Küçük hidroelektrik santrallerin cebri borularında su darbesi problemlerinin araştırılması.

Waterhammer is an unsteady hydraulic problem which is commonly found in closed conduits of hydropower plants, water distribution networks and liquid pipeline systems. Due to either a malfunction of the system or inadequate operation conditions, pipeline may collapse or burst erratically resulting in substantial damages, and human losses in some cases. In this thesis, time dependent flow situations in the penstocks of small hydropower plants are investigated. A software, HAMMER, that utilizes method of characteristics for solving nonlinear differential equations of transient flow is used in the study. In two case studies, various operation conditions such as load rejection, load acceptance and instant load rejection are studied. The parameters and situations affecting pressure and turbine speed rises are investigated. Computed and available measured values are found to be very close. Also, differences between waterhammer responses of the Francis and Pelton turbines are revealed. Finally, specific protective measures are suggested to either diminish and/or avoid the harmful effects of waterhammer problems in small hydropower plants.M.S. - Master of Scienc

Demiryolu dolgularının taşkın anındaki güvenliğinin değerlendirilmesi

Bu çalışmada, geniş düzlük üzerine inşa edilen tipik bir demiryolu dolgusunun 200 yıllık tekerrür süresine sahip bir taşkın anındaki güvenliği sızma ve şev stabilitesi analizleriyle incelenmiştir. Bu amaçla, dolgunun sonlu elemanlar yöntemiyle sızma analizleri gerçekleştirilmiş, limit denge analizi yöntemiyle memba ve mansap şevlerinin stabiliteleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre demiryolu dolgusu taşkın anında sızmaya karşı güvenli bulunmuştur. Dolgu, bu anda, demiryolu hattının işletilmediği durumda şevlerinin kaymasına karşı da güvenli bulunmuştur. Ancak, demiryolu hattının taşkın anında işletilmesinin şevlerin stabilite güvenliğini tehlikeye attığı tespit edilmiştir

Prostat Kanseri Biyobelirteçlerinin Tayini İçin Nanoplazmonik Platformların Hassasiyetinin Arttırılması

