Silika Kaynaklı Mezo-gözenekli Malzemelerin Enzimatik Elektrokimyasal Sistemlerde Kullanımının İncelenmesi

Abstract

Gerçekleştirilen bu projenin temel amacı; silika kaynaklı mezo-gözenekli destek malzemelerin, enzim tutuklanması için uygunluğunun incelenmesi ve elektrokimyasal biyoelektronik sistemlerdeki performansının incelenmesidir. İlk olarak, enzim tutuklanmasını sağlayacak silika kaynaklı malzemelerin sentezi hydrotermal yöntemle gerçekleştirilmiştir. Sentezleri gerçekleştirilen MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16 silika kaynaklı mezogözenekli malzemelerin fiziksel özellikleri XRD(X-ışını kırınımı), FTIR(Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi) ve SEM(Taramalı elektron mikroskobu) karakterizasyon yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen karakterizasyon analizleri sonucunda sentezlenen gözenekli malzemelerin (MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16) literatüre uygun olarak sentezlendikleri belirtilmiştir.MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16 destek malzemelerine iletkenlik multi-walled karbon nano tüpleriyle dispersiyon işlemleri hem kalsinasyon öncesi hem de kalsinasyon sonrası farklı çözeltiler(saf su, etanol ve DMF gibi) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca multi-walled karbon nano tübün SEM analizleri yapılmıştır. Daha sonra, MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16 destek malzemeleri multi-walled karbon nano tüpleriyle dispersiyon işlemleri sonrası kütlece farklı oranlarda saf su içerisinde(1/1, 1/1.5 ve 1/2; multi-walled karbon nanotüp(MWCNTs)/MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16) süspansiyonları hazırlanmıştır. Elde edilen süspansiyonlarla baskı devre karbon elektrotlar üzerine kaplama işlemleri gerçekleştirilmiş ancak tekrar kaplama işlemlerinde tekrarlanabilirliğin elde edilemediği belirlenmiştir. Bu sonucun, MWCNTs ile elde edilen silika kaynaklı mezogözenekli süspansiyonların yeterli düzeyde disperse olmadıklarından dolayı kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu nedenden dolayı, MWCNTs yerine silika kaynaklı mezogözenekli malzemelere iletkenlik kazandırmak için grafen oksit(GO) kullanılmıştır. Daha sonra saf su kullanılarak kütlece farklı oranlarda grafen oksit ve silika kaynaklı mezogözenkli (1:1, 1:1.5 ve 1:2; GO/MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16) süspansiyonları hazırlanmıştır. Hazırlanan süspansiyonların SPE’ler üzerine kaplandıkları gözlenmiştir. Silika kaynaklı mezogözenekli malzemelerle ve GO ile hazırlanan süspansiyonlar üzerinde optimizasyon çalışmaları lineer taramalı voltametri(LSV) ve dönüşümlü voltametri (CV)elektrokimyasal analiz yöntemleriyle gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmaları sonucunda kütlece 1:1 oranında GO/MCM-41 ve SBA-15 süspansiyonları ile kaplanan SPE'ların daha iyi katalitik etkiye sahip oldukları gözlenmiştir. Projenin son kısmında ise GO/MCM-41, MCM-48, SBA-15 ve SBA-16 kaplı SPE’lerin üzerine farklı konsantrasyonlarda glikoz oksidaz enzimi adsorpsiyon yöntemiyle tutuklanması gerçekleştirilmiş, LSV ve ElectroAnalysis Amperometric Detection(EAD) yöntemleri kullanılarak glikoza karşı verdiği katalitik cevaplar incelenmiştir. GO/mezo-gözenekli malzemelerin 5mM glikoz gün içi ve gün aşırı LSV analizleri gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmalarına göre seçilen zaman, konsantrasyon ve akım değerleri kullanılarak (LSV eğrilerine ait veriler) 3 farklı yöntemle regresyon (R2) değerleri hesaplanmıştır. GO ve silika-bazlı GO kaplı SPE'lara ait sonuçlar karşılaştırılmıştır. Ayrıca enzimle tutuklanmış GO ve silika-bazlı GO kaplı baskı devre elektrotların(SPE) biyo-yakıt hücrelerinde kullanılması incelenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak silika-bazlı GO kaplı SPE'lar içerisinde en tutarlı sonuçları SPE/GO/MCM-41/GOx(Glikoz oksidaz)( kütlece 1/1; GO/MCM-41) elektrotuna ait olduğu belirlenmiştir. Elde edilen analiz sonuçlarına göre SPE/GO/MCM-41/GOx elektrotunun SPE/GO/GOx elektrotuna göre yaklaşık 4 kat daha kararlı olduğu hesaplanmıştır. 14. gün sonunda SPE/GO/MCM-41/GOx elektrotuna ait katalitik aktivite kaybı %18.6 olarak elde edilirken, SPE/GO/GOx elektrotuna ait katalitik aktivite kaybı %81.18 olarak hesaplanmıştır.

