Geri Dön

Preparation of functional surfaces using zeolite nanocrystals for biosensor and biomedical applications

Biyosensör ve biyomedikal uygulamalar için zeolit nanokristalleri kullanılarak fonksiyonel yüzeylerin oluşturulması

PDF İndir

  1. Tez No: 313697
  2. Yazar: SALİH KAAN KİRDECİLER
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU AKATA KURÇ, PROF. DR. RAŞİT TURAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 114

Özet

Zeoliteler düzenli gözenek yapıları sebebiyle çok yüksek yüzey alanına sahip kristalin alüninasilikatlardır. Ayrıca değiştirilebilir yüzey özellikleri, yüksek iyon değiştirebilme özelliği, kimyasal, ısı ve mekanik dayanım özellikleri bu malzemeleri sensör cihazları, kataliz, dielektrik malzemeler, ayrıştırma ve membran teknolojilerinde kullanılmak üzere önemli bir aday kılmaktadır. Bu kadar eşsiz özelliğine rağmen, zeolitlerin uygulama alanlarına göre cihazlara entegrasyonu toz formu yüzünden sınırlı kalmıştır. Bu çalışmanın amacı zeolite nanoparçacıklarının kondüktometrik biyosensör performansına ve hücre çoğaltma çalışmalarındaki etkisini gözlemlemektir. İlk olarak, zeolitlerin silikon yüzeylere doğrudan tutturma yöntemi ile film yapımı araştırılmış olup, silikalit ve zeolit A parçacıkları sıkı bir şekilde tek katmanlı, tam düzenli ve tam kaplı zeolit filmleri herhangi bir kimyasal kullanılmadan oluşturuldu. Ardından, bu zeolitlerin silikon yüzeyler üzerinde elektron demet litografisi ve fotolitografi yöntemleri ile desen oluşturma kabiliyeti incelenmiştir. Elektron demet litografisi ve doğrudan tutturma yönteminin kombinasyonu ile, tek bir silikalit çapı kadar çok küçük desen kalınlığında çizgiler üretilmiştir. Bu yöntem ile çok küçük ebatlardaki desenler oluşturulabilmekle beraber uzun süren desen oluşturma işlemi ve bu işlem süresinde elektron demetinin stabilitesinin kaybolması gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bu sebeplerden dolayı, elektron demet litografisi ve direk tutturma yöntemi ile geniş ve büyük desenler oluşturmak neredeyse imkansızdır. Ardından, yüzeyler üzerinde tam anlamıyla kontrole sahip olarak değiştirilmiş alanlar oluşturabilmek için zeolit tek katman tabakası üzerine birbaşka zeolitten desenler ilk kez oluşturulmuştur. Aynı düzenli, sıkı ve tam kaplı silikalit desenleri, tek katman zeolit A filmi üzerine, zeolit A desenleri ise, tek katman silikalit filmleri üzerinde oluşturulmuştur. Elektron demet litografisi yönteminin ardından fotolitografi yöntemi ile doğrudan tutturma yöntemi ile birleştirerek toplam desen alanı konusundaki sorun çözülmüştür. Bu yöntem ile tüm silikon gofret üzerine birkaç saniye içerisinde desen oluşturulabilmektedir, ancak bu durumda ise fotolitografi sisteminde kullanılan maskenin, üretim sırasında ulaşılabilen altyapı kaynakları sebebiyle desen boyutları limitleyici faktör olmaktadır. Bu çalışma için toplam alanı 1 cm2 olan örnekler hazırlanıp, en düşük 5 µm kalınlıkta zeolit desenleri oluşturulmuştur. Elektron demet litografisi ile yapıldığı gibi, fotolitografi yöntemi ile tek katman zeolit A filmi üzerine silikalit desenleri üertilmiş, tek katman silikalit filmi üzerine zeolit A desenleri minimum desen boyutu 5 µm olacak şekilde üretilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, kondüktometrik biyosensör yüzeyleri üzerine daldırarak kaplama metodu ile zeolit filmleri oluşturulmuş ve bu tip transdüserler zeolit kaplı transdüser olarak adlandırılmıştır. Zeolitin enzim solüsyonu ile karıştırılması ardından