ABSTRACT ENHANCING THE SENSITIVITY OF NANOPLASMONIC PLATFORMS FOR DETECTING PROSTATE CANCER BIOMARKERS Semih ÇALAMAK Doctor of Philosophy, Department of Nanotechnology and Nanomedicine Supervisor: Prof. Dr. Kezban ULUBAYRAM JUNE 2018, 148 pages Early detection of cancer biomarkers in body fluids has significant importance for early diagnosis of cancer. LSPR technologies are the most powerful optical biosensors that can be used for label-free detection of biomolecules at ultra-low concentrations (ag/mL). Despite these advantages, the detection limits for many biomolecules are not at the desired levels. Especially biomarkers with low molecular weight can not be detected with LSPR sensors. The aim of the thesis is to develop the easy and cost-effective way to improve the sensitivity of nanoplasmonic platforms to detect low molecular weight biomarkers with enhanced plasmon coupling and in-situ gold nanoparticle growth method under static and dynamic conditions (in microfluidic platforms). In the first part of the thesis theoretical analysis of the electric field interactions of gold nanoparticles were investigated to determine the most suitable gold nanoparticle size and configurations for more precise measurement. The electric field enhancements on gold nanoparticles (20, 50, 80 and 100 nm) were investigated using Mie theory and the highest electric field enhancement was observed on the gold nanoparticle, which has the size of 50 nm. After that, double, triple and quadruple gold nanoparticle (50 nm) arrays were assembled and the highest electric field enhancement was calculated for quadruple nanoparticle array with 40.85 V/m electric field and 11.10 electric field enhancement factor. In the second part of the thesis, gold nanoparticles were functionalized on PS surface via polyethyleneimine (PEI). It was found that the nanoplasmonic iv surfaces showed the sharpest LSPR signal on the PS surfaces modified with 1 mg/mL PEI at 548 ± 1.5 nm maximum wavelength. In the third part of the thesis, a cost-effective new approach has been developed to increase the sensitivity of nanoplasmonic platforms. In this new approach, gold nanoparticles which were functionalized on PS surface were grown (in-situ) under static and dynamic (laminar and dynamic flow) using microfluidic platforms. In microfluidic chips with laminar and turbulence flow regimes, gold nanoparticles were grown more homogeneously and single row sequences on PS surface with increasing LSPR signal. Gold nanoparticles, which have 50 nm of particle size reached 110 ± 14, 123 ± 12 and 175 ± 6 average particle size in static media, laminar flow, and turbulence flow media after in-situ particle growth, respectively. The maximum wavelengths of nanoplasmonic surfaces were shown red shifts from 548 ± 4 nm to 569 ± 3, 570 ± 2 and 577 ± 4 nm for static in-situ, laminar in-situ and turbulence in-situ nanoplazmonik surfaces, respectively. Furthermore, after in-situ particle growth, turbulence in-situ nanoplasmonic surfaces showed significant red shifts in maximum wavelength along with an increase in extinction intensity in the LSPR signals three times more compared to the standard nanoplasmonic surface. In the last part of the study, detection studies of prostate cancer biomarkers (BSA (66 kDa), TGF-β1 (12.8 kDa) and BMP-2 (13 kDa)) with various molecular weights were carried out on standard, static in-situ and turbulent in-situ nanoplasmonic surfaces. Turbulent insitu nanoplasmonic surfaces were found more sensitive than standard nanoplasmonic surfaces and static in-situ nanoplasmonic surfaces from 1 pg/mL concentration of high (BSA) and low molecular weight (TGF-β1 and BMP-2) prostate cancer biomarkers. These results have shown that the nanoplasmonic platforms integrated into the microchips are reliable, accurate, reproducible and applicable.İÇİNDEKİLER DİZİNİ ÖZET ........................................................................................................................ i ABSTRACT ............................................................................................................ iii TEŞEKKÜR ............................................................................................................. v İÇİNDEKİLER DİZİNİ ............................................................................................ vii ÇİZELGELER DİZİNİ .............................................................................................. xi ŞEKİLLER DİZİNİ .................................................................................................. xii SİMGELER VE KISALTMALAR .......................................................................... xxv 1. GİRİŞ .............................................................................................................. 1 1.1. LSPR Tabanlı Plazmonik Sensörler ............................................................ 2 1.1.1.Temel İlkeler ...................................................................................... 2 1.1.2. Nanoparçacıkların Plazmonu ve LSPR Teorisi ................................ 4 1.1.3. LSPR Tabanlı Plazmonik Sensörlerin Uygulama Alanları ................ 7 1.1.4. LSPR tabanlı sensörlerin hassasiyetini artırmak için kullanılan yaklaşımlar ......................................................................................................... 9 1.4.4.1. Enzimatik yüzey arttırımı ....................................................... 