Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
485299		Empedans değişimi üzerinden mikroorganizma tayini yapmayı hedefleyen sensör sistemi çalışması / Sensor system study targeted to microorganism detection under impedance change Yazar:SEVİLAY BURCU ŞAHİN Danışman: PROF. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı Konu:Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans Türkçe 2017 147 s.
Artan dünya nüfusu, tarım ve enerji üretimi, iklimsel bozulmalar, endüstriyel kirlenmeler gibi nedenler ile kullanılabilir su kaynakları günden güne azalmaktadır. Birleşmiş Milletler'in 2017 yılında yayınlamış oldukları rapora göre günümüzde dünya üzerinde var olan toplam nüfusun üçte ikisi yılın en az bir ayı su kıtlığı çekmektedir. Su kaynaklarının bu denli az oluşu, birçok bölgede insanları düşük kalitede içme ve kullanma suyu tüketmeye itmektedir. Hindistan, Endonezya, Nijerya, Pakistan gibi ülkeler başta gelmek üzere dünya üzerinde 1 milyar insan güvenli içme ve kullanma suyuna erişememektedir. İçme ve kullanma suyu riski yaşamayan ülkeler için de su kaynaklı hastalıkların insanların yaşam kalitelerini etkilediğini söylemek mümkündür. Birçok sebeple içme veya kullanma sularının insan sağlığını ciddi oranda etkileyecek kontaminasyonlar taşıması mümkün olabilir. Örneğin, klor ile sterilizasyonu sağlanmış şebeke suyu, dağıtım hatlarının eski ve bakımsız olması nedeniyle evlerimize ulaşana kadar kontamine olabilmektedir. Su soğutucu / ısıtıcı sistemlerin çıkış borularında gelişen biyofilm tabakası nedeniyle steril olarak alınan ambalajlı ticari suları kontamine olabilmektedir. Tüm bu durumlar dikkate alındığında insanların tükettikleri suyun kalitesi ile ilgili kaygı taşımaları kaçınılmaz bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durumda, var olan kaygıları gidermek veya risk altında olan bölgelerde güvenliği sağlamak amacıyla insanlara sunulabilecek bir teknolojiye ihtiyaç olduğunu söylemek mümkündür. Bir su örneğinin sahip olduğu mikrobiyal kirliliğin tayininin yapılmasında tercih edilen en temel ve yaygın kullanılan yöntem klasik mikrobiyolojik ekim teknikleridir. Bu uygulama sadece bu alanda uzman bir kişi tarafından yürütülebilmekte, özel donanım ve malzemeler gerektirmektedir. Ayrıca bu uygulamalarda sonuç yaklaşık 1-2 gün sonunda elde edilmektedir. Bu nedenle insanların günlük hayatlarında tükettikleri içme ve kullanma sularının güvenliğini tayin etmede kendilerinin uygulayacağı bir teknik hala mevcut değildir. Son yıllarda sıklıkla çalışılan bir alan olan biyosensör sistemler, hem çok çeşitli olması hem de hızlı ve kesin ölçümler sunması nedeniyle mevcut sorun ve taleplere bir çözüm sunma ihtimali taşımaktadır. Bu tez çalışmasında tüketicilere sunulabilecek kolay kullanımlı, hızlı ve kesin ölçüm sunan, portatif veya cihaz içi kullanıma uyumlu, tek kullanımlı olmayan ve düşük maliyetli bir suda mikroorganizma tayini yapmayı sağlayan sensör sistem geliştirilmesi temel hedef olarak belirlenmiştir. Bu alanda yapılan literatür ve piyasa araştırmaları sonucunda en çok çalışılan biyosensör çalışmalarından olan elektrokimyasal biyosensörler altında yer alan empedimetrik sensör sistemlerin bu amaca uygunluğu öğrenilmiştir. İlk olarak 1899 yılında kan örnekleri içine aşılanan mikroorganizmaların metabolik faaliyetlerinden dolayı meydana getirdikleri değişimler ile mikroorganizma konsantrasyonu ilişkilendirilmiştir. Bu ilişkiden yola çıkarak gelişen "Empedans Mikrobiyoloji" alanı özellikle 70'li yıllarda çok çalışılmış ve günümüze kadar gelişerek birçok teknoloji sunmuştur. Bu sistemler, basit tasarıma sahip oldukları için süt, dondurma, su gibi farklı tür örnekler için evrilmesi kolaydır. Klasik mikrobiyolojik ekim yöntemleri ile kıyaslandığında daha düşük maliyet ve kolay kullanım sunmaları bu sistemlerin laboratuvar ortamları için de uygunluğunu gündeme çıkarmıştır. Bu teknikle tayin yapmayı hedefleyen BacTrac (Sy-Lab, Purkersdorf, Austria) gibi cihazlar laboratuvar testleri için alternatif olarak piyasada mevcuttur. Bu tez çalışmasında klasik empedans mikrobiyoloji temeline dayanarak tasarlanan iki sensör sistem test edilmiş, su ve sıvı besi yeri örneklerinde bakteriyel