Çevrimsel Voltametri Tabanlı Mikroakışkan Sistem Tasarımı ve Analizi

Öz

Bu çalışmada bir mikroakışkan sisteme entegre edilmiş biyosensörün üzerinde oluşan redoks tepkimeler çevrimsel voltammetri yöntemiyle izlenerek akışkan içerisindeki glukozun tayini yapılmıştır. Mikrokanala entegre biyosensörün tasarımı ve sonlu elemanlar analizi için Comsol Multiphysics v3.5a kullanılmıştır. Bu bağlamda, yüksekliği 300 µm ve uzunluğu 1500 µm olan bir mikrokanal yüzeyine elektrot yerleştirilmiştir. Matematiksel modelleme öncelikli olarak mikrokanal boyunca sıvı akışı olmadan gerçekleştirilmiştir. Analizlere mikrokanal girişine laminer akış koşulları altında bir sıvı girişi tanımlanarak devam edilerek çevrimsel voltammetri tabanlı bir mikroakışkan sistem tasarımı yapılmıştır. Biyosensörün etkinliği 0.25mM, 0.5mM, 1mM, 2mM, 4mM ve 8mM gibi farklı glukoz değerlerinde test edilmiştir. Mikrokanalın girişine tanımlanan laminar akışın debisinin biyosensörden alınan yanıta etkisinin belirlenmesi için 25 µl/dk, 50 µl/dk, 100 µl/dk ve 200 µl/dk gibi farklı debi değerlerinde çözümlemeler yapılmıştır. Elektrot uzunluğunun çevrimsel voltammetriden alınan cevaba etkisinin incelebilmesi için elektrot uzunluğu 100µm, 200µm ve 300µm olarak değiştirilmiştir. Bu çalışmada laminer akış varlığında çevrimsel voltammetriden elde edilen maksimum akımın yükseldiği gözlemlenmiştir. Simülasyonlar, sıvı akış debisinin arttırılmasının biyosensörün etkinliğini arttırdığını göstermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma ile çevrimsel voltammetri tabanlı bir mikroakışkan sistem ile glukoz tayininin yapılabilirliği ortaya konulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Glukoz Tayini
• Çevrimsel voltammetri
• Biyosensör
• Sonlu elemanlar analizi

Cyclic Voltammetry Based Microfluidic System Design and Analysis

Öz

In this study, the determination of glucose in the fluid was made by monitoring the redox reactions occurring on the biosensor integrated into a microfluidic system by cyclic voltammetry method. Comsol Multiphysics v3.5a was used for the design and finite element analysis of the microchannel integrated biosensor. In this context, an electrode was placed on a microchannel surface with a height of 300 µm and a length of 1500 µm. Mathematical modeling was primarily performed without fluid flow through the microchannel. A cyclic voltammetry-based microfluidic system was designed by continuing the analyzes by defining a liquid inlet to the microchannel inlet under laminar flow conditions. The efficiency of the biosensor was tested at different glucose values such as 0.25mM, 0.5mM, 1mM, 2mM, 4mM and 8mM. In order to determine the effect of the flow rate of the laminar flow defined at the entrance of the microchannel on the response from the biosensor, analyzes were made at different flow rates such as 25 µl/min, 50 µl/min, 100 µl/min and 200 µl/min. In order to examine the effect of electrode length on the response from cyclic voltammetry, the electrode lengths were changed to 100µm, 200µm and 300µm. In this study, it was observed that the maximum current obtained from cyclic voltammetry increased in the presence of laminar flow. Simulations have shown that increasing the fluid flow rate increases the efficiency of the biosensor. As a result, the feasibility of glucose determination with a cyclic voltammetry-based microfluidic system has been demonstrated with this study.

