Design and development of paper-based biosensor
Kağıt-tabanlı biyosensör tasarımı ve geliştirilmesi
Yazar: SOHEİL MALEKGHASEMİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEMED DUMAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Son birkaç yıldır, kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlar teşhis konusunda ve özellikle nokta-bakım analizler (Point-Of-Care-POC) uygulamalarında geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Bakım noktası teşhislerin, kolay kullanımlı ve uygun fiyatlı olmaları gerekmektedir. Mikroakışkan kağıt tabanlı analitik cihazlar (µPADs), POC teşhis cihazlardan birisi olarak kullanılmaya başlamıştır. µPAD'leri üretmek için çeşitli metodlar geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak örneğin fotolitografi, plotting, plazma aşındırma, serigrafi baskı, fleksografik baskı, mum ve mürekkep püskürtmeli (ink-jet) baskı yöntemler verilebilir. Inkjet baskı tekniği en umut verici yöntem ve çok yönlü tekniklerden biri haline gelmiştir. Bu yöntemin belirgin avantajları çoğaltılabilirliği, birden fazla sayfa yazdırmayı hızlı şekilde yapabilmesi, düşük maliyetli oluşu ve çok küçük mürekkep hacimleri ile (pikolitre) çalışmak yeteneğinin olmasıdır.
Bu tezde inkjet baskı tekniği kullanılarak kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlar geliştirilerek yeni bir fabrikasyon metodu ortaya konulmuştur. İşlem adımlarının sayısının az olması, ucuz ve kısa zaman diliminde sonuca varması (~ 10 dk.) bu fabrikasyon yönteminin dikkat çeken avantajlarındandır. Bu yöntemde, kağıt üzerinde hidrofobik bariyerler oluşturmak için Tetraetilortosilikat (TEOS) ve Hekzametildisilazen (HMDS) kimyasalları kullanılmıştır ve birbriyle karşılaştırılmıştır. Hidrofobik bariyerlerin oluşturulmasında kaynatma, plazma işlenmesi ve mikrodalga ışınlanma gibi üç farklı metod kullanılmıştır. Ayrıca, hidrofilik kanalları elde etmek için hidrofobikleştirilmiş kağıt üzerinde HCl aşındırması yaklaşımı inkjet yazıcı ile uygulanmıştır. Hazırlanan kağıt tabanlı biyosensörün değerlendirmesi için üre solüsyonu reaktif madde olarak ve fenol kırmızısı indikatör ajanı olarak kendi bölgelerine basılmıştır.
Numunelerin yüzey kimyasal analizleri X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modifiye filtre kağıtların morfolojisi Çevresel Taramalı Elektron Mikroskobu (ESEM) ile elde edilmiştir. Hidrofilik kanalların su emme performansını incelemek için Washburn testi yapılmıştır. Ayrıca, modifiye kağıt yüzeyinin ıslanabilirliği, temas açısı aleti kullanarak oda sıcaklığında ölçülmüştür. 
Üretilen LOP biyosensörü bir yıl boyunca oda sıcaklığında muhafaza edilebilir. Hazırlanan µPAD'lerin validasyonu algılama bölgelerinde "kahve halka etkisi" olmadan üreaz enziminin başarılı bir şekilde tespiti ile gerçekleştirilmiştir. Böylece, mürekkep püskürtmeli yazıcı az adımlar ile üretim sağlarken kullanımı basit, maliyeti düşük, uzun raf ömrüne sahip ve hızlı üretilebilelen biyosensörler elde edilir.

Abstract:
In the last few years biosensors have been used broadly in diagnostics, especially in application of point-of-care (POC). POC diagnostics required to be easy-to-use and affordable. Microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) have been one of the POC diagnostic devices. In order to fabricate µPADs are developed variety of methods such as photolithography, plotting, plasma etching, screen printing, flexographic printing, wax and ink-jet printing. Inkjet printing technique has become one of the most promising and versatile techniques. The obvious advantages of this technique are reproducibility, printing multiple pages rapidly, inexpensive and ability to work with very small volumes of ink (picolitres).
In this thesis, we presented a novel fabrication method for development of paper-based microfluidic device by using inkjet printing technique. Special positive features of this method are low number of process steps (one step), cost-effectiveness and reaching result at the lowest time span (~10 min). In this method, we used and compare two different silylating agents Tetraethylorthosilicate (TEOS) and Hexamethyldisilazane (HMDS) to create hydrophobic barriers on the filter paper. The silylation was achieved by using three different methods including heating, plasma treatment and microwave irradiation. In order to generate hydrophilic channels on modified paper, HCl etching approach was used by ink-jet printer. Also, urea solution and phenol red were printed into own zones as reactive material and indicator reagent, respectively. 
Surface chemical analysis of samples was carried out by using of X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Morphology of treated filter papers was obtained by Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM).  Washburn assay was performed to study the performance of penetration behavior of generated hydrophilic channels. Also, the wettability of treated paper surface was measure by using contact angle instrument at room temperature as well.
This lab-on-a-paper (LOP) biosensor could be kept in room temperature for a year. The validation test of our µPADs was performed successfully with determination of urease enzyme without "coffee ring effect" in detection zones. Thus, the inkjet printer provides the least fabrication steps and produces biosensors will be simple-to-use, cost-effective and have long shelf life and fabricated fast.