Nanosensör

Nanosensörler, nanoparçacıklarla ilgili bilgileri makroskopik dünyaya iletmek için kullanılan biyolojik, kimyasal ya da cerrahi sensör noktalarıdır. Temel olarak, çeşitli tıbbi amaçlarların yanı sıra nano robotlar ve nano ölçeklerde kullanılan bilgisayar çipleri gibi başka nano ürünlerin yapımında bir araç olarak kullanılırlar. Şu sıralar, nanosensör yapımı için önerilen pek çok yöntem vardır. Yukarıdan aşağı (top-down) litografi (baskı), aşağıdan yukarı düzenlenme (bottom-up) assembly, moleküler kendiliğinden düzenlenme(self assembly) bu yöntemlerden bazılarıdır.
Gıdalar üzerinde moleküler boyutta gerçekleştirilen değişim, renk, kıvam ve form başta olmak üzere çok farklı şekillerde kendini gösteriyor. Bu teknolojiyle geliştirilen çikolatalar istenilen seviyeye kadar sıcağa dayanıklı hale getirilebiliyor ya da patatesler kızartılmak için yağın içerisine atıldığında yalnızca belirlenen miktarda yağı bünyesine alıyor, fazla miktarda yağ patatesin içerisine işleyemiyor böylece vücudumuza aldığımız doymuş yağı azaltarak rahatça patates kızartması yiyebiliyoruz. Ayrıca yiyeceklerin kıvamı ve rengi istenildiğinde ısı ve harekete göre değiştirilebiliyor.
Gıda endüstrisindeki nanoteknoloji uygulamaları, taşıma sistemleri (miseller, nanoemülsiyonlar, liposomlar, biyopolimerik nanoparçacıklar vb.) gıda güvenliği ve biyogüvenlik (nanosensörler vb.) ve nanotoksizite gibi uygulamaları kapsıyor. Gıdalarda potansiyel nanoteknoloji uygulamalarının, gıdadaki besin öğeleri ve antioksidanlar gibi biyomoleküllerin insan vücudunda etkin ve efektif olarak salınımları üzerinde yoğunlaşacağı öngörülüyor. Nanoteknoloji uygulamalarının yaygın olarak kullanılabileceği diğer bir alan ise, fonksiyonel gıda endüstrisi olarak belirtiliyor.
Halen ABD ve Japonya'nın gıda pazarında kendine yer edinmeye çalışan Nano gıdalar gelecekte firmaların yarıştığı bir alan olacak. Küçük birer kumanda kapsülü gibi çalışan bu parçacıklar üretici şirketler tarafından önce renk, lezzet veya kıvam özellikleriyle dolduruluyor, ardından da ısı veya harekete duyarlı olarak programlanarak gıdaların içerisine yerleştiriliyor. Böylece tüketici nano gıda teknolojisiyle üretilen gıdaların birçok özelliğini dilediği anda değiştirebiliyor.
Özellikle ilk olarak ABDde satışa sunulan ve türünün ilk örneklerinden biri olan nano pizza büyük ilgi çekiyor. Ürünün en büyük özelliği ise ısıya göre lezzet ve kıvamının değişmesi. Pizza 100 derecede ısıtıldığında rengi kırmızı olurken lezzet bakımından da domatesi çağrıştırıyor. Ancak aynı pizza 200 derecede ısıtıldığında ise rengi yeşile dönüşüyor ve tadı da ıspanak lezzeti vermeye başlıyor. Başka güzel bir örnek ise Mentos şekerler. Mentos şekerlerin içinde bulunan doğal nanotüpler ve nanotüplerin de içine saklanmış aromalar var. Siz şekeri ağzınızda erittikçe nanotüpler patlamaya devam ediyor ve sürekli taze, ferah aroma ile karşılaşıyorsunuz. Harika değil mi?
Tahmini Uygulamalar
Nanosensörlerin tıbbi kullanımı temel olarak nanosensörlerin vücuttaki belli başlı hücreleri ya da yerleri doğru bir şekilde bulma potansiyeline dayanır. Nanosensörler, vücutta bulunan hücrelerin miktar, yoğunluk, hız ve yer değiştirme, yerçekimi, elektrik ve manyetik kuvvetleri, basınç ya da sıcaklık değişimlerini ölçerek ilaç sağlamak ya da vücudun belli yerlerindeki değişimleri denetlemek için moleküler düzeyde, özellikle kanser hücreleri olmak üzere belli başlı hücreler arasında ayrım yapabilir ve bu hücreleri saptayabilirler. Bunun yanı sıra, nanosensörler vücudun dışından da makroskopik değişimleri algılayabilir ve bu değişimleri vücutta çalışmakta olan diğer nano ürünlere iletebilir.
