TNT tabanlı patlayıcıların tespiti için esnek grafen bazlı sensörlerin geliştirilmesi
Development of flexible graphene-based sensors for the detection of TNT-based explosives
- Tez No: 937679
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Grafen Oksit (GO), Hummers Yöntemi, Lazerle İndüklenmiş Grafen (LIG), DNT Bağlayıcı Peptit (DNT-Bp), TNT Bağlayıcı Peptit (TNT-Bp), Biyo/Kimyasal Sensörler, Graphene Oxide (GO), Hummers Method, Laser-Induced Graphene (LIG), DNT-Binding Peptide (DNT-Bp), TNT-Binding Peptide (TNT-Bp), Bio/Chemical Sensors
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 151
Özet
Biyo/kimyasal sensörler, belirli hedef moleküllere karşı yüksek seçicilik gerektirir. Karbon nanomalzemeler, özellikle grafen bazlı yapılar, yüksek yüzey alanı, üstün elektriksel iletkenlik, mekanik dayanıklılık ve esneklik gibi özellikleri sayesinde sensör uygulamalarında öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında, Hummers yöntemi kullanılarak grafen oksit (GO) sentezlenmiş ve bu yapıların zeta potansiyel değerleri ile yüzey kimyası analiz edilmiştir. GO'nun sulu ortamda yüksek zeta potansiyel değerleri sayesinde kolloidal stabilite sağladığı görülmüş, HCl ile muamele sonrasında ise yüzeydeki fonksiyonel gruplarda (özellikle karboksil, karbonil ve alkoksi gruplarında) belirli değişiklikler gözlenmiştir. Ancak, damlatma yöntemiyle hazırlanan indirgenmiş GO (rGO) filmleri, yüzeyde düzensiz morfolojiler sergilemiş ve üretim sürecinde tekrarlanabilir sonuçlar vermemiştir. Bu nedenle, daha kontrollü, homojen ve tekrarlanabilir bir üretim sağlayan lazerle indüklenmiş grafen (LIG) yöntemine geçilmiştir. Bu yöntemde, CO₂ lazer kullanılarak poliimid (PI) yüzey üzerinde doğrudan üç boyutlu, gözenekli ve iletken grafen yapıları elde edilmiştir. LIG yüzeyleri, DNT ve TNT'ye özgü seçici peptitlerle (DNT-bp, TNT-bp) fonksiyonelleştirilmiş, EDC/NHS kimyası ile kovalent bağlanma sağlanmış ve bu bağlanma FTIR, Raman ve XPS analizleriyle doğrulanmıştır. İmmobilizasyon sonrasında elde edilen yüksek çözünürlüklü N1s XPS spektrumları, her iki peptit için N–C=O fonksiyonel grubu ile protonlanmış azot sinyali arasında bir fark olduğunu göstermiştir. Özellikle DNT'ye özgü peptit (DNT-bp) immobilize edildiğinde, yüzeye bağlanma sonucunda daha fazla NHS esteri tepkimeye girmiştir. Bu durum, XPS analizinde daha az N–C=O fonksiyonel grubunun ve daha fazla protonlanmış azot sinyalinin gözlemlenmesine neden olmuştur. Protonlanmış azottaki bu artış, DNT-bp'nin TNT-bp'ye kıyasla daha etkin bir şekilde immobilize edildiğini göstermektedir. Elektriksel karakterizasyonlar dört uçlu Kelvin bağlantısı ile gerçekleştirilmiş, DNT'ye maruz kalan yüzeylerde analit konsantrasyonuna bağlı olarak direnç artışı kaydedilmiştir. Peptit ile modifiye edilen yüzeyler, yalın LIG'e göre daha yüksek sinyal yanıtı sunmuş, her iki yapı da 10⁻⁶–10⁻⁹ M aralığında hassasiyet göstermiştir. Ayrıca, DNT-bp ile fonksiyonelleştirilen LIG yüzeyler, yalnızca DNT'ye karşı yüksek seçicilik sergilemiş, nitrotoluen, tolüen ve etanol gibi benzer bileşiklere karşı düşük yanıt vermiştir. Bu çalışma, DNT'ye özgü peptit ile fonksiyonelleştirilmiş LIG yüzeylerin, DNT gibi tehlikeli bileşiklerin seçici, duyarlı ve düşük maliyetli tespiti için uygun bir sensör platformu sunduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, bu sistemin güvenlik ve çevresel izleme gibi alanlarda potansiyel uygulamalara sağlam ve yenilikçi bir zemin oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Bio/chemical sensors require high selectivity toward specific target molecules. Carbon nanomaterials, especially graphene-based structures, stand out in sensor applications due to their high surface area, excellent electrical conductivity, mechanical robustness, and flexibility. In the first phase of this thesis, graphene