Nanolif esaslı yüzey baskılı elektrotların hazırlanması ve biyosensör uygulamaları
Preparation of nanofiber-based screen-printed electrodes and biosensor applications
Yazar: ELİF MERVE ÖZER
Danışman: PROF. DR. PINAR ÇAMURLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Kronoamperometri = Chronoamperometry ; Polifenol = Polyphenol ; Üre biyosensörler = Urea biosensors

Özet:
Biyolojik ve biyokimyasal süreçler; klinik teşhisler, tıbbi uygulamalar, biyoreaktörler, gıda kalite kontrolü, tarım, endüstriyel atık su kontrolü, madencilik ve savunma sanayisinde çok önemli bir role sahiptir. Ancak, biyolojik verilerin ölçülebilir sinyale dönüştürülmesi oldukça zaman alıcı bir süreçtir. Bu bağlamda biyosensörler geniş bir şekilde araştırılmış olup, yüksek hassasiyet, seçicilik ile ölçüm yapabilen biyosensörlere olan ilgi ve ihtiyaç hızla artmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, düşük maliyetli, minyatürleştirilmeye uygun ve seri üretimi kolay olan yüzey baskılı elektrotların (YBE'lerin), yeni elektrokimyasal algılama platformları geliştirmek ve performanslarını iyileştirmek için geleneksel elektrotlara güçlü bir alternatif oluşturduğunu göstermiştir. Güvenilir ve hassas bir biyosensörün geliştirilmesinde anahtar faktörlerden biri biyoreseptörlerin immobilizasyonu için uygun bir matris hazırlanmasıdır. 
Son yıllarda yapılan çalışmalar, nanolif içeren matrislerin kullanımının geniş yüzey alanına sahip olmaları sebebi ile biyosensör performansına olumlu yönde etki ettiğini göstermiştir. Bu matrisler arasında poliakrilonitril (PAN) nanolifleri sahip olduğu yüksek çekme dayanımı, termal ve mekanik stabilite, çözünme ve organik çözücülerde şişmeye karşı direnç gösterme gibi özellikleri nedeniyle öncü bir rol oynamıştır. Ayrıca, enzimin aktif merkezi ile elektrot yüzeyi arasındaki elektron transferini geliştiren ve medyatör olarak adlandırılan maddelerin yapıya dahil edilmesinin de biyosensör performansına olumlu yönde katkı sağladığı bilinmektedir. 
Bu bilgilerden yola çıkarak bu tez çalışmasında medyatör içeren nanolifler, yüzey baskılı ve geleneksel elektrotlar kullanılarak, yüksek duyarlılığa sahip yeni nesil biyosensörlerin üretilmesi amaçlanmıştır. PAN, PAN-MWCNT, Naylon 6-MWCNT, PAN/Metilen Mavisi, PAN/Nötral Kırmızı ve PAN/Tiyonin nanoliflerinin ucuz, basit yöntemler ile elde edilmesi ve amperometrik biyosensörlerde matris olarak kullanılmaları hedeflenmiştir. Elektro-eğirme yöntemi ile hazırlanan bu matrisler ile Glikoz oksidaz, Üreaz ve Polifenol oksidaz temelli biyosensörler hazırlanmış ve duyarlılık, ölçüm aralığı, kararlılık, tespit sınırı, girişim etkisi ve gerçek numune analizi açısından değerlendirilmiştir. Gerçek numune analizlerinde glikoz biyosensörleri için ticari meyve suları, polifenol biyosensörleri için musluk suyu ve üre biyosensörleri için ise insan idrarı örnekleri kullanılmıştır.
Glikoz oksidaz temelli biyosensörler arasında, Tiyonin (TH) içeren ancak iletken bir nanoparçacık ilavesine (MWCNT) ve elektrokimyasal polimerizasyona ihtiyaç duyulmadan hazırlanan YBCE/PAN-TH-Nfs/GOx biyosensörünün 126,73 μA/mM.cm2 ile en yüksek duyarlılığa sahip olduğu bulunmuştur. Fenolik bileşiklerin analizi için tasarlanan polifenol biyosensörlerinde ise Pt/PAN-MWCNT-NFs/PPO biyosensörünün katekol, p-klorofenol ve fenol için elde edilen duyarlılık değerleri sırasıyla, 366 μA/mM.cm2, 25 μA/mM.cm2 ve 14,66 μA/mM.cm2 olarak hesaplanmıştır. Son olarak üre biyosensörü için elde edilen duyarlılık değeri 325,74 μA/mM.cm2 olarak belirlenmiştir. Tez çalışması kapsamında hazırlanan biyosensörler literatürdeki diğer çalışmalar ile kıyaslandığında medyatör ve nanolif temelli matris kullanımın enzim biyosensörlerinin performansına olumlu etki yaptığı belirlenmiştir.

Abstract:
Biological and biochemical processes have a very important role in clinical diagnostics, medical applications, bioreactors, food quality control, agriculture, industrial wastewater control, mining and defense industries. However, converting biological data into measurable signal is a very time-consuming process. In this context, biosensors have been extensively researched, and the interest and need for biosensors that can measure with high sensitivity and selectivity is increasing rapidly. Recent studies have shown that screen-printed electrodes (SPEs), which are low-cost, suitable for miniaturization, and easy to mass-produce, represent a powerful alternative to conventional electrodes to develop new electrochemical sensing platforms and improve their performance. One of the key factors in the development of a reliable and sensitive biosensor is the preparation of a suitable matrix for the immobilization of bioreceptors.
Recent studies have shown that the use of nanofiber-containing matrices has a positive effect on biosensor performance due to their large surface area. Among these matrices polyacrylonitrile (PAN) nanofibers has played a leading role due to its high tensile strength, thermal and mechanical stability, resistance to dissolution and swelling in organic solvents. In addition, it is known that the inclusion of substances called mediators, which improve the electron transfer between the active center of the enzyme and the electrode surface, contributes positively to the biosensor performance.
Based on this information, in this thesis, it is aimed to produce new generation biosensors with high sensitivity by using nanofibers containing mediator, screen-printed and conventional electrodes. It is aimed to obtain PAN, PAN-MWCNT, Nylon 6-MWCNT, PAN/Methylene Blue, PAN/Neutral Red and PAN/Thionine nanofibers by cheap and simple methods and to use them as matrix in amperometric biosensors. With these electrospun matrices Glucose oxidase, Urease and Polyphenol oxidase based biosensors were prepared and all were evaluated in terms of sensitivity, linear range, stability, detection limit, interference effect and real sample analysis. In real sample analysis, commercial fruit juices were used for glucose biosensors, tap water for polyphenol biosensors and human urine samples were used for urea biosensors.
Among the glucose oxidase-based biosensors, YBCE/PAN-TH-Nfs/GOx biosensor containing Thionine (TH), which was prepared without the addition of MWCNT, a conductive nanoparticle or electrochemical polymerization, was found to have the highest sensitivity with 126.73 μA/mM.cm2. In the polyphenol biosensors designed for the analysis of phenolic compounds, Pt/PAN-MWCNT-NFs/PPO biosensor revealed sensitivity of 366 μA/mM.cm2, 25 μA/mM.cm2 and 14.66 μA/mM.cm2 for catechol, p-chlorophenol and phenol, respectively. Finally, the sensitivity value obtained for the urea biosensor was determined as 325.74 μA/mM.cm2. When the biosensors prepared within the scope of the thesis study were compared with other studies in the literature, it was determined that the use of mediator and nanofiber-based matrix had a positive effect on the performance of enzyme biosensors.