Nanogap based label-free impedimetric biosensors
Nanoaralık temelli etiketsiz çeliölçer biyoalgılayıcılar
- Tez No: 312875
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Bir çare bulmak adına yapılan onca araştırmaya rağmen, kanser günümüzde halen temel ölüm nedenleri arasında yer almaktadır. Araştırmalar göstermiştir ki kanser vücutta bazı biyoişaretçilere sahiptir ve bu biyoişaretçileri zamanında tespit edebilmek erken tanıya ve başarılı tedavilere olanak sağlayabilir.Yerinde tanı yapabilen biyoalgılayıcılar bu görev için oldukça ümit vadedicidirler. Eğer bu biyoalgılayıcılar, duyarlılığı ve güvenilirliği düşük maliyetli ve basit bir yapı ile sağlayabilirlerse, kanserin erken aşamalarında bulunan ve henüz ciddi bir belirtiye sahip olmayan geniş kitlelere hitap edebilirler.Bu amaçla, biyoalgılayıcı yüzeyindeki algılama elemanından gelen sinyali sinyal işleme amacıyla sayısal alana dönüştürmeye yarayan çeşitli biyoalgılama mekanizmaları kullanılabilir. Bu mekanizmalardan biri olan çeli temelli algılama çok cazip bir biyoalgılama yöntemidir; çünkü bu yöntem etiketsiz, düşük maliyetli, düşük güç gerektiren, küçültülebilir ve çiple tümleştirilebilir algılama platformları sunabilir. Ancak, çeli temelli algılama sıvı ortamlarda sorunludur çünkü elektriksel ölçümler esnasında, hedef sıvıdaki elektrotlar üzerinde iyon temelli istenmeyen katmanlar (elektriksel çift katmanlar) oluşmaktadır. Ne yazık ki, bu katmanlar sıvıya uygulanan elektriksel alana karşı bir kalkan gibi davranmakta ve hedef biyoişaretçilerin algılanmasını önleyebilmektedir.Bu tezde nanoaralık temelli etiketsiz bir biyoalgılayıcı yapısı tasarlanmış ve bu tasarım kullanılarak sıvı ortamda ve düşük frekanslarda (1kHz ? 100 kHz) çeli temelli algılama gösterilmiştir. Düşük frekanslı platformlar yerinde tanı yapabilen biyoalgılayıcılar gibi düşük maliyetli uygulamalara oldukça yatkındırlar.Tasarlanan yapı nanometre düzeyinde elektrot ayrımı (nanoaralık) kullanmaktadır. Teorik hesaplamalar nanoaralığın, elektriksel çift katmanın istenmeyen etkisini azalttığını göstermiştir. Buna ek olarak, nanoaralık ölçüm için kullanılan sıvı hacmini asgari düzeye çekmeye de yardımcı olmaktadır.Biyoalgılayıcının tasarım, üretim, yüzey etkinleştirme ve biyotinleme aşamaları temizoda ortamında ve biyomimetik malzeme laboratuarında gerçekleştirilmiştir.Üretilen biyoalgılayıcılar hedef moleküllerin (streptavidin) fosfat tamponlu bir tuzlu su çözeltisi içinde tanıtılması ile test edilmiştir. Çeli ölçümleri için sığa-gerilim ölçüm birimli bir parametre inceleyici ve bir ölçüm istasyonu kullanılmıştır.Bu biyoalgılayıcılarla, etiketsiz streptavidin algılaması 100 µg/mL, 10 µg/mL, 1 µg/mL, 100 ng/mL ve 10 ng/mL derişimlerinde gözlemlenmiştir. Bu, bildiğimiz kadarıyla, nanoaralık temelli etiketsiz çeliölçer biyoalgılayıcılarla streptavidin algılanmasının ilk gösterimidir. Yukarıda belirtilen derişimler bu biyoalgılayıcıların ticari uygulamalar için ümit vadettiğini göstermektedir. Hedef ortamın dielektrik sabitine duyarlılık, 10 kHz ölçüm frekansında dielektrik sabitindeki birim değişikliğe karşı 132 pF olarak ölçülmüştür. Güvenilirlik testleri gerçekleştirilmiştir; algılayıcıların kararlı ve tekrarlanabilir çalışırlığı kontrol edilmiş ve doğrulanmıştır.Sonuç olarak, bu kavramsal ispatlayıcı çalışma nanoaralık temelli biyoalgılayıcıların duyarlı, güvenilir, basit, düşük güç ve düşük maliyet gerektiren biyoalgılama uygulamaları için uygun ve cazip bir seçenek olabileceğini göstermektedir. Bundan sonraki adım, bu çalışmada tanıtılan platformu PSA ya da CA125 gibi belirli kanser biyoişaretçilerini algılamada kullanmak olabilir. Böylece, daha da geliştirilir ve ticarileştirilirse, nanoaralık temelli etiketsiz çeliölçer biyoalgılayıcılar gelecekte insanoğlunun kansere karşı savaşında yer alabilirler.
Özet (Çeviri)
Despite lots of research going on to find a hope, cancer is still a major cause of death in today?s world. It has been reported that cancer has some biomarkers in human body and detecting these biomarkers timely can pave the way for early detection and successful treatments.Point-of-care biosensors are highly promising for this mission. If these biosensors can achieve sensitivity and reliability with a low-cost and simple platform, they can address a large mass of people who are at the early stages of cancer without any clear symptoms yet.For this purpose, various biosensing mechanisms can be used to convert the signal coming from the recognition elements on the biosensor surface to the digital domain for signal processing. One of these mechanisms, impedimetric (impedance based) sensing is a very appealing electrical biosensing method since this method can offer label-free, low-cost, low-power requirement, miniaturizable, and chip-integrable detection platforms. However, impedimetric sensing in liquid medium is problematic, since during the electrical measurements, ion-based undesired layers (electrical double layers) are formed over the electrodes in the target liquid. Unfortunately, these layers act like a shield against the applied electric field to the liquid and can prevent the detection of the target biomarkers.In this thesis, a nanogap based label-free biosensor structure is designed and using this design impedimetric sensing in liquid medium is demonstrated at low frequencies (1 kHz ? 100 kHz). Low frequency platforms are quite amenable to low-cost applications like point-of-care biosensing.The designed structure utilizes nanometer scale electrode separation (nanogap). Theoretical calculations show that nanogap reduces the undesired effect of electrical double layer. Moreover, nanogap also helps in minimizing the volume of the required liquid for the measurement.Design, fabrication, surface functionalization and biotinylation stages of the biosensor are realized in a cleanroom environment and biomimetic materials laboratory. The fabricated biosensor is tested by introducing the target molecules (streptavidin) in a phosphate-buffered saline solution. A parameter analyzer with a capacitance-voltage unit and a probe station are used for the impedance measurements.With these biosensors, label-free detection of streptavidin is observed for100 µg/mL, 10 µg/mL, 1 µg/mL, 100 ng/mL and 10 ng/mL concentrations. This is, to the best of our knowledge, the first demonstration of streptavidin detection in nanogap based label-free impedimetric biosensors. The above-mentioned concentrations show that these biosensors are promising for commercial applications. Sensitivity to the dielectric constant of the target medium is measured to be 132 pF per unit change in the dielectric constant at 10 kHz measurement frequency. Reliability tests are performed: stable and repeatable operation of the sensors are checked and verified.In conclusion, this proof-of-concept study shows that nanogap based biosensors would be a suitable and appealing choice for sensitive, reliable, simple, low-power and low-cost point-of care biosensing applications. Next step would be utilizing the platform presented in this work in detecting specific cancer biomarkers like PSA or CA125. Thereby, developed further and commercialized, nanogap based label-free impedimetric biosensors can act in the battle of human being against cancer in the future.
Benzer Tezler
- Development of a nanogap fabrication method for applications in nanoelectromechanical systems and nanoelectronics
Nanoelektromekanik sistemler ve nanoelektronik uygulamalarına yönelik bir nanoaralık üretim yönteminin geliştirilmesi
ANIL GÜNAY DEMİRKOL
Doktora
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMET İNÖNÜ KAYA
- Kapasitif nano-biyosensörlerin algılama hassasiyetlerinin geliştirilmesinin araştırılması
Investigation and development of detection sensitivity of capacitive nano biosensors
NEŞET GÜLENER
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT AĞAN
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY
- Bioconjugated β-cyclodextrin-perfluorohexane nanocone clusters as functional agents for nanoparticle mediated histotripsy
Başlık çevirisi yok
CEMRAN TOYDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Biyomühendislikİstanbul Medipol ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASEMİN YÜKSEL DURMAZ
- Fabrication of an on-chip nanowire device with controllable nanogap for manipulation, capturing, and electrical characterization of nanoparticles
Nanoparçacıkların yönlendirilmesi, yakalanması ve karakterizasyonu için yapısında kontrollü nanoboşluk bulunduran çip üzerinde nanotel aygıtı fabrikasyonu
CAN URAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Protein algılamasına yönelik nano-biyosensörlerin yeni malzeme ve tekniklerle geliştirilmesi
Development of nano-biosensors for detection of protein by new materials and techniques
MUSTAFA YÜKSEL
Doktora
Türkçe
2012
BiyofizikKırıkkale ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT AĞAN
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY