Biyokütleden karbonize iletken elektrot malzemesi üretimi ve biyoelektronik uygulamalarda kullanımı
Production of carbonized conductive electrode material from biomass and its use in bioelectronic applications
Yazar: ŞEVKİ FURKAN KÜÇÜKAYAR
Danışman: DOÇ. SAMET ŞAHİN ; DOÇ. DR. VELİ ŞİMŞEK
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Biyosensörler = Biosensors ; Elektrotlar = Electrodes ; Karbonlaştırma = Carbonization ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Biyosensörler ve yakıt hücreleri biyobelirteçlerin tayini başta olmak üzere birçok alanda
kullanılmaktadır. Enzimatik biyosensörler ve enzimatik yakıt hücreleri enzimlerin fizyolojik
şartlarda çalışabilmeleri, yüksek özgüllükleri ve küçük ölçekte tasarım imkânı sağlamaları
nedeniyle öne çıkan sistemlerdir. Bu çalışmada, farklı biyokütle kaynakları kullanılarak
karbonizasyon yöntemiyle iletken elektrot malzeme hazırlanmış ve elde edilen bu karbonize
malzemenin biyoelektronik uygulamalardaki performansının incelenmiştir. Bu kapsamda ilk
olarak, hasır otu püskülü (TT) ve kedi söğüdünden (PW) karbonizasyon yöntemiyle iletken
karbonize malzemeler elde edilmiştir (CTT ve CPW). Elde edilen karbonize malzemeler
fiziksel, kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle karakterize edilmiş, baskı devre karbon
elektrotlar üzerine kaplanmış ve yüzeylerine glikoz oksidaz enzimi tutuklanmıştır. Daha sonra
en uygun enzim tutuklama yöntemi belirlenmiş ve biyosensör çalışma potansiyeli, uygulanan
enzim ve mediyatör miktarları optimize edilmiştir. Hazırlanan elektrotlar test edilerek, tekrar
edilebilirlikleri, raf ömürleri, girişim etkileri, doğrusal çalışma aralıkları, tayin limitleri (LOD
ve LOQ) belirlenmiş ve gerçek numune testleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra bu elektrotlar
platin karası ile geliştirilen katot ile birleştirilerek yakıt hücresi testleri gerçekleştirilmiştir. CTT
ve CPW modifiye elektrotların 5 mM glikoz derişimde tekrar edilebilirlik bağıl standart sapma
değerleri sırasıyla % 6,67 ve %12,85 olarak elde edilmiş, 30 günün sonunda akım değişiminin
sırasıyla %12,33 ve %19,56 olarak bulunmuştur. Biyosensör, muhtemel girişim yapması
beklenen ürik asit, askorbik asit ve insülin varlığında test edildiğinde glikoz cevabına karşı bu
maddelerin anlamlı bir girişim etkisi görülmemiştir. Sensörün doğrusal çalışma aralığı her iki
malzeme için de 0 – 10 mM olarak belirlenmiş, CTT ve CPW için LOD değerleri ise sırasıyla,
0,45 mM ve 0,31 mM; LOQ değerleri ise sırasıyla 1,35 mM ve 0,93 mM olarak hesaplanmıştır.
Biyosensörlerin glikoz tayini için uygulanabilirliği gerçek numune (çilek, vişne ve kayısı reçeli)
testleri ile gösterilmiştir. Son olarak, CTT ve CPW ile hazırlanan yakıt hücrelerinden üretilen
maksimum güç yoğunluğu değerleri ise sırasıyla 3,54 µW/cm2
ve 3,31 µW/cm2
olarak elde
edilmiştir.

Abstract:
Biosensors and fuel cells are used in many applications, especially in the determination of
biomarkers. Enzymatic biosensors and enzymatic fuel cells, on the other hand, stand out due to
the ability of enzymes to work under physiological conditions, their high specificity, and their
miniature design possibilities. This study aims to produce conductive electrode materials using
different biomass sources via carbonization and to examine the performance of this carbonized
material in bioelectronic applications. First, conductive carbonized materials were obtained
from typha tassel (TT) and pussy willow (PW) using the carbonization method (CTT and
CPW). The carbonized materials obtained were characterized by physical, chemical, and
electrochemical methods, coated on screen-printed carbon electrodes and the glucose oxidase
enzyme was immobilized on modified surfaces. The most suitable enzyme immobilization
method was determined and the biosensor working potential, applied enzyme, and mediator
amounts were optimized. The reproducibility, shelf life, interference effects, linear operating
ranges, and detection limits (LOD and LOQ) of the prepared electrodes were determined, and
real sample tests were carried out. Then, these electrodes were combined with the cathode
developed with platinum black, and fuel cell tests were carried out. The relative standard
deviation values of the repeatability of CTT and CPW-modified electrodes at 5 mM glucose
concentration were calculated as 6.67% and 12.85%, respectively, and the current change at the
end of 30 days was found to be 12.33% and 19.56%, respectively. When the biosensor was
tested in the presence of uric acid, ascorbic acid, and insulin, no significant interference effect
was observed against the glucose response. The linear operating range of the sensor is
determined as 0 – 10 mM for both materials, the LOD values for CTT and CPW are 0.45 mM
and 0.31 mM, respectively, and the LOQ values are 1.35 mM and 0.93 mM, respectively. The
applicability of biosensors for glucose determination has been demonstrated by real sample
(strawberry, cherry, and apricot jam) tests. Finally, maximum power density values obtained
from fuel cells prepared with CTT and CPW are 3.54 µW/cm2
and 3.31 µW/cm2,respectively.