Development of Ca doped ZnO thin films for optical biosensors used in biomedical applications

Abstract

Optik biyosensörler, sağlık ve biyomedikal endüstrisi de dahil olmak üzere çeşitli alanlarda büyük potansiyele sahiptir. Nanomalzemelerin, biyosensör uygulamaları için bir biyotanıma katmanı olarak mükemmel bir bileşen olduğu bilinmektedir. Çinko oksit (ZnO) bazlı ince filmler, biyolojik molekülleri bağlamak için iyi biyouyumlulukları, geniş yüzey alanı ve geliştirilmiş optik özellikleri nedeniyle sensör yüzeyleri için umut verici malzemelerdir. Geçmişten günümüze kimyasal bisfenol A (BPA) çeşitli sağlık sorunlarıyla ilişkilendirilmiştir ve tespit edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, sol-jel daldırma ve döndürmeli kaplama yöntemleri ile ZnO ve kalsiyum (Ca) katkılı ZnO ince filmler üretilmiştir. ZnO tozunun termal özellikleri termogravimetrik/diferansiyel termal analiz (TG/DTA) ile araştırılmıştır. İnce filmlerin mikro yapısını ve yüzey morfolojisini karakterize etmek için X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) kullanılmıştır. Daldırma kaplama ile hazırlanan ince filmlerin kırılma indisini ölçmek için prizma kuplörü kullanılmıştır. Tüm ince filmler için Python görüntü veri analizi kullanılarak yüzey gözeneklilik oranı hesaplanmıştır. Sonuçlar, %10 Ca katkılama oranının ZnO ince filmlerin mikroyapısal özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ve antikor immobilizasyonu için en uygun olduğunu göstermektedir. Geliştirilen ince filmlerin biyosensörlerde kullanılabileceğini göstermek için Ca katkılı ZnO ince filmlerin yüzeyinde bisfenol A (BPA) antikorlarının immobilize edilmesi amaçlanmıştır. UV-Vis-NIR spektrofotometresi, ince filmlerin optik özelliklerini incelemek için kullanılmıştır ve BPA'yı saptamak için bir optik dönüştürücü olarak kullanılmıştır.Optical biosensors have great potential in a variety of fields, including healthcare and biomedical industry. Nanomaterials are known to be an excellent component as a biorecognition layer for biosensor applications. Thin films based on zinc oxide (ZnO) are promising materials for sensor surfaces due to their good biocompatibility for binding biological molecules, large surface area and improved optical properties. From past to present, the chemical bisphenol A (BPA) has been linked to various health problems and needs to be detected. In this study, ZnO and calcium (Ca) doped ZnO thin films were fabricated by sol-gel dip and spin coating methods. The thermal properties of the ZnO powder were investigated by thermogravimetric/differential thermal analysis (TG/DTA). X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) were used to characterize the microstructure and surface morphology of the thin films. The prism coupler was used to measure the refractive index of the thin films prepared by dip coating. The surface porosity ratio was calculated using Python image data analysis for all thin films. The results show that the 10% Ca doping ratio had a significant effect on the microstructural properties of the ZnO thin films and was most suitable for antibody immobilization. The aim was to immobilize bisphenol A (BPA) antibodies on the surface of Ca-doped ZnO thin films to demonstrate that the developed thin films can be used in biosensors. The UV-Vis-NIR spectrophotometer was used to study the optical properties of the thin films and used as an optical transducer to detect BPA.