İn vitro diyagnostik sistemlerde kullanılmak üzere yeni nesil elektrotların tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of new generation electrodes for use in in vitro diagnostic systems
Yazar: SOHEIL MALEKGHASEMI
Danışman: PROF. DR. SERDAR ABACI ; PROF. DR. NAGİHAN UĞURLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışmada, in vitro diyagnostik sistem uygulamaları için altın ve elmas benzeri karbon (DLC) ince film özelliklerine sahip elektrotların ilk kez üretilmesi amaçlanmıştır. Çok fonksiyonlu yüzey ve yığın özelliklerine sahip, iletken altın nanoağ bağlı elmas benzeri karbon nanofilm (CGN-DLC) elektrotların hazırlanması için kendiliğinden düzenlenme (self-assembly) yöntemi kullanılmıştır. Geliştirilen nanofilmlerin nispeten yüksek bir sp3 karbon dağılımına, 1,4 × 103 S.cm-1 elektrik iletkenliğine ve 1,42 eV ve 3,87 eV optik bant aralıklarına sahip oldukları bulunmuştur. Azalan tam yansıma-fourier dönüşümü kızılötesi (ATR-FTIR) spektroskopisi ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizleri, DLC yüzeyinde karboksilik asit fonksiyonel gruplarının varlığını ortaya çıkarmıştır. CGN-DLC nanofilmlerinin kalitatif ve kantitatif olarak değerlendirilmesinde yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskopisi (TEM), taramalı elektron mikroskopisi (SEM), X-ışını kırınımı (XRD), RAMAN spektroskopisi, dönüşümlü voltametri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EİS) kullanılmıştır. TEM ve SEM analizleri, CGN-DLC nanofilmlerini üretmek için trisodyum sitrat ve altın nanopartiküllerinin başarılı bir şekilde kullanıldığını göstermiştir. XRD spektrumundan, altın nanoağ yapısına ait Au (111), Au (200), Au (220) ve Au (311) pikleri ve DLC yapısına ait C (002), C (032) ve C (111) pikleri belirlenmiştir. RAMAN spektroskopisi elmas benzeri karbon yapının D ve G bandı piklerini sırasıyla 1388,6 cm-1 ve 1568,0 cm-1 konumlarında göstermiştir. DLC filminin sp3 içeriği de yaklaşık % 30 bulunmuştur. CV ve EİS, CGN-DLC nanofilmlerinin biyosensör uygulamalarında etkili modifiye edici ajan olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Sunulan tez kapsamında, zararlı kimyasallar veya fiziksel yöntemler kullanılmadan CGN-DLC nanofilmlerinin elde edilmesi için sürdürülebilir bir yöntem gösterilmiştir. CGN-DLC nanofilm performansını değerlendirmek için, sentezlenen nanofilm kalem grafit elektrot (PGE) üzerine modifiye edilmiş ve prostat kanseri biyobelirteci olan miRNA-410-5p'nin hassas ve seçici olarak elektrokimyasal tayini gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan biyosensör platform üzerinde herhangi bir amplifikasyon ve/veya etiketleme işlemi kullanılmamıştır. Hazırlanan biyosensör platformu, 0,3 fM ile 100 fM doğrusal aralığı ve 0,27 fM'lik bir tayin sınırı (LOD) ile diferansiyel puls voltametri (DPV) yöntemi kullanılarak hedef miRNA'ları saptamıştır. Sonuç olarak, sentezlenen CGN-DLC nanofilminin biyo/sensörler, fotovoltaikler, transistörler, amplifikatörler, enerji depolama unsurları ve biyomedikal gibi geniş uygulama alanlarında kullanılması gelecek çalışmalarda beklenmektedir.

Abstract:
This study aims to fabricate electrodes with properties of both gold and diamond-like carbon (DLC) thin films for in vitro diagnostic system applications for the first time. A specific self-assembly method was used to prepare conductive gold nanonetwork bonded diamond-like carbon nanofilm (CGN-DLC) electrodes with multifunctional surface and bulk properties. The nanofilms possessed a relatively high sp3 carbon fraction, a high electrical conductivity (1,4 × 103 S.cm-1) and optical band gaps of 1,42 eV and 3,87 eV. Attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed the presence of carboxylic acid functional groups on the DLC surface. High-resolution transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), RAMAN spectroscopy, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EİS) were used to help qualitative and quantitative assessing of CGN-DLC nanofilms. TEM and SEM analyzes demonstrated the successful use of trisodium citrate and gold nanoparticles to produce CGN-DLC nanofilms. The XRD spectrum indicated the Au (111), Au (200), Au (220) and Au (311) peaks of the gold nanonetwork and the C (002), C (032) and C (111) peaks of the DLC structure. The RAMAN spectroscopy demonstrated the D and G band peaks of the diamond-like carbon structure at 1388.6 cm-1 and 1568.0 cm-1, respectively. The sp3 content of DLC film was found approximately 30 %, as well. CV and EİS demonstrated that CGN-DLC nanofilms can be used as effective electrodes in biosensor applications. In the presented thesis, a sustainable method is shown for obtaining CGN-DLC nanofilms without using harmful chemicals or physical methods. To evaluate the performance of CGN-DLC nanofilm, it was coated on a pencil graphite electrode (PGE) and used in an electrochemical biosensor for the sensitive detection of miR-NA-410-5p as a prostate cancer biomarker. No amplifica-tion and/or labeling process was used on this biosensor platform. The prepared biosensor platform was detected target miRNAs using differential pulse voltammetry (DPV) method with a linear range of 0.3 fM to 100 fM and a detection limit (LOD) of 0.27 fM. As such, the CGN-DLC nanofilm is expected to find wide application areas such as bio/sensors, photovoltaics, transistors, amplifiers, energy storage elements and biomedical.