Elektrokimyasal impedimetrik sensörlerin geliştirilmesi ve uygulamaları
Development of electrochemical impedimetric sensors and applications
Yazar: YEŞİM TUĞÇE YAMAN
Danışman: PROF. DR. SERDAR ABACI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EİS) farklı iletkenlik tipleri bulunan materyaller arasındaki sınırları araştırmak için güçlü, tahribatsız bir yöntemdir. Teknolojik gelişme ile birlikte, EİS'in uygulama alanları da oldukça genişlemiştir. Bunlar arasında, diğer elektrokimyasal tekniklere göre avantajları olması nedeniyle sensör çalışmalarında kullanımı oldukça önem taşımaktadır. Böylece, impedimetrik sensörlerin kullanımı üstün özellikleri sayesinde son yıllarda oldukça artmıştır. Dolayısıyla EİS, önemli analitlerin nicel tayininde düşük maliyetli ve potansiyel bir yaklaşım olarak karşımıza çıkmaktadır. EİS, biyolojik olayı doğrudan elektrik sinyaline dönüştürerek yüksek kaliteli veri sunan tahribatsız bir yöntem olduğundan biyosensör geliştirme için oldukça çekici bir tekniktir. 
Tez kapsamında üç farklı analitin nicel analizi için karmaşık cihaz gereksinimi duymayan, hızlı, yüksek duyarlıkta ve düşük teknolojiye sahip impedimetrik sensörler hazırlanmış ve uygulaması araştırılmıştır. İmpedans sensörlerinde nanomalzemelerin kullanılmasıyla artan sensör yüzey alanı, elektriksel iletkenlik, kimyasal erişilebilirlik ve elektrokataliz gibi avantajlar sağlamaktadır. 3 analit için geliştirilen elektrot yüzeyleri çeşitli nanomalzemeler ve kompozitleri ile modifiye edilmiştir. Dolaşımdaki bir kanser türü (CTC) olan MCF-7 hücrelerinin impedimetrik analizinde iyi biyouyumluluk, geniş yüzey alanı gibi öne çıkan özelliklere sahip ve hücre immobilizasyonu için uygun bir ortam yaratan montmorillonit-insan serum albümin (Mt-A) nanokompozit (NK) elektrot modifikasyon ajanı olarak kullanılmıştır. Desolvasyon yöntemi ile sentezlenen nanokompozit, çeşitli karakterizasyon yöntemleri ile yapısal olarak aydınlatılmıştır. Doğrusal çalışma aralığı 1,5x102 – 7,5x106 hücre/mL ve LOD ise 148 hücre/mL olarak bulunmuştur. Bu sonuçlardan, Mt-A NK/ PGE yüzeyinin MCF-7 hücreleri ile etkileşimi incelenerek meme kanseri teşhisi için basit, etiketsiz, uygun maliyetli ve hızlı bir yöntem geliştirilmiştir. 
İkinci kısımda, yüksek elektro-katalitik etki, yüksek nükleik asit-afinite ve iyi biyomimetik aktivite sağlayan peptit nanotüp-altın nanopartikül (PNT-AuNP) modifiye tek kullanımlık sensörler mikroRNA 410'un nicel analizi için geliştirilmiştir. Hibridizasyon sürecine dayalı miRNA 410'un impedimetrik tayini için 10 fM'den 300 pM'ye kadar geniş bir doğrusal aralık ve düşük LOD 3,90 fM olarak belirlenmiştir. Herhangi bir etiketleme veya sinyal yükseltme (amplifikasyon) molekülü kullanılmadan yüksek hassasiyet ve LOD'ye başarıyla ulaşılmıştır. Ayrıca periferal serum örneği karmaşık bir biyo-matriks ortamı olarak seçilmiş ve kabul edilebilir %  geri kazanım değerleri sağlayan geri kazanım çalışmaları yapılmıştır. Önerilen sensör platformu, iyi bir çalışma aralığında miRNA 410'un ultra eser seviyedeki tespiti için yüksek seçicilik-kararlılık, hızlı yanıt süresi ve düşük maliyetli analiz sunmuş ve rapor edilen geleneksel miRNA sensörlerinin çoğu ile yarışabilir olduğu görülmüştür. 
