TNT tabanlı patlayıcıların tespiti için esnek grafen bazlı sensörlerin geliştirilmesi

Abstract

Biyo/kimyasal sensörler, belirli hedef moleküllere karşı yüksek seçicilik gerektirir. Karbon nanomalzemeler, özellikle grafen bazlı yapılar, yüksek yüzey alanı, üstün elektriksel iletkenlik, mekanik dayanıklılık ve esneklik gibi özellikleri sayesinde sensör uygulamalarında öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında, Hummers yöntemi kullanılarak grafen oksit (GO) sentezlenmiş ve bu yapıların zeta potansiyel değerleri ile yüzey kimyası analiz edilmiştir. GO'nun sulu ortamda yüksek zeta potansiyel değerleri sayesinde kolloidal stabilite sağladığı görülmüş, HCl ile muamele sonrasında ise yüzeydeki fonksiyonel gruplarda (özellikle karboksil, karbonil ve alkoksi gruplarında) belirli değişiklikler gözlenmiştir. Ancak, damlatma yöntemiyle hazırlanan indirgenmiş GO (rGO) filmleri, yüzeyde düzensiz morfolojiler sergilemiş ve üretim sürecinde tekrarlanabilir sonuçlar vermemiştir. Bu nedenle, daha kontrollü, homojen ve tekrarlanabilir bir üretim sağlayan lazerle indüklenmiş grafen (LIG) yöntemine geçilmiştir. Bu yöntemde, CO? lazer kullanılarak poliimid (PI) yüzey üzerinde doğrudan üç boyutlu, gözenekli ve iletken grafen yapıları elde edilmiştir. LIG yüzeyleri, DNT ve TNT'ye özgü seçici peptitlerle (DNT-bp, TNT-bp) fonksiyonelleştirilmiş, EDC/NHS kimyası ile kovalent bağlanma sağlanmış ve bu bağlanma FTIR, Raman ve XPS analizleriyle doğrulanmıştır. İmmobilizasyon sonrasında elde edilen yüksek çözünürlüklü N1s XPS spektrumları, her iki peptit için N–C=O fonksiyonel grubu ile protonlanmış azot sinyali arasında bir fark olduğunu göstermiştir. Özellikle DNT'ye özgü peptit (DNT-bp) immobilize edildiğinde, yüzeye bağlanma sonucunda daha fazla NHS esteri tepkimeye girmiştir. Bu durum, XPS analizinde daha az N–C=O fonksiyonel grubunun ve daha fazla protonlanmış azot sinyalinin gözlemlenmesine neden olmuştur. Protonlanmış azottaki bu artış, DNT-bp'nin TNT-bp'ye kıyasla daha etkin bir şekilde immobilize edildiğini göstermektedir. Elektriksel karakterizasyonlar dört uçlu Kelvin bağlantısı ile gerçekleştirilmiş, DNT'ye maruz kalan yüzeylerde analit konsantrasyonuna bağlı olarak direnç artışı kaydedilmiştir. Peptit ile modifiye edilen yüzeyler, yalın LIG'e göre daha yüksek sinyal yanıtı sunmuş, her iki yapı da 10??–10?? M aralığında hassasiyet göstermiştir. Ayrıca, DNT-bp ile fonksiyonelleştirilen LIG yüzeyler, yalnızca DNT'ye karşı yüksek seçicilik sergilemiş, nitrotoluen, tolüen ve etanol gibi benzer bileşiklere karşı düşük yanıt vermiştir. Bu çalışma, DNT'ye özgü peptit ile fonksiyonelleştirilmiş LIG yüzeylerin, DNT gibi tehlikeli bileşiklerin seçici, duyarlı ve düşük maliyetli tespiti için uygun bir sensör platformu sunduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, bu sistemin güvenlik ve çevresel izleme gibi alanlarda potansiyel uygulamalara sağlam ve yenilikçi bir zemin oluşturmaktadır.Bio/chemical sensors require high selectivity toward specific target molecules. Carbon nanomaterials, especially graphene-based structures, stand out in sensor applications due to their high surface area, excellent electrical conductivity, mechanical robustness, and flexibility. In the first phase of this thesis, graphene oxide (GO) was synthesized using the Hummers method, and its zeta potential values and surface chemistry were analyzed. GO exhibited high colloidal stability in aqueous media owing to its high zeta potential values. However, after treatment with HCl, certain changes were observed in the surface functional groups, particularly in carboxyl, carbonyl, and alkoxy groups. Nevertheless, reduced GO (rGO) films prepared by drop-casting exhibited irregular surface morphology and lacked reproducibility in the production process. Therefore, a more controlled, homogeneous, and reproducible method—laser-induced graphene (LIG)—was adopted. In this method, three-dimensional, porous, and conductive graphene structures were directly formed on polyimide (PI) substrates using a CO? laser. LIG surfaces were functionalized with DNT- and TNT-specific selective peptides (DNTbp, TNT-bp) via covalent bonding using EDC/NHS chemistry, which was confirmed by FTIR, Raman, and XPS analyses. High-resolution N1s XPS spectra obtained after immobilization revealed differences between the N–C=O functional group and the protonated nitrogen signals for each peptide. Particularly, when DNT-specific peptide (DNT-bp) was immobilized, more NHS ester groups reacted with the surface, resulting in a lower N–C=O signal and a higher protonated nitrogen signal in the XPS spectrum. This increase in protonated nitrogen indicates that DNT-bp was immobilized more effectively than TNT-bp. Electrical characterizations were performed using the fourpoint Kelvin connection method, and a concentration-dependent resistance increase was recorded upon exposure to DNT. Peptide-modified surfaces exhibited higher signal responses compared to bare LIG, with both surfaces demonstrating sensitivity in the range of 10??–10?? M. Moreover, LIG surfaces functionalized with DNT-bp showed high selectivity only toward DNT, while giving low responses to structurally similar compounds such as nitrotoluene, toluene, and ethanol. This study demonstrates that LIG surfaces functionalized with DNT-specific peptides offer a suitable sensor platform for the selective, sensitive, and low-cost detection of hazardous compounds such as DNT. The results provide a solid and innovative foundation for potential applications in fields such as security and environmental monitoring.