İletken nanoliflerin çeşitli yöntemlerle üretilmesi ve amperometrik biyosensörlerin biyosensörlerin geliştirilmesi
Manufacturing of conductive nanofibers by various methods and development of amperometric biosensors
Yazar: MERİH ZEYNEP ÇETİN
Danışman: PROF. DR. PINAR ÇAMURLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Amperometrik enzim elektrotu = Amperometric enzyme electrode ; Elektrospinning = Elektrospinning ; Enzimler = Enzymes ; Glükoz = Glucose ; Glükoz oksidaz = Glucose oxidase ; Katekol = Catechol ; Polifenol oksidaz = Polyphenol oxidase ; İletken filmler = Conductor films

Özet:
Biyosensörler biyolojik bir yanıtı sinyale çeviren analitik cihazlar olup, glukoz ve fenolik maddeler gibi insan sağlığına etkileri olan maddelerin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyosensörler genellikle, polimer film halindeki matrislere biyoreseptörlerin hapsedilmesiyle hazırlanmaktadır ve biyoreseptör ile analit arasındaki etkileşimin artması biyosensör performansını da arttırmaktadır. 
Son yıllarda, geniş yüzey alanlarından kaynaklanan üstün fiziksel ve elektrokimyasal özellikleri nedeniyle iletken nanoliflerin geliştirilmesi ve bunların sensör uygulamalarında kullanılmaları dikkat çekmektedir. İletken polimerler arasında yüksek iletkenlikleri, kararlılıkları, kolay elde edilebilmeleri ve ince film oluşturabilme yetenekleri sebebi ile poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT)'un ve polipirol (PPy)'un biyosensör uygulamalarında kullanımı oldukça yaygındır. 
Bu tezde PEDOT ve PPy nanoliflerinin elde edilmesi, glukoz ve polifenol biyosensörlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Bu noktada nanoliflerin yüksek gözenekli yapıları sebebi ile büyük immobilizasyon alanları sağlayarak biyoreseptörlerle analit arasındaki etkileşimi arttırması ve bu sayede iletken nanolif tabanlı biyosensörlerin yüksek duyarlılık, düşük tespit sınırı ve kısa tepki süresine sahip olmaları hedeflenmiştir. 
PEDOT ve PPy nanolif tabanlı biyosensörlerin üretimi için düşük maliyetli ve basit yöntemler tercih edilmiştir. Elektrospin yöntemi ile hazırlanan poliakrilonitril ve poliakrilonitril/çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) nanolif matları üzerinde EDOT ve pirolün kimyasal buhar polimerizasyonu ile iletken nanolifler üretilmiştir. Nanolifler SEM, FTIR, döngüsel voltametri yöntemleri ile karakterize edilmiştir. 
Amperometrik glukoz ve polifenol biyosensörleri, glukoz oksidaz (GOx) ve polifenol oksidazın (PPO) glutaraldehit yardımıyla nanolifler üzerine hapsedilmesiyle hazırlanmış ve biyosensörlerin analitik perfomansları değerlendirilmiştir. Bu çalışmalarda enzim miktarı, MWCNT etkisi, takip edilen bileşen değiştirilmesi gibi çeşitli faktörlerin biyosensörlerin analitik performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Hazırlanan her bir biyosensör için duyarlılık, lineer aralık, tespit sınırı, Km ve Imax değerleri belirlenmiş ve tüm biyosensörlerin kararlılıkları araştırılmıştır. Ayrıca, bazı biyosensörler için raf ömrü ve gerçek numune analizleri de gerçekleştirilmiştir. Gerçek numune analizleri yapılırken meyve suyunda glukoz tayini için glukoz biyosensörleri, musluk suyunda ve endüstriyel suda katekol tayini için polifenol biyosensörleri kullanılmıştır.