glutaraldehid ile membran oluşturularak hazırlanan transdüserler ise zeolit membran transdüser olarak adlandırılmıştır. Zeolit kaplı transdüser ve zeolit membran transdüserlerin operasyonal ve bekleme stabilite değerleri kondüktometrik biyosensörler için kabul edilebilir seviyede olduğu görülmüştür. Zeolit kaplanarak üretilen transdüserlerin standard membran transdüserlerle karşılaştırıldığında sinyalleri iki kata kadar artırdığı ve üre eklenmesinin hemen ardından çok hızlı bir sinyal değişimi gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu artış, filmlerin üzerinde difüsyon bariyeri olarak düşünülebilecek ve enzimeleri inhibe edebilen glutaraldehid tabakası bulunmaması ile açıklanabilir. Kodüktometrik biyosensör çalışmasının ikinci aşamasında Si/Al oranı 40, 50 ve 60 olan zeolit Beta örnekleri ile metilviolojen (MV), gümüş iyonu ve gümüş nanoparçacık (Ag+ ve Ag0) modifikasyonlarının etkisi araştırılmıştır. MV modifikasyonunun kondüktometrik tepki üzerine kaydadeğer bir etkisi görülmemekle beraber, Ag+ ve Ag0 modifikasyonlu örneklerden herhangi bir sinyal alınamamıştır. Ancak kondüktometrik sinyallerin zeolit membran transducerlerde artan Si/Al ile arttığı gözlemlenmiştir. Bu değişim zeolit içerisinde artan Si/Al oranları sonucunda artan hidrofobik özellikler ve/veya artan asidik özellikler ile açıklanabilir. Ayrıca zeolit kaplı transdüserler, standard membran transdüserler ve zeolit membran transdüserlerden daha yüksek sinyal vermiştir. Zeolit kaplı transdüserler, daldırarak kaplama sistemi ile kaplandığı ve bu kaplama yönteminde kaplama kalınlığı kontrol edilebildiğinden ve istenilen oranda enzimin absorblanabilmesi sebebiyle zeolit membran transdüserler ve standard membran transdüserler ile karşılaştırıldığında tekrarlanabilirliği daha fazladır. Çalışmanın üçüncü aşamasında, zeolitlerin MG 63 osteoblast hücrelerinin ve NIH 3T3 fibroblast hücrelerinin büyümeleri üzerine etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, zeolite A, silikalit ve bu zeolitlerin kalsine formları ile fotolitografi tekniği kullanılarak silikon gofretler üzerine desenler oluşturulmuştur. Bu çalışma için üç değişik desen hazırlanmış olup toplam alanı 1 cm2 olan örnekler üzerinde 0.125cm2, 0.08825 cm2 ve 0.04167 cm2 zeolit kaplı alanlar oluşturulmuştur. Bu sayede sadece zeolit türünün ve kalsinasyon etkisi değil, aynı zamanda zeolit miktarının MG 63 osteoblast hücrelerinin ve NIH 3T3 fibroblast hübrelerinin çoğalması üzerine etkiside incelenmiştir.Silikalit kaplı örnekler üzerinde, zeolit A kaplı örneklerden 24, 48 ve 72 saatlik inkübasyonun ardından daha fazla hücre bulunduğu gözlemlenmiştir. Bu zeolitin hidrofilik/hidrofobik özelliklerindeki, yüzey yükündeki ve/veya parçacık boyutunun farkından kaynaklanabilir. Ayrıca örnekler üzerindeki zeolit miktarındaki artışın, yüzeydeki toplam hücre sayısında artışa sebebiyet verdiği belirlenmiştir.Silikalit örnekleri dikkate alınarak kasinasyonun etkisine bakıldığında hücre sayısında ciddi bir artış görülmüştür. Bu durumda, zeolit gözeneklerinin, en azından yüzeydeki gözenek açıklılarının, besiyerinde bulunan proteinlerin adsopsiyonunu artırdığı, dolayısyla daha yüksek hücre tutunumu ve çoğalması gerçekleştiği şekilnde açıklanabilir. Diğer taraftan, zeolit A ile kalsinasyon etkisi gözlemlenememiş olup, bunun sebebi zeolit içerisinde yapı yönlendirici ajanların sentez prosedürü içerisinde kullanılmamış olması şeklinde açılanırken, gözeneklerin hücre çoğalması üzerine etkisini desteklemiştir.