kontaminasyonların tayini hedeflenmiştir. Ancak bu sistemlerin saatler içinde sonuç veriyor olması, tayin limitinin yüksek olması, ortam koşullarının değişiminden fazlaca etkileniyor olması gibi dezavantajlardan dolayı literatürde sistem üzerinde birçok araştırma ve geliştirmeye gidildiği görülmektedir. Bu gelişimlerden bir tanesi elektrot tasarımında yapılan gelişimler olarak karşımıza çıkmaktadır. Özellikle interdigitated elektrotlar ile kurulan sistemlerin oldukça yüksek başarı sundukları görülmektedir. İnterdigitated elektrot, iki elin parmaklarının iç içe geçmesi gibi iç içe geçmiş mikroelektrot parmaklardan oluşan elektrot tasarımıdır. Bu tasarım sayesinde çok daha az hacimde örnek kullanılarak daha yüksek hassasiyette ölçüm alınmasını sağlamak hedeflenmiştir. Ayrıca mikro akışkan sistemler için uygun olan bu teknik ile sensör sistem kurulması için Dropsens (Asturias, İspanya), Micrux (Asturias, İspanya), AB Tech (Richmond, Virjinya) gibi firmalardan farklı özelliklere interdigitated elektrotların temin edilmesi mümkündür. Malzeme, boyut, üretim özellikleri, kullanım alanları farklılıkları ile oldukça çeşitli elektrot tasarımlarına ticari olarak erişmenin mümkün olmasının yanı sıra literatürde birçok araştırma ekibinin kendi amaçlarına yönelik özellikleri taşıyacak elektrotları kendilerinin üretmeleri de karşılaşılan bir durumdur. Bu tez çalışmasında, Dropsens (Asturias, İspanya) firmasından temin edilen mikroelektrot parmak aralıklarının 5 ve 10 μm olduğu iki tip altın interdigitated elektrotun LCR metre cihazına bağlanması ile mikroorganizma algılama sensör sistemi kurulmuştur. Maksimum 100 μL örnek hacmi ile çalışılan bu sistemde farklı E. coli konsantrasyonuna sahip su örnekleri test edilmiştir. Farklı özelliklere sahip su örneklerinin test edilmesi ile kurulan sistemin birden fazla alanda kullanılabilir olması başlıca hedeflerden biri olmuştur. Yapılan çalışmalar doğrultusunda sistemin en uygun çalışma parametreleri belirlendikten sonra ölçüm hassasiyetini geliştirmek ve ölçüm süresini kısaltmak için dielektroforez uygulaması ile sistem üzerinde gelişim kaydedilmiştir. Dielektroforez, alternatif akım altında düzgün olmayan elektrik alanda kısmi yüklü bir parçacığın hareketini sağlayacak kuvvettir. Kısmi negatif yüke sahip mikroorganizma hücreleri, pozitif dielektroforetik kuvvet etkisi ile elektrik alanın büyük olduğu tarafa çekilerek elektrot yüzeyinde toplanması sağlanır. Bu çekim işlemi etkisinde kalan mikroorganizma hücreleri inci dizileri gibi ardışık olarak dizilerek karşılıklı gelen iki mikroelektrot parmak arasında köprü oluşturur. Bu köprü nedeniyle elde edilen sinyal değişiminden yola çıkarak mikroorganizma varlığı ve miktarının tayin edilmesi mümkündür. Bu çalışmada literatürden elde edilen bilgiler doğrultusunda sisteme uygulanan pozitif dielektroforetik kuvvet sayesinde tayin limitinin düşmesi, tayin süresinin kısalması, çevresel etkilerin ölçüm üzerine olan olumsuz etkilerinin azaltılması gibi talepler test edilmiştir. Elde edilen olumlu sonuçların ardından daha geniş kapsamda numunenin test edilmesi ile yüksek numune iletkenliği ve kısa elektrot ömrünün bu sistemin başarısının önünde en temel engel olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında içme suyu mikrobiyal kontaminasyonunun yüksek hassasiyette ve hızlı bir şekilde tespit etmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, üç farklı sensör sistem için yürütülen testlerin sonunda interdigitated elektrotlar ile tasarlanmış sensör sistemlerin dielektroforez uygulaması ile birlikte tayin için kullanılmasının yüksek verim sunduğu gözlemlenmiştir. Kurulan sistemde tayin limiti 103 kob/mL mikroorganizma kontaminasyonu olarak belirlenmiş olduğundan hedeflenen sensör hassasiyetini kısmi olarak karşılayamamıştır. Sistem üzerinde yürütülen testlerin optimizasyonlarının yapıldığı 7 log/mL mikroorganizma kontaminasyonu koşulunda ise yaklaşık % 70 empedans değişimi elde edilerek tayinin gerçekleştirilebiliyor olması sistemin gerekli hassasiyette çalıştığının kanıtı olmuştur. Bu verilere dayanarak tasarlanmış olan sensör sistemi içme ve kullanma suyunda mikroorganizma algılama işlemi yapabilen