Development of SAW sensors coated with metal organic framework and borophene for detection of Covid-19
Covid-19 biyobelirteçlerinin tespiti için metal organi̇k çerçeve ve borofen kaplı SAW sensörlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 803716
- Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ZAYİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: yüzey akustik dalga sensörleri, metal organik kafes yapılarrı, uçucu organik bileşik, biyobelirteç, COVID-19, surface acoustic wave(SAW) sensors, metal organic frameworks (MOFs), volatile organic compounds(VOCs), biomarkers, COVID-19
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Biyomarker, biyolojik süreçlerin veya durumların ölçümü veya değerlendirmesi yoluyla sağlanan nesneler, özellikler veya moleküler değişikliklerdir. Bu, bir hastalığın varlığını, ilerlemesini veya tedaviye yanıtını belirlemek için kullanılan objektif göstergelerdir. Biyomarkerlar, kan, idrar, doku veya diğer biyolojik örneklerde ölçülebilir ve analiz edilebilir. Bu tez kapsamında,öncelikli amaçlanan sonuç COVID-19 biyobelirteci olan gazların farklı metal organik kafes yapıları ile kaplanmış yüzey akustik dalga (SAW) sensörleriyle tespitidir. COVID-19 biyobelirteci olarak seçilen gazlar literatür taraması sonucunda; izopropil alkol,n-bütiraldehit,aseton ve etil bütirat olarak belirlenmiştir. Bunların yanı sıra insan nefesinde halihazırda bulunan etanol ve n-hekzan da gaz ölçüm sistemine dahil edilmiştir. SAW (Yüzey Akustik Dalga) sensörler, breath analyzer (nefes analizörü) olarak kullanılmak için düşük gaz konsantrasyonlarını bile algılayabilme yetenekleri ve hızlı yanıt vermeleri sebebiyle tercih edilmiştir. Genellikle küçük yapıda ve uzun ömürlü olmaları da kullanıma uygun bulunmuştur. MOF'lar, metal iyonları veya kümeleri ile organik ligandlar arasındaki koordinasyon bağlarından oluşan kristal yapılardır. Bu yapılar, düzenli ve gözenekli bir ağ yapısına sahip olup, yüksek yüzey alanına ve ayarlanabilir poroziteye sahiptirler. MOF'lar, birçok farklı uygulama alanında kullanılmaktadır. Özellikle gaz depolama ve ayırma, kataliz, ilaç teslimi, sensörler ve enerji depolama gibi alanlarda büyük potansiyele sahiptirler. Gözenekli yapısı, MOF'ların büyük miktarda gazı adsorbe etme ve tutma kapasitesine sahip olmalarını sağlar. Bu sebeple, bu tez çalışmasında algılayıcı katman olarak kullanımı uygun bulunmuştur. SAW yüzeyine kaplanan metal organik kafes yapıların(MOF) organik linkerları aynı, metal kısımlarının farklı olmasına dikkat edilerek seçilmiştir. Bu tercihteki amaç, metal etkisinin ilgili gazlar üzerindeki etkisini kıyaslayabilmektir. Bu kapsamda tercih edilen MOF yapıları; MOF-5, MIL-101 ve MIL-125'tir. Bu üç MOF'un organik linker kısmı tereftalik asit yapısında oluşurken, metal kısımları sırasıyla; çinko, demir ve titanyumdur. Öngörüldüğü gibi metal etkisinin, ilgili gazlara afinite anlamında etkisi bariz bir şekilde gözlemlenmiştir. Bu malzemelerin yanı sıra, borofen de tez kapsamında çalışılmaya başlanmıştır. Sadece borofen kaplı ve yukarıda bahsi geçen MOF'larla 1'e 1 oranında karıştırılarak algılayıcı katman olarak aynı gazlara etkisi incelenmiştir. Borofenin MOF'ların algılayıcılığına negatif anlamda etki ettiği gözlemlenmiştir. Nihai olarak 7 farklı malzeme kaplı(Borofen, MIL-101 (Fe), MIL-101 (Fe)-Borofen, MIL-125, MIL-125-Borofen, MOF-5, MOF-5-Borofen) 