Elektrokimyasal ve fotoelektrokimyasalbiyosensör sistemlerinin geliştirilmesi
Development of electrochemical and photoelectrochemical biosensor systems
Yazar: BEKİR ÇAKIROĞLU
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışmasında, biyolojik açıdan önemli olan glukoz, hidrojen peroksit, ksantin oksidaz elektrokimyasal ve fotoelektrokimyasal olarak ölçülmüştür. Materyallerin sentezinde mümkün olduğunca yeşil kimya esaslı, ucuz ve basit prosedürler kullanıldı. Elektrokimyasal biyosensör, tannik asit yardımıyla indirgenmiş grafen oksit ve Au nanopartiküllerinden oluşturuldu. Fotoelektrokimyasal biyosensör sistemlerinde ise farklı yarı iletkenler (TiO2, MoS2, g-C3N4, Co3O4, CdS: Mn, MnO2, Cu2O) ve ışığa karşı daha fazla duyarlılaştırmak için Th-T boyası ve rutenyum kompleksleri kullanıldı.

Deneysel çalışmalarda, Au nanopartiküllerinin ve karbon esaslı materyallerin (karbon nanotüp, indirgenmiş grefen oksit) elektrot kaplama malzemesinin içine katılmasıyla elektriksel ilerkenliğin yükseldiği ve fotoelektrokimyasal sistemlerde fotoakımın yükseldiği gözlemlenmiştir. Porlu yarı iletkenlerin daha fazla enzim immobilizasyonuna neden olduğu, daha fazla aktif noktalar barındırdığı ve üstün ışık kullanımıyla fotoakım değerlerini artırdığı belirlenmiştir. Yarı iletken esaslı ters opal fotonik kristal yapılarda ve nanotüplerde yavaş ışık etkisi kullanılarak luminol kemilüminesansı gibi düşük şiddetli ışık kaynaklarında dahi üstün fotoakımlar elde edildi. Son olarak fotoelektrokimyasal bir biyoyakıt hücresi tipi biyosensör sistemi kullanılarak elde edilen güç yoğunluklarından glukoz ölçümü başarıyla gerçekleştirildi.

Fotoelektrokimyasal biyosensör sistemleri, hem ışığı hem de elektriği kullandığı için istenmeyen arka plan gürültüsünü azaltarak duyarlılığı artırır. Fotoelektrokimyasal biyosensörlerin elektrokimyasal biyosensörlere karşı diğer bir üstünlüğü ise 0 potansiyelde ölçümlere olanak sağlamasıdır. Bu durumda bir dış güç kaynağına ihtiyaç duymadan düşük girişim etkisiyle analit ölçümleri yapılabilir. En parlak biyosensör sistemi fotonik kristallerin kullanılmasıyla elde edildi. Fotonik kristallerde gerçekleşen yavaş ışık etkisiyle zayıf kemilüminesans ışıması altında bile tatmin edici doğrulukla analit ölçümleri gerçekleştirildi. Ayrıca elde edilen kemilüminesans şiddeti analit miktarıyla orantılı olduğundan, biyosensör sistemindeki gürültü mümkün olabilecek en düşük seviyeye inmiştir.

Abstract:
In this thesis study, electrochemical and photoelectrochemical measurements for glucose, hydrogen peroxide, xanthine oxidase, which are biologically important were carried out. Green chemistry-based, cheap, and simple procedures were used as much as possible in the synthesis of the materials. The electrochemical biosensor was constructed from reduced graphene oxide and Au nanoparticles with the aid of tannic acid. In the photoelectrochemical biosensor systems, different semiconductors (TiO2, MoS2, g-C3N4, Co3O4, CdS: Mn, MnO2, Cu2O) and for the sensitization, Th-T dye and ruthenium complexes were used. 

In the experimental studies, it has been observed that with the addition of Au nanoparticles and carbon-based materials (carbon nanotubes, reduced graphene oxide) into the electrode coating material, the electrical conductivity increases and the photocurrent in photoelectrochemical systems increases. It has been determined that porous semiconductors cause more enzyme immobilization, contain more active sites, and increase photocurrent values with superior light utilization. By using slow light effect in semiconductor based inverse opal photonic crystal structures and nanotubes, superior photocurrents were obtained even in low light intensity such as luminol chemiluminescence. Finally, glucose measurement was successfully performed by using power densities obtained from a photoelectrochemical biofuel cell type biosensor system.

Photoelectrochemical biosensor systems increase sensitivity by reducing undesired background noise as they use both light and electricity. Another advantage of photoelectrochemical biosensors over electrochemical biosensors is that they allow measurements at 0 potential. In this case, analyte measurements can be made with low interference effect without the need for an external power source. The most promising biosensor system has been achieved using photonic crystals. Analyte measurements were performed with satisfying accuracy even under weak chemiluminescence radiation with the slow light effect occurring in photonic crystals. In addition, since the chemiluminescence intensity obtained is proportional to the amount of analyte, the noise in the biosensor system has been reduced to the lowest possible level