Display of electrical properties and applications of graphene based electrochemical biosensor

Abstract

Bu tez, biyokimyasal analitlerin hızlı, hassas, yerinde ve güvenilir tespiti için lazerle çizilmiş grafen (LSG) tabanlı elektrokimyasal biyosensörler geliştirmeyi amaçlamaktadır. Biyosensörler, erken hastalık teşhisi, çevresel izleme, gıda güvenliği ve ilaç dağıtımı gibi birçok alanda hassas, hızlı, düşük maliyetli ve gerçek zamanlı teşhis fırsatları sunmaktadır. LSG üretim tekniği kimyasal içermeyen, doğrudan baskı ve hızlı üretim süreci gibi mükemmel avantajları nedeniyle son zamanlarda biyosensör uygulamaları için tercih edilen bir teknik haline gelmiştir. Grafen sahip olduğu etkileyici iletkenlik, hızlı eletkron transferi, geniş ve porlu yüzey alanı, mekanik dayanımı, termal ve kimyasal kararlılık gibi özelliklerinden dolayı biyosensör hassasiyeti açısından uygun bir malzeme olarak seçilmiştir. Çalışma kapsamında, farklı parametrelere sahip grafen ve grafen fiber elektrotlar lazerle çizdirme yöntemi ile üretilmiş ve üç farklı fluence değeri uygulanarak üretilen grafen fiber elektrotlar yüzey morfolojisi, kimyasal ve elektrokimyasal özelliklerine göre kendi aralarında karşılaştırılmış; bunlardan biri grafen biri de grafen fiber olmak üzere biyosensör uygulanabilirliği için seçilmiştir. Bu elektrotların morfolojik, kimyasal ve elektrokimyasal özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), Enerji dağıtıcı spektroskopi (EDS) Raman spektroskopisi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve X-ışını kırınımı (XRD) teknikleriyle ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Bu analizlerin yanı sıra, biyosensör performansı askorbik asit (AA) ve fosfat tamponlu çözelti (PBS) ile hazırlanan çözücüde döngüsel voltametri (CV) ile değerlendirildi. Ayrıca duyarlılık ve seçicilik parametrelerini iyileştirmek için elektrotların yüzey modifikasyonu optimize edildi. Sonuçlar, lazerle çizdirilerek üretilen grafen elektrotlarının yüksek elektrokimyasal aktivite ve düşük tespit limitleri (LOD) sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, lazerle çizilmiş grafen bazlı biyosensörlerin geliştirilmesinin düşük maliyetli, taşınabilir ve yüksek performanslı tespit platformlarının oluşturulmasına doğru önemli bir adım olduğunu ortaya koymaktadır. Bu sensörlerin özellikle sağlık, çevre, biyomedikal uygulamalar, gıda endüstrisi ve savunma sanayii gibi alanlardaki geniş uygulama potansiyeli de değerlendirilmiştir.This thesis aims to develop laser-scribed graphene (LSG) based electrochemical biosensors for fast, sensitive, in situ and reliable detection of biochemical analytes. Biosensors offer opportunities for sensitive, fast, low-cost and real-time diagnostics in many fields such as early disease diagnosis, environmental monitoring, food safety and drug delivery. The LSG fabrication technique has recently become a preferred technique for biosensor applications due to its excellent advantages such as chemical-free, direct printing and fast manufacturing process. Graphene has been selected as a suitable material for biosensor sensitivity due to its impressive conductivity, fast electron transfer, large and porous surface area, mechanical strength, thermal and chemical stability. Within the scope of the study, graphene and graphene fiber electrodes with different parameters were produced by laser scribing method and graphene fiber electrodes produced by applying three different fluence values were compared among themselves according to their surface morphology, chemical and electrochemical properties; one of them, graphene and one graphene fiber, were selected for biosensor applicability. The morphological, chemical and electrochemical properties of these electrodes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), Energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) techniques. Besides these analyses, the biosensor performance was evaluated by cyclic voltammetry (CV) in solvent prepared with ascorbic acid (AA) and phosphate buffered solution (PBS). Moreover, the surface modification of the electrodes was optimized to improve sensitivity and selectivity parameters. The results indicate that graphene electrodes fabricated by laser scribing offer high electrochemical activity and low limit of detection (LOD) values. This study digs that the development of laser-scribed graphene-based biosensors is an important step towards the creation of low-cost, portable and high-performance detection platforms. The broad application potential of these sensors, especially in areas such as healthcare, environment, biomedical applications, food industry and defense industry, is also evaluated.