Metabolit tespiti için kuantum nokta tabanlı floresan sensör geliştirilmesi
Development of quantum dot based fluorescence sensor for metabolite detection
Yazar: MELAHAT SEVGÜL BAKAY AĞBULUT
Danışman: DOÇ. DR. MUSA ÇADIRCI ; DOÇ. DR. ERDEM ELİBOL
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Vücutta meydana gelen hastalıkların çoğu metabolit miktarının değişimiyle saptanabilmektedir. Sağlıklı ve hasta bireylerde farklılık gösteren metabolit miktarları hastalıkların teşhisinde, evresinin belirlenmesinde ve tedavi planlanmasında önemli rol oynamaktadır. Metabolitlerin tespit edilmesinde birçok farklı yöntem kullanılsa da diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında floresan yanıtlarına bağlı tespit yönteminde daha az numune tüketimi, ön hazırlığa ihtiyaç duyulmaması ve daha hızlı yanıt elde edilmesi bu yöntemin avantajları arasında yer almaktadır. Ayrıca floresan ışıması yapan kuantum noktaların (KN) yapılarının iyi bilinmesi, yüksek ışıma yapmaları, boyutlarının ayarlanabilir olması ve absorpsiyon kesit oranının yüksek olması KN'leri metabolit tespit çalışmalarında öne çıkarmaktadır. Bu tez çalışmasında, merkaptopropiyonik asit (MPA) ile sulu sentezlenen kadmiyum (Cd) bazlı KN'ler ilk kez kullanılarak C vitamini (CVit), folik asit (FA) ve glikozu hızlı, hassas, seçici ve güvenilir şekilde tespit edebilen floresan sensör sistemi geliştirilmiştir. Öncelikle, sentezlenen KN'lerin (CdSe, CdSeTe, CdTeSe, CdTe/ZnS ve CdSe/ZnS) UV-Vis, XRD, FT-IR ve HR-TEM ile karakterizasyonları yapılmıştır. Sentezlenen KN'lerin yüksek kalitede ve metabolit tespit çalışmaları için uygun KN'ler olduğu görülmüştür. KN konsantrasyonu, pH ve inkübasyon sürelerinin optimize edildiği sistemde, artan miktarlarda CVit, FA ve glikoz ilavesine karşı KN'lerden elde edilen floresan yanıtları incelenmiştir. Metabolitlerin eklenmesiyle, KN'lerin floresan yanıtlarında FRET mekanizmasına dayanan sönümlenmeler gözlemlenmiştir. Tez çalışmasında önerilen sensör sisteminde test edilen KN'ler için ölçüm yapılan konsantrasyon aralığı CVit için 0,3-8000 µg/mL, FA için 3,5E-4-3,5E+4 ng/mL ve glikoz için 0,175-90 mM olarak belirlenmiştir. Belirtilen dinamik aralıklar literatürde yapılan çalışmalara kıyasla daha geniş aralıkta yer almaktadır. Ayrıca, KN'lerin metabolitlere özgü yanıt verdiğini gözlemlemek amacıyla seçicilik çalışmaları gerçekleştirilmiş ve bunun sonucunda, KN'lerin metabolitlere karşı seçici yanıt verdiği belirlenmiştir. Sunulan bu yöntem, gerçek kan numunelerinde metabolitlerin miktarını ölçmek için de kullanılmıştır. Kan serum numunelerinde CVit için 10-20 µg/mL, FA için 7,5-20 ng/mL ve glikoz için 0,25-1,5 mg/mL lineer aralıklarda %95'in üzerinde doğruluk payı ile metabolit miktarları tespit edilmiştir. Bu sonuç lieratürdeki farklı KN'ler ve metabolitler için bulunan sonuçlar ile uyumluluk göstermekte fakat seçilen dinamik aralık ve elde edilen lineer aralık açısından üstünlük sağlamaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile CVit, FA ve glikoz tespiti için tepki süresi hızlı, hassas, seçici, güvenilir, düşük maliyetli ve gerçek örneklerde kullanılabilecek mevcut KN'lere alternatif floresan tabanlı sensör sistemi literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Most of the diseases occurring in the body can be detected by changes in the amount of metabolites. Metabolite amounts that differ between healthy and patient individuals play an important role in diagnosing diseases, determining their stage and planning treatment. Although many different methods are used to detect metabolites, the advantages of fluorescence-based detection method include less sample consumption, no need for preliminary preparation, and faster response when compared to other methods. In addition, the well-known structures of quantum dots (QDs) that emit fluorescence, their high luminescence, adjustable size and high absorption cross-section ratio make QDs stand out in metabolite detection studies. In this study, a fluorescent sensor system has been developed that can detect vitamin C (VitC), folic acid (FA) and glucose quickly, sensitively, selectively and reliably for the first-time by using aqueously synthesized cadmium (Cd)-based QDs with mercaptopropionic acid (MPA). First of all, the synthesized QDs (CdSe, CdSeTe, CdTeSe, CdTe/ZnS and CdSe/ZnS) were characterized by UV-Vis, XRD, FT-IR and HR-TEM. It was observed that the synthesized QDs were of high quality and suitable for metabolite detection studies. In the system where QD concentration, pH and incubation times were optimized, the fluorescence responses obtained from QDs against the addition of increasing amounts of CVit, FA and glucose were examined. With the addition of metabolites, quenching of the fluorescence responses of QDs was observed based on the FRET mechanism. In this study, the dynamic range for the QDs tested in the sensor system has been determined 0.3-8000 µg/mL for CVit, 3.5E-4-3.5E+4 ng/mL for FA and 0.175-90 mM for glucose. These specified dynamic ranges are wider than the studies in the literature. In addition, selectivity studies were carried out to observe that QDs respond specifically to metabolites, and as a result, it was determined that QDs have selective responses to metabolites. This presented method has also been used to quantify metabolites in real blood samples. In blood serum samples, metabolite amounts were determined with over 95% accuracy in linear ranges of 10-20 µg/mL for CVit, 7.5-20 ng/mL for FA and 0.25-1.5 mg/mL for glucose. This result is compatible with the results found for different QDs and metabolites in the literature, but is superior in terms of the selected dynamic range and the obtained linear range. As a result, with this thesis, an alternative fluorescence-based sensor system to existing QDs that has a fast response time, sensitive, selective, reliable, low cost and can be used in real samples for the detection of CVit, FA and glucose has been introduced to the literature.