Seramik nanolif esaslı elektrokimyasal hidrojen peroksit ve glukoz sensörlerinin geliştirilmesi
Development of ceramic nanofiber based electrochemical hydrogen peroxide and glucose sensors
Yazar: BÜŞRA CEBECİ
Danışman: PROF. DR. FARUK GÖKMEŞE
Hitit Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada elektrospinleme yöntemi ile nanolif yapısında grafen, paladyum ve gümüş gibi katalitik etkiye sahip maddeler içeren kompozit seramik malzemeler hazırlanıp, bu nanoliflerin kül fırınında kül haline getirilmesi ve camsı karbon elektrot yüzeylerine modifiye edilerek; Hidrojen peroksit ve Glukoz duyarlı sensör geliştirilmesi amaçlanmıştır. Grafen oksit (GO) destekli paladyum-gümüş nanokompozit malzemeler elektrokimyasal sensör uygulamalarında katalizör olarak kullanılmıştır. Düşük maliyetli ve yüksek performanslı nanokompozit malzemelerin kullanılmasıyla etkin ve enzimsiz elektrokimyasal sensörler geliştirilmiştir. Elektrospinleme yöntemiyle nanolif üretebilmek için grafen oksit, gümüş nitrat ve paladyum klorür, polivinil alkol çözeltisine eklenerek sol-jel yöntemiyle PVA/GO/PdAg çözeltileri hazırlanmıştır. Farklı oran ve içerikte hazırlanan çözeltiler elektrospinleme yöntemi ile spinlenerek nano boyutlarda lifler üretilmiştir. Elde edilen nanolifler 400°C sıcaklıkta kalsine edilmiştir. Hazırlanan nanokompozit malzemelerin karakterizasyonları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Ayırımı Spektroskopisi (EDS), Fourier Dönüşümlü Infrared Spektroskopisi (FTIR), Termo-gravimetrik Analiz (TGA/DSC), Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) ve X-Işını Kırınımı (XRD) yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Karakterizasyon işlemleri tamamlanan nanokompozit malzemeler kullanılarak dimetilformamid (DMF) içerisinde GO/PdAg/DMF süspansiyonu hazırlanmıştır. Hazırlanan bu süspansiyonlar katalizör süspansiyonu olarak sensör uygulamalarında camsı karbon elektrot üzerine uygulanmıştır. 
Sensör çalışmalarında hidrojen peroksit (H2O2) ve glukoz hedef moleküller olarak kullanılmış, H2O2 ve glukoz miktarlarının tayinleri amperometrik yöntem ile yapılmıştır. Bu yöntemde, temizlenmiş camsı karbon elektrot yüzeyi, hazırlanan GO/PdAg/DMF süspansiyonu ile modifiye edilerek elektrokimyasal sensör yüzeyleri elde edilmiştir. Hazırlanan yüzeyler daha sonra üç elektrotlu elektrokimyasal hücreye yerleştirilerek sabit bir potansiyel altında sensör performansları; kalibrasyon duyarlılığı, doğrusal çalışma aralığı, tekrarlanabilirlik ve raf ömrü açısından incelenmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen enzimsiz hidrojen peroksit sensörünün doğrusal çalışma aralığı 0,05-65 mM için; doğrusal korelasyon katsayısı 0,99, duyarlılık 15,70 µA/mM, algılayabildiği en küçük derişim (LOD) 61 µM ve gözlenebilme sınırı (LOQ) ise 203,57 µM olarak hesaplanmıştır. Tekrarlanabilirlik çalışmaları sonucunda bağıl standart sapması (RSD) %1,02, tekrar üretilebilirlik çalışması sonucunda bağıl standart sapma (RSD) 5,06 olarak hesaplanmıştır. Uzun dönem kararlılık çalışmasında otuzuncu gün sonunda tasarlanan hidrojen peroksit sensörünün başlangıç aktivitesini %86,58 oranında koruduğu görülmüştür. Tasarımı gerçekleştirilen enzimsiz glukoz sensörünün doğrusal çalışma aralığı 0,1-50 mM için; doğrusal korelasyon katsayısı 0,99, duyarlılıl 1,17 µA/mM, algılayabildiği en küçük derişim (LOD) 92,46 µM ve gözlenebilme sınırı (LOQ) ise 308,22 µM olarak hesaplanmıştır. Tekrarlanabilirlik çalışmaları sonucunda bağıl standart sapması (RSD) %3,75, tekrar üretilebilirlik çalışması sonucunda RSD %3,9 olarak hesaplanmıştır. Uzun dönem kararlılık çalışmasında otuzuncu gün sonunda tasarlanan glukoz sensörünün başlangıç aktivitesini %89,39 oranında koruduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, composite ceramic materials containing substances with catalytic effects such as graphene, palladium and silver in nanofiber structure are prepared by electrospinning method, these nanofibers are turned into ash in the ash furnace and modified to glassy carbon electrode surfaces; It is aimed to develop a hydrogen peroxide and glucose sensitive sensor. Graphene oxide (GO) supported palladium-silver nanocomposite materials have been used as catalysts in electrochemical sensor applications. Efficient and enzyme-free electrochemical sensors have been developed through the use of low-cost and high-performance nanocomposite materials. In order to produce nanofibers by electrospinning method, graphene oxide, silver nitrate and palladium chloride were added to polyvinyl alcohol solution and PVA/GO/PdAg solutions were prepared by sol-gel method. Solutions prepared in different ratios and contents were spun by electrospinning method to produce nano-sized fibers. The resulting nanofibers are calcined at a temperature of 400°C. The characterizations of the prepared nanocomposite materials were made using Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Separation Spectroscopy (EDS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermo-gravimetric Analysis (TGA/DSC), Transmitting Electron Microscopy (TEM) and X-Ray Diffraction (XRD) methods. GO/PdAg/DMF suspension was prepared in dimethylformamide (DMF) using nanocomposite materials whose characterization processes were completed. These prepared suspensions were applied on a glassy carbon electrode in sensor applications as catalyst suspensions.
Hydrogen peroxide (H2O2) and glucose were used as target molecules in sensor studies, and the determination of H2O2 and glucose amounts was made by amperometric method. In this method, the cleaned glassy carbon electrode surface was modified with the prepared GO/PdAg/DMF suspension to obtain electrochemical sensor surfaces. The prepared surfaces are then placed in the electrochemical cell with three electrodes to ensure sensor performances under a constant potential; examined for calibration sensitivity, linear operating range, repeatability and shelf life. For the linear operating range of the designed enzyme-free hydrogen peroxide sensor, the linear correlation coefficient is 0,99, and the sensitivity is 15,70 µA/mM for the 0,05-65 mM range; The smallest detectable concentration (LOD) was calculated as 61 µM and the limit of detection (LOQ) was calculated as 203,57 µM. Relative standard deviation (RSD) was calculated as 1,02% as a result of reproducibility studies and as 5,06 as a result of reproducibility study. In the long-term stability study, it was observed that the hydrogen peroxide sensor designed at the end of the thirtieth day preserved its initial activity by 86,58%. For the linear operating range of the designed enzyme-free glucose sensor, the linear correlation coefficient was 0,99, and the sensitivity was 1,17 µA/mM for the 0,1-50 mM range; The smallest detection limit (LOD) that it could detect was calculated as 92.46 µM and the limit of detection (LOQ) was calculated as 308,22 µM. Relative standard deviation (RSD) was calculated as 3,75% as a result of repeatability studies, and as 3,9% as a result of reproducibility study. In the long-term stability study, it was observed that the glucose sensor designed at the end of the thirtieth day preserved its initial activity by 89,39%.