Enzimatik reaksiyon sonucu oluşan H2O2'in yükseltgenmesinin takip edildiği çalışmalarda; PEDOT-MWCNT-NFs/GOx-2 ve Pt/PPy-MWCNT-NFs/GOx-1 yüksek duyarlılık (92.24 ve 81.74 µA/mM.cm2 ), düşük LOD (7.7 ve 2.4 µM ) ve düşük Km (2.21 mM ve 1.13 mM) gösterdikleri için PEDOT ve PPy nanolif tabanlı glukoz biyosensörleri içindeki en iyi performansa sahip biyosensörler olarak seçilmiştir. Polifenol biyosensörlerine ait çalışmalar incelendiğinde ise Pt/PEDOT-MWCNT-NFs/PPO-2 ve Pt/PPy-MWCNT-NFs/PPO-2 yüksek duyarlılık (7042.2 ve 10015 µA/mM.cm2 ), düşük LOD (0.114 ve 0.404 µM ) ve düşük Km (0.007 mM ve 0.013 mM) gösterdikleri için PEDOT ve PPy nanolif tabanlı polifenol biyosensörleri içindeki en iyi performansa sahip biyosensörler olarak seçilmiştir. Tez kapsamında hazırlanan tüm nanolif tabanlı biyosensörler incelendiğinde, sensör performanslarının literatürdeki birçok çalışmadan daha iyi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Biosensors are analytical devices that convert a biological response into a signal and are widely used in the determination of substances that have effects on human health, such as glucose and phenolic substances. Biosensors are generally prepared by immobilizing bioreceptors in polymer film matrices and increasing the interaction between the bioreceptor and the analyte also increases the biosensor performance.
Recently, the development of conducting nanofibers and their utilization in sensors has drawn attention due to their remarkable physical and electrochemical features acquired by their wide surface area. Among conducting polymers poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and polypyrrole (PPy) are widely used in biosensor applications due to their high conductivity and their ability to create thin films. 
In this thesis, we aimed to obtain PEDOT and PPy nanofibers and to utilize them in biosensors. Here in, it is intended to increase the interaction between the bioreceptors and the analyte by providing large immobilization areas due to the highly porous structure of the nanofibers, and thus, the conductive nanofiber-based biosensors have high sensitivity, low detection limit (LOD) and short response time.
Low-cost and simple methods have been preferred for the fabrication of PEDOT and PPy nanofiber-based biosensors. Conductive nanofibers were produced by chemical vapor polymerization of EDOT and pyrrole on polyacrylonitrile and polyacrylonitrile/multi-walled carbon nanotube (MWCNT) nanofiber mats prepared by electrospinning method. Nanofibers were characterized by SEM, FTIR, cyclic voltammetry methods.
Amperometric glucose and polyphenol biosensors were designed by immobilization of glucose oxidase and polyphenol oxidase on the nanofibers via glutaraldehyde and the analytical performances of the biosensors were evaluated. In these studies, the effect of various factors such as amount of enzyme , effect of MWCNT, and change of tracked component on the analytical performance of biosensors were investigated. Sensitivity, linear range, LOD, Km and Imax values were determined for each biosensor and the stability of all biosensors was investigated. In addition, shelf life and real sample analyzes were achieved for some of the biosensors. While performing real sample analysis, glucose biosensors were used for glucose determination in fruit juice, and polyphenol biosensors were used for catechol determination in tap water and industrial water.
In studies where the oxidation of H2O2, is followed; it was found that PEDOT-MWCNT-NFs/GOx-2 and Pt/PPy-MWCNT-NFs/GOx-1 have highest sensitivity (92.24 and 81.74 µA/mM.cm2), low LOD (7.7 and 2.4 µM), and low Km (2.21 mM and 1.13 mM), they were selected as the best performing biosensors among the PEDOT and PPy nanofiber-based glucose biosensors. When polyphenol biosensors are examined, Pt/PEDOT-MWCNT-NFs/PPO-2 and Pt/PPy-MWCNT-NFs/PPO-2 have high sensitivity (7042.2 and 10015 µA/mM.cm2 ), low LOD (0.114 and 0.404 µM ) and low Km (0.007 mM and 0.013 mM), they were selected as the best performing biosensors among PEDOT and PPy  nanofiber-based polyphenol biosensors. Examination of nanofiber-based biosensor created in this thesis demonstrates that the performance of sensors was found to be better than most studies in the literature.