6 farklı gaza(aseton,etanol,n-hekzan,n-bütiraldehit,etil bütirat ve izopropil alkol) karşı tepkileri incelenmiş ve farkların sebebi açıklanmıştır. İlgili tüm malzemeler damla döküm(drop casting) yöntemiyle sensör yüzeylerine kaplanmıştır. Algılayıcı moleküllerin karakterizasyonu SEM-EDX, XRD ve FTIR, BET VE RAMAN yardımıyla yapılmıştır.Karakterizasyon sonuçları MOF'ların literatürle uyumlu olduğunu göstermiştir. Yüzeyde homojen bir kaplama elde etmek için damla damlatma yöntemiyle kaplanan çözeltiler kontrollü bir şekilde buharlaştırılmıştır. Kaplamanın dengeli bir şekilde olup olmadığını anlamak için sensörün rezonans frekansındaki değişim osiloskop yardımı ile incelenmiştir. Sensor yüzeyindeki film kalınlığı, o sensorun rezonans titreşimi frekansı osiloskop ile saptanabilmektedir. Dengeli bir frekansa sahip olmayan sensörler tekrar kaplanmıştır. Yapılan bu ölçümler sonucunda borofen ve MOF kaplı sensölerin, sadece MOF kaplı sensörlere göre daha fazla rezonans titreşimi değişimi olduğu gözlemlenmiştir. Bu da borofen kaplı sensörlerin daha kalın bir şekilde kapladığını doğrulamıştır. Kaplamanın yüzey yapısının anlaşılması için SEM'den faydalanılmıştır. SEM sonuçları, beklendiği üzere sürekli bir film yapısı oluşmadığını göstermiştir. Sensörlerin ilgili gazlara yanıt olarak oluşan frekans değişimi incelenmek için, TÜBİTAK MAM'da hazırlanmış gaz ölçüm sistemi kullanılmıştır. Bu sistem farklı derişim ve nem seviyelerinde gaz karışımları hazırlanabilmekte ve oda sıcaklığındaki algılayıcıların yüzeyine sabit akış hızı ile gönderilebilmektedir. Sensörler, her bir gaz ve konsantrasyon için 300 saniyelik periyotlarla gaz akışına maruz bırakıldı ve ardından 300 saniye süreyle kuru havayla yıkanmıştır ve bu süreç, her bir gaz ve konsantrasyon için tekrarlanmıştır. Frekans değişimlerinin yanısıra SAW sensörün ilgili gazlara yanıt olarak oluşan iletkenlik değişimi de incelenmiştir. Elde edilen veriler; sonuçların okunabilmesi, kıyaslanabilmesi, temel bileşen analizlerini yapılabilmesi amacıyla MATLAB aracılığıyla işlenmiştir.Temel bileşen analizi (PCA) uygulanarak bu üç sensörün birbirinden ne kadar ayrışabildiği, dolayısıyla bir karışım ortamında seçicilik anlamında ne kadar başarılı olabileceği incelenmiştir. Frekans değişimi yanı sıra ilgili gazlara yanıt olarak sensör iletkenliğindeki değişim de incelenmiştir. Çalışmalar, nihai olarak MOFların seçicilik ve hassasiyet anlamında COVID-19 biomarkerları tespitine uygun olduğunu göstermiştir. Özellikle polaritesi yüksek biomarkerlarla merkezinde daha fazla metal iyonu bulunuduran MIL-125 (Ti) arasındaki afinitenin daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Nem oranının artırılması sensor cevabına bazı gazlar özelinde bir değişiklik oluşturmazken, bazı gazların sensör yanıtlarını değiştirmiştir. Elektriksel iletkenlik ölçümleri sonuçları, MOF ve borofen ile kaplı sensor yüzeyinin elektriksel iletkenliğinin çok düşük olduğu gözlemlenmiştir. Bu sebeple sensörde oluşan frekans değişimleri adsorpsiyon/absorpsiyon mekanizmasıyla açıklanmıştır. Gelecek çalışmalarda; farklı kaplama yöntemleri tercih edilebilir, farklı biomarkerlarla çalışılabilir. Ayrıca, hedef molekül ile film yüzeyi arasındaki bağlanmanın daha iyi anlaşılması sensör seçiciliğinin ve hassassiyetinin tespiti için önemlidir. Bu sebepler RAMAN spektrometresi ile incelenmesi faydalı olabilir.
