunu sağlama
  • Kaplama kompozisyonu kolaylıkla kontrol edilebilme
  • Fonksiyonel grupların oluşumu ve yüzey üzerine biyomoleküllerin tutulması.

İletken Polimerlerin Elektrokimyasal Biyosensörlerde Kullanımına Yönelik Uygulamalar

İletken polimerler, biyosensörlerde kullanıldıklarında hedef analiti mükemmel bir duyarlılık ile algıladıkları bildirilmiştir. Hem iletken oldukları için yüzeydeki elektron transferini arttırırlar hem de nano boyutta oldukları için yüzey alanını dolayısıyla yüzey/hacim oranını arttırırlar. Böylelikle sensör sistemleri için kullanışlı bir malzeme olmaktadırlar. Ayrıca iletken polimerler biyouyumlu olmaları ve çevreye toksik bir etkilerinin olmamasıyla da diğer yüzey modifikasyon materyallerine göre avantajlıdırlar. Yüzeye iletken polimer ile birlikte DNA probu, enzim veya antikor gibi moleküler tanıma materyalleri bir arada modifiye edilebilmektedir. Ayrıca altın nanopartikül, çok duvarlı karbon nanotüp gibi nanomalzemeler ile bir arada kullanılarak da biyosensörün elektron transferi daha da arttırılabilmektedir.

İletken polimerlerin iletkenliklerinin biyolojik çözeltinin pH’ı ile değişmesinden yararlanarak bu polimerlerin biyolojik kökenli moleküller için sensör amaçlı kullanılabileceği 1994 yılında Alva ve Phadle tarafından yapılan çalışmada bildirilmiştir. 2000 yılında iletken polimerlerin Kimya alanında Nobel ödülüne layık görülmesiyle bu polimerlere ilgi ve dolayısıyla biyosensörlerde kullanımı da artmıştır.

İletken polimerler kullanılarak geliştirilen biyosensör sistemleri ile çok sayıda analit tayin edilmektedir. Uygulama alanı da tıpki biyosensörlerin uygulama alanı gibi oldukça geniştir. İletken polimerlere dayalı biyosensörlerin uygulama alanları:

  • Klinik analizlerde ve biyomedikal çalışmalarda,
  • Ziraat ve veterinerlik ile ilgili analizler,
  • Proses kontrolünün yapılması,
  • Gıda üretimindeki analizler,
  • Mikrobiyal, bakteriyel ve virüs analizleri,
  • İlaç ve toksin analizleri,
  • Çevre kirliliğinin kontrolü ve izlenmesi,
  • Madenlerde ve endüstride toksik gazların analizi,
  • Askeri uygulamalar,

şeklinde sıralanabilir. Sağlık alanındaki uygulamalarını incelediğimizde kanda glukoz, üre, laktat, ürik asit, kolesterol, DNA gibi moleküllerin analizi iletken polimer modifiye biyosensörler ile gerçekleştirilebilmiştir. Çevre kirliğinin kontrolü ve izlenmesi için iletken polimer modifiye gaz biyosensörleri örnek olarak verilebilir. Gazın etksiyle iletken polimerin iletkenliği geri dönüşümlü olarak değişir. Polipirol ve polianilin, amonyak gazının tayin edilmesinde kullanılan ticari sensör sistemlerinde kullanılmaktadır. Gıda üretiminde kullanılan iletken polimer modifiye biyosensörler ile glukoz, sükroz, laktat, sitrik asit, askorbik asit gibi moleküller tayin edilebilmektedir. Ghosh ve ark. tarafından polipirol ve ksantin oksidaz enzimi modifiye elektrotlar ile balık tazeliğini ölçen biyosensör sistemi gıda alanında biyosensörlerin kullanımı için önemli bir dönüm noktası olmuştur.

