Biyopolimer temelli nanokompozit sistemleri içeren elektrokimyasal biyosensörlerin geliştirilmesi
Development of electrochemical biosensors with biopolymer based nanocomposite systems
Yazar: VİLDAN ŞANKO
Danışman: PROF. DR. ERHAN DEMİRBAŞ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışmasında, bakır ferrit (CuFe2O4, CuF), kobalt ferrit (CoFe2O4, CoF), nikel ferrit (NiFe2O4, NiF) ve çinko ferrit (ZnFe2O4, ZnF) nanoparçacıkları birlikte çöktürme yöntemi ile sentezlenerek yüzeyleri tetraetoksisilan (TEOS) ve (3-aminopropil)trietoksisilan (APTES) ile modifiye edilmiştir. Böylece nanopartiküllerin yüzeyleri -NH2 fonksiyonel grubu ile enzim immobilizasyonuna hazır hâle getirilmiştir. Modifikasyon öncesi ve sonrası fonksiyonel hâle getirilen ferrit nanoparçacıkları Fourier transform kızılötesi (FTIR), X-ışını kırınımı (XRD), UV-vis spektroskopileri, taramalı elektron (SEM), geçirimli elektron (TEM) mikroskopları, termogravimetrik analiz (TGA) ve Zeta potansiyeli ile karakterize edilmiştir. Ferrit nanoparçacıkların her biri Nafyon (Nf) ve polianilin (PANI) kaplı camsı karbon elektrot yüzeyinde üreaz enzimi immobilizasyonu sonrasında (Nf/PANI/CuF/Urs, Nf/PANI/CoF/Urs, Nf/PANI/NiF/Urs, Nf/PANI/ZnF/Urs) üre analitine karşı döngüsel voltametri (CV) ve diferansiyel puls voltametrisi (DPV) ile ayrı ayrı test edilmiştir. En iyi elektrokimyasal performansa sahip Nf/PANI/CuF/Urs biyosensörü ile elektrot yüzeyindeki kompozit sisteme jelatin (Jel) ve nanokristalin selüloz (NKK) biyopolimerleri ilave edilerek biyopolimerlerin elektrokimyasal biyosensör performansına etkisi CV, DPV ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri ile incelenmiştir. Hem biyopolimer içeren biyosensörler (Nf/PANI/CuF/Jel/Urs, Nf/PANI/CuF/NKK/Urs) hem de Nf/PANI/CuF/Urs için tekrarlanabilirlik, kararlılık, tekrar kullanılabilirlik, seçicilik ve gerçek örnek analizleri (süt ve toprak) DPV yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, üre analitine karşı en iyi elektrokatalitik etki gösteren CuF nanoparçacıkları farklı bir biyopolimer olarak hyaluronik asit (HA) içeren yeni bir kompozit sistemde yeni bir biyosensör tasarımında kullanılmıştır. Elektrokimyasal olarak sentezlenen PANI nanolifleri (PANI-nl) ve CuF nanoparçacıklarını içeren elektrota ise Lakkaz (Lak) enzimi immobilize edilmiş ve tekrarlanabilirlik, kararlılık, tekrar kullanılabilirlik, seçicilik ve gerçek örnek analizleri (konserve suyu, süt ve deniz suyu) DPV yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. 
 
Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal Biyosensör, Enzimatik Biyosensör, Üre Biyosensörü, Nanoteknoloji, Ferrit Nanaoparçacıkları, Biyopolimer

Abstract:
In this thesis, copper ferrite (CuFe2O4, CuF), cobalt ferrite (CoFe2O4, CoF), nickel ferrite (NiFe2O4, NiF) and zinc ferrite (ZnFe2O4, ZnF) nanoparticles were synthesized by co-precipitation method and their surfaces were modified with tetraethoxysilane (TEOS) and (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES). Thus, surfaces of nanoparticles were made ready for enzyme immobilization with -NH2 functional group. Ferrite nanoparticles functionalized before and after modification were characterized by Fourier transform infrared (FTIR), X-ray diffraction (XRD), UV-vis spectroscopies, scanning electron (SEM), transmission electron microscopes (TEM), thermogravimetric analysis (TGA) and Zeta potential. Each of ferrite nanoparticles was tested by cyclic voltammetry (CV) and differential pulse voltammetry (DPV) against urea after urease immobilization on Nafion (Nf) and polyaniline (PANI) coated glassy carbon electrode surface (Nf/PANI/CuF/Urs, Nf/PANI/CoF/Urs, Nf/PANI/NiF/Urs, Nf/PANI/ZnF/Urs). Effect of biopolymers on electrochemical biosensor performance was investigated by CV, DPV and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) by adding gelatin (Jel) and nanocrystalline cellulose (NCC) biopolymers to the composite system on electrode surface with Nf/PANI/CuF/Urs electrode with the best electrochemical performance. Reproducibility, stability, reusability, selectivity and real sample analyzes (milk and soil) for both biopolymer containing biosensors (Nf/PANI/CuF/Jel/Urs, Nf/PANI/CuF/NKK/Urs) and Nf/PANI/CuF/Urs) were carried out by DPV method. In addition, CuF nanoparticles with the best electrocatalytic effect against urea analyte were used in a new biosensor design in a new composite system containing hyaluronic acid (HA) as different biopolymer. Laccase (Lak) enzyme was immobilized to the electrode containing electrochemically synthesized PANI nanofibers (PANI-nl) and CuF nanoparticles, Reproducibility, stability, reusability, selectivity, real sample analyses (canned water, milk, and seawater) were performed by DPV method.
       
Keywords: Electrochemical Biosensor, Enzymatic Biosensor, Urea Biosensor, Nanotechnology, Ferrite Nanoparticles, Biopolymer