Non-faradaic sensing of cardiac biomarkers from interstitial fluid using microneedle arrays
Mikroiğne dizileri kullanılarak interstisyel sıvıdan kardiyak biyobelirteçlerin faradaik olmayan yöntemle algılanması
- Tez No: 983009
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda, mikroiğne tabanlı biyosensörler sürekli ve minimal invaziv sağlık takibi için umut verici bir teknoloji olarak öne çıkmıştır. Elektrokimyasal ve optik yaklaşımlar da dahil olmak üzere çeşitli algılama yöntemleri bu platformlara başarıyla entegre edilmiştir. Ancak, mikroiğne sistemlerine faradaik olmayan algılama yöntemlerinin entegrasyonu sınırlı kalmaktadır. Faradaik olmayan algılama, yük transfer reaksiyonları olmaksızın analit kaynaklı arayüz kapasitans değişimlerini tespit eder ve bu özelliğiyle, kardiyovasküler sağlık için biyobelirteçlerin erken ve doğru saptanmasında markör gerektirmeyen biyosensörlerin geliştirilmesine özellikle uygundur. Bu boşluğu gidermek amacıyla, bu tez, kardiyak troponin I'yi (cTnI) doğrudan interstisyel sıvıdan ölçmek için faradaik olmayan kapasitif algılama prensiplerini kullanan yeni bir mikroiğne tabanlı iç içe geçmiş elektrot biyosensörü sunmaktadır. Mikroiğne tabanlı kapasitif sensör tekrarlanabilir bir süreçle üretilmiş ve ardından anti-cTnI antikorları ile fonksiyonelleştirilmiştir. Kapasitansın normalize edilmiş yüzde değişimi (%∆C/C), sensör yanıtındaki tutarlılığı artırmak için analitik çıktı olarak kullanılmıştır. Elektrot–elektrolit arayüzündeki doğal elektriksel çift katman olgusundan yararlanan sensör, hem in vitro hem de in vivo karakterizasyon ile doğrulanan etkili tespit yetenekleri göstermiştir. Sensör, 3.27 pg/mL tespit limitine ve 15 dakikanın altında toplam analiz süresine ulaşmıştır. Ek olarak, bu mikroiğne sensörü, kablosuz ve sürekli izlemeyi sağlayan pasif bir antenle başarıyla entegre edilmiştir. Ayrıca, önerilen platform interstisyel sıvı içerisinde çalıştığından, hem bireyler arası hem de aynı bireyde zaman içinde değişebilen bileşim farklılıklarından doğal olarak etkilenmektedir. İyonik gücün bu tür dalgalanmalarının arayüz kapasitansını ve genel sensör performansını etkilemesi nedeniyle, bir kalibrasyon düzeltme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yaklaşım, ortamın iyonik dirençliliğinin elektriksel çift katman kapasitans değişimleri üzerindeki etkisini gerçek zamanlı empedans ölçümleri ile dikkate alarak biyobelirteç ölçümünün sağlamlığını ve güvenilirliğini artırmaktadır. Önerilen modelin mikroiğne sensör ile cTnI tespitindeki doğruluğu artırmadaki etkinliği validasyon deneyleri ile değerlendirilmiştir. Genel olarak bu çalışma, kardiyak biyobelirteçlerin takibi için fizyolojik uyarlanabilirliği ve doğruluğu artırılmış, entegre, faradaik olmayan, mikroiğne tabanlı bir çözüm sunarak minimal invaziv biyosensör alanına katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In recent years, microneedle-based biosensors have emerged as a promising technology for continuous and minimally invasive health monitoring. Various sensing methods, including electrochemical and optical approaches have been successfully integrated into these platforms. However, the integration of non-faradaic sensing methods into microneedle platforms remains limited. Non-faradaic sensing detects analyte-induced changes in interfacial capacitance without charge-transfer reactions, making it well-suited for developing label-free biosensors for cardiovascular health, where early and accurate biomarker detection is essential. To address this gap, this thesis presents a novel microneedle-based interdigitated electrode biosensor employing non-faradaic capacitive sensing principles to quantify cTnI directly from interstitial fluid (ISF). Fabrication of the microneedle capacitive patch was carried out using a reproducible process, followed by functionalization of the surface with anti-cTnI antibodies. The analytical output is expressed as the normalized capacitance change (%∆C/C), which improves the consistency of sensor responses. By relying on the intrinsic electrical double layer (EDL) phenomenon at the electrode–electrolyte interface, the sensor demonstrated effective detection capabilities validated through in vitro and in vivo characterization. The sensor exhibits a limit of detection of 3.27 pg/mL, and a total assay response time of less than 15 minutes. Also, to address the system integration challenges in wearable and implantable biosensors, the microneedle sensor is successfully integrated with a passive antenna enabling wireless and continuous monitoring. Furthermore, since the proposed platform operates in ISF, it is inherently affected by variations in its composition, both between individuals and within the same individual over time. Given that such fluctuations in ionic strength can influence both interfacial capacitance and overall sensor performance, a calibration correction method is introduced. This approach incorporates the effect of medium ionic resistivity on EDL capacitance changes through real time impedance measurement, thereby enhancing the robustness and reliability of biomarker quantification under diverse physiological conditions. The effectiveness of the proposed model in improving the accuracy of cTnI detection with the microneedle sensor was assessed through spike-and-recovery experiments. Collectively, this work advances the field of minimally invasive biosensing by offering an integrated, non-faradaic, microneedle-based solution with enhanced physiological adaptability and accuracy for the monitoring of cardiac biomarkers.
Benzer Tezler
- Non-faradaic electrochemical sensors and their data analysis
Faradaik olmayan elektrokimyasal sensörler ve veri analizleri
MUHAMMET ZAHİD SAĞIROĞLU
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL MUTLU
- Characterization of non-faradaic label free impedimetric electrochemical sensor
Etiketsiz faradaik olmayan impedimetrik elektrokimyasal sensor karakterizasyonu
NURCAN GÜNGÖRDÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Mühendislik BilimleriBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL MUTLU
YRD. DOÇ. DR. BORA GARİPCAN
- Realization and modeling of water-gated field effect transistors (WG-FET) using 16-nm-thick single crystalline silicon film and their circuit applications
16 nm kalınlığında tek kristalli silisyum film kullanan su-kapılı alan etkili tranzistörlerin gerçeklenmesi modellenmesi ve devre uygulamaları
BEDRİ GÜRKAN SÖNMEZ
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL MUTLU
- Bakırın alt potansiyelde depolanması ile Pt-Pd alaşım elektrotların karekterizasyonu
Characterization of Pt-Pd alloy electrodes by under potential deposition of copper
FEHMİ FIÇICIOĞLU
- Novel organic redox materials and their applications in rechargeable batteries
Yeni organik redoks malzemeleri ve şarj edilebilir pillerde uygulamaları
SÜMEYYE BAHÇECİ SERTKOL
