Mgo/zno/rgo nanocomposite based electrochemical enzymatic glucose biosensors
MgO/ZnO/rGO nanokompozit bazlı elektrokimyasal enzimatik glikoz biyosensörleri
- Tez No: 816182
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Biotechnology, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Glikoz biyosensörleri ilk biyosensörler arasında yer almakta ve ticarileşmiş en yaygın kullanıma sahip biyosensör sınıfı arasına girmektedir. Günümüzde hala artarak devam etmekte olan diyabet hastaları ve diğer kullanım alanlarına yönelik glikoz biyosensörlerinin ölçüm kabiliyetini geliştirmek için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Diyabet hastalığı gün geçtikçe artış gösteren ve tedavisi mümkün olmayan bir hastalık türüdür. Diyabete sahip olan bireyler günlük yaşamlarında yediklerine dikkat etmeli ve kandaki glikoz miktarını sürekli olarak gözlemlemelidirler. Bu sebeple kanda glikoz tayinin yapılması büyük önem arz etmektedir. Günümüzde, glikoz tayini, glikoz biyosensörleri ile hızlı, hassas ve doğru bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bir biyosensör, algılanan sinyalleri okumak için bir yükseltici olarak kullanılan bir elektronik maddeden, biyolojik olarak test edilecek analiti algılayabilen bir biyoreseptörden ve algılanan sinyalleri elektriksel veya optik bir çıkışa dönüştürecek bir dönüştürücüden oluşur. Biyosensörler, kullanılan biyoreseptör ve transdüser tiplerine bağlı olarak enzim bazlı, aptamer bazlı, antikor bazlı, optik, piezoelektrik ve elektrokimyasal olabilir. Biyosensörler hassas, güvenilir, kararlı, düşük tespit limiti (LOD), tekrar kullanılabilir ve uzun ömürlü olmalıdır. Biyosensörleri üretmek ve biyosensörlerle ölçüm yapabilmek için biyoreseptörlerinin bir elektrot üzerinde sabitlenmesi gerekir. Bu elektrot çalışma elektrotu olarak bilinir ve metalik, karbon bazlı veya polimerik olabilir. Karbon bazlı elektrotlar genellikle glikoz biyosensörleri için tercih edilir. Enzimatik glikoz biyosensörleri elektrokimyasal yöntemlerle glikoz miktarını belirlemekte ve bu yöntemler sırasında redoks reaksiyonları gerçekleşmektedir. Enzimatik glikoz biyosensörlerinde glikoz tayini için glikoz oksidaz (GOx) enzimi kullanılmaktadır. Glikoza özgü bir enzim olan GOx ile glikoz bağlarının kırılması sonucu oluşan redoks reaksiyonu sırasında oluşan elektron transferi, akım şiddeti ölçülerek belirlenir. GOx enziminin yapısı gereği elektron transfer merkezi enzimin iç kısmında gömülüdür. Bu nedenle analitten çalışan elektrot yüzeyine elektron akışını gerçekleştirmek zorlaşır. Bu çalışma için çalışma elektrotu olarak grafit elektrot seçilmiştir. Hassas ve doğru ölçümler gerçekleştirilmesi için enzimlerin ölçüm yapılan grafit elektrot yüzeyine iyi dağıtılmış ve iyi tutunmuş olması şarttır. Yüzeye tutunamayan enzimlerin dökülmesi sonucu ölçüm doğru bir şekilde gerçekleştirilemez. Enzimlerin grafit elektrot yüzeyine tutunma ve elektron iletme özelliklerinin artırılabilmesi için çeşitli malzemeler ile modifikasyonları mümkündür. Bu modifikasyonlar için karbon bazlı 2 boyutlu indirgenmiş grafen oksit (rGO) malzemesi iletkenliğin artırılması için birçok çalışmada kullanılmış olup bu çalışmada da iletkenliğin artırılması için kullanılmıştır. Grafit elektrot yüzeyine adezyonu arttırmak için malzemelerin izoelektrik nokta (IEP) değerleri arasındaki farktan yararlanılarak metal oksitler kullanılmıştır. IEP değeri düşük olan bir malzeme, IEP değeri yüksek bir malzemeye çok daha iyi tutunur. Metal oksitler, grafit elektrot yüzeyine GOx adsorpsiyonu için güçlü destek malzemeleridir ve GOx'un iyice immobilize edilip yayıldığı yüzey alanını arttırır ve ayrıca GOx için biyouyumlu bir ortam oluşturur. Elektrot yüzey alanını artırılması için nanotüp, nanoçubuk, nanotel gibi yüzey morfolojisine sahip malzemeler tercih edilmektedir. Metal oksitlerin hidrotermal olarak