Vücuttaki tümörlerin bulunması için kadmiyum selenür kuantum noktalarının parlaklık özelliklerinin sensör olarak kullanılması nanosensörlere bir örnektir. Doktorlar, vücuda enjekte ettikleri kuantum noktalarını, parlaklıkları nedeniyle kolaylıkla bularak vücuttaki tümörleri ya da kanser hücrelerini saptayabiliyorlardı. Gelişmiş nanosensör kuantum noktaları da sadece vücudun tehlike altında olmasına yol açan hücreyi bulmak üzere kurulacaktı. Ancak, bu kadmiyum selenür noktalarının sakıncalarından biri vücut için büyük oranda zehirli olmalarıydı. Bu yüzden, araştırmacılar parlaklık özelliklerini hala muhafaza etseler de bu noktaların yerine zehir oranı daha düşük farklı noktalar geliştirmeye çalışıyorlar. Özellikle de kadmiyum selenür kadar parlak olmasalar da manganez ve çeşitli lantanit elementlerle arttırılabilen çinko sülfür kuantum noktalarının belli başlı yararlarını inceliyorlar. Bunun yanı sıra, bu yeni noktalar hedef hücrelerine yapıştıklarında da daha parlak hale geliyorlar. (Kuantum) Tahmini potansiyel işlevler arasında, özellikle yüksek risk taşıyan bireyler için olmak üzere açık kalıtsal bozuklukların tanımlanması için belirli DNAların bulunmasında kullanılan sensörler ve mevcut detektörlerden daha kolay bir şekilde diyabetle ilgili konularda glikoz seviyelerinin otomatik olarak saptanması için vücuda yerleştirilen sensörler de yer alabilir. DNA, aynı zamanda, saptama özelliği olan bir nano aygıt ile birleştirildiğinde CMOS IC üretimi için kurban (sacrifical) tabaka olarak da işlev görebilir. Bu sebeple, nanosensörler, proteomik tasarımlar ve yeni hibrit(karma) malzemeler kullanarak bileşenlerin devre montajının bir parçası olarak yarı iletken bir hibrit alt maddeye dönüşmesini sağlamak için kullanılabiliyor. Nanosensörlerin geliştirilmesi ve minyatürleştirilmesi çok sayıda ilgi çekici fırsat sağlayacaktır.
Tasarlanan diğer ürünler, çoğunlukla nanosensörlerin daha küçük tümleşik devreler yapmak için kullanımını ve ulaşım, iletişim; yapısal bütünlük ve robotik alanında gerçekleşen gelişmeler gibi çeşitli durumlarda kullanmak için başka nanoteknoloji formları aracılığıyla yapılan diğer çeşitli ürünlere dahil edilmesini içeriyor. Nanosensörlerin, zamanla, uydular ve havacılıkla ilgili makineler gibi büyüklüğün ve ağırlığın sınırlandırıldığı sistemlerde kullanmak için maddenin hallerini ölçen daha hassas cihazlar kadar değerli olması bekleniyor.
Mevcut Nanosensörler
Şu anda, en yaygın toplu üretimli nanosensörler biyoloji dünyasında doğal dış uyarı reseptörleri olarak yer alıyor. Örneğin, özellikle de köpek gibi hayvanlarda oldukça güçlü olan koku alma duyusu, nano boyutta molekülleri algılayan reseptörleri kullanarak çalışıyor. Bazı bitkiler de güneş ışığını saptamak için nanosensörlerden yararlanır; birçok balık bulunduğu sudaki miniskül titreşimleri algılamak için nanosensörleri kullanır; çok sayıda böcek sex feromonlarını nanosensörlere aracılığıyla algılıyor.
Sentetik nanosensörlerin ilk çalışma örneklerinden biri 1999 yılında Georgia Teknoloji Enstitüsü (Georgie Institute of Technology) araştırmacıları tarafından yapılmıştı. Bu çalışma, tek bir parçacığın bir karbon nanotüpün sonuna eklemeyi ve parçacıklı ve parçacıksız olarak nanotüpün titreşim sıklığının ölçümünü içeriyordu. Bu iki sıklık arasındaki fark araştırmacıların eklenen parçacığın kütlesini ölçmelerini sağlıyordu.