Özet (Çeviri)
The rapid and accurate detection of COVID-19 biomarkers is critical for the early diagnosis and effective treatment of the disease. In this study, surface acoustic wave (SAW) biosensors coated with metal-organic framework (MOF) and borophene layers were developed to detect COVID-19 biomarker gases, including isopropyl alcohol, n-butyraldehyde, acetone, and ethyl butyrate. In addition, the gas measurement system includes ethanol and n-hexane, which are already present in human exhaled air. The objective of this study is to investigate the response of different MOFs and borophene to these biomarker gases and to determine the optimal sensing material for COVID-19 biomarker detection. Seven different materials are coated onto SAW sensors using the drop-casting method as sensing layer. These materials include borophene, MIL-101 (Fe), MIL-101 (Fe)-Borophene, MIL-125, MIL-125-Borophene, MOF-5, and MOF-5-Borophene. They are selected based on their distinct metal components and their potential for detecting COVID-19 biomarker gases. When choosing MOFs, it is preferred to use MOFs that have same organic ligand but a different metal in their center. It is aimed at comparing metal effects and other results related to metal effects. Sensing molecules are characterized using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. SEM is employed for analyzing the thickness and roughness of coating films on SAW sensors. To examine the sensor's frequency change, a gas measurement system in TÜBİTAK MAM is employed. This system is for the preparation of gas mixtures at different concentrations and humidity levels, which are then sent to the surface of the sensors at room temperature with a constant flow rate. In addition to measuring the change in resonance frequency of the transducer device, the electrical conductivity of the surface is simultaneously measured under related gases to determine the influence of electrical conductivity on sensor performance. Results are processed using MATLAB to read, compare, and perform principal component analysis (PCA). The results of the gas sensing experiments show that the MOFs have a better response to the COVID-19 biomarker without borophene. MOFs also exhibited good selectivity for the target gases. This suggests that these sensors could be used for selective detection of COVID-19 biomarkers in a mixed environment.
Benzer Tezler
- Organik tabanlı gaz sensörlerinde adsorpsiyon kinetiğinin incelenmesi
Investigation of adsorption kinetic on organic based gas sensors
OKAN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ALTINDAL
- Fabrication and characterization of zinc oxide based surface acoustic wave devices
Çinko oksit temelli yüzey akustik dalga aygıtlarının geliştirilmesi ve nitelendirilmesi
MEHMET ALİCAN NOYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NECMİ BIYIKLI
- Nefesteki COVID 19 biyobelirteçleri için algılayıcı malzemeler ve sensör özellikleri
Sensor materials and sensor features for COVID 19 biomarketers in breath
FULDEN ZEYNEP KALKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜREK
DOÇ. DR. İLKE GÜROL
- Computational dynamic analysis of the layered piezoelectricsurface acoustic wave sensors for mass sensitivity in liquids
Katmanlı piezoelektrik yüzey akustik dalga sensörlerin hesaplamalı dinamik analizi
UFUK TAN BALER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FETHİ OKYAR
- Konvansiyonel ve ultrasonik kemik kesicilerinin kemikte yaptıkları termal değişikliklerin karşılaştırılması
Comparison of the thermal changes of conventional and ultrasonic bone cutters
TOLGA KENCER
Doktora
Türkçe
2021
Diş HekimliğiBaşkent ÜniversitesiAğız Diş ve Çene Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK BAYRAM