Polianilinin oluşum mekanizması anilinin yükseltgenme reaksiyonuna dayanmaktadır ve reaksiyonun ilk adımı anilin moleküllerinin yükseltgenerek radikal katyon oluştumasıdır. İlk adımda oluşan radikal katyon hızlıca dönüşüme uğrayarak para pozisyonundan büyüyen zincir ile polianilini oluşturur.  Polianilinin emaraldin tuzunun yüksek iletkenlik göstermesi ve yüksek kararlılığa sahip olması, polimer zincirdeki π-bağı elektrotlarının delokalizasyonundan doğan dört ayrı rezonans formülü ile gösterilmesinden kaynaklanır. PANI kararlı yapısı, iletkenliği arttırması, biyolojik moleküllerin bağlanması için uygun amino grupları içermesi ve özellikle metal elektrot yüzeyine kolay polimerize edilebilmesi sebebiyle biyosensör çalışmalarında sıklıkla kullanılır. Chen ve ark. enzim temelli yüzeyinde PANI, MMT ve PtNPs modifiye biyosensör ile glukoz tayine imkan veren bir biyosensör tasarlamışlardır.  PANI ve MTT platin elektrot yüzeyine nanokompozit halinde elektropolimerizasyon yöntemiyle modifiye edilmişlerdir. Yüzey karakterizasyonu elektrokimyasal olarak EIS, CV yöntemleri ile yapılırken glukoz tayini amperometrik olarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca tayine girişim yapma olasılığı olan bazı amino asitlere karşı tasarlanan iletken polimer modifiye en glukoz oksidaz enzimi temelli biyosensörin seçimliliği test edilmiştir. PANI’nin hidrofilik MMT ile bir arada modifiye edilmesi Pt nanopartiküllerin yüzeye homojen bir şekilde tutunması için belirleyici olmuştur. Homojen olan elektrot yüzeyine enzim daha efektif bir şekilde bağlanmıştır. Bu sayede tasarlanan yeni biyosensör sistemi ile glukoz duyarlı ve seçimli bir şekilde tayin edilebilmiştir.

Fenolik bileşikler çevre kirliliğine ve insan sağlığı üzerinde çeşitli toksikasyonlara sebep olan önemli bileşiklerdir. Bu nedenle özellikle içme suların fenolik bileşiklerin tayin edilebilmesi önem taşımaktadır.  Zhang ve ark. platin elektrot yüzeyine yine PANI/Pan/GRP modifiye ederek fenolik bileşikleri hassas bir şekilde tayin edebilmeyi başarmışlardır. PANI/Pan/GRP hibrid yapısı PANI ve GRP’in Pan içerisinde çözülmesiyle elde edilmiştir.  Oluşan hibrid yapısı temizlenen elektrot yüzeyine faz inversiyon işlemi ile modifiye edilmiştir. Elektrotun morfolojik ve elektrokimyasal karakterizasyonu CV, EIS ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılırken, fenolik bileşiklerin tayini amperometri ile yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Yüzeyin iletkenliği PANI içeren hibrid yapı sayesinde arrtığı için biyosensör sisteminin duyarlılığı artmıştır ve böylelikle µM seviyesinde fenolik bileşikler tayin edilebilmiştir. İçme sularında hızlı tayinin gerçekleştirilebilmesi için umut veren bir çalışmadır. Meek ve ark. yine yüzeyinde PANI olan bir biyosensör sistemi geliştirmişlerdir ve bu biyosensörle ile en önemli girişimcilerden biri olan askorbik asidi başarılı bir şekilde tayin edebilmişlerdir.  Grafit çalışma elektrodu üzerine kimyasal yöntemle GO sentezlendikten sonra elektrodepozisyon ile AuNPs ve kıyaslamalı olarak AgNPs modifiye edilmiştir.  Sonrasında da yüzeyi optimize edebilmek için PANI elektropolimerizasyon yöntemiyle bağlanmıştır. Böylelikle duyarlı bir şekilde askorbik asit tayini CV yöntemiyle tayin edilebilmiştir. Sumana ve ark. ise PANI nanoçubuk yapılarının, MoO3 ve NaSCN varlığında hidrotermal reaksiyonu sonucunda PANI-MoS2 nanoflowers (nanoçiçek) hibrid nanomalzemeyi sentezlemişlerdir. PANI ve MoS2 bir arada iletkenliği arttırmış ve elektron transferini hızlandırmışlardır. Böylelikle kronik löseminin belirteci olan spesifik DNA dizilerini hassas bir şekilde EIS yöntemiyle tayin edebilmişlerdir.

