Sıvılardaki ağır metal iyonlarının ve bakterilerin algılanması için biyosensörlerin geliştirilmesi

Abstract

Kullanılan ve yeniden değerlendirilen suların hastalığa sebep olan bakteri ve ağır metal iyonları tarafından kirletilmesi birçok hastalığa neden olmaktadır. Son 10 yıl içerisinde bu hastalıkları kontrol altına almak toplumumuzu ilgilendiren en önemli sağlık sorunu olmuştur. Su kirliliği çevre ve halk sağlığı açısından büyük tehlike arz etmektedir. Su kirliliği esas olarak endüstriyel atıklar nedeniyle oluşmaktadır. Birçok ülke için ciddi problem oluşturan kadmiyum (Cd), krom (Cr), bakır (Cu), kobalt (Co) ve çinko (Zn) gibi ağır metal iyonları genel kirleticilerdir. Düşük konsantrasyonlarda bile insan sağlığı için muhtemel zehirlenmelere neden olabilecekleri için birçok ağır metal iyonu tehlikeli kirleticiler sınıfında yer alır. Ağır metal iyonları kirli sulardaki başlıca kirleticiler olarak kabul görürler. Doğal sulardaki ağır metal iyonlarının toplam konsantrasyonu atomik absorbsiyon spektroskopisi, yüksek performanslı sıvı kromatografisi ve anodik sıyırma voltametrisi gibi birçok analitik yöntemle ölçülebilir. Fakat bu yöntemler hem çok pahalıdır hem de sürekli ölçümler için kullanışsızdır. Kirli sulardaki diğer kirletici kaynakları Salmonella, Escherichiacoli (E. coli), Staphylococcusaureus ve Enterococcus faecalis (E. faecalis) gibi bakterileridir. Bulaşıcı ve zehirleyici özelliğe sahip bakteriler birçok insanın hastalanmasına ve ölümüne neden olmaktadır. Bilinen 250’den fazla hastalık sadece yiyecek ve içecekler vasıtasıyla yayılır. Özellikle E. Coli (O157:H7) zehirlilik ve hastalık yapıcı özelliklerine sahip olması nedeniyle en öldürücü gıda patojenidir. Zehirlilik ve patojenik özellikler, çeşitli medikal ve çevresel alanlar ile gıda endüstrisi ve anti-biyoterörizm uygulamalarında önemli ölçülebilir büyüklüklerdendir. Halk sağlığını bakteri kaynaklı hastalıklara karşı korumak patojenlerin algılanmasına yönelik geliştirilen metotların güvenilirliğine ve yeterliliğine bağlıdır. Genel anlamda sağlıklı bireyleri hastalıktan korumak için ve hastaların tedavisi için tedaviye yönelik atılacak ilk ve en önemli adım hastalığa neden olan bakteriyi tespit etmektir. Son 10 yılda sağlık ve güvenlikle ilgili sorunların belirlenmesi ve bunların korunmasına yönelik artan farkındalık sonucunda zararlı bakterilerin hızlı ve seçici bir şekilde algılanması en önemli gerekliliklerden biri olmuştur. Günümüzde bu amaç için kullanılan metotlar genellikle polimeraz zincir reaksiyonu (PCR), kültür ve koloni sayım metodu ve enzim ilintili immün test (ELISA)dir. Buna rağmen bu geleneksel kültür teknikleri sadece zaman alıcı ve kullanışsız olmayıp aynı zamanda örnek hazırlama ve taşıma gibi işlemler gerektirir. Gelişmiş teknoloji ile birlikte kimya, biyoloji ve malzeme bilimine dair temel bilgi gerektiren bu alandaki çoğu çalışma, bakterilerin algılanması için hızlı seçici ve duyarlı olup aynı zamanda düşük maliyete sahip, gıda güvenliği için kullanışlı uygulamaları olan yeni metotların geliştirilmesine odaklanmıştır. Son yıllarda biyosensörler örnek hazırlama ve geleneksel kültür tekniklerinin zorluklarının üstesinden gelmesi açısından dikkat çekici bir alternatif olmuştur. Biyosensör diğer birçok bileşenin içinden sadece bir bileşeni seçici bir şekilde algılayan biyolojik moleküllerin kullanıldığı taşınabilir analitik bir cihazdır. Genelde bir biyosensör ölçülmesi istenen maddeyle seçici bir şekilde etkileşen tanıyıcı element ile bu etkileşim sonucu elde edilen bilgiyi dönüştüren transdüserden meydana gelir. Son zamanlarda sudaki bakteri ve ağır metal iyonlarının algılanmasına yönelik sensörlerin geliştirilmesi için çokça çaba harcanmıştır. Escherichiacoli (O157:H7) gibi bazı bakterilerin algılanmasına yönelik biyosensör geliştirmek için dikkate değer çabalar gösterilmesine rağmen Enterococcus faecalis’in algılanmasına yönelik biyosensör için hiçbir ilerleme gösterilememiştir. Enterococcus faecalis gram pozitif bir bakteri olup insanların ve hayvanların ağız boşluğunda, mide ve bağırsaklarında yaşar. Bu bakteri bağırsak hücrelerinde yaşadığı müddetçe zararsızdır. Buna rağmen antibiyotiğe karşı dirençlerinden dolayı, kullanılması gereken miktarda geniş spektrumlu antibiyotik kullanımından sonra bağırsakta çokça üreyebilir ve bağırsak problemlerine yol açabilir. Ayrıca bağırsağın delinmesi sonucu bakterilerin karın boşluğuna nüfuz etmesi durumunda ciddi sağlık problemlerine yol açabilir. Bu tezde kadmiyum, çinko, bakır ve kobalt gibi ağır metal iyonlarının algılanmasına yönelik sensörlerin geliştirilmesi amaçlandı. En uygun sıcaklık katsayısı nedeniyle transdüser olarak altın elektrotlara ve 10 MHz’lik temel titreşim frekansına sahip thickness shear modunda titreşen AT-kesim kuartz kristali kullanıldı. Kıyaslama yapılması açısından algılayıcı yüzey olarak fitalosiyanin ve tris (8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) kullanıldı. Bu tezin bir diğer amacı da sudaki E. faecalis bakterisini direkt algılamak amacıyla bir biyosensör geliştirmektir. Geliştirilen biyosensör antibody’nin işlevselleştirildiği kuartz kristalinden oluşmaktadır. Sensörün cevap ve geri dönüş süresi ölçülen cevap karakteristiklerinden tahmin edilmiştir. Ayrıca sensör performansının önemli bir diğer kriteri olan tekrarlanabilirlik de araştırılmıştır. Sensörün performansının hücre parametreleri ile hücre performansı için önemli olan anot elektrot malzemesinin seçimine önemli bir şekilde bağlı olduğu belirlenmiştir.