sentezi ile sıcaklık, pH ve bekleme süresi gibi parametreler değiştirilerek farklı morfolojiler elde edilebilir. Bu projenin özgünlüğü; diğer metal oksitler arasında izoelektrik noktası en yüksek olan MgO (9.8-12) ve ZnO (9.5) ile iletken madde olarak rGO kombinasyonunu yüksek hassasiyetli glikoz biyosensör geliştirmek için kullanmasıdır. Bu çalışmada hidrotermal olarak sentezlenmiş nanokompozitler ile tasarlanan biyosensör ile glikoz biyosensörünün ölçüm hassasiyetinin artırılması, limit ölçüm değerinin düşürülmesi ve yüksek stabiliteye sahip olması amaçlanmıştır. Bu proje kapsamında; hidrotermal sentez ile ZnO-rGO, MgO-rGO ve ZnO-MgO-rGO nanokompozitleri üretilmiştir. Nanokompozitlerin karakterizasyonu için X-Işını Dirfaktometresi, Taramalı Elektron Mikroskobu, partikül boyutu, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi ve X-Işını Floresans analizleri yapılmıştır. Daha sonra üretilen nanokompozitler GOx enzimi ile birlikte grafen elektrot üzerine damlatma yöntemi ile kaplanmıştır. Kaplama sonrası elektrotlar kurutularak kullanıma hazır hale getirilmiştir. Elektokimsayal ölçümler (döngüsel çevrim ve empedans) potensiyostat cihazı kullanılarak yapılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda hidrotermal üretim yöntemi ile istenilen morfolojilerde 3 farklı nanokompozit üretimi sağlanmıştır. Üretilen nanokompozitlere SEM, XRD, XRF, FTIR ve partikül boyutu analizleri yapılarak karakterizasyon testleri incelenmiştir. SEM analizine bakıldığında ZnO-rGO nanokompoziti için nanoçubuk ve nanoçiçek morfolojilerine benzer morfolojiler elde edilmiş olup MgO-rGO nanokompoziti daha çok küresel yapıda elde edilmiştir. ZnO-MgO-rGO nanokompoziti ise bu ikinin birleşimi olmuştur. Yapılan XRD analizlerinde gözlemlenen fazlar literatür ile uyuşmaktadır. FTIR analizlerine bakıldığında ise C-C, H-O, Mg-O ve Zn-O-C bağlarının başarılı bir şekilde oluştuğu görülmüştür. Zno-rGO, MgO-rGO ve ZnO-MgO-rGO nanokompozitlerinin ortalama partikül boyutu sırasıyla 300-350 nm, 325-375 nm ve 375-400 nm'dir. ZnO-rGO-GOx, MgO-rGO-GOx ve ZnO-MgO-rGO-GOx nanokompozitleri ile hazırlanan biyosensörler için elektrokimyasal analizlerde CV, EIS ve kronoamperomerti analiz sonuçları incelenmiştir. Elektrokimyasal deneyler sayesinde üretilen biyosensörlerin LOD, duyarlılık, seçicilik, tekrarlanabilirlik, kararlılık ve tepki süresi özellikleri incelenmiştir. ZnO-rGO, MgO-rGO ve ZnO-MgO-rGO biyosensörleri için LOD değerlerinin sırasıyla 223.1 μM (R2=0,9792), 452.1 μM (R2=0.9198) ve 173.08 μM (R2=0.9874) olduğu keşfedildi. Hassasiyetleri sırasıyla 70.55 μA.mM-1.cm-2, 110.12 μA.mM-1.cm-2 ve 92.56 μA.mM-1.cm-2 olarak belirlendi (R2 = 0.8685, 0.9685 ve 0.9564). ZnO-MgO-rGO elektrotu, %0.46'lık alışılmadık derecede düşük bir RSD ile tekrarlanabilirlik açısından son derece iyi performans gösterdi. ZR elektrotu, %2.89'luk bir RSD ile nispeten daha büyük bir değişkenlik sergilerken, MR elektrotu, %0.75'lik bir RSD ile ona yakın bir sonuç verdi. Girişim deneyinin bulguları, önerilen glikoz sensörlerinin, karmaşık biyolojik numuneler mevcut olduğunda bile doğru ve spesifik glikoz ölçümleri için uygun olduğuna dair ikna edici kanıtlar verdi. Glikozun eklenmesiyle, biyosensörler hızlı yanıt süreleri gösterdi. Sonuç olarak literatürde glikoz biyosensörleri için MgO ile ilgili çok fazla çalışma bulunmamakla birlikte ZnO çok tercih edilen bir metal oksittir. ZnO ile yapılan çalışmalar genel olarak incelendiğinde, MgO ve ZnO'nun birleştirilmesiyle oluşan biyosensörümüz, nanorod morfolojisinin yüksek yüzey alanı ve yüksek IEP değerleri sayesinde glikoz tespiti için çok daha iyi sonuçlar vermiş ve yüksek hassasiyet ve kararlılık göstermiştir. Ayrıca rGO ile yüksek iletkenlik özelliği sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Glucose biosensors are the most widely used and among the first commercialized biosensors. Various studies are carried out to improve the measurement capability of glucose biosensors for diabetes patients and other areas of use. Diabetes is a type of disease that is increasing day by day and cannot be cured. People with diabetes should pay attention to what they eat in their daily lives and constantly monitor the amount of glucose in their blood. For this reason, blood glucose determination is of great importance. Today, glucose determination can be performed quickly, sensitively and accurately with glucose biosensors. A biosensor comprises an electronic substance employed as an amplifier to read the sensed signals, a bioreceptor that can detect an analyte to be tested biologically, a transducer that will transform signals into an electrical or optical output. Biosensors can be enzyme-based, aptamer-based, antibody-based, optical, piezoelectrical and electrochemical, depending on the types of bioreceptors and transducers used. Biosensors should be sensitive, reliable, stable, low limit of detection (LOD), reusable and long-lasting. In order to manufacture and measure biosensors, their bioreceptors must be immobilized on an electrode. This electrode is known as working electrode and can be metallic, carbon-based, or polymeric. Carbon-based electrodes are generally used for glucose biosensors. Enzymatic glucose biosensors determine the amount of glucose by electrochemical methods and redox reactions occur during these methods. Glucose oxidase (GOx) enzyme should be used for glucose determination in enzymatic glucose biosensors. Electron transfer, which occurs in redox reaction that occurs as a result of the cracking of glucose bonds with GOx, which is a glucose-specific enzyme, is determined by measuring current intensity. Due to the structure of GOx enzyme, an electron transfer center is embedded in the inner part of the enzyme. For this reason, it becomes difficult to perform an electron flow from analyte to working electrode surface. Graphite electrode was chosen as a working electrode for this study. For precise and accurate measurements, enzymes must be well distributed and well attached to the graphite electrode surface. The measurement cannot be performed accurately if enzymes do not adhere to the graphite electrode surface. Modifications with various materials are possible to increase adhesion and conduct electrons. In order to increase the adhesion to the graphite electrode surface, metal oxides have been used by taking advantage of the difference between the isoelectric point (IEP) values of the materials. A material with a low IEP will adhere well to a material with a high IEP. Metal oxides are strong support materials for GOx adsorption to the graphite electrode surface and increase the surface area that GOx is well immobilized and spread, and also create a biocompatible environment for GOx. Added to this, to increase conductivity, in our design reduced graphene oxide (rGO) has been used. The originality of this project; is using a combination of MgO and ZnO which have the highest IEP among the other metal oxides 9.8-12 and 9.5, respectively. Moreover, rGO is used as a conductive agent for the development of high sensitivity glucose biosensors. In this study, 3 biosensors designed with hydrothermally synthesized nanocomposites to increase the measurement sensitivity, decrease the limit of detection value and high stability of the enzymatic glucose biosensor production was aimed. In the scope of this project; ZnO-rGO, MgO-rGO and ZnO-MgO-rGO nanocomposites have been produced by hydrothermal synthesis. X-Ray Diffractometer (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), particle size, Fourier Transform Infrared (FTIR), X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRF) analyses have been performed for the