9 1.4.4.2. Plazmonik nanopartikül eşleşmesine dayalı sinyal arttırılması ...................................................................................................................... 10 1.2. Altın Nanoparçacıkların Elektrik Alan Etkileşimlerinin Teorik Analizi ......... 13 1.2.1.Teorik Modelleme ............................................................................ 15 1.2.1.1. Kısmı Statik Yaklaşım .......................................................... 16 1.2.1.2. Mie Teorisi ........................................................................... 17 1. 2.2. Plazmon Eşleşmesi ve Elektrik Alan Arttırımı ................................ 19 1.3. Altın Nanoparçacıkların Sentezi ve Nanoplazmonik Özellikleri ................. 21 viii 1.3.1. Altın Nanomalzemelerin Üretiminde Aşağıdan-Yukarı (Bottom-Up) ve Yukarıdan (Top- Down) Aşağı Üretim Teknikleri .......................................... 21 1.3.1.1. Altın nanopartiküllerin sentezinde çekirdek büyütme (Seed and Growth) yöntemi ..................................................................................... 24 1.3.1.2. Altın nanopartikül sentezinde fotokimyasal yöntemler ......... 24 1.3.2. Altın Nanopartiküllerin İşlevselleştirilmiş Yüzeylere İmmobilizasyonunu ........................................................................................... 25 1.4. Mikroakışkan Sistemler ve Sensör Teknolojilerindeki Yeri ........................ 26 1.4.1. Mikroakışkan sistemlerde akış rejimleri .......................................... 27 1.4.2. Türbülans akış rejiminin partikül büyümesi üzerine etkisi ............... 29 1.5. Prostat Kanseri Biyobelirteçleri ve Teşhisindeki Zorluklar ......................... 29 1.5.1. Prostat Kanseri Biyobelirteçleri ...................................................... 31 1.5.1.1. Sığır serum albümin (BSA) .................................................. 31 1.5.1.2. Transforme edici büyüme faktörü beta 1 (TGF-β1) ............. 31 1.5.1.3. Kemik morfojenetik proteini 2 (BMP-2) ................................ 32 1.5.2. Kanser Teşhisinde Mikroakışkan Çipler ......................................... 33 2. MATERYAL VE METOD ............................................................................... 35 2.1. Teorik Modelleme Basamakları ................................................................. 35 2.1.2. Altın nanopartikül dizilerinin elektrik alan etkileşimlerinin teorik analizi ............................................................................................................... 36 2.1.3. Mikroakışkan çiplerin modellenmesi ve akış rejimleri ..................... 38 2.2. Altın Nanoyapıların Sentezi ....................................................................... 39 2.2.1. Farklı boyutlarda altın nanopartiküllerin sentezi ............................. 39 2.2.2. Altın nanoçubukların sentezi .......................................................... 41 2.2.3. Altın nanoyapıların karakterizasyonu ............................................. 41 2.3. Nanoplazmonik Platformların Geliştirilmesi ............................................... 42 ix 2.3.1. Altın nanopartiküllerin polistiren yüzeylere direkt immobilizasyonu ile nanoplazmonik yüzeylerin hazırlanması ........................................................... 42 2.3.2. Nanoplazmonik yüzeylerin mikrokakışkan çiplere entegrasyonu ... 43 2.3.2.1. Mikroakışkan çiplerin hazırlanması ...................................... 43 2.3.2.2. Altın nanopartiküllerin PS yüzeylerde kontrollü olarak büyütülmesi (In-Situ) ..................................................................................... 46 2.3.3. Plazmonik Yüzeylerin Analizi ......................................................... 48 2.4. Geliştirilen Nanoplazmonik Platformlarda Prostat Kanser Biyobelirteçlerinin Tayini .................................................................................................................... 50 2.4.1.Prostat Kanser Biyobelirteçlerinin Hazırlanması ............................. 50 2.4.2. Prostat Kanseri Biyobelirteçlerinin Nanoplazmonik Platformlarla Etkileştirilmesi ................................................................................................... 51 2.4.3. Nanoplazmonik Yüzeylerin Karakterizasyonu ve LSPR Sinyallerinin Ölçülmesi .......................................................................................................... 51 2.4.3.1. UV-Vis görüntüleme ............................................................ 51 2.4.3.2. Data Analizi ......................................................................... 53 2.5.İstatik Analizi .............................................................................................. 54 3. BULGULAR VE TARTIŞMA .......................................................................... 55 3.1. Altın Nanopartikül Boyut ve Dizilimlerinin Elektrik Alan Etkileşimlerine Etkisi ............................................................................................................................. 55 3.2. Plazmonik Yüzeyler için Sentezlenen Altın Nanoyapıların Özellikleri ve Yüzey Plazmon Rezonansı Üzerine Etkileri ......................................................... 67 3.2.1. Altın nanopartiküller ....................................................................... 67 3.2.2. Altın Nanoçubuklar ......................................................................... 73 3.3. Geliştirilen Nanoplazmonik Platformların Değerlendirilmesi ...................... 