Kapasitif nano-biyosensörlerin algılama hassasiyetlerinin geliştirilmesinin araştırılması

Abstract

Biyolojik algılama mekanizmaları içerisinde impedimetrik ölçüm metodu etiketsiz olması, ucuzluğu, nano boyutlarda uygulanabilirliği, çok düşük güçlerde çalışabilmesi ve elektronik sistemlere adapte olabilirliği ile rakipleri arasında öne çıkmaktadır. Ancak empedans temelli ölçüm sistemlerinde sıvı ölçümü, uygulanan elektrik alandan dolayı oluşan elektriksel çift katman etkisi sebebiyle sağlıklı yapılamaz. İyonlar ard arda iki perde oluşturarak analitlerin tespitini zorlaştırır. Nano aralıklı sensörler bu problemi büyük ölçüde halledebilmektedir. Bu tez çalışmasında dikey yapılı kapasitif nano-biyosensörlerin algılama hassasiyetlerinin arttırılması araştırılmıştır. Farklı boyutlarda tasarlanan biyosensörlerde elektrot olarak altın tercih edilmiştir. Elektrotlar arasındaki dielektrik katman için alümina (Al2O3) büyütülmüştür. Nano aralık, üretilen biyosensörlerin dielektrik tabakasını oluşturan alüminanın aşındırılmasıyla elde edilmiştir. Üretilen nano-biyosensörler düşük frekans değerlerinde çalışabilmektedir. Sensör karakterizasyonu 50 kHz frekans değerinde yapılmıştır. Geliştirilen etiketsiz nano-biyosensörler 10 mV değerinde çalışabildiğinden güç sarfiyatları düşüktür. Sensörlerin kararlılık ve tekrarlanabilirlik testleri yapılarak sensörlerin güvenilirlikleri ispat edilmiştir. Üretilen nano sensörlerin, saflaştırılmış su, metanol, etanol ve IPA solventlerini dielektrik katsayısına göre ayırt edebilmesi araştırılmıştır. Sensörlerin ölçtüğü değerler ve solventlerin dielektrik katsayıları kullanılarak basit doğrusal regresyon yöntemi uygulanmış ve dielektrik katsayısındaki birim miktardaki değişikliğe karşılık kapasitans değerindeki değişim 117 pF olarak hesaplanmıştır. Farklı boyutlarda üretilmiş olan dört farklı sensörle yapılan kuru ve sulu ölçüm sonuçları arasındaki sensörlerin kapasitans değişimlerinin sulu ölçüm değerine oranı hesaplanmış ve değişim miktarının %53 ile %66 değerleri arasında olduğu görülmüştür. Farklı boyutlardaki sensörlerin algılama hassasiyetlerinin farklı olduğu yapılan araştırmalarla gösterilmiştir. Bu çalışma nano-biyosensörlerin geliştirilebilir olduğunu göstermiştir. Hassasiyetin arttırılabilir olmasının, özellikle sağlık alanında kullanılan biyosensörler bakımından umut verici olduğu düşünülmektedir.

Among biological detection mechanisms, impedimetric measurement method, with its being unlabelled, cheapness, applicability in nano sizes, can operate at very low power and the adaptability to the electronic systems, stands out among its competitors. However, liquid measuerement in impedance-based measurement systems, can not be healty due to the effect of electrical double layer caused by applied electric field. Ions complicates the detection of analytes by creating two consecutive scenes. Nanogap sensors can handle this problem greatly. In this thesis, increasing detection sensitivity of vertical capacitive nanobiosensors is investigated. İn the biosensors that are designed with different sizes, gold is preferred as electrodes. For dielectric layer between the electrodes, alumina (Al2O3) is growth. Nanogap is obtained by etching the alumina that is forming the dielectric layer of the biosensor. Fabricated nano-biosensors can operate at low frequencies. Sensor characterization was made worth 50 kHz. Developed unlabeled nano-biosensors can operate at 10 mV worth so the power consumption is low. Reliability of sensors have been proved by making their stability and repeatibility tests. It is investigated that fabricated nanosensors can discriminate deionised water, methanol, ethanol and IPA solvents according to the dielectric coefficient. By using the values measured by the sensors and the solvents' dielectric coefficients, simple linear regression method was applied and change in the capacitance value corresponding to the unit amount change in dielectric constant is calculated 117 pF. The ratio of wet measurement values to capacitance changes of sensors between wet and dry measurement results that are made by four different devices which are fabricated in different dimensions and the amount of change has been seen between the values 53% and 66%. It has been shown by researches detection sensitivity of sensors in different dimentions are different. This study has shown that nano-biosensors can be improved. Sensitivity may be increased to being, especially with regard to biosensors used in medical area are thought to be promising.