Kolorimetrik Biyosensör Uygulamaları için Hidrojel Bazlı Fonksiyonel Malzemelerin Geliştirilmesi

Abstract

Kolorimetrik biyosensörler, basit kullanımları ve kolay yorumlanabilmeleri sayesinde hasta-başı (PoC) uygulamaları için en uygun araçlardır; diğer optik biyosensörler ise genellikle hacimli cihazlar gerektirir ve karmaşık ölçüm çıktıları verir. Ancak, kolorimetrik biyosensörlerin düşük hassasiyetleri, bu sistemlerin yaygın kullanımını sınırlamaktadır. Hidrojeller, üç boyutlu gözenekli ağ yapıları ve sağladıkları sulu mikroortam sayesinde biyosensörlerin hassasiyet ve stabilitesini artırmak amacıyla kullanılmaktadır. Bu çalışmada, glikoz tayini için Ayva Çekirdeği Hidrojeli (QSH) tabanlı kolorimetrik biyosensör geliştirilmiştir. Platformların mekanik dayanımını artırmak için karboksimetil selüloz (CMC) kullanılmıştır. Bu platformlar, EDC-NHS kimyası aracılığıyla glikoz oksidaz (GOX), horseradish peroksidaz (HRP) ve 3,3',5,5' tetrametilbenzidin (TMB) ile fonksiyonlandırılmıştır. Transparan QSH/CMC hidrojellerinde oluşan mavi rengin yoğunluğu glikoz konsantrasyonu ile doğru orantılı olup kolay ve kullanıcı dostu bir tayin sağlamaktadır. QSH/CMC hidrojellerin konsantrasyonları ve çapraz bağlayıcı oranları, sensörlerin deneyler sırasındaki işlenebilirliğini iyileştirmek için optimize edilmiştir. Geliştirilen QSH/CMC hidrojellerinin biyosensör olarak kullanımına uygunluğunu değerlendirmek için mekanik, FTIR, SEM, şişme kapasitesi, salınım kapasitesi, ve protein adsorpsiyonu analizleri gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen QSH/CMC biyosensörü, ultra saf su (UPW) ve yapay ter ortamlarında test edilmiş; deteksiyon limitleri (LODs) sırasıyla 0.055 ve 0.067 mM olarak hesaplanmıştır. Sükroz, galaktoz ve askorbik asit ile yapılan seçicilik analizinde, platformun glikoza özgül olduğu ve askorbik asitin güçlü bir interferant olduğu gösterilmiştir. Biyosensör, 4oC'de saklandığında iki hafta boyunca stabilitesini korumuştur. Geliştirilen QSH/CMC kolorimetrik biyosensörlerin, hasta başı testi olarak taşıdığı potansiyel gösterilmiş olup, ileri çalışmalarla vücut sıvılarındaki glikoz seviyelerini takip edebilecek giyilebilir bir platform tasarlanabileceği öngörülmüştür.Colorimetric biosensors are highly suitable for PoC applications owing to their simple operation and straightforward interpretation, in contrast to other optical biosensors that require bulky instruments with complex readouts. However, their relatively low sensitivity often limits their applicability. Hydrogels have been investigated to increase the sensitivity and stability of biosensors owing to their three-dimensional (3D) porous network and hydrated microenvironment. This study presents a Quince Seed Hydrogel (QSH)-based colorimetric biosensor platform for glucose detection, emphasizing improvements in sensitivity and stability. Carboxymethyl cellulose (CMC) was incorporated into QSH to improve the mechanical properties of the developed biosensing platform, which contains glucose oxidase (GOX), horseradish peroxidase (HRP), and 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB) immobilized via EDC-NHS chemistry. The intensity of the blue color developed within the transparent QSH/CMC platform correlates with glucose amount, allowing an easy and user-friendly detection. QSH/CMC hydrogels were optimized for polymer concentration and crosslinker ratio to achieve better processability. Mechanical, FTIR, SEM, swelling capacity, small molecule-release, and protein adsorption analyses were conducted to evaluate their suitability as biosensor matrices. The optimized colorimetric QSH/CMC biosensor demonstrated limit of detections (LODs) of 0.055 mM in ultrapure water and 0.067 mM in artificial sweat. Selectivity test confirmed the biosensor's specificity for glucose, with ascorbic acid identified as a strong interferent. The biosensor retained stability for two weeks at 4oC. Overall, the QSH/CMC colorimetric biosensor holds potential as a PoC diagnostic platform and can be further adapted for wearable platform to monitor glucose levels in body fluids.