Development of a mems-based microfluidic electrochemical biosensor for the detection of circulating tumor DNA
Dolaşimdaki tümör DNA tespiti için mems tabanli mikroakişkan elektrokimyasal biyosensör geliştirilmesi
- Tez No: 946922
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 250
Özet
Mikroakışkan biyosensörlerdeki son gelişmeler, özellikle kanser biyobelirteçlerinin tespiti bağlamında tanı platformlarının analitik performansını önemli ölçüde artırmıştır. Bu biyosensörler arasında, elektrokimyasal biyosensörler; kolay miniaturizasyon, düşük maliyet ve mikroakışkan sistemlerle uyumlu entegrasyon yetenekleri sayesinde yaygın olarak tercih edilmekte ve hasta başı (point-of-care) uygulamalar için son derece uygun hale gelmektedir. Bu avantajlar, dolaşımdaki tümör DNA'sının (ctDNA) geleneksel doku biyopsilerine invaziv olmayan bir alternatif sunduğu sıvı biyopsi yaklaşımları açısından özellikle değerlidir. Oldukça heterojen ve agresif bir karaciğer kanseri türü olan hepatoselüler karsinomda (HCC), ctDNA, geleneksel biyopsilerin çoğu zaman tespit edemediği kritik moleküler bilgiler sağlar. Bu tez kapsamında, HCC ile ilişkili ctDNA'nın hassas tespiti için mikroakışkanlar ve MEMS teknolojilerine dayalı, etiketleme ve ön zenginleştirme adımları gerektirmeyen bir elektrokimyasal biyosensör geliştirilmiştir. Sensör sistemi mikroakışkanlarla entegre edilmeden önce, statik koşullarda çalışan ve aynı üç elektrotlu konfigürasyonu kullanan MEMS tabanlı düzlemsel bir elektrokimyasal biyosensör platformu, yüzey fonksiyonelleştirme ve hibridizasyon koşullarını sistematik olarak optimize etmek amacıyla kullanılmıştır. Bu optimizasyon çalışmaları, nihai mikroakışkan biyosensöre uygulanan deneysel iş akışını yönlendirmiştir. Nihai cihaz, fotolitografi ve metal kaldırma (lift-off) işlemleriyle cam yüzey üzerine desenlenmiş üç elektrotlu bir konfigürasyona (Au çalışma, Pt karşıt ve Ag referans elektrotlar) sahiptir ve akışkan operasyon için PDMS tabanlı bir mikrokanal ile entegre edilmiştir. Altın çalışma elektrodu üzerine tiyol grubu içeren tek zincirli DNA probları immobilize edilerek ctDNA hedeflerinin hibridizasyonuna dayalı tanıma sağlanmıştır. Bu hibridizasyon olayları, herhangi bir amplifikasyon veya etiketleme gerektirmeksizin elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak izlenmiştir. Nihai mikroakışkan platform, 2–200 fM'lik dinamik aralıkta 1.43 fM tespit sınırına (LOD) ulaşmıştır. Yüksek özgüllük, tek baz uyumsuz ve tamamen tamamlayıcı olmayan dizilerle gerçekleştirilen uyumsuzluk çalışmalarıyla doğrulanmıştır. Bu çalışma, HCC'ye özgü ctDNA tespiti için geliştirilmiş ilk MEMS tabanlı mikroakışkan elektrokimyasal biyosensörü sunmakta olup, hassasiyet, özgüllük ve operasyonel sadeliği bir araya getirmektedir. Önerilen platform, hasta başı tanı sistemleri ve hassas onkoloji uygulamaları için yüksek adaptasyon potansiyeli göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Recent advances in microfluidic biosensors have significantly enhanced the analytical performance of diagnostic platforms, particularly for cancer biomarker detection. Among these, electrochemical biosensors are widely preferred due to their ease of miniaturization, low cost, and compatibility with microfluidic integration, making them highly suitable for point-of-care applications. These advantages are especially valuable in liquid biopsy approaches, where circulating tumor DNA (ctDNA) offers a non-invasive alternative to traditional tissue biopsies. In hepatocellular carcinoma (HCC), a highly heterogeneous and aggressive liver cancer, ctDNA provides crucial molecular information that conventional biopsies often fail to capture. In this thesis, a label-free and pre-enrichment-free electrochemical biosensor based on microfluidics and MEMS technologies was developed for the sensitive detection of ctDNA associated with HCC. Prior to integrating the sensor system with microfluidics, a MEMS-based planar electrochemical biosensor platform—operated under static conditions and utilizing the same three-electrode configuration—was used to systematically optimize surface functionalization and hybridization conditions. These optimization studies guided the experimental workflow applied to the final microfluidic biosensor, which was fabricated with a three-electrode configuration (Au working, Pt counter, and Ag reference electrodes) on a glass substrate, patterned via photolithography and metal lift-off processes, and integrated with a PDMS microchannel for fluidic operation. Thiolated single-stranded DNA probes were immobilized on the gold working electrode to enable hybridization-based recognition of ctDNA targets. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used to monitor these hybridization events, eliminating the need for amplification or labeling. The finalized microfluidic platform achieved a limit of detection (LOD) of 1.43 fM within a 2–200 fM dynamic range. High specificity was confirmed through mismatch studies using one-base mismatched and fully non-complementary sequences. This study presents the first MEMS-based microfluidic electrochemical biosensor tailored for ctDNA detection in HCC, combining sensitivity, specificity, and operational simplicity. The proposed platform demonstrates strong potential for adaptation in point-of-care diagnostics and precision oncology.
Benzer Tezler
- A portable blood coagulation time measurement platform with fiber-optic based disposable cartridge
Fiber optik tabanlı kartuş ile çalışan taşınabilir kan pıhtılaşma zamanı ölçüm platformu
YUSUF SAMET YARAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Enrichment of MCF7 breast cancer cells from leukocytes through continuous flow dielectrophoresis
Dielektroforez yöntemi ile sürekli akış altında MCF7 meme kanseri hücrelerinin akyuvar hücrelerinden zenginleştirilmesi
ZEYNEP ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
BiyomühendislikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Development of a high yield fabrication process for MEMS based resonant mass sensors for cell detection applications
Hücre algılama uygulamaları için MEMS tabanlı yüksek randımanlı rezonant kütle sensörü fabrikasyon metodu geliştirilmesi
TAYLAN BERKİN TÖRAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
YRD. DOÇ. DR. Kıvanç Azgın
- Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements
Gerçek zamanlı kütle, özkütle, viskozite ve pıhtılaşma ölçümleri için mikroçubuk tabanlı mikroakışkan algılayıcılar
ONUR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Development of a parylene bonding based fabrication method for MEMS gravimetric resonant based mass sensors
MEMS gravimetrik tınlaşım esaslı kütle algılayıcıların üretimi için parylene pul bağlama yöntemini esas alan yeni bir üretim akışının geliştirilmesi
FURKAN GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH