Glukoz oksidaz bazlı enzim elektrotlarda elektriksel iletkenliğin geliştirilmesi
Improvement of electrical conductivity of GOD based enzyme electrodes
Yazar: GONCA BİLGE
Danışman: PROF. DR. SELMA MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Elektrotlar = Electrodes ; Glükoz oksidaz = Glucose oxidase ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Sunulan çalışma ile önemi giderek artan, birçok araştırmaya konu olan biyosensörler ve biyoyakıt pili uygulamalarında kullanılmak üzere elektriksel iletimi geliştirilmiş glukoz oksidaz (GOD) bazlı enzim elektrodu oluşturulması hedeflenmiştir.Bu amaçla, enzimin redoks aktif merkezi ve elektrot arasındaki elektriksel iletimin arttırılması esas alınarak, farklı immobilizasyon yöntemleriyle elektriksel iletkenliği geliştirilmiş glukoz oksidaz bazlı enzim elektrodu tasarımı önerilmiştir.Tez kapsamında amaçlanan GOD enzim elektrodu tasarım çalışmaları kovalent bağlama, elektrokimyasal immobilizasyon ve apo-enzimin yeniden yapılandırılması yöntemleri ile gerçekleştirilmiş, hazırlanan enzim elektrotların performansları karşılaştırılmıştır.Elektrot ve enzimin redoks aktif merkezi arasındaki elektron transferini arttırmak amacıyla, kovalent bağlama ve elektrokimyasal immobilizasyon yöntemlerinde medyatör moleküllerinden, apo-enzimin yeniden yapılandırılması yönteminde ise direk elektron transferinden yararlanılmıştır.Enzim elektrodu tasarım çalışmalarından, kovalent ve elektrokimyasal immobilizasyon yöntemlerinde iletken polimer olarak polipirol (PPy), medyatör olarak dimetilaminometil ferrosen (DMAMFc), apo-enzimin yeniden yapılandırılması yönteminde ise iletken polimer olarak polianilin (PAn) ile modifikasyon yapılmıştır. İmmobilizasyon işlemlerinin verimini arttırmak amacıyla her immobilizasyon yöntemine özgü immobilizasyon parametreleri incelenmiştir. Apo-enzimin yeniden yapılandırılması yönteminde stabilizasyon problemi ile karşılaşıldığı için immobilizasyon parametreleri üzerinde çalışılamamıştır.pH ve sıcaklık gibi çevresel koşulların hazırlanan enzim tabanlı elektrotların performansına etkisi bir elektrokimyasal potansiyostat-galvanostat sisteminde kronoamperometri (CA) yöntemiyle incelenmiştir. Enzim elektrotların kalibrasyon eğrileri çıkartılarak kinetik parametreler (Imax, Km) hesaplanmıştır. Buna göre elektrokimyasal immobilizasyon yöntemiyle hazırlanan enzim elektrodunun Km değeri 7 mM, Imax değeri 833 µA, kovalent bağlama yöntemiyle hazırlanan enzim elektrodunun Km değeri 19.87 mM, Imax değeri 1250 µA, apo-enzimin yeniden yapılandırılmasıyla hazırlanan enzim elektrodunun Km değeri 27.4 mM, Imax değeri 2000 µA olarak bulunmuştur.Kovalent bağlama ve elektrokimyasal immobilizasyon yöntemleri ile hazırlanan enzim elektrotları biyoyakıt hücresinde test edilmiştir. Biyoyakıt hücresinin performansı, akım-voltaj karakteristiğini veren değerlendirmeler ile sunulmuştur. Bu sonuçlara göre kovalent bağlama ile oluşturulan biyoanodun bağlı olduğu biyoyakıt hücresinde açık devre potansiyeli (OCP) 333 mV, kısa devre akım yoğunluğu 18.17 µA/cm2 (0.85 ? direnç altında), maksimum güç yoğunluğu 0.9 µW/cm2; elektrokimyasal immobilizasyon ile oluşturulan biyoanodun bağlı olduğu biyoyakıt hücresinde ise açık devre potansiyeli (OCP) 456 mV, kısa devre akım yoğunluğu 13.30 µA/cm2 (0.85 ? direnç altında), maksimum güç yoğunluğu 0.88 µW/cm2 olarak bulunmuştur.Son olarak farklı immobilizasyon yöntemleri ile hazırlanan enzim elektrotlarının yüzeyleri AKM ve FTIR teknikleri ile topografik ve kimyasal olarak karakterize edilmiştir.Bu çalışma ile dünyada son dönemde hızlı bir gelişme sürecine giren enzim tabanlı yakıt pili teknolojisinde ve hemen her alanda kullanılma imkanı bulan biyosensörlerin gelişiminde farklı enzim immobilizasyon yaklaşımları ile elektrot performansının değerlendirmesi sunulmuştur.

Abstract:
This study aims to develop electrical conductivity of glucose oxidase based (GOD) enzyme electrode for biosensors and biofuel cells applications which has become more important.For this purpose, the design of glucose oxidase based enzyme electrode which is based on development of electrical conductivity between the redox active center of enzyme and the electrode prepared by different enzyme immobilization techniques has been proposed.In the scope of thesis, the design studies of GOD enzyme electrode including covalent bounding, electrochemical immobilization and reconstitution of apo-enzyme techniques have been presented. The enzyme electrodes prepared by different immobilization techniques were compared with each other.To increase the electron transfer between the redox center of enzyme and electrode, in the covalent bounding and electrochemical immobilization techniques the mediator molecules, in the reconstitution of apo-enzyme technique direct electron transfer were used.Polipyrrole (PPy) as conductive polymer and dimethyl aminomethyl ferrocene (DMAMFc) as mediator were used in the covalent bounding and electrochemical immobilization techniques. Polyaniline as conductive polymer was used in the reconstitution of apo-enzyme technique. For increasing the efficiency of immobilization, some parameters of immobilization were studied. Immobilization parameters of reconstitution of apo-enzyme technique couldn?t be studied due to stabilization problem of this technique.The effects of environmental factors such as pH and temperature on enzyme based electrodes were investigated by chronoamperometry (CA) technique in electrochemical potantiostat-galvanostat system. Calibration curves of enzyme electrodes were plotted and the kinetic parameters (Km, Imax) were calculated. For the enzyme electrode prepared by electrochemical immobilization, Km is 7 mM and Imax is 833 µA. For the prepared enzyme electrode by covalent bounding, Km is 19.87 mM, Imax is 1250 µA. For the third one, theenzyme electrode prepared by the reconstitution of apo-enzyme, Km is 27.4 mM, Imax is 2000 µA.Prepared enzyme electrodes by covalent bounding and electrochemical immobilization techniques were tested on a biofuel cell. The performance of the biofuel cell was discussed from its current-potential characteristics. According to this result, biofuel cell consist of prepared bioanode by covalent bounding open circuit potential (OCP) is 333 mV, short circuit current density was 18.17 µA/cm2 (under 0.85 ? resistance) and maximum power density was 0.9 µW/cm2. Biofuel cell consist of prepared bioanode by electrochemical immobilization open circuit potential (OCP) is 456 mV, short circuit current density was 13.30 µA/cm2 (under 0.85 ? resistance) and maximum power density was 0.88 µW/cm2.Finally, the surfaces of prepared enzyme electrodes by different immobilization techniques were characterized as topografhical and chemical by AFM and FTIR.With this study the performances of enzyme electrodes which prepared by different immobilization techniques on biofuel cells and biosensors were presented.