75 3.3.1. Altın nanopartiküllerin polistiren yüzeylere direkt immobilizasyonu ile hazırlanan plazmonik yüzeyler.......................................................................... 75 x 3.3.2. Altın nanopartiküllerin “in-situ” olarak PS yüzeylerde büyütülmesiyle geliştirilen nanoplazmonik yüzeyler .................................................................. 83 3.3.3. Mikroçip sistemlerde akış dinamiklerinin nanoplazmonik yüzeylere etkisi ................................................................................................................. 91 3.3.4. Prostat kanseri biyobelirteçlerinin nanoplazmonik yüzeylerde tayini .......................................................................................................................... 99 3.3.4.1. Standart nanoplazmonik yüzeylerde prostat kanseri biyobelirteçlerinin tayini ............................................................................... 100 3.3.4.2. Altın nanopartiküllerin PS yüzeylerde in-situ olarak büyütüldüğü nanoplazmonik yüzeyler ......................................................... 113 4. SONUÇ .......................................................................................................... 140 KAYNAKLAR ...................................................................................................... 143 ÖZGEÇMİŞ ........................................................................................................ 149ÖZET PROSTAT KANSERİ BİYOBELİRTEÇLERİNİN TAYİNİ İÇİN NANOPLAZMONİK PLATFORMLARIN HASSASİYETİNİN ARTTIRILMASI Semih ÇALAMAK Doktora, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Kezban Ulubayram Haziran 2018, Sayfa 148 Vücut sıvılarından kanser biyobelirteçlerinin tayini erken teşhis açısından büyük önem taşımaktadır. Lokalize yüzey plazmon rezonans (LSPR) bazlı sistemler hiçbir işaretleyici ajana gerek duymadan ultra-düşük (ag/mL) konsantrasyonlarda biyomoleküllerin tayininde kullanılan en güçlü optik biyosensör sistemleridir. Bu avantajlarına rağmen birçok biyomolekül için tespit limitleri istenilen seviyelerde değildir. Özellikle düşük moleküler ağırlına sahip belirteçler tespit edilememektedir. Bu tez çalışmasının amacı nanoplazmonik platformların hassiyetinin arttırılması ve düşük molekül ağırlıklı belirteçlerin tayini için altın nanopartiküllerin dinamik koşullarda (mikroakışkan platformlarda) “in-situ” olarak büyütürek plazmonik eşleşmelerin arttırılması ve böylece hassasiyeti arttırılmış, kolay ve maliyetsiz nanoplazmonik platformlar geliştirmektir. Tezin ilk bölümünde altın nanopartiküllerin elektrik alan etkileşimlerinin teorik analizleri yapılarak daha hassas bir ölçüm için en uygun altın nanopartikül boyutu ve konfigürasyonu incelenmiştir. Bu amaçla farklı partikül boyutuna sahip altın nanopartiküllerin (20, 50, 80 ve 100 nm) Mie teorisi yöntemi kullanılarak altın nanopartiküllerin yüzeylerinde meydana gelen elektrik alanlar incelenmiş ve en yüksek elektrik alan oluşturan nanopartikül boyutunun 50 nm olduğu bulunmuştur. Daha sonra 50 nm partikül boyutuna sahip altın nanopartikülün ikili, üçlü ve dörtlü dizileri oluşturulmuş en yüksek elektrik alan arttırımının 40.85 V/m ile dörtlü nanopartikül dizisinde olduğu ve 11.10 artış ii faktorüne (enhancement factor) sahip olduğu gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise elde edilen teorik veriler ışığında farklı partikül boyutuna sahip altın nanopartiküllerin polistiren (PS) yüzeylere polietilenimin (PEI) aracılığıyla immobilize edilerek yüzeylerin nanoplazmonik özellikleri incelenmiş ve nanoplazmonik yüzeylerin en keskin LSPR sinyalini 548±1.5 nm ile 1 mg/mL PEI ile immobilize edildiği yüzeylerin gösterdiği bulunmuştur. Tezin üçüncü bölümünde ise nanoplazmonik platformların hassasiyetinin arttırılması için maliyetsiz yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde PS yüzeye immobilize edilmiş altın nanopartiküller (50 nm) mikroakışkan platformlara entegre edilerek statik ve farklı akış rejimleri gösteren dinamik ortamlarda (laminar ve türbülans akış) “in-situ” olarak büyütülmüştür. Laminar ve türbülans akış rejiminin olduğu mikroakışkan çiplerde altın nanopartiküller artan LSPR sinyaliyle birlikte PS yüzeylerde daha homojen büyüdüğü ve tek sıra halinde diziler oluştuğu gözlenmiştir. “In-situ” partikül büyümelerinden sonra yüzeye başlangıçta 50 nm olarak immobilize edilen altın nanopartiküller statik ortam, laminar akış ve türbülans akış ortamlarında sırasıyla 110±14, 123±12 ve 175±6 ortalama partikül boyutuna ulaşmıştır. Ayrıca “in-situ” partikül büyütmelerinden sonra türbülans “in-situ” nanoplazmonik yüzeylerin LSPR sinyallerindeki sönüm yoğunluklarında 3 kata kadar artışla beraber maksimum dalga boyunda anlamlı kaymalar (kırmızı) gözlemlenmiştir. Tezin son bölümünde ise farklı molekül ağırlığına sahip prostat kanser biyobelirteçleri (BSA (66 kDa), TGF-β1 (12.8 kDa) ve BMP-2 (13 kDa) standart, statik (in-situ) ve türbülans (in-situ) nanoplazmonik yüzeylerde analiz edilmiştir. Türbülans (in-situ) nanoplazmonik yüzeylerin yüksek (BSA) ve düşük molekül ağırlıklı (TGF-β1 ve BMP-2) prostat kanseri biyobelirteçlerinin tayininde 1 pg/mL konsantrasyonundan itibaren standart olarak hazırlanan nanoplazmonik yüzeyler ve statik (in-situ) nanoplazmonik yüzeylere göre daha hassas olduğu gösterilmiştir. Bu sonuçlar, mikroçip içine entegre edilmiş nanoplazmonik platformun güvenilir, doğru, tekrarlanabilir ve uygulanabilir olduğunu göstermiştir