Anahtar Kelimeler

• Glucose determination
• Cyclic voltammetry
• Biosensor
• Finite element analysis

Kaynakça

1. ⦁ Castillo, J., Gáspár, S., Leth, S., Niculescu, M., Mortari, A., Bontidean, I., Soukharev, V., Dorneanu, S.A., Ryabov, A.D., Csöregi, E., 2004. Biosensors for Life Quality: Design, Development and Applications, Sensors and Actuators B: Chemical, 102, 179-194.
2. ⦁ Asav, E., Akyilmaz, E., 2009. Preparation and Optimization of a Bienzymic Biosensor Based on Self-Assembled Monolayer Modified Gold Electrode for Alcohol and Glucose Detection, Biosensors& Bioelectronics, 25, 1014-1018.
3. ⦁ Altug, C., Mengulluoglu, U., Kurt, E., Kaya, S., Dinckaya, E., 2011. A Novel Biosensor Based on Glucose Oxidase for Activity Determination of Alpha-Amylase, Artif. Cells Blood Substit Immobil. Biotechnol., 39, 298-303.
4. ⦁ De Salvo, D.J., Ly, T.T., Wadwa, R.P., Messer, L., Westfall, E., Gopisetty, D., Hanes, S., von Eyben, R., Maahs, D.M., Buckingham, B.A., 2016. Continuous Glucose Sensor Survival and Accuracy Over 14 Consecutive Days, Diabetes Care, 39, 112-113.
5. ⦁ Meral, B., Öcal, C., Özbek, F., Öney, R.G., 2006. Kimya Mühendisliğine Giriş, Üçüncü Baskı. Ankara: Ankara Üniversitesi, 30-35.
6. ⦁ Bagio, L., 2018. Finite Element Modeling of Electrochemical Biosensors, Doctoral Dissertation, California State University, Northridge, 50.
7. ⦁ Chevion, S., Hofmann, M., Ziegler, R., Chevion, M., Nawroth, P.P., 1997. The Antioxidant Properties of Thioctic Acid: Characterization by Cyclic Voltammetry, Biochem. Mol. Biol. Int., 41, 317–327.
8. ⦁ Chevion, S., Roberts, M.A., Chevion, M., 2000. The Use of Cyclic Voltammetry for the Evaluation of Antioxidant Capacity, Free Radical Biol. Med., 28, 860–870.

9. ⦁ Grieshaber, D., MacKenzie, R., Voros, J., Reimhult, E., 2008. Electrochemical Biosensors - Sensor Principles and Architectures, Sensors, 8, 1400–1458.
10. ⦁ Adesokan, B.J., Quan, X., Evgrafov, A., Heiskanen, A., Boisen, A., Sorensen, M.P., 2016. Experimentation and Numerical Modeling of Cyclic Voltammetry for Electrochemical Micro-Sized Sensors Under the Influence of Electrolyte Flow, Journal of Electroanalytical Chemistry, 763, 141-148.
11. ⦁ Orlik, M., 2005. An Improved Algorithm for the Numerical Simulation of Cyclic Voltammetric Curves Affected by the Ohmic Potential Drops and its Application to the Kinetics of Bis (Biphenyl) Chromium (I) Electroreduction, J. Electroanal. Chem., 575, 281–286.
12. ⦁ Deng, Z., Lin, X., 1999. Digital Simulation of Fast Cyclic Voltammogram by Integration of the Double Layer Charging Current, J. Electroanal. Chem., 464, 215–221.
13. ⦁ Cho, H., Kim, T., Yoon, D., 2011. A Study on the Computational Simulation of Cyclic Voltammetry using Semi-Infinite Diffusion Model, J. Korean Electrochem. Soc., 14, 138–144.
14. ⦁ Adesokan, B.J., Quan, X., Evgrafov, A., Heiskanen, A., Boisen, A., Sorensen, M.P., 2015. Hydrodynamics Studies of Cyclic Voltammetry for Electrochemical Micro Biosensors, J. Phys. Conf. Ser., 574, 12008.
15. ⦁ Bidwell, M.J., Alden, J.A., Compton, R.G., 1996. Hydrodynamic Voltammetry with Channel Microband Electrodes: The Simulation of Voltammetric Waveshapes, J. Electroanal. Chem., 417, 119–128.