characterization of nanocomposites. Then, the nanocomposites have been coated with GOx enzyme on a graphene electrode. After coating, the electrodes have been dried. Finally, electrochemical measurements; Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) have been made using a potentiostat device. In the study, 3 different nanocomposites have been produced with different morphologies via hydrothermal synthesis. SEM analyses have shown that the morphologies similar to nanorod and nanoflower obtained for ZnO-rGO nanocomposite, and MgO-rGO nanocomposite has been obtained in more spherical structure. The ZnO-MgO-rGO nanocomposite has had a combination of these two morphologies. The phases observed in the XRD analysis have been consistent with the literature. FTIR analyses have shown that C-C, O-H, Mg-O, Zn-O-C bonds were formed. Average particle size of ZR, MR and ZMR has found 300-350 nm, 325-375 nm and 375-400 nm respectively. It was discovered that the LOD values for the ZR, MR, and ZMR biosensors have been 223.1 μM (R2=0.9792), 452.1 μM (R2=0.9198), and 173.08 μM (R2=0.9874), respectively. Their sensitivities have been determined to be 70.55 μA.mM-1.cm-2, 110.12 μA.mM-1.cm-2, and 92.56 μA.mM-1.cm-2, respectively (R2=0.8685, 0.9685, and 0.9564). The ZMR electrode has performed exceptionally well in terms of repeatability, with an unusually low RSD of 0.46%. The ZR electrode displayed comparatively larger variability with an RSD of 2.89%, whereas the MR electrode followed closely behind with an RSD of 0.75%. The findings of the interference experiment gave compelling evidence that the designed glucose sensors have extraordinarily well-suited for accurate and specific glucose measurements, even when there are complex biological samples present. With the introduction of glucose, the biosensors have shown quick response times. Although there are not many studies with MgO for glucose biosensors in the literature, ZnO is a very preferred metal oxide. When the studies made with ZnO are examined in general, our biosensor, which has formed by combining MgO and ZnO, gave much better results for glucose detection and showed high sensitivity and stability due to their high surface area of nanorod morphology and high IEP values. Also, high conductivity property was achieved by rGO.
Benzer Tezler
- (MgO)x(ZnO)1-x ince filmlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of (MgO)x(ZnO)1-x thin films
SİNAN TEMEL
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA PEKER
- Zn/Ti oranının ZMAS (ZnO-MgO-Al2O3–SiO2) cam seramiklerin kristallenme davranışı üzerine olan etkisi
The effect of Zn/Ti ratio on crystallization behavior of ZMAS(ZnO-MgO-Al2O3–SiO2) glass ceramics
ŞEYDA GEDİK ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİL TOPLAN
- Synthesis of doped fluoroperovskites and oxide ceramics as phosphors and their dosimetric characterization
Fosfor olarak katkılı floroperovskitlerin ve oksit seramiklerin sentezi ve dozimetrik karakterizasyonları
VEYSİ GÜÇKAN
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA YEĞİNGİL
- Sentez gazından metanol üretimi için bakır esaslı katalizörlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preperation and characterization of copper-based catalysts for the production of methanol from synthesis gas
DENİZCE ŞENSES
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN ÖZDEMİR
- Yüksek sıcaklık katıhal reaksiyonu yöntemi ile sıcaklıkta üretilen Sn+4/A+2 (A= Zn, Mg) çift ikameli In2O3 saydam iletken oksitlerinin karakterizasyonu
Characterization of Sn+4/A+2 (A=Zn, Mg) cosubstituted In2O3 transparent conductive oxides produced by high temperature solid state reaction at temperature
SERKAN ÇOŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiOsmaniye Korkut Ata ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZMİ SEDEFOĞLU