Polipirol yine biyosensörlerde tercih edilen bir iletken polimerdir.  Khoder ve Korri-Youssoufi nano yapıda polipirol kullanarak bir DNA biyosensörü tasarlamışlardır.  Nano yapıdaki polipirol hidrofilik karakterde olması ve elektrodun yüzey alanını oldukça arttırması sayesinde biyosensörün elektronik özelliklerini iyileştirmiştir. Elektrot yüzeyine nano yapıda PPy ile PAMAM dendrimer modifiye edilmiştir. PPy ile elektrot yüzey alanı arttırılırken PAMAM dendirmer ile yüzeye amino grupları kazandırılmıştır, böylelikle Mycobacterium tuberculosis spesifik DNA dizileri yüzeye daha efektif bağlanabilmiştir. Nano yapıdaki PPy yüzeye elektropolimerizasyon ile modifiye edilmiştir ve PPy sayesinde artan elektron transferi ile attomolar seviyesinde tayin gerçekleştirilebilmiştir. Şenel ve ark. CHIT / PPY / AuNPs modifiye elektrotlar ile amperometrik olarak ksantin tayini yapabilmişlerdir. Ksantin seviyelerinin doğru tayin edilebilmesi insan sağlığı için önemlidir. Gut gibi hastalıkların erken tayininde belirteçtir. Ayrıca ksantin et ve süt ürünlerinde bozulmanın bir belirtecidir.  CHIT ve PPy camsı karbon elektrot yüzeyine asidik ortamda damlatma yoluyla modifiye edilmişlerdir. Sonrasında ksantini tayin edebilmek için yüzeye ksantin oksidaz enzimi bağlanmıştır. Çalışmada tasarlanan biyonanokompozit yapı sayesinde mikromolar seviyesinde ksantin tayini seçimli bir şekilde gerçekleştirilebilmiştir. Özellikle gıda güvenliği açısında yerinde tayine olanak verebilecek bir çalışmadır.

Rafati ve ark., camsı karbon elektrotlar ile PPy ve MnO2 hibrid yapısı sayesinde dopamin tayinini nM seviyesinde DPV yöntemiyle gerçekleştirebilmişlerdir. PPy ve MnO2 hibrid yapısı elektrot yüzeyine KMnO4 varlığında daldırma yöntemiyle immobilize edilmiştir. Bu yüzey sayesinde duyarlı ve seçimli bir dopamin tayini elektrokimyasal olarak gerçekleştirilebilmiştir. Zejli ve ark. politiyofen ve aptamer modifiye elektrotlar ile insan sağlığı açısında önemli bir toksin olan Aflatoksin B1’i tayin edebilmişlerdir. Politiyofen bu çalışmada tek başına değil karboksilik asit ile birlikte kullanılmıştır. Politiyofen-3-karbokislik asit yapısı sinyal arttırcı etki sağlamıştır. PT3C tabakası yüzeyin analiti (Aflatoksin B1) bağlanmasını ve iletkenliği arttırarak DPV yöntemiyle hassas ve seçimli bir tayine olanak sağlamıştır.