bir cihaz haline getirilebilmiştir. Tasarlanan sistemin en büyük eksikliği, yapılan testlerin sonunda elde edilen verilere göre tasarımda kullanılan elektrotların maksimum 8 kullanıma kadar değerlendirilebilir sonuç vermesidir. Yapılan testlerde yaklaşık 200 μS/cm üst limitine kadar sistemin etkili bir şekilde çalıştığı ve bu değerin üzerine çıkıldıkça verimde düşüş olduğu tespit edilmiştir. Ambalajlı suların dâhil olduğu bu üst limit ile mevcut sistem piyasanın ihtiyacını karşılamaktadır. Ancak daha yüksek iletkenlik değerine sahip yüzey suyu, şebeke suyu veya atık su gibi numunelerin test edilebilmesi için sisteme ilave bir çözüm sunulmalıdır. Sonuç olarak tasarlanan cihazda, tüm dezavantajları uzaklaştırmaya yönelik; kullanım paketinin oluşturulması, kit tasarımı gibi ek çözümler ile, geliştirilen sensör sisteminin mevcut su hijyeni problemlerine hitap edebilecek bir ürün olarak piyasaya sunulabilmesi mümkündür.
Because of some important reasons such as growing population on the world, agriculture or energy production, climate change, industrial pollution etc., usable water sources have reduced daily. According to World Water Development Report of United Nations, some descriptions of governments, total population of the world is suffering from water scarcity at least one month per year. It is known obviously that most people in the world have to be forced to use low quality water because water sources are very few and not suitable for use. Especially people living in countries like India, Indonesia, Nigeria, Pakistan, today 1 billion people cannot access the safe drinking water. Unsafe drinking water is the major problem on the spreading of infectious diseases such as dengue fever around the world. Because of these, not only these countries had a safe water problem but also all of the world is responsible from water quality. Water quality is a major problem on human health not only in underdeveloped countries but also in developed countries. In developed countries, drinking water or tap water can have a contamination that affect human life quality and health even there is a disinfection application. For example, chlorine disinfection is most popular way to disinfect tap water on many countries. However, this disinfected water can be contaminated on the distribution lines, which are old and neglected. In addition to this, biofouling on the outlet pipes of water-cooling / heating systems may be reason for drinking water contamination. Even these systems are generally disinfected by ozonation on certain periods, if biofouling layer is constructed on the pipe surface it is hard to remove microorganisms from there. This situation can be the most common reason for contamination of drinking water. However, these systems are very popular and commonly used in many place. Because of this, it can pose a risk for human health. When all these situations are taken into the consideration, it is inevitable for people to worry about the quality of the water they consume. In the light of this problem it is possible to say that there is an urgent need for technology that can be offered to people in order to get rid of existing concerns or to provide security at risk areas. The most basic and widely used method for determining the microbial contamination of a water sample is classical microbiological techniques. This practice can only be carried out by a specialist, also required special equipment and materials. In addition, the results are obtained after about 1-2 days in these applications. For this reason, there is still no technique to be applied by people to determine the safety of drinking water they consume in their daily lives. Biosensor systems, which have been a lot of work carried out in recent years, are likely to offer a solution in this area because they are both very versatile and offer fast and accurate measurements. In this thesis, it is aimed to develop a sensor system which can provide an easy-touse, fast and precise measurement, portable or integrable. When this system will be presented to the consumer, microorganism determination can be made easily from water. As a result of the