Medikal uygulamalar için mikro referans elektrot geliştirilmesi
Development of a micro reference electrode for medical applications
Yazar: MUSTAFA NİĞDE
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM IŞILDAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya = Chemistry
Dizin: Gümüş = Silver ; Gümüş klorür = Silver chloride ; Potansiyometri = Potentiometry ; İndikatör = Indicator ; İyon seçici elektrotlar = Ion selective electrodes

Özet:
Potansiyometri iki elektrotlu bir sistemdir. Çalışmalar, anlaşılabilir şekilde, genellikle indikatör elektrotlar üzerine yoğunlaşmıştır. Referans elektrotlar, ki gümüş/gümüş klorür (Ag/AgCl) elektrotlar bunlar arasında büyük kullanım oranına sahiptir, oldukça iyi tanımlanmış ve sorunsuzca kullanılmaktadır. Ancak, son yıllarda çeşitli uygulamaları görülen kişiye özel tıp, hasta başı analiz ve yerinde/zamanında ölçüm gibi kavramlar ile giderek artan minyatürizasyon baskısı, çalışma elektrotlarının yanında referans elektrotlar için de daha küçük boyutları zorunlu kılmaktadır. Bu durum konvansiyonel elektrotlar için yeni sorunları beraberinde getirmekte ve indikatör elektrotların yanında, sistemin diğer yarısını oluşturan referans elektrotların da daha farklı malzemelerle, farklı şekil ve boyutlarda tekrar tasarlanmasını gerektirmektedir.
Bu çalışmada, Ag/AgCl temeli üzerinden çeşitli katı hal referans elektrotlar tasarlanmıştır. Önce büyük boyutlu ve çubuk şekilli katı hal referans elektrotlar hazırlanarak farklı malzeme ve kompozisyonlar denenmiş, ardından bu temel üzerinden boyutları küçültülüp yeni kompozisyonlarla nihai mini referans elektrot tasarımı netleştirilmiştir. Geliştirilen tüm elektrotlar hem birbirleriyle hem de ticari Ag/AgCl referans elektrotlarla karşılaştırılmıştır.
Çalışmalar sonucunda, en iyi performans gösteren mini referans elektrotun 3 tabakalı, her tabakada %50 grafit oksit, %40 epoksi ve sertleştirici bulunduran ve her tabaka için sırayla %10 gümüş, %10 gümüş klorür ve %10 potasyum klorür eklenerek hazırlanan elektrot olduğu belirlenmiş ve ek karakterizasyon testlerine tabi tutulmuştur. En fazla 5 mm kalınlık ve 2 mm çapta hazırlanan bu elektrot 120 µV/saat gibi yeterince iyi bir sapmayla çalışmaktadır. Ayrıca pH 3-11 arası oldukça kararlı, pH 2 ve 12'de ise pek çok uygulama için yeterince iyi çalışabileceği görülmüştür. Ticari referans elektrota karşı çeşitli iyon seçici elektrotlarla yapılan deneylerde de ortalama %1'den daha az hata ile çalıştığı gösterilmiştir. Mini referans elektrotun raf ömrü 1 yıldan uzun, kullanım ömrü ise sürekli çalışma koşullarında en az 1 ay olarak tespit edilmiştir. Buna göre, bu tip mini referans elektrotların belli koşullar dahilinde, uygun cihazlarla kısa süreli vücut sıvıları ölçümü dahil çeşitli çalışmalarda kullanıma uygun olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Potentiometry is a two-electrode system. Studies, understandably, have generally concentrated on indicator electrodes. The reference electrodes, among which the silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrodes have a large usage rate, are quite well defined and used without any problems. However, concepts such as personalized medicine, point-of-care analysis and on-site/on-time measurement, which have seen various applications in recent years, and the increasing pressure of miniaturization necessitate smaller sizes for reference electrodes as well as working electrodes. This situation brings along new problems for conventional electrodes and requires redesigning the reference electrodes as well as the indicator electrodes, which form the other half of the system, with different materials, in different shapes and sizes.
In this study, various solid state reference electrodes were designed based on Ag/AgCl. First, large-sized and rod-shaped solid state reference electrodes were prepared and different materials and compositions were tried, then from this basis the final mini reference electrode design was clarified with new compositions by reducing the size. All developed electrodes were compared both with each other and with commercial Ag/AgCl reference electrodes.
As a result of the studies, it was determined that the best performing mini reference electrode was the electrode with 3 layers, 50% graphite oxide, 40% epoxy and hardener in each layer, and prepared by adding 10% silver, 10% silver chloride and 10% potassium chloride for each layer, respectively and this electrode was subjected to additional characterization tests. The electrode, which was prepared with a maximum thickness of 5 mm and a diameter of 2 mm, operated with a sufficiently good deviation of 120 µV/hour. It has also been found to be quite stable at pH 3-11, and work well enough for many applications at pH 2 and 12. In experiments with various ion-selective electrodes against the commercial reference electrode, it has been shown to work with an average error of less than 1%. The shelf life of the mini reference electrode has been determined to be longer than 1 year and the service life to be at least 1 month under continuous operating conditions. Accordingly, this type of mini reference electrodes is considered to be suitable for use in various studies, including short-term measurement of body fluids with appropriate devices, under certain conditions.