İmpedimetrik biyosensör uygulamalarında optimal yanıt için boyut ve şekil açısından nitinol elektrodun elektriksel modellenmesi
Electrical modeling of nitinol electrode for shape and size for optimum response in impedimetric biosensor applications
Yazar: MELİKE YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÇAĞRI SOYLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Biyosensörler = Biosensors

Özet:
Nitinol, şekil hafıza ve süperelastiklik yetenekleri ile öne çıkan bir alaşımdır. Farklı frekanslardaki mekanik ve ultrasonik uyaranlar altındaki davranışları incelenmesine rağmen MHz seviyelerinde osilatif elektrik sinyali ile uyarıldığında empedans değişimi üzerine çalışma bulunmamaktadır. Empedans yanıtına göre çeşitlenebilen kullanım alanları arasında biyosensörlere rastlanmamıştır. Çalışmada NiTi telin farklı geometrilerde kHz-MHz frekanslarındaki osilatif elektrik sinyallerine verdiği empedans yanıtları bilgisayar modeli ve gerçek ölçümlerle incelenmiş, biyosensör olarak kullanımı için optimum geometri belirlenmiştir.  Ayrıca, ANSYS'te yapılan modal analiz ile doğal frekanslar bulunarak elektriksel eşdeğer devre rezonansı ile örtüşüp örtüşmediği belirlenmiştir. Doğal frekansları, öngörülen MHz seviyelerine ulaşmamıştır. Dolayısıyla bu aralıklar dışında rezonansa girmeden de öngörülen yanıtları verebileceği aralıklarda uyarıldığında alınacak empedans yanıtları Simulink'te modellenmiştir. Modellenen geometrilerdeki tellerden, farklı ortamlarda empedans analizörü ile ölçüm alınmıştır. Modelleme verileri ile ölçüm verileri kıyaslanmıştır. Maksimum empedans yanıtına U-formda 4 cm uzunlukta 0.1 mm çapındaki tel ulaşmıştır. Modelleme verileri ve ölçümlerin korelasyon katsayıları (r2) hava, distile su, düz tel ve gliserolde sırasıyla 0.9069, 0.8846, 0.8389, 0.8336 bulunmuştur. Bu sonuçlar U-formda modelin doğru çalıştığını, optimum geometrinin 4 cm uzunluk, 0.1 mm çap olduğunu, en güvenilir ortamın hava olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Nitinol is an alloy that stands out with its shape memory and superelasticity capabilities. Although its behavior under mechanical and ultrasonic stimuli at different frequencies has been investigated, there is no study on the impedance change when stimulated with oscillatory electrical signals at MHz levels. Among the potential applications that can vary according to the impedance response, no references to biosensors have been found. In this study, the impedance responses of NiTi wire to oscillatory electrical signals at kHz-MHz frequencies in different geometries were examined through computer modeling and actual measurements, and the optimum geometry for use as a biosensor was determined. Additionally, natural frequencies were found through modal analysis in ANSYS to determine if they overlapped with the resonance of the electrical equivalent circuit. The natural frequencies did not reach the predicted MHz levels. Therefore, when stimulated in ranges outside these frequencies, the impedance responses that can be obtained without entering resonance were modeled in Simulink. Measurements were taken with an impedance analyzer from wires in modeled geometries in different environments. Modeling data and measurement data were compared. The wire in a U-shape with a length of 4 cm and a diameter of 0.1 mm achieved the maximum impedance response. The correlation coefficients (r2) between the prediction data and the measurements in air, distilled water, straight wire, and glycerol were found to be 0.9069, 0.8846, 0.8389, and 0.8336, respectively. These results indicate that the U-shape model works correctly, the optimum geometry is 4 cm in length and 0.1 mm in diameter, and the most reliable environment is air.