literature and market research, impedimetric sensor system was found as most popular and suitable sensor system for microbial contamination detection. In 1899 it was discovered that microorganism concentration was correlated with changes of electrical parameters on the blood sample. Based on this relationship, "Impedance Microbiology" area was developed. In this field it is considered that microorganisms are very dynamic life forms which exchange some materials used on their metabolic reactions by their environments. By these exchanges, low charged materials such as glucose are taken from environment, used on the inside of the cell and more charged end products are obtained and removed from outside of the cell. In addition to these reactions, microorganisms have ion exchange by their ion channels. All of these situations cause significant changes of some electrical parameters of the environment. By following these changes, scientists aim to estimate level of microbial contamination of the tested sample on impedance microbiology studies. These studies are very common and excessive especially in the 70's, media, conductivity, temperature and other effects on these aspects were well characterized in this period. By the time this approach is used to develop detection of microorganisms by sensor system. Since these systems have a simple design, it is easy to evolve for different types of samples such as milk, ice cream, and water. When this technology is compared to conventional microbiological methods, they offer lower cost and ease of use, by which these systems shows suitability for use in laboratory. According to the literature, today there are many technologies depended on impedance microbiology. Devices such as BacTrac (Sy-Lab, Purkersdorf, Austria) that are available on the market aim to make this technique as an alternative to laboratory testing. Here, we have aimed two sensor systems designed on the basis of classical impedance microbiology, which have been tested for detection of bacterial contamination in water and liquid media samples. Different electrode designs and materials were tested and optimum parameters were determined by samples. Effects such as frequency and voltage, duration, temperature, etc. were tested. By all the tests, it was gained an idea about that usefulness of the system, yield, state of hope for future studies. It was proved that these systems have some disadvantages such as giving results within hours, high limit of detection, affecting much from environmental changes. Because of these, many researches were studied in the literature to improve these systems. One of these improvements are also made in electrode design. Especially interdigitated electrodes established by the system appears to be quite successful. Because of this, it was decided in this thesis study that interdigitated electrodes were obtained commercially and tested to have more sensitive sensor system. The interdigitated electrode is a special electrode design consisting of nested microelectrode fingers like hand fingers. Thanks to this design, it is possible to take measurements with higher precision using much less volume of sample. It is also possible to provide interdigitated electrodes for different features from companies such as Dropsens (Asturias, Spain), Micrux (Asturias, Spain), AB Tech (Richmond, Virginia). In addition to all of these properties, sensor systems are suitable to construct microfluidic systems. Although it is possible to access a wide variety of electrode designs commercially, many researchers in the literature have preferred to produce themselves by designing their electrodes for their own purposes. In this thesis, two types of gold interdigitated electrodes, which have 5 and 10 μm spacing between microelectrode fingers were provided by Dropsens (Asturias, Spain). These electrodes were connected to the LCR meter and the microorganism detection sensor system was installed. In the beginning of the study, optimum parameters such as frequency, voltage, volume, duration etc. were determined by working with pure water. In all tests, water samples with different E. coli