Nanopartikül üretimi ve nanotıp uygulamaları
Production of nanoparticles and their application in nanomedicine
Yazar: FİLİZ SAYAR
Danışman: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Nano yapı = Nano structure ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Sunulan çalışmanın amacı, üç farklı nanopartikül üretilmesi ve bunların nanotıp uygulamalarıdır. Tez çalışması farklı şekil, boyut ve yapıda altın nanopartiküllerin sentez, karakterizasyonu ve bu nanopartiküllerin nanotıp uygulamaları olmak üzere iki ana grup altında toplanmıştır. İlk bölümde, küresel ve çubuk formunda altın nanopartikül ve nanoçubuklar, çekirdek/kabuk formunda altın kaplı manyetik nanopartiküller (Fe3O4/Au) olmak üzere üç farklı nanopartiküllerin sentez ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Farklı boyutta küresel altın nanopartikülleri, tetrakloraurat altın tuzunun (HAuCl4.3H2O) indirgeme ajanı (sodyum sitrat) ile indirgenmesi yöntemi olan Turkevich-Frens yöntemiyle sentezlenmiştir. Trisodyum sitrat/HAuCl4 3H2O mol oranı 1.0- 4.5 arasında değiştirilerek trisodyum sitrat miktarının partikül boy, boy dağılımına ve optik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Trisodyum sitrat/HAuCl4.3H2O mol oranı arttıkça partikül boyunun azaldığı görülmüş, 66 ile 13 nm aralığında ortalama partikül çapında küresel altın nanopartiküller elde edilmiştir. Partikül boyu arttıkça dalga boyu kayması (red-shift) olduğu görülmüştür.Çekirdek/kabuk (Fe3O4/Au) yapısındaki nanopartiküllerin sentezi, ilk olarak manyetik özellik gösteren manyetit (Fe3O4) nanopartiküllerin üretimi daha sonra bunların altın ile kaplanması olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Altın tuz miktarının manyetit nanopartikül etrafında oluşturduğu altın kabuk kalınlığına olan etkisi incelenmiştir. Ortalama partikül çapı 40 ve 90 nm olan Fe3O4 nanopartikülünün altın ile kaplanması sonucu sırasıyla ortalama partikül çapı 87 ve 175 nm olan altın kaplı manyetik (Fe3O4/Au) nanopartikülleri elde edilmiştir. Manyetik özellikleri titreşimli manyetometre (VSM) ile ölçülmüş, manyetit (Fe3O4) nanopartikülü 24 emu/g (Ms) doygunluk mıknatıslığı gösterirken altın kaplı manyetik nanopartikülü (Fe3O4 /Au) ise 0.003 emu/g (Ms) doygunluk mıknatıslığı göstermiştir. Manyetit nanopartiküllerinin altın ile kaplanması sonucu manyetik özelliğinin azaldığı görülmüştür.Altın nanoçubukları küresel formdaki altın çekirdeklerinin büyütülmesi yöntemi olan çekirdek geliştirme (seed growth method) metodu ile üretilmiştir. Farklı uzunluk/çap oranında altın nanoçubuklar üretilerek uzunluk/çap oranına bağlı optik özelliklerindeki değişim incelenmiştir. AgNO3 miktarı, çekirdek çözelti miktarı, askorbik asit miktarı, surfaktant türü ve derişimi, reaksiyon sıcaklığı, farklı çekirdek çözeltilerinin ve farklı sürelerde bekletilmiş çekirdek çözeltilerin kullanılması gibi parametrelerin uzunluk/çap oranına dolayısıyla çözelti rengi ve optik özelliğine olan etkisi incelenmiştir. Altın nanoçubuklar radyal ve eksenel yönde olmak üzere iki farklı dalga boyunda absorbans göstermişlerdir. Yapılan tüm bu çalışmalar sonucunda farklı uzunluk/çap oranına sahip farklı renkte ve farklı optik özellik gösteren altın nanoçubuklar üretilmiştir. Eksenel plasmon dalga boyu 600-900 nm aralığında aspect ratio oranı 2.0-5.0 aralığında olan gök kuşağı şeklinde farklı optik özelliklere sahip altın nanoçubuklar elde edilmiştir.