Development of conductive oxide based thin film modified electrodes and biosensors applications

Abstract

From the first biosensor produced in 1956 to the present day, biosensors have been highly developed and diversified. In biosensor manufacturing, thin films have become a rapidly emerging field. Depending on the thin film material used, thin films have many advantageous properties for biosensors, such as high surface-to-volume ratio, conductivity, stability, specificity, biocompatibility, and good electrocatalytic activity. Dopamine is a neurotransmitter that has a significant impact on the emergence and treatment of certain diseases such as Alzheimer's and Parkinson's diseases. Dopamine monitoring is important for the prevention of these diseases, and it is a favorable option to use biosensors, which are useful and practical tools, instead of time-consuming and expensive conventional methods. For this purpose, in this thesis, a non-enzymatic electrochemical biosensor based on thin film electrodes was developed for monitoring dopamine levels. The electrodes were developed by deposition of Zn2SnO4 (ZTO) thin film on ITO thin film substrate by DC magnetron sputtering technique. The properties of the electrodes were determined by thickness, optical transmittance, XRD and SEM analysis. Electrochemical analysis, namely CV, EIS and DPV measurements, were performed before and after the electrodes were sonicated and modified with APTES before their application to the voltammetric detection of dopamine. In addition, electrochemical measurements were performed before/after sonication, APTES modification. Dopamine was detected by a voltammetric method using DPV technique. Furthermore, experiments in the presence of interferents such as ascorbic acid (AA), uric acid (UA) etc. showed that the thin film electrodes can be successfully applied for voltammetric determination of dopamine. As a result, the biosensor technology developed in this study has the potential to be wearable in the future, enabling non-invasive monitoring of dopamine levels in body fluids such as saliva, tears and sweat.

1956 yılında üretilen ilk biyosensörden günümüze kadar geçen sürede, biyosensörler oldukça gelişmiş ve çeşitli alanlarda kullanılmaya başlamıştır. Biyosensör üretiminde ince filmlerin kullanılması ise hızla gelişen bir alan haline gelmiştir. İnce filmlerin sahip olduğu yüksek yüzey-hacim oranı, iletkenlik, kararlılık, özgüllük, biyouyumluluk ve iyi elektrokatalitik aktivite gibi özellikler, biyosensörler için oldukça avantajlıdır. Dopamin ise, Alzheimer ve Parkinson gibi bazı hastalıkların ortaya çıkması ve tedavisinde önemli bir etkisi olan nörotransmiterdir. Vücuttaki dopamin miktarının takibi bu hastalıkların önlenmesi için önemlidir. Dopamin miktarını belirlemek için kullanılan geleneksel yöntemler zaman alıcı ve pahalıdır. Bu yöntemlerin yerine kullanışlı ve pratik araçlar olan biyosensörlerin kullanılması daha uygun ve hayat kolaylaştırıcı bir seçenektir. Bu kapsamda tezde hazırlanan ince film elektrotlar kullanılarak enzime gerek duymaksızın dopamin tayinini mümkün kılan bir elektrokimyasal biyosensör geliştirilmiştir. Elektrotlar, DC mıknatıssal saçtırma tekniği ile ITO ince film substratı üzerine Zn2SnO4 (ZTO) ince filminin biriktirilmesiyle üretilmiştir. Üretilen elektrotların karakteristik özellikleri kalınlık, optik geçirgenlik, XRD ve SEM analizleri ile belirlenmiştir. Elektrot yüzeyleri sonikasyon ve APTES ile modifiye edilip dopamin ile muamele edildikten sonra ise elektrokimyasal analiz yöntemleri olan CV, EIS ve DPV ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal ölçümler sonikasyondan önce, APTES modifikasyonundan önce ve sonra gerçekleştirilmiş olup ortamdaki dopamin miktar tayini DPV tekniğine dayalı voltametrik yöntemle gerçekleştirilebilmiştir. Ayrıca askorbik asit (AA), ürik asit (UA) vb. gibi girişim yapabilecek türlerin varlığında yapılan deneylerde, geliştirilen ince film elektrotların voltametrik dopamin tayini için başarılı bir şekilde uygulanabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak, çalışmada geliştirilen biyosensör teknolojisi gelecekte giyilebilir hale getirilerek tükürük, gözyaşı ve ter gibi vücut sıvılarında dopamin seviyesinin invaziv olmayan bir yöntemle izlenmesini sağlama potansiyeline sahiptir.