Glucose biosensor applications based on graphene foam/α-Fe2O3 nanocomposite Grafen köpük/α-Fe2O3 nanokompozit tabanlı glukoz biyosensör uygulamaları

ABSTRACTThree-dimensional graphene foam (GF) is used as a practical substance due to its high electrical conductivity and high surface area in many advanced applications. Moreover, hematite (α-Fe2O3) nanowires play a significant role in sensitivity and selectivity of biosensors by increasing the surface area of nanocomposite structures. Therefore, a hierarchical GF/α-Fe2O3 nanocomposite structure was developed in this thesis with superior properties for the construction of an enzymatic glucose biosensor.Characterizations of the obtained structure were carried out by using Raman Spectroscopy, X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM). As a result, graphene was synthesized on nickel foam, and single-layer graphene foam (I2D/IG2.96) was obtained after etching nickel substrate. Thereafter, hematite nanowires with a length of approximately 430 nm were successfully fabricated on graphene foam using hydrothermal method. Thesurface of the fabricated hierarchical nanocomposite structure was coated by chitosan (CS) and glucose oxidase enzyme (GOx) in order to be used as a working electrode of a biosensor. Electrochemical properties of the developed nanocomposite electrode were determined by Cyclic Voltammetry (CV), Chronoamperometry, and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The results showed a sensitivity of 9.61 μAmM-1cm-2 and a wide linear detection against glucose concentrations in the range of 1-5 mM (R20.96451). Besides, the developed glucose biosensor provided a limit of detection (LOD) of 2.39 μM. Selectivity, reproducibility, response time, and storage stability of the sensor were found to be satisfactory. In conclusion, the ITO/GF/α-Fe2O3/CS/GOx sensor can be an alternative for glucose determination in the future.ÖZETÜç boyutlu grafen köpük (GF), sahip olduğu yüksek elektriksel iletkenlik ve geniş yüzey alanı nedeniyle birçok gelişmiş uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca, hematit (α-Fe2O3) nanotelleri, nanokompozit yapıların yüzey alanını artırarak biyosensörlerin duyarlılığında ve seçiciliğinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada ise, enzimatik glukoz biyosensörü yapısında üstün özellikler gösteren hiyerarşik GF/α-Fe2O3 nanokompozit yapısı geliştirilmiştir. Elde edilen yapının karakterizasyonu, Raman Spektroskopisi, X-Işını Kırınımı (XRD), X-Işını Fotoelektron Spektroskopi (XPS) ve Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) kullanılarak tamamlanmıştır. Bu çalışma sonucunda, nikel köpük üzerinde (I2D/IG2.96) grafen sentezi tamamlanarak transfer işlemi sonrası nikelin ortamdan uzaklaştırılması ile tek katmanlı grafen köpük elde edilmiştir. Daha sonra, hidrotermal yöntemle grafen köpük üzerinde yaklaşık 430 nm uzunluğa sahip hematit nanotelleribaşarılı bir şekilde üretilmiştir. Üretilen hiyerarşik nanokompozit yapının yüzeyi, bir biyosensörün çalışma elektrodu olarak kullanılması için kitosan (CS) ve glikoz oksidaz enzimi (GOx) ile kaplanmıştır. Son olarak geliştirilen çalışma elektrodunun elektrokimyasal karakterizasyonu, Dönüşümlü Voltametri (CV), Kronoamperometri ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ile belirlenmiştir. Elde edilen biyosensör, 0-0.6 V potansiyel aralığında, 9.61 μAmM-1cm-2 değerinde bir duyarlılık ve 1-5 mM (R20.96451) aralığında bulunan glukoz derişimlerine karşı geniş bir doğrusal tayin aralığı göstermiştir. Ayrıca geliştirilen glukoz biyosensörü, 2.39 μM değerinde bir tespit limiti (LOD) göstermiştir. Sensörün seçiciliği, tekrarlanabilirliği, tekrar oluşturulabilirliği, cevap süresi ve depolama kararlılığının tatmin edici olduğu görülmüştür. Sonuçlar, ITO/GF/α-Fe2O3/CS/GOx sensörünün gelecekte glukoz tayininde kullanılabilecek bir çalışma elektrodu olabileceğinigöstermiştir.