Metal yüklü grafen yapılarının akciğer kanserinin ön tanısı için biyosensör olarak kullanılabilirliğine yönelik DFT çalışması
DFT study on the feasibility of using metal doped graphene structures as biosensors for the preliminary diagnosis of lung cancer
Yazar: ŞEYMA KORUCU
Danışman: PROF. DR. MEHMET FERDİ FELLAH
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kansere dayalı artan vaka sıralamasında akciğer kanseri, tüm Dünya'da ve Türkiye'de en sık rastlanan ve ölüm riski en yüksek olan bir kanser türüdür. Akciğer ve bronş sisteminin ağrı duyusuna sahip olmaması nedeniyle, hastaların birçoğuna akciğer kanseri teşhisi konulduğunda ileri bir aşamadadır ve artık küratif tedavi mümkün değildir. İnsan nefes analizi, verilen nefeste bulunan uçucu organik bileşikleri (VOC) izleyerek bir bireyin klinik durumu hakkında bilgi edinme yöntemidir. VOC'ler, karbon bazlı biyobelirteçler olarak kullanılmak üzere insan nefesinin içeriğinde bulunan organik bileşikler olarak tanımlanmaktadır. Koku bileşiminin hastalıkla spesifik korelasyonu, nefes sensörlerinin altında yatan temel ilkedir. Kimyasal olarak etkileşimli malzemenin biyokimyasal moleküllerden yapıldığı biyobelirteçlere biyosensörler adı verilmektedir. Biyosensörler, kollektif koku alma reseptörleri sayesinde kokuları her bir kokuya özgü sinyal modellerine kodlar. Bu stratejiye kombinatoryal seçicilik denir ve elektronik burunlar olarak da bilinen nefes analizi biyosensörleri bu çalışma prensibine dayalı olarak analizlerini gerçekleştirmektedir.
Bu tez çalışmasında, akciğer kanserinin ön tanısını geliştirmek amacıyla metal katkılı grafen yapıların biyosensör olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Metal atomları (platin, paladyum, nikel, iridyum ve bakır) katkılanarak oluşturulan grafen yapıların akciğer kanserinin önemli biyobelirteçleri arasında yer alan anilin, tolüen, stiren ve benzen gazlarına karşı adsorpsiyon ve algılama özellikleri incelenmiştir. Yapılan tüm DFT hesaplamaları WB97XD metodu kullanılarak tamamlanmıştır.
Elde edilen bulgulara göre belirlenen hedef gazlardan metal katkılı grafen yapılara önemli yük transferi gözlenmiştir. Sistemler üzerinde NBO analizi yapılmış ve anilin, tolüen, stiren ve benzen moleküllerinden grafen ve metal katkılı grafen yapılarına yük transferi olduğu sonucuna varılmıştır. Gözlenen en önemli etkileşim, -152,9 kJ/mol adsorpsiyon entalpi değeri ile stiren molekülünün iridyum katkılı grafen yapısı üzerine adsorpsiyonu olmuştur. Gibbs serbest enerjisi tüm yapılarda negatif olduğu için adsorpsiyon süreci tüm sistemlerde kendiliğinden gerçekleşmiştir.
Yorumlanan verilere göre, gaz moleküllerinin bakır katkılı ve platin katkılı grafen yapısı üzerine adsorbe edilmesinden sonra HOMO-LUMO boşluğu (Eg) değerlerinde azalmalar ve iş fonksiyonunda (Φ) değişiklikler elde edilmiştir. Sonuç olarak, akciğer kanserinin ön teşhis aşamasında, bakır katkılı ve platin katkılı grafen yapıları, önemli biyobelirteçler arasında yer alan anilin, tolüen, stiren ve benzen gazlarını tespit etmek için bir sensör olarak kullanılma potansiyeline sahiptirler.

Abstract:
Lung cancer is the most prevalent form of cancer globally and in Turkey, with the highest mortality rate. Due to the absence of pain perception in the lung and bronchial systems, the majority of patients are diagnosed with advanced-stage lung cancer, rendering curative treatment ineffective. Human breath analysis is a method of obtaining information about an individual's clinical status by monitoring the volatile organic compounds (VOCs) present in exhaled breath. VOCs are defined as organic compounds present in human breath that can be used as carbon-based biomarkers. The specific correlation between odour composition and disease is the fundamental principle underlying breath sensors. Biosensors are devices which employ biochemical molecules in a chemically interactive process. They are capable of encoding odours into signal patterns that are specific to each individual odour. This process is referred to as combinatorial selectivity. Breath analysis biosensors, which are also known as electronic noses, employ this strategy to perform their analyses.
This thesis investigates the potential of metal-doped graphene structures as biosensors for the preliminary diagnosis of lung cancer. The adsorption and sensing properties of graphene structures doped with metal atoms (platinum, palladium, nickel, iridium and copper) against aniline, toluene, styrene and benzene gases, which are among the most important biomarkers of lung cancer, were investigated. All DFT calculations were completed using the WB97XD method.
The findings revealed a notable charge transfer from the target gases to the metal-doped graphene structures. A NBO analysis was conducted on the systems, and it was determined that a charge transfer occurred from aniline, toluene, styrene, and benzene molecules to graphene and metal-doped graphene structures. The most significant interaction observed was the adsorption of the styrene molecule on the iridium-doped graphene structure, with an adsorption enthalpy value of -152.9 kJ/mol. As the Gibbs free energy was negative in all structures, the adsorption process was spontaneous in all systems.
The data analyses indicated a reduction in HOMO-LUMO gap (Eg) values and alterations in work function (Φ) following the adsorption of gas molecules on copper-doped and platinum-doped graphene structures. In conclusion, it can be posited that in the pre-diagnostic stage of lung cancer, copper-doped and platinum-doped graphene structures have the potential to be used as a sensor to detect aniline, toluene, styrene and benzene gases, which are among the most important biomarkers.