The main purpose of this project is to examine the suitability of silica-based mesoporous support materials for enzyme arrest and their performance in electrochemical bioelectronic systems. First, the synthesis of silica-based materials that will enable enzyme arrest was carried out by the hydrothermal method. The physical properties of MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16 silica-based mesoporous materials were investigated using XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier transform infrared spectrometer), and SEM (Scanning electron microscope) characterization methods. It was stated that the synthesized porous materials (MCM-41, MCM-48, SBA-15 and SBA-16) as a result of the obtained characterization analysis were synthesized in accordance with the literature. Dispersion processes with conductivity multi-walled carbon nanotubes on MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16 support materials were carried out using different solutions (such as pure water, ethanol, and DMF) before and after calcination. In addition, SEM analyzes of the multi-walled carbon nano-tube were performed. Then, MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16 support materials are dispersed with multi-walled carbon nanotubes in different proportions by mass in pure water (1/1, 1 / 1.5, and 1/2; multi- Walled carbon nanotube (MWCNTs)/MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16) suspensions were prepared. Coating processes were carried out on printed circuit carbon electrodes with the obtained suspensions, but it was determined that repeatability could not be achieved in recoating processes. This result is thought to be due to the insufficient dispersion of the silica-derived mesoporous suspensions obtained with MWCNTs. For this reason, graphene oxide (GO) has been used instead of MWCNTs to impart conductivity to mesoporous materials originating from silica. Then, by using pure water, different proportions of graphene oxide and silica-derived meso-colored suspensions (1: 1, 1: 1.5 and 1: 2; GO/MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16) were prepared. It was observed that the prepared suspensions were coated on SPEs. Optimization studies on silica-derived mesoporous materials and suspensions prepared with GO were carried out by linear LSV and CV electrochemical analysis methods. As a result of the optimization studies, it was observed that SPEs coated with GO/MCM-41 and SBA-15 suspensions at a ratio of 1:1 by mass had a better catalytic effect. Moreover, the glucose oxidase enzyme adsorption method was arrested on SPE coated with GO and GO/MCM-41 at a ratio of 1: 1, and its catalytic response to glucose was investigated using LSV. In the last part of the project, different concentrations of glucose oxidase enzyme were arrested on SPEs coated with GO/MCM-41, MCM-48, SBA-15, and SBA-16 by adsorption method, and their catalytic responses against glucose were investigated using LSV and EAD methods. During the day and every other day, LSV analyzes of 5mM glucose of GO/mesoporous materials were performed. According to optimization studies, regression (R2) values were calculated with 3 different methods using selected time, concentration, and current values (data of LSV curves). Furthermore, results for GO and silica-based GO coated SPEs were compared. In addition, the use of enzyme-arrested GO and silica-based GO coated SPEs in bio-fuel cells was investigated and the results obtained were compared. Consequently, it was determined that the most consistent results among the silica-based GO coated SPEs belong to the SPE/GO/MCM-41/GOx (1/1 by mass; GO/MCM-41) electrode. According to the analysis results(at the end of the 14th day, catalytic activity loss of SPE/GO/MCM-41/GOx electrode was obtained as 18.6%, while catalytic activity loss of SPE/GO/GOx electrode was calculated as 81.18%.), it was calculated that the SPE/GO/MCM-41/GOx electrode was approximately 4 times more stable than the SPE/GO/GOx electrode.