concentrations were studied in this system with a maximum of 100 μL volume. This volume is important to get enough signal from system because it covered all microelectrode area. The other main idea of these study was construction of the sensor system for making microorganism detection on diverse water samples which have different conductivity. For these water samples and different microbial concentrations, optimum parameters of the system had been determined. However, the system had low efficiency at the high microbial contamination and high water conductivity. Because of this, dielectrophoresis application was used to improve system, which was preferred to obtain high accuracy with short measurement time. Dielectrophoresis is a force providing movement of partially charged particles on the nun- uniform electric field under alternating current. Microorganism cells that have a partially negative charge have been pulled on the electrode surface by the effect of positive dielectrophoretic force. Under these force, microorganism cells have been sequenced like pearl chain. By the way, the bridge is constructed by microorganisms between the microelectrode fingers. Because of these pearl chain form of microorganisms, rapid impedance change is obtained from system and detection is done. It is possible to find many studies which made rapid detection with high accuracy even in low microbial concentrations by using dielectrophoresis on interdigitated electrode systems. In addition to this, microfluidics systems, smart phone controlled systems and also portable systems was successfully studied according to the literature sources. The usage of dielectrophoresis on the system constructed by using interdigitated electrode provides opportunity to improve yield of the system. Low detection time and detection limit was obtained, as the system has a high accuracy to detect microorganisms. However, the system is very sensitive against conditional changes such as temperature, conductivity, pH, etc. Since the main idea of this study is rapid detection microorganism from drinking water, conductivity of tap water or drinking water is the major obstacle on the system. As a result, in this thesis study it is aimed to detect microbial contamination of drinking water with high sensitivity and speed. The system, which was designed by using both interdigitated electrode and dielectrophoresis, provided maximum efficiency. As the detection limit of the system was determined as 103 cfu / mL, targeted high measurement accuracy was not achieved. The system shows about 70% impedance change in case of 7 log/mL microorganism contamination. These results have been proof that the system works with the required accuracy. Based on all these data it is possible that the sensor system can be turned into a device that is capable of microorganism detection in contaminated drinking water. However, it has been observed that the electrodes used in the sensor design can be used for maximum 8 applications. In addition to this limited usage of electrodes, 200 μS / cm is the upper sample conductivity amount because decrease in yield was observed in proportion to the increased conductivity. This upper limit, which includes packaged water, is enough for providing of market needs. However, an additional solution to the system must be provided for other samples such as surface water, municipal water or wastewater which have higher conductivity value. All in all, by improvement of these three types impedimetric sensor systems, it is mainly aimed construction of sensor system that have a high accuracy, low detection of limit, portable or entegrable, miniaturized, long-lasting, useful on different application. It was seen that this system can be constructed by using both interdigitated electrodes and dielectrophoresis. Even there are some problems about short-life electrode, high sample conductivity and limit of detection, all of these can be solved by using the solutions such as creating usage package and designing kits. It is obvious that the sensor system is convenient to solve a very common water safety concern problem in many part of the world.