Tanyeri Baraji örneginde barajlarin taskin nedeniyle üstten asilma güvenilirliginin belirlenmesi

The flood induced overtopping of dams is one of the most observed failure reasons in history. In this study, the overtopping reliability of Tanyeri Dam is evaluated in a probabilistic manner. To this end, flood hydrographs having two variables and initial water level of the reservoir are randomly generated and the probability of exceedance of the dam crest elevation is evaluated using Monte Carlo simulation. Several scenarios, including the case that both the spillway and the bottom outlet are not working, are considered and their effects on the dam overtopping reliability are assessed. According to the results, Tanyeri Dam is found to be 100% reliable when its spillway operates during a possible flood having 10000-year return period. In addition, it is shown that the maximum reservoir level observed during a flood is directly dependent on the initial water level of the reservoir

Numerical investigation of operation levels in a surge tank of a small hydropower plant

It is important that engineers in charge of operating a small hydro power plant (SHPP) have accurate information regarding safe operation levels of a surge tank installed as a surge protection device in the energy producing facility. Typically, minimum and maximum operation levels of water surface in a surge tank are determined by the engineers in practice, using some available simplified equations. As will be demonstrated in the present study, the results of those simplified equations may differ greatly from one another, causing a concern about their reliability and applicability for a given problem. Therefore, it is suggested that the operation levels be determined by a reliable numerical method. The Method of Characteristics (MOC) is such a method that is probably the most widely used in fluid transients. Due to the unsteady nature of water surface fluctuations in a surge tank, this method may be used reliably, with accurate results. In the study, an existing and calibrated software making use of the MOC is employed to determine the operation levels of a surge tank which is a part of a proposed small hydropower project to be built in the Black Sea region of Turkey. The results produced by the software are compared to the values obtained from the empirical equations mentioned earlier

Toprak dolgu barajların gövdesindeki sızmanın belirsizlik esaslı analizi.

The steady-state and transient seepage through embankment dams are investigated considering the uncertainty of hydraulic conductivity and van Genuchten fitting parameters, α and n used for unsaturated flow modeling. A random number generation algorithm producing random values for these parameters is coupled with a finite element software, SEEP/W to analyze seepage through earth-fill dams. Monte Carlo simulation is adopted for stochastic seepage analyses. The variability effects of the random parameters on seepage are investigated conducting sensitivity analyses. The variation effects of hydraulic conductivity are found to be significant, whereas those of fitting parameters are shown to be negligible or minor. Considering these, the statistical and probabilistic properties of the seepage are assessed for different embankment dam types and boundary conditions. The degree of uncertainty and statistical randomness of the seepage are evaluated. In general, it is found that the seepage through embankment dams can be characterized by generalized extreme value or three-parameter log-normal distributions.Ph.D. - Doctoral Progra

Protective Measures against Waterhammer in Run of River Hydropower Plants

Waterhammer is an unsteady hydraulic problem which is commonly found in the penstocks of hydropower plants, water distribution networks and pipeline systems. Due to either a malfunction of the system or inadequate operation conditions, pipeline may collapse or burst. In this paper protective measures against waterhammer problems in the penstocks of small hydropower plants are investigated. In the study, a computer program employing method of characteristics is used to solve nonlinear partial differential equations of transient flow. In a case study, waterhammer responses of a river hydropower plant under instant load rejection without a protective measure and with three different protective measures are analyzed. It is observed that, by means of protective measures waterhammer pressures in the penstock are substantially diminished, and it is shown that these measures are effective and practical