Son olarak, 3-monokloro-1,2-propandiol (3-MCPD)'ün impedimetrik teşhisinde yüksek seçicilik ve duyarlığa sahip moleküler baskılanmış aşırı oksidasyona uğramış polipirol-grafen oksit (MIP(oPPy)-GO) modifiye tek kullanımlık sensörler ilk kez geliştirilmiştir. Geliştirilen tüm sensör yüzey modifikasyonları çeşitli yöntemlerle karakterize edilmiştir. En uygun sensör yanıtını değerlendirmek için çeşitli deneysel koşullar (polimerik film kalınlığı, analit/monomer oranı, desorpsiyon/adsorpsiyon süresi vb.) tartışılmış ve optimize edilmiştir. Bir redoks probunun (ferrosiyanür / ferrisiyanür) elektrokimyası, 2-500 nM doğrusal aralık ve 1,82 nM olarak düşük LOD ile 3-MCPD'nin impedimetrik tayini için kullanılmıştır. Pratikte uygulanabilirliği göstermek için soya sosu örneklerinde standart ekleme yöntemi kullanılmıştır. GO ve oPPy'nin böyle bir MIP platformunda bir araya gelmesiyle, 3-MCPD için etiketsiz, tek kullanımlık ve uygun maliyetli bir şekilde üstün bir tanıma performansı sağlanmıştır.

Abstract:
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a powerful non-destructive method to investigate the boundaries between materials with different conductivity types. With the technological development, the application areas of EIS have expanded considerably. Among these, its use in sensor studies is very important because it has advantages over other electrochemical techniques. Therefore, impedimetric sensors usage has increased dramatically in recent years due to its superior features. Hence, EIS appears as a low cost and potential approach in the quantitative determination of important analytes. EIS is a very attractive technique for biosensor development as it is a non-destructive method that provides high quality data by directly converting biological phenomena into electrical signals.
Within the scope of the thesis, fast, a high sensitive and low technology impedimetric sensors without the need for complex devices for quantitative analysis of three different analytes was prepared and their application was investigated. The use of nanomaterials in impedance sensors provides advantages such as increased sensor surface area, electrical conductivity, chemical accessibility and electrocatalysis. Electrode surfaces developed for 3 analytes were modified with various nanomaterials and composites. Human serum albumin-montmorillonite (Mt-HSA) nanocomposite was used as an electrode modification agent, which had remarkable features such as good biocompatibility, large surface area and creating a suitable environment for cell immobilization for the impedimetric analysis of MCF-7 cells, which is a CTC type. The nanocomposite synthesized with desolvation method was structurally clarified by various characterization methods. The linear range was found as from 1.5 × 102 to 7.5 × 106 MCF-7 cells/mL and LOD was found to be 148 cells mL-1.  From these results, a simple, label free, cost effective and rapid method for the diagnosis of breast cancer was developed by examining the interaction of Mt-HSA NCs/PGE surface with MCF-7 cells.
In the second part, peptide nanotube-gold nanoparticle (PNT-AuNP) modified disposable sensors providing high electro-catalytic effect, high nucleic acid-affinity and good biomimetic activity were developed for quantitative analysis of microRNA 410. Low LOD value was established as 3.90 fM with a wide linear range from 10 fM to 300 pM for the impedimetric recognition of miRNA 410 based on hybridization process. High sensitivity and LOD were successfully attained without using any labelling or signal amplification molecules. Besides, peripheral serum sample was chosen as a complex bio-matrix environment and recovery studies were performed, which provided acceptable recovery % values. The proposed sensor platform offered high selectivity-stability, fast response time and low cost for the ultra-trace level determination of microRNA 410 in a good dynamic range and appeared as compatible with most of the conventional reported miRNA sensors.
Finally, molecularly imprinted over-oxidized polypyrrole-graphene oxide (MIP (oPPy)–GO) modified disposable sensors were developed for the impedimetric detection of 3-MCPD for the first time. All developed sensor surface modifications were characterized by various methods. To evaluate the most appropriate sensor response, various experimental conditions (such as polymeric film thickness, analyte/monomer ratio, desorption/adsorption time etc.) were discussed and optimized. The electrochemistry of a redox probe (ferrocyanide/ferricyanide) was utilized for the impedimetric detection of 3-MCPD with a dynamic linear range of 2-500 nM and low LOD as 1.82 nM. In order to demonstrate the practical applicability, standard addition method was utilized in soy sauce samples. The combination of GO and oPPy in such an MIP platform provided a superior recognition performance for 3-MCPD in a label-free, disposable and cost-effective way.