Özet (Çeviri)

Zeolites are crystalline aluminosilicates which have highly ordered pore structures and high surface area. Also the tailorable surface properties, high ion-exchange capability, high chemical, thermal, and mechanical strength make these particles an important candidate for various application such as sensors, catalysis, dielectric materials, separation, and membrane technologies. Although zeolites have these unique properties, applications where zeolites are integrated into devices according to their application areas, are limited due to the powder form of the material. The purpose of the current study was to investigate the effect of zeolite nanoparticles on conductometric biosensor performance and cell viability measurements. Firstly, zeolite attachment on silicon surfaces was investigated by attaching silicalite and zeolite A nanoparticles onto the silicon substrates by direct attachment methodology in a closely packed monolayer form with perfect orientation and full coverage without using any chemical linker. Furthermore, the ability to pattern these zeolite crystals on silicon substrates with electron beam lithography and photolithography techniques was investigated. With the combination of electron beam lithography and direct attachment methodology, zeolite patterns were produced with feature sizes as small as a single silicalite nanoparticle thick line, that is approximately 500 nm. This approach has the ability of patterning very small features on silicon substrate, but the drawback is the long patterning time and lack of electron beam stability during long pattern formation process. Accordingly, it is almost impossible to form large patterns with electron beam lithography systems. Afterwards, to have full control on surfaces with differentiated areas on solid substrates, patterns of one type of zeolite crystals was formed on the monolayer of another type of zeolite layer with electron beam lithography for the first time. The same closed packed and highly oriented silicalite patterns were successfully formed on zeolite A monolayers and vice versa. Then photolithography technique was combined with direct attachment methodology to overcome the problem of the lack of total patterned area. With this technique, it was possible to pattern the whole silicon wafer in a couple of seconds, however the feature size of the zeolite patterns was limited with the infrastructures of the mask fabricated for photolithography studies. In this particular study, zeolite lines patterns with a minimum of 5 µm thickness were prepared and the total patterned area was kept constant at 1 cm2. Similar to what was obtained by electron beam lithography study, zeolite A patterns were formed on silicalite monolayers with the minimum feature size of 5 µm and vice versa. In the second part of the study, zeolite films were prepared on the transducers of conductometric biosensors using dip coating technique and named as Zeolite Coated Transducers (ZCT). Electrodes prepared using a mixture of zeolite and enzyme solution and then subjected to casting using glutaraldehyde were called Zeolite Membrane Transducers (ZMT). The operational and storage stabilities were determined to be in an acceptable range using ZCTs for conductometric urea biosensors. It was observed that using electrodes fabricated by the ZCT technique enhanced the biosensor signals up to two times and showed a rapid response after the addition of urea to the medium when it was compared with Standard Membrane Transducers (SMT). This enhancement can be explained by the lack of GA layer on top of the film, which acts as a diffusion barrier and inhibits the activity of the enzyme. On the second part of this conductometric biosensor study, effect of zeolite modification with methyl viologen (MV) and silver nanoparticles (Ag+ and Ag0), as well as the effect of changing Si/Al ratio was investigated with three different zeolite Beta particles which have Si/Al ratios of 40, 50, and 60. There were no significant effect of MV modification on ZMTs and there was no response observed with Ag+ and Ag0 modified zeolites. However, it was observed that conductometric responses increased with increasing Si/Al ratio for ZMTs. This behavior can be due to an increased hydrophobicity and/or the increasing acidic strength with the increasing Si/Al ratio within the zeolite crystals. Also ZCTs showed higher responses with respect to both SMTs and ZMTs. When compared with SMTs and ZMTs, ZCTs had higher reproducibility due to the controlled thickness of zeolite thin film by dip coating, and the controlled amount of enzyme adsorbed on this film. In the third part of the study, effect of zeolites on cell proliferation with MG63 osteoblast cells and NIH3T3 fibroblast cells were investigated. For that purpose, zeolite A, silicalite, and calcined forms of these zeolites were patterned with photolithography technique onto silicon wafers. Three different patterns prepared for this particular study, which has 0.125cm2, 0.08825cm2, and 0.04167cm2 zeolite patterned areas on 1 cm2 samples. In that way, not only the zeolite type and effect of calcination of zeolites, but also the effect of zeolite amount on MG63 osteoblast cells and NIH3T3 fibroblast cells were investigated. Silicalite coated samples were observed to have higher amount of cells than zeolite A coated samples after 24, 48, and 72 hours of incubation. This may be referred to the hydrophilic/hydrophobic properties, surface charge, and/or particle size of zeolites. Also it is observed that higher zeolite amount on samples resulted in an increase in the number of cells attached to the samples. There was also a significant increase in the number of cells upon using calcined silicalite samples. Accordingly, it can be hypothesized that zeolite pores result in an enhancement of protein adsorption and proliferation, even if this only occurs at the pore openings. On the other hand, there was no positive effect of calcining zeolite A. This result was expected since there is no structure directing agent used in synthesis procedure of zeolite A, which again supports the fact that pores might have some role in cell attachment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    851114

    Poli(N-izopropilakrilamit) ile kaplı zeolitlerin hazırlanması ve hemostatik özelliklerinin incelenmesi

    Preparation of zeolites coated with poly(N-isopropylacrylamide) and investigation of their hemostatic properties

    CANSU AKAT AYTEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİL YÜCEL

  2. Tez No

    384924

    Development of alternative Fischer-Tropsch catalysts for conversion of synthesis gas into liquid fuels

    Sentez gazından sıvı yakıt üretimine yönelik alternatif Fischer Tropsch katalizörlerinin geliştirilmesi

    MURAT BARANAK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL

  3. Tez No

    389305

    Promotörlerin Fisher-Tropsch katalizörlerinin performansına etkisinin incelenmesi

    Investigation of effects of the promoters on performance of Fischer-Tropsch catalysts

    DENİZ UYKUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL

  4. Tez No

    799826

    Yüksek bor ayırma kapasitesine sahip yeni nesil ince film nanokompozit membranlar

    Novel thin film nanocomposite membranes with high boron removal capacity

    SÜER KÜRKLÜ KOCAOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

  5. Tez No

    100758

    Adsorption heat pumps utilizing zeolite coatings grown on metal surfaces

    Metal yüzeyler üzerinde sentezlenen zeolit kaplamalarının kullanıldığı adsorpsiyon ısı pompaları

    MELKON TATLIER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2000

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. AYŞE ERDEM ŞENATALAR

Geri Dön