İkinci bölümde, ilk kısımda yapılan çalışmalar sonucunda sentezlenmiş ve karakterize edilmiş farklı boyut ve şekildeki altın nanopartiküllerin mikroemülsiyon fazda tanı kitleri veya ?nanoarray? sistemlerinde ve cam gibi taşıyıcı yüzeylere adsorbe edilerek SPR destekli elipsometrik biyosensörlerinde kullanılabilirlikleri olmak üzere iki farklı nanotıp uygulaması çalışmaları gerçekleştirilmiştir.Mikroemülsiyon fazda tanı kiti veya nanoarray geliştirilmesi çalışmalarında, uzunluk/çap oranı 4.8 ve 2.1 olan altın nanoçubuklar, küresel altın nanopartikül ve Fe3O4/Au nanopartikül yüzeyine farklı derişimlerde (0.5-3.0 µM) tiyollu oligonükleotitler immobilize edilerek nanoproplar hazırlanmıştır. Prob oligonükleotit derişimine bağlı olarak dört farklı altın nanopartikülün plasmon dalga boylarındaki kaymalar incelenmiştir. 4.8 ve 2.1 aspect ratio oranındaki altın nanoçubuk, küresel altın nanopartikül ve Fe3O4/Au nanopartikül yüzeyine 2.0 µM derişiminde prob oligonükleotit immobilizasyonu sonucu sırasıyla 32 nm, 46 nm, 5 nm ve 8 nm'lik dalga boyu kaymaları ölçülmüştür. Altın nanoçubukların küresel altın nanopartiküllerden daha büyük dalga boyu kayması gösterdiği görülmüştür. Daha sonra 2.0 µM derişiminde prob oligonükleotit immobilize edilmiş bu dört farklı nanopartikül problarının farklı derişimlerde ( 1.0-3.0 µM) hedef oligonükleotiti ile hibridizasyonu gerçekleştirilerek dalga boyu kaymaları incelenmiştir. Ayrıca nanopartikül yüzeyine immobilize edilmiş prob oligonükleotitin eşleniği olmayan oligonükleotit ile etkileştirilerek dalga boylarındaki kaymalar incelenerek sistemin hassasiyeti araştırılmıştır. Hazırlanan altın nanoproblar eşleniği olmayan oligonükleotit ile etkileşimi sonucu çok küçük dalga boyları kaymaları göstermiş olup sistemin hassas olduğu görülmüştür. İki farklı hedefin aynı anda tayin edilebilmesi amacıyla yüzeyinde farklı problar takılmış iki farklı şekil ya da yapıdaki altın nanopartikül karışımlarını içeren mikroemülsiyonlar (?nanoarrayler?) hazırlanmıştır. Karışım içindeki her bir nanoprobun kendine özgü plasmon pikini gösterdiği görülmüştür. Nanoproblardan birinin hedefini içeren belli derişimde oligonükleotit çözeltisi ilave edilerek hedefin probunu taşıyan nanopartiküldeki hibridizasyon sonucu plasmon dalga boyundaki kayma incelenmiştir. Karışım içindeki nanoprobların hedef oligonükleotit ile hibridizasyonu sonucu ilgili nanoprobun plasmon dalga boyunda kayma oluşturduğu görülmüştür. Bu şekilde mikroemülsiyon fazda altın nanopartikül esaslı DNA tanı kiti ve DNA arrayler oluşturulmuştur.SPR destekli elipsometrik biyosensör çalışmalarında, temizlenmiş cam slaytlar MPTS çözeltisiyle silanize edilip tiyol uç grubundan dört tip altın nanopartikülün kimyasal olarak immobilizasyonu sağlanmıştır. Altın nanopartiküller ile genişletilmiş cam slaytlara farklı derişimlerde (0.25-2.0 µM) GOR oligonükleotit probları gönderilerek SPR destekli elipsometrik ölçümlerle optimum prob derişimi belirlenmiştir. Optimum prob derişiminde oligonükleotit takılmış cam slaytlara daha sonra farklı derişimlerde (0.25-2.0 µM) GOR probun hedefi olan oligonükleotitler göndererek SPR destekli elipsometrik ölçümlerle hibridizasyon sonucundaki kalınlık değişimi incelenmiştir. Ayrıca nanopartikül immobilize edilmiş cam slayt üzerindeki nanopartikül problarına hedef olmayan oligonükleotit çözeltisi gönderilerek sistemin seçiciliği araştırılmıştır. Herhangi bir delta değişimi gözlenmeyerek prob oligonükleotitlerin hedef olmayan oligonükleotitler ile hibridize olmadığı sistemin hassas olduğu belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Altın Nanopartikül, Altın Nanoçubuk, Altın Kaplı Manyetik Nanopartikül (Fe3O4/Au), Süspanse fazda DNA Array'leri, SPR destekli Elipsometre.

