Yüzey zenginleştırilmiş raman spektroskopisi (SERS) için nano-yaklaşım temelli platformların geliştırilmesi ve tanı amaçlı uygulanması
Development of nano-approach based platforms for surface enhanced raman spectroscopy (SERS) and their use for detection
Yazar: MEHMET YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Raman spektroskopisi = Raman spectroscopy

Özet:
Yüzey zenginleştirilmiş Raman spektroskopisi (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) keşfedildiği günden beri kimyasal ve biyolojik moleküllerin tanısında kullanılan güçlü bir analitik yöntem olarak önemli bir ilgi çekmektedir. SERS çalışmalarında Raman sinyal zenginleşmesi temel olarak plazmonik özellikteki nanoyapıların yakın olmalarından kaynaklı ortaya çıkan elektromanyetik etkilerden kaynaklanmaktadır. Bu bağlamda son zamanlarda kolloidal nanopartiküller ya da 2-D/3-D plazmonik nanoyapılar kullanılarak çok yenilikçi yöntemler sunulmuştur. SERS uygulamalarında kolloidal nanopartiküllerin kullanımı basit ve ucuz bir yol olmasına karşın, bunların kontrolsüz agregesyonu SERS sinyallerinde tutarsızlıklara neden olmaktadır. Son zamanlardaki çarpıcı gelişmelere rağmen, SERS sistemleri pratik uygulamalarda hassaslık, güvenilirlik ve seçicilik gibi konularda bazı zorluklar yaşamaktadır. Bu zorlukları aşmak için bu çalışmada 3-D anizotropik altın ya da gümüş nanoçubuk yüzeyler ile farklı şekillerdeki kolloidal altın ya da gümüş yüzeyler biraraya getirilerek tehlikeli biyolojik ve kimyasal silah ajanları ve boyalı aptamerlerin çok düşük miktarlarda tanısını SERS ile sağlayacak  güvenilir, seçici ve hassas aynı zamanda basit fakat kullanışlı bir yaklaşım önerilmiştir. Altın ya da gümüş nanoçubuk yüzeyler BK7 cam üzerine herhangi bir kalıp malzemesi ya da litografik teknik kullanmadan eğik açı biriktirme (oblique angle deposition, OAD) yöntemi ile oluşturulmuş ve bunların yüzey yoğunlukları buhar fazı birikim açısının (α) değişimiyle ayarlanmıştır. Kolloidal altın ya da gümüş nanopartiküllerin olmadığı durumda α =10o için üretilen altın ya da gümüş nanoçubuk yüzeylerden en yüksek SERS zenginleştirmesi belirlenmiştir. Gümüş ya da altın nanoçubuk yüzeyler farklı şekillerdeki (küre, çubuk, üçgen prizma ve kafes (küp)) kolloidal altın ya da gümüş nanopartiküllerle biraraya getirildiğinde SERS sinyalinde sinerjitik bir etki gözlenmiştir. Çapa ve boya bağlı olarak lokalize yüzey plazmonlar (localized surface plasmons, LSPs) oluşturduklarından kolloidal nanoçubukların kullanılması çıplak altın ya da gümüş nanoçubuk yüzeylerin kullanıldığı duruma göre yaklaşık on kat Raman zenginleştirmesi sağlamıştır. Ayrıca bu yaklaşım kimyasal ve biyolojik toksinlerden olan dipikolinik asit (DIP), metil paratiyon (MP) ve dietil fosforamidat (DP) tanısı için kolloidal altın nanoçubuk ve altın naoçubuk yüzey kombine edilerek test edilmiştir. Tüm toksinler için yüksek bir sinyal/gürültü oranında ve tekrarlanabilirlikte ve geniş bir derişim aralığında (5 ppm–10 ppb) Raman sinyalleri başarıyla elde edilmiştir. Bu sonuçlar karışık ve yoğun şekilde paketlenmiş ve kolloidal nanopartiküller ile güçlendirilmiş anizotropik nanoçubuk yüzeylerin herhangi bir numuneyi çok az miktarlarda bile tanıyacak bir SERS platformu olabileceği tezini desteklemektedir. Ayrıca altın nanoçubuk yüzeyler boyalı aptamer moleküllerinin belirlenmesi için de kullandık. Floresin izotiyosiyanat (FITC) molekülünün yoğun floresans etkisinden dolayı FITC-aptamer ile modifiye edilmiş altın nanoçubuk yüzey için tanımlayıcı bir Raman sinyali gözlenmemiştir. Fakat Dy800-aptamer örneği için kesin bir Raman sinyali alınmıştır. Komplementer aptamerin Dy800-aptamer modifiye yüzeye uygulanması molekülün orientasyon değişiminde bağlı olarak kayda değer sinyal artışına neden olmuştur. Boyalı aptamerlerin yüzeylere bağlandığı floresans mikroskopla gösterilmiştir.

Abstract:
Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) has attracted increasing interest as a powerful analytical tool for the detection of chemical and biological molecules since its discovery. In SERS studies, the enhancement of Raman signals fundamentally stems from the electromagnetic field in close vicinity of nanostructures with plasmonic features on a surface.  In this context, various innovative methods have been demonstrated recently either using colloidal nanoparticles or 2-D/3-D plasmonic nanostructures. Although utilization of colloidal nanoparticles for SERS applications seems to be a simple and inexpensive procedure, their uncontrolled aggregation leads to a discrepancy in the resulting SERS signals. Despite the significant progress, SERS systems are still facing challenges for practical applications related to their sensitivity, reliability, and selectivity. To overcome these limitations, in this study, we have proposed a simple yet facile concept by combining 3-D anisotropic gold or silver nanorod arrays with colloidal gold or silver nanoparticles having different shapes for highly reliable, selective, and sensitive detection of some hazardous chemical and biological warfare agents in trace amounts as well as dye-labeled aptamer molecules  through SERS. The gold or silver nanorod arrays were created on the BK7 glass slides via the oblique angle deposition (OAD) technique without using any template material or lithography technique and their surface densities were adjusted by manipulating the vapor phase deposition angle (α). It is found that both gold and silver nanorod arrays fabricated at α = 10o exhibited the highest SERS enhancement in the absence of colloidal gold or silver nanoparticles. Synergetic enhancement was obviously observed in SERS signals when combining gold or silver nanorod arrays with colloidal gold or silver nanoparticles having different shapes (i.e., spherical, rod, triangular prism and cage). Due to their ability to produce localized surface plasmons (LSPs) in transverse and longitudinal directions, utilization of colloidal nanorods as a synergetic agent led to an increase in the enhancement factor by about tenfold compared to plain gold or silver nanorod arrays. Moreover, we have tested our approach to detect some chemical and biological toxins namely dipicolinic acid (DIP), methyl parathion (MP), and diethyl phosphoramidate (DP) for the case of colloidal gold nanorods combined gold nanorod arrays. For all toxins, Raman spectra with high signal-to-noise ratios and reproducibility were successfully obtained over a broad concentration range (5 ppm–10 ppb). Our results suggest that the slightly tangled and closely-packed anisotropic nanorod arrays reinforced by the colloidal nanoparticles may serve as an ideal SERS substrate to detect any analyte in trace amounts. Moreover, we tested gold nanorod arrays to determine SERS efficiency of dye labeled aptamer molecules. Due to te huge fluorescence effect of fluorescein isothiocyanate (FITC), no distinctive Raman signal was observed for FITC-aptamer modified gold nanorod arrays. However, we could obtain certain Raman signal in the case of Dy800-aptamer sample. The employment of complementary aptamer to Dy800-aptamer modified surface resulted in remarkable signal enhancement due to change in orientation of molecule. The binding of both dye-labeled aptamers to gold surface was demonstrated via fluorescence microscopy.