Yüzey plazmon resonansına dayalı yeni bir algılayıcı geliştirilmesi
Development of a novel Sensor based on surface plasmon resonance
Yazar: BURAK TÜRKER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LALE ÖZYILMAZ ; YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Metal ızgaralar = Metal gratings ; Yüzey plazmon rezonans teorisi = Surface plasmon resonance theory ; Yüzey plazmonları = Surface plasmons

Özet:
Nanoteknoloji alanında özellikle son birkaç on yılda gerçekleştirilmiş olan ilerlemeler neticesinde sensör teknolojileri kendisine biyosensör uygulamaları başlığı altında yeni bir araştırma, çalışma ve uygulama alanı yaratmış bulunmaktadır. Başlangıçta basınç, sıcaklık, hareket, nem, yoğunluk, akışkanlık gibi temel fiziksel ve kimyasal değişkenlerin algılanması ile başlamış olan sensör uygulamaları, biyoteknoloji kavramının ortaya çıkması ve moleküler düzeyde gerçekleşen değişimleri algılayabilecek yeni tekniklerin keşfedilip uygulamaya alınmasıyla birlikte yeni bir döneme girmiştir. 

Bu bağlamda bilimsel yazına 'yüzey plazmon rezonansı' olarak girmiş olan teknik, ışığın bir takım özel koşullar altında bir yüzeye düştüğünde maruz kaldığı yansımalardaki ilginç değişimlerin altında yatan gerçeğin fiziksel ve matematiksel olarak yorumlanması ve modellemesi sonucunda 20. yüzyılın ilk yarısında keşfedilmiş bir olgu olarak karşımıza çıkmaktadır. 1980'lere kadar fiziksel ve matematiksel modellemesinin araştırıldığı bu teknik, 90'ların başında İsveçli bir grup bilim adamı tarafından ilk defa bir algılayıcı arayüz olarak kullanılmış ve bu yöntemle gaz ölçümü yapılmıştır. İlerleyen yıllarda bu ilk denemeden ilham alan araştırmacılar tarafından moleküllerin birbirlerine seçici olarak bağlanıyor olmalarından yola çıkılarak, bu bağlanmaların kinetik olarak takip edilebilmelerini sağlayacak ve beklenen bağlanmaların gerçekleşip gerçekleşmediğini saptayabilecek olan, moleküler düzeyde algılama yapabilen biyoalgılayıcıların tasarlanabileceği düşüncesi etrafında bilimsel çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Günümüze gelindiğinde artık bu tekniğin laboratuvarlarda kullanılan geleneksel yöntemlere kıyasla daha hızlı sonuç verebilen, oldukça hassas ve güvenilir ve uygulaması oldukça zahmetsiz ve zaman almayan bir alternatif olabileceğine dair düşünceler kuvvetlenmektedir.
 
Bu tez çalışmasının konusu da işte bu tekniği kullanarak biyoalgılayıcı olarak çalıştırılmaya müsait yenilikçi bir opto-elektro-mekanik algılama mekanizmasının geliştirilmesini ve birtakım öncül uygulamalarla sistemin denenmesini kapsamaktadır.
 
Algılama arayüzü olarak kullanılan yüzey plazmonlarını uyaracak özel bir yüzeyin yenilikçi üretim teknikleri kullanılarak geliştirilmesi ve üretilmesi, opto-elektronik arayüz olarak kullanılan yenilikçi bir yaklaşım dahilinde sinyalleri toplayan bütünleşik ve yüksek oranda minyatürize edilebilir bir sistemin oluşturulması, bu tez çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Sistemin prensipte çalışırlığını ispatlamak amacıyla hazırlanmış olan sıvı çözeltilerindeki çok küçük indis değişimlerinin tekrarlanabilir ve yüksek hassasiyette saptanabildiğini gösteren deneysel bir takım çalışmalar yapılmıştır. Geliştirilen algılama mekanizmasının muhtemel bir biyoalgılayıcı olarak da özelleştirilmeye müsait olduğunu göstermek maksadıyla tez çerçevesinde DNA hibridizasyonunun gerçek zamanlı takibine yönelik bir uygulama denemesi de yapılmış ve alınan ümit verici sonuçlar son bölüm içerisinde sergilenmiştir. Bahsi geçen deneysel öncül çalışmaların ümit verici uygulama neticelerinde sonlandırılmış olan bu tez çalışması, ileri uygulama alanlarının çeşitlendirilmesi maksadıyla devam edecek olan bir takım farklı projeler çerçevesinde geliştirilmesine devam edilerek, bu uzun soluklu bilimsel araştırmalar esnasında patentlenmiş olan algılama mekanizmasının ticarileştirilebilir/endüstriye transfer edilebilir bir son ürüne dönüştürülmesi yolundaki faaliyetler de hız kesmeden sürdürülmektedir.

Abstract:
Remarkable advances especially in the last several decades in the field of nanotechnologies have established a new research field so called as biosensor applications under field of sensor technologies. Pioneering sensor applications capable of detecting fundamental physical and chemical parameters alike pressure, temperature, movement, moisture and density have now started to evolve capability of sensing changes in molecular levels with thanks to the progress in biotehnology due to the advances in nanotechnologies.
 
In this sense, the   technic so called as 'surface plasmon resonance' in scientific literature, emerges as a phenomenon that has been first observed in the first quarter of 20th century and it is based on analysis and mathematical modeling of the fact behind the nature of reflections when light beams are incident on a specific surface under certain conditions. 
     
Investigation of whose mathematical modelling long lasted till 1980's, was then first utilized as a sensing interface in the beginning of 1990's by a group of swedish scientists and this phenomenon was used in the implementation of gas sensing. 

In the following years researchers inspired with this trial have initiated an approach in order to design bio-sensing platforms that would have a sensing ability in molecular level for detection and monitoring of binding interactions that occurs selectively among molecules. 

Today the idea about this technique to be a faster, more sensitive, reliable and easily applicable alternative to conventional methods gets much more stronger.
   
Herein this doctorate thesis work is based on the aforesaid approach within the scope of researching an integrated novel opto-electro-mechanical biosensor mechanism and developing a sensing platform assisted by some specific interaction protocols for the validation of overall system capabilities.
 
This thesis work is fundamentally based on a novel approach for the development and production of a special substrate that will excite the surface plasmons that are utilized as the detecting interface. So that emergent sensing platform functions as a signal detecting opto-electronic interface in the form of an integrated opto-electronic interface that can be miniatuarized at very high-levels.
 
Proof-of-principle functionality of the overall sensing platform has been evaluated by a group of experimental researches in order to demonstrate its capability to detect very small index changes occuring in several certain projected liquid solutions and emergent promising results have been published in Lab On Chip journal of the Royal Society of Chemistry.

Finally with the goal of demonstration so that the developed sensing platform can be utilized as a promising bio-sensor, real-time monitoring of a specific DNA hybridization protocol have been implemented and thereafter its related promising results have been exhibited in the last section. Within the scope of this thesis work, concluding afore mentioned precessor experimental implementations with a set of promising outcomes has satisfactorily opened the path for devising new possible future applications using this sensing platform. These long-lasting experimental researches have meanwhile resulted in a patented sensing mechanism with a high added value that could be transferred into industry and without cutting any speed the activities with the goal of ending up with a compact device that would be presented to its end-users are currently still carried on.