Abstract:
The aim of the presented study is to produce three different nanoparticle and their applications in nanomedicine. Thesis work divided into two main group that synthesis, characterization of gold nanoparticles in different sizes and shapes (nanosphere and nanorods) and their applications in nanomedicine. In first part; three different nanoparticles which are spherical and rod shaped gold nanoparticles and gold nanorods, gold coated magnetic nanoparticles (Fe3O4/Au-core/shell) synthesis, characterization were carried out. Different sized spherical gold nanoparticles were synthesized by sodium citrate reduction of HAuCl4.3H2O. The effect of amount of sodium citrate on particle size, size distribution and optical properties was investigated by varying the mole rate of sodium citrate/HAuCl4.3H2O. between 1 and 4.5. It was seen that as the mole ratio of sodium citrate/HAuCl4.3H2O increases particles size decreases and spherical gold nanoparticles of average diameters between 13 and 66 nm were synthesized. It was seen that as particle size increases, red-shift occurs.Synthesis of Fe3O4/Au nanoparticles with core/shell structure was carried out in two stages that first, production of magnetite (Fe3O4) nanoparticles showing magnetic property; next, coating these by reduction of Au3+ with sodium citrate in the presence of Fe3O4. The effect of gold salt amount on gold shell thickness that was composed by gold salt around magnetit nanoparticle was investigated. As a result of coating Fe3O4 nanoparticles that have average particle diameter of 40 nm and 90 nm by gold, gold coated magnetic (Fe3O4/Au) nanoparticles which have diameters of 87 nm and 175 nm were obtained respectively. Magnetic properties of the nanoparticles were investigated by Vibrating Sample Magnetometry (VSM). Magnetic nanoparticles exhibited a superparamagnetic behaviour and the saturation magnetization of magnetite nanoparticles and gold coated magnetic (Fe3O4/Au) nanoparticles were measured as 24 emu/g and 0.003 emu/g by VSM, respectively. As a result of coating magnetite nanoparticles by gold, it was seen that magnetic properties decrease.Gold nanorods were produced in aqueous solution by using a seed-mediated method. By producing different aspect ratio gold nanorods, the effects of aspect ratio on optical properties of gold nanorods were investigated. The parameters such as the amount of AgNO3, the amount of core solution, the amount of ascorbic acid, kind of surfactant and concentration, reaction temperature, using different core solutions and aging time of core solution effect on aspect ratio thereby effect on solution colour and optical properties were investigated. Gold nanorods showed transverse plasmon absorption band and longitudinal plasmon absorption band in two different wavelength that radial and axial. As a result of all these studies, gold nanorods were produced which shows having different aspect ratio, different colour and optical propeties. Gold nanorods which longitudinal plasmon wavelength interval was between 600-900 nm, aspect ratio interval was 2.0-5.0, rainbow coloured, having different optical properties were obtained.In second part; the useablity of gold nanoparticles with different size and shape in microemulsion phase nanoarray systems and in SPR supported elipsometric biosensors by absorbing gold nanoparticles on glass surfaces was searched.In studies of microemulsion phase nanoarray systems, gold nanoparticles in different sizes and shapes were functionalized with thiolated oligonucleotides belong to M. Tuberculosis complex and M. Gordonae pathogenic bacteria to construct gold nanoparticles bioprobes. Gold nanoparticles were functionalized with different concentration (0.5-3.0 µM) of thiolated oligonucleotides