Kimyasal sensörler de gaz halinde bulunan moleküllerin çeşitli özelliklerini saptamak için kullanılıyor. Titanyumdan yapılan nanotüpler, moleküler seviyede hidrojenin atmosferik yoğunluğunu saptamak için kullanırken, Karbon nanotüpler, gaz moleküllerin iyonlaşmasını algılamak için kullanılıyor. Bunların birçoğu nanosensörlerin başka bir molekül için özel bir yere sahip olması hedeflenerek tasarlandığı bir sisteme sahip. Yalnızca bu özel molekül nanosensöre yerleştirildiğinde ve ışık nanosensörü aydınlattığında, molekül, farklı ışık dalga boyları yansıtır bu yüzden farklı bir renk alır. Aynı şekilde, Flood ve diğerleri, çok moleküllü konuk-konak kimyanın SERS (Yüzeyde Güçlendirilmiş Raman Saçılması) ve Raman saçılması ışığı kullanarak nicel algılama sağladığını kanıtlamıştır.
Üretim Yöntemleri
Şu anda nano sensör üretiminde kulkanılan ve henüz kanıtlanma aşamasında olan birçok yol vardır. Yukarıdan aşağı litografi çoğu tümleşik devrenin şu anda yapıldığı bir yaklaşımdır. Bu yaklaşımda bazı malzemelerin daha büyük bir bloğuyla başlanır ve arzu edilen şekil biçimlendirilir ve Biçimlendirilen bu aletler, genellikle yalnızca mikro boyuta ulaşan mikrosensörler olarak kullanılan özel mikro elektromekanik sistemlerde uygulanır ancak, bunların en güncelleri nano boyutlu parçalar içermeye başlamıştır.
Başka bir nanosensör üretim yolu da çoğunlukla bireysel atomlar ve moleküller olmak üzere daha küçük sensörlerden oluşan parçaların düzenlendiği aşağıdan yukarıya (bottom up)tekniğidir. Bu teknikle belli bir maddenin atomları teker teker belli konumlara taşınacaktı ancak her ne kadar bu işlem laboratuvar testlerinde atomik güç mikroskopları gibi aletler kullanılarak gerçekleştirilmiş olsa da, özellikle de ortak çalışma yapmak için hem lojistik hem de ekonomik sebeplerden dolayı hala oldukça zordur. Bu metot, büyük olasılıkla, temel olarak kendiliğinden düzenlenen sensörler için başlatıcı moleküller yapımında kullanılacaktı.
Daha büyü için bir kendiliğinden düzenlenme(self assembly)bir başlatıcısı olarak kullanılan DNA molekülüne bir örnek. kendiliğinden düzenlenmiş(self assembled) bir DNA nanogridinin atomik güç mikroskobu görüntüsü. Bireysel DNA kendiliğinden düzenlenmeyi(self assemble) yüksek seviyede düzenlenen periyodik iki boyutlu DNA nanogritine yerleştirir.
Çok daha hızlı sonuçlar vadeden üçüncü bir yolda ise kendiliğinden düzenlenme(self assembly) yöntemi kullanılır, ya da sensör olarak kullanılmaları için belli nano yapılar büyütülür. Bu, çoğu kez, iki tip düzenlemeden birini kapsar. Birincisinde daha önceden üretilmiş ya da doğal olarak şekil almış nano yapıların bir parçası kullanılır ve kendi türünden özgür atomlara batırılır. Belirli bir sürenin ardından, güncel şeklin bir devamı olarak onu daha fazla molekül çekmeye yatkın kılan düzensiz bir şekle sahip olan yapı bazı özgür atomları yakalayacaktır ve nanosensörlerin daha büyük parçalarını yapmak için kendisinden daha fazla oluşturmaya devam edecektir.
Kendiliğinden düzenlenmenin(self assembly) ikinci tipi, otomatik olarak kendilerini bitmiş bir üründe düzenleyecek olan halihazırda tamamlanmış parçalar grubuyla başlar. Bu ikinci yaklaşım şimdiye kadar yalnızca mikro boyutlu bilgisayar çiplerinin düzenlenmesinde kullanılsa da, araştırmacılar, sonunda nanosensörlerin de dahil olduğu çoklu ürünler için de nanometre ölçülerinde yapabilmeyi umuyorlar. Laboratuvarda, arzu edilen bir sensör için bu etkinin yeniden doğru bir şekilde oluşturulabilmesi için bilim adamlarının her bir sensörü manuel olarak düzenlemesi yerine, çok küçük bir dış müdahaleyle ya da tamamen çok sayıda molekülün kendilerini düzenlemelerine izin vererek, çok daha hızlı ve muhtemelen çok daha düşük maliyetli nanosensörler üretebilirler.