oxide (GO) was synthesized using the Hummers method, and its zeta potential values and surface chemistry were analyzed. GO exhibited high colloidal stability in aqueous media owing to its high zeta potential values. However, after treatment with HCl, certain changes were observed in the surface functional groups, particularly in carboxyl, carbonyl, and alkoxy groups. Nevertheless, reduced GO (rGO) films prepared by drop-casting exhibited irregular surface morphology and lacked reproducibility in the production process. Therefore, a more controlled, homogeneous, and reproducible method—laser-induced graphene (LIG)—was adopted. In this method, three-dimensional, porous, and conductive graphene structures were directly formed on polyimide (PI) substrates using a CO₂ laser. LIG surfaces were functionalized with DNT- and TNT-specific selective peptides (DNTbp, TNT-bp) via covalent bonding using EDC/NHS chemistry, which was confirmed by FTIR, Raman, and XPS analyses. High-resolution N1s XPS spectra obtained after immobilization revealed differences between the N–C=O functional group and the protonated nitrogen signals for each peptide. Particularly, when DNT-specific peptide (DNT-bp) was immobilized, more NHS ester groups reacted with the surface, resulting in a lower N–C=O signal and a higher protonated nitrogen signal in the XPS spectrum. This increase in protonated nitrogen indicates that DNT-bp was immobilized more effectively than TNT-bp. Electrical characterizations were performed using the fourpoint Kelvin connection method, and a concentration-dependent resistance increase was recorded upon exposure to DNT. Peptide-modified surfaces exhibited higher signal responses compared to bare LIG, with both surfaces demonstrating sensitivity in the range of 10⁻⁶–10⁻⁹ M. Moreover, LIG surfaces functionalized with DNT-bp showed high selectivity only toward DNT, while giving low responses to structurally similar compounds such as nitrotoluene, toluene, and ethanol. This study demonstrates that LIG surfaces functionalized with DNT-specific peptides offer a suitable sensor platform for the selective, sensitive, and low-cost detection of hazardous compounds such as DNT. The results provide a solid and innovative foundation for potential applications in fields such as security and environmental monitoring.
Benzer Tezler
- Yeni nesil TNT sensör sistemleri: Enkapsüle piren içeren içi boş silika jel yapıları
Next generation TNT sensor systems: Hollow silica gel structures with encapsulated pyrene
BEGÜM ÇETİNEL KÜLCÜ
- Interpretation of controlled source seismic data across the North Atlantic passive margin
Kuzey Atlantik pasif marjini boyunca kontrol kaynaklı sismik verilerin yorumlanması
RAFET ENDER ALEMDAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKatı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANS JENSEN THYBO
DR. METİN KAHRAMAN
- Yüzen bir cismin su altı patlamalarına karşı yapısal davranışının nümerik yöntemler ile analizi
Analysis of the structural behavior of a floatingobject to underwater explosion by numerical methods
FUAT KABAKCIOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL
- Metamalzeme tabanlı plazmonik nanoanten dizi tasarımları ile biyo-algılama ve savunma sistemlerine yönelik uygulamalar
Design of metamaterial-based plasmonic nanoantenna arrays for applications in bio-sensing and defense systems
AHMET MURAT ERTURAN
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ HABİBE DURMAZ SAĞIR
- Synthesis of silica-based nanomaterials and their applications in fluorescent, biological and chemical sensing
Silika nanomalzemelerin sentezi ve floresans tabanlı biyolojik ve kimyasal sensör uygulamaları
PINAR BEYAZKILIÇ
Doktora
İngilizce
2018
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÇAĞLAR ELBÜKEN
DR. MEHMET BAYINDIR