in belong to M. Tuberculosis complex and M. Gordonae pathogenic bacteria. We investigated the use of different gold nanorod bioprobes with different aspect ratios, conjugated to thiolated oligonucleotites, as novel optical labels based on changes in transverse and longitudinal surface plasmon resonance (LSPR) bands. Depended on probe concentration, red-shift in plasmon wavelength of four different gold nanoparticles was investigated. As a result of immobilizing prob oligonucleotite which has concentration of 2 µM to surface of gold nanorods having aspect ratio of 4.8 and 2.1, spherical gold nanoparticle and Fe3O4/Au nanoparticle; 57 nm, 46 nm, 5 nm and 8 nm, red-shift were measured, respectively. Gold nanorods showed bigger red-shift than spherical gold nanoparticles. Then, these four different nanoparticle probes were hibridized with different concentration (1.0-3.0 µM) of target oligonucleotites. As a result of hibridization of target oligonucleotite with nanoprobe, red-shift in plasmon wavelength was investigated. Additionally; probe oligonucleotite, which is immobilized to surface of nanoparticle, was reacted with non-complementary oligonucleotite and by observing red-shift in plasmon wavelength; system?s sensitivity was searched. By reacting prepared gold nanoprobs with non-complementary oligonucleotite, very small red-shift were seen and it was understood that system was sensitive. Lab-in-a-tube biosensors applications of these gold nanorods on changes in LSPR bands of aspect ratio-tunable nanoprobes were examined. By aiming two different target?s determination, microemulsions which contains gold nanoparticle solutions that has two different shape or structure and different probs on its surface were prepared. These composed microemulsion solution?s plasmon wavelength was determined by UV-Vis absorbtion spectrophotometer. It was seen that each nanoprobe in solution showed specific plasmon peak. By adding a certain concentration of oligonucleotite solution which containing one of the nanoprobes? target and as a result of hibridization at the nanoparticle that carrying target?s probe, red-shift in plasmon wavelength was examined. As a result of hibridization of target oligonucleotite with nanoprobe in the solution, it was seen the fact that related nanoprobe composed red-shift in plasmon wavelength. In this manner, in microemulsion phase gold nanoparticle based DNA diagnostic kit and DNA arrays were formed.In studies of SPR supported elipsometric biosensor, cleaned glass slide surfaces was modified with MPTS molecules and then four different type nanoparticles were immobilized on these glass slide surfaces. Nanoparticles that immobilized to glass surface chemically and extended glass slides were used as carrying matrix in SPR system. By sending (0.25-2.0 µM) GOR oligonucleotite probes with different concentrations to prepared gold nanoparticles and extended glass slides and by SPR supported elipsometric measurements, optimum probe concentration was determined. By sending oligonucleotites that was the target of (0.25-2.0 µM) GOR probe with different concentrations to glass slides that containing oligonucleotite; with SPR supported elipsometric measurements thickness variation was examined after hibridization. Additionally; By sending non-target oligonucleotite solution to nanoparticle probes which takes place on the glass slide that immobilized by nanoparticle, the system?s selectivity was investigated. By not observing delta change, the system which probe oligonucleotites do not hibridize with non-target oligonucleotites was determined as sensitive.Key Words: gold nanoparticles, gold nanorods, gold coated magnetic nanopartciles (Fe3O4/Au), DNA arrays in suspension phase, SPR supported elipsometer.