PEDOT özellikle biyouyumlu olması nedeniyle biyosensör çalışmalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Ayrıca kararlı yapısı ve iletkenliği arttırması sebebiyle elektrokimyada önemli bir yere sahiptir.  Luo ve ark., camsı karbon elektrot yüzeyine AuNPs, PEDOT ve PEG modifiye edilmiştir. PEDOT modifikasyonu ile elektrodun hem mekanik dayanıklılığı arttırılmıştır hem de yüzeye fonksiyonel gruplar eklenmesiyle biyomoleküller elektrot yüzeyine daha kolay tutturulabilmiştir. Tasarlanan bu biyosensör sistemi ile önemli bir karaciğer tümor biyobelirteci olan alfa fetoprotein hassas bir şekilde EIS yöntemi kullanılarak tayin edilebilmiştir. PEDOT, PEG ile nanokompozit halinde GCE yüzeyine elektrokimyasal olarak polimerizasyon yöntemiyle kaplanmıştır. Antijen-antikorun spesifik etkileşimine dayalı bu sistemde PEDOT’unda sinyal hassasiyetini attırmasıyla oldukça düşük konsantrayondaki AFP, insan serumunda başarılı bir şekilde tayin edilmiştir. Sritongkham ve ark., PEDOT modifiye yüzey baskılı elektrotlar ile amperometrik trigliserit biyosensörü geliştirmişlerdir. Enzim temelli amperometrik biyosensör yüzeyinde modifiye edilen PEDOT-PSS sayesinde hızlı ve hassas bir şekilde trigliserit tayin edilebilmiştir. Trigliserit konsantrasyonunun insan serumunda doğru ve güvenilir ölçülebilmesi hipertansiyonun düzenlenebilmesi ve buna bağlı aterosklerozislerin önlenebilmesi için önemlidir. Mak ve ark. ise PEDOT kolloidal mikropartiküller kullanarak NADH tayinine yönelik bir biyosensör geliştirmişlerdir. Bu yapı mikropartiküler yapı, klasik PEDOT polimerine oranla 2,8 kat daha elektroaktiftir. Elektrot yüzeyinin artan elektroaktifliği ile daha da duyarlı bir tayin gerçekleştirilebilmiştir çünkü NADH’ın elektrokatalitik aktivitesi artmıştır.

İletken polimer modifiye elektrokimyasal biyosensörler ile pek çok önemli analitin (toksinler, DNA, mikroRNA, dopamin, glukoz, trigliserit, fenolik bileşikler vb.) tayini başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilmiştir. Gelecekte de önemli avantajları (elektrot yüzeyine kolay modifiye edilebilmeleri, farklı fonksiyonel gruplar içermeleri, bu fonksiyonel gruplar sayesinde tayin edilecek maddelerin yüzeye daha iyi tutunabilmesi, biyouyumlu ve kararlı olmaları, elektron transferi arttırmaları) sayesinde geliştirilen biyosensör sistemlerinde kullanılacağı öngörülmektedir.

Sonuç

Bu derlemede, elektrokimyasal biyosensörlerde kullanılan iletken polimer ve bu polimerlerin kullanımının biyosensöre sağladığı avantajlar tartışılmıştır. İletken polimer modifiye elektrotlar ile daha hassas analizler yapılabilmiştir. Özellikle elektrot yüzeyinin iletken polimer ile modifiye edilmesiyle yüzey alanı ve elektron transferi arttırılmış olur. Bu durum daha duyarlı analizler yapılmasını sağlamaktadır. Biyouyumlu olmaları sayesinde yüzeye bağlanabilecek DNA gibi biyomoleküllerle oldukça iyi bir bağlanma gösterirler. Aynı zamanda biyosensör yüzeyini daha stabil hale getirirler. Biyosensörün seçimliliğinin arttırılabilmesi için yüzeye bağlanabilecek enzim veya antikor gibi yapılar da iletken polimer varlığında artan yüzey alanı ve fonksiyonel gruplar sayesinde daha etkili bir şekilde bağlanabilirler. Ölçümde elde edilen sinyaller de elektron transferinin artması sayesinde daha belirgin olacaktır. Tüm bu özelliklerinden dolayı iletken polimerler biyosensörlerde kullanılmaktadır ve gelecekte de yeni uygulamaları ile kullanılmaya devam edecektir. Yeni nesil biyosensörlerin olabildiğince minyatürize hale getirilmesi ve hatta giyilebilir sensör teknolojisi için iletken polimerlerin nanomalzeme olarak kullanımı da heyecan verici bir konudur.

Yeni Biyoloji Forumda Ara

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here