Metal organik kafes (MOF)  esaslı yapıların mürekkep püskürtme yöntemiyle esnek altlıklar üzerine yazdırılması ve elektrokimyasal biyosensör uygulamaları
Printing of metal organic frame (MOF) based structures on  flexible substrates via inkjet method and electrochemical biosensor applications
Yazar: ORKUN ZİYLAN
Danışman: DOÇ. DR. AYTEKİN UZUNOĞLU
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Gerçekleştirilen bu doktora tez çalışması, iki kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda Metal Organik Kafes (MOF, Metal Organic Framework)  temelli elektrokimyasal sensörler geliştirilmiş ve bu sensörlerin Bisphenol A (BPA)'ya karşı performansları belirlenmiştir. Bu aşamada MOF nanoyapıları bakteriyel selüloz (BS) üzerinde kendiliğinden büyütülmüş ve gözenek yapısının korunması sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, geliştirlen MOF/BS temelli BPA sensörünün 1-11 µM lineer çalışma aralığına sahip olduğu ve tayin limitinin (LOD) ise 0.091 nM olduğunu göstermiştir.  Bununla birlikte üç tekrarlı (n=3) olarak gerçekleştirilen, gerçek numune deneylerinde farklı BPA konsantrasyonları için %102 ve %89.8'lik standart relatif sapma (%RSD) değerleri elde edilmiştir. Sensörlerin raf ömürleri 22 gün boyunca test edilmiş ve bu süre sonunda sensör performansının korunduğu kanıtlanmıştır. Tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen ikinci çalışmada ise yenilikçi biyosensör platformlarının geliştirilmesi ve üretilmesi üzerine yoğunlaşılmış ve mürekkep püskürtme tekniği ile esnek elektrokimyasal biyosensörler geliştirilmiştir. Bu çalışmada ise MOF temelli yapıların pirolizi (ısıl işlemi) sonrası elde edilen yüksek gözenek hacmine sahip karbon esaslı yapılar, delikle işleme tabi tutulmuş çok duvarlı karbon nanotüpler (delikli MWCNT, hMWCNT) ile karıştırılmış ve özgün mürekkep karışımları elde edilmiştir. Elde edilen bu mürekkep karışımlarının kararlılıkları, yazdırılabilirlikleri, viskozitesi, yüzey gerilimi ve altlık malzemesinin yüzey enerjisi optimize edilmiştir. Hazırlanan mürekkepler daha sonra mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılarak polietilentetrafalat (PET) üzerine yazdırılarak esnek elektrokimyasal sensörler geliştirilmiştir. Bu sensörlerden biyosensör oluşturulması aşamasında da hedef analit olarak E-coli kullanılmış ve sensör yüzeyi E-coli patojenine karşı duyarlı hale getirilerek biyosensörler elde edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar; ZIF-67(Co)/hMWCNT esaslı mürekkeplerin PET üzerine yazdırılması ile hazırlanan biyosensörlerin 100-107 KOB/mL (mililitrede koloni oluşturan birim) doğrusal çalışma aralığına ve 1.0585 KOB/mL tespit limitine (LOD) sahip olduğunu göstermiştir. Gerçek numune testlerinde 103, 104 ve 107 KOB/mL konsantrasyon miktarları için sırasıyla, %108.33, 90.24 ve 97.18 geri kazanım değerleri elde edilmiş ve 60 günlük raf ömrü deneylerinde de korunan tepkisellik ölçüm değerleri ile benzer literatür çalışmalarına kıyasla kayda değer bir performans göstermiştir. Tezde gerçekleştirilen her iki çalışma için elde edilen bulgular ve sonuçlar, literatürdeki başka çalışmalar ile karşılaştırılarak tablolar halinde sunulmuştur. Tez çalışmasının ikinci kısmında geliştirilen biyosensörlerin performanslarının E-coli'ye karşı gerçekleştirilmesine karşın bu sensörlerin SARS-CoV-2'de dahil farklı patojen, bakteri ve virüslere karşı kullanılabileceği vurgulanmıştır.

Abstract:
This PhD thesis consists of two parts. The first part describes the development of electrochemical sensors derived from Metal Organic Framework (MOF) and their performances are tested against Bisphenol A (BPA). At this stage, nanostructures of MOF are synthesized in situ on Bacterial Cellulose (BC) and their porous structure is preserved. The obtained results show that MOF/BC-based BPA sensors have a linear range of 1-11 μM and a limit of detection (LOD) value of 0.091 nM. In addition to this, real sample tests were performed with triplication (n = 3), yielding standard relative deviation values (RSD%) of 102% and 89.8% for different analyte concentrations. The shelf life of the sensor was tested for 22 days, and at the end of this duration, it was proven that sensor performance was sustained. The second study in this thesis focused on designing and developing novel biosensor platforms and flexible electrochemical biosensors were produced via inkjet printing. In this study, carbon structures with large porous volumes after pyrolysis (heat treated) were mixed with multi-walled carbon nanotubes subjected to holey processing (holey MWCNT, hMWCNT). Authentic ink mixtures were gathered, and their stability, printability, viscosity, surface tension, and surface energy were optimized. Next, flexible sensors were produced via inkjet printing onto polyethylene terephthalate (PET) using these ink mixtures. To develop biosensors from these sensors, E-coli was selected as the targeted analyte, and the sensor surface was modified to be sensitive to E-coli pathogens. The obtained results showed that biosensors printed on PET have a linear range of 100-107 CFU/mL (colony-forming unit per milliliter) and a LOD value of 1.0585 CFU/mL. In real sample tests, recovery values of 108.33%, 90.24%, and 97.18% were achieved for concentration values of 103, 104, and 107 CFU/mL respectively and during shelf life tests over a duration of 60 days showed a remarkable performance with respect to the similar studies in literature. The results and findings for both studies in this thesis are compared with similar studies within the literature and presented in tables. While this study focuses on detecting E-coli, it should be noted that these sensors have potential applications for detecting other pathogens, bacteria, and viruses, including SARS-CoV2.