Plazmonik metallerle güçlendirilmiş grafen kuantum nokta nanoyapılarının doğrusal olmayan optik özellikleri
Nonlinear optical properties of graphene quantum dot nanostructures wi̇th enhanced by plasmoni̇c metals
Yazar: SAADET HANÇE
Danışman: DOÇ. DR. AHMET KARATAY
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optik = Nonlinear optics ; Grafen = Graphene ; Kuantum noktaları = Quantum dots ; Yüzey plazmon rezonans teorisi = Surface plasmon resonance theory

Özet:
Bu tez çalışmasında, biyoteknolojik uygulamalarda kullanımı hedeflenen grafen kuantum nokta (GQD) temelli yenilikçi nanokompozitler geliştirilmiştir. Polietilenimin ile işlevselleştirilmiş azot katkılı grafen kuantum noktaları (PEI N katkılı GQD'ler), salisilaldehit (SAL) ile reaksiyonundan Schiff bazlı azot katkılı GQD'ler (PEI-SAL N katkılı GQD'ler) ve bu GQD'lerin gümüş nanokompozitleri (AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD'ler) sentezlenmiştir. Bu malzemelerin yapısal karakterizasyonu FT-IR, TEM ve EDX yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Nanomalzemelerin doğrusal ve doğrusal olmayan optiksel özellikleri soğurma, floresans ve ultrahızlı spektroskopi teknikleri ile detaylı olarak incelenmiştir. Kararlı durum spektrumları, AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD'lerin, PEI-SAL N katkılı GQD'lerin (~376 nm) ve AgNP'lerin plazmonik bandının (~455 nm) birleşimine dayanan geniş bir absorpsiyon bandına sahip olduğunu göstermiştir. AgNPs ile işlevselleştirme, PEI N katkılı GQD'lere kıyasla düşük floresans yoğunluğu sergilemiş, ancak daha karmaşık yük aktarım dinamikleri ortaya koymuştur. Spektroskopik analizler, PEI N katkılı GQD'lerden PEI-SAL N katkılı GQD'lere ve AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD'lere doğru bir elektron transferi olduğunu göstermiştir. Ayrıca, DFT analizleri UV-Vis sonuçlarıyla uyumlu olarak, AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD'lerin daha küçük HOMO-LUMO enerji boşluğuna sahip olduğunu ve bu yapının daha yüksek kimyasal reaktivite ve enerji kazanımı ortaya koymuştur. Biyo-görüntüleme uygulamaları için yapılan in vitro testlerde, AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD'ler A549 kanser hücrelerinde en yüksek floresans etkinliğini göstermiştir. Ayrıca, AgNP'lerin optik özellikleri sayesinde, kanser hücrelerinin canlılığında önemli bir azalma gözlemlenmiştir. Tüm deneysel ve teorik sonuçlar, sentezlenen AgNPs/PEI-SAL N katkılı GQD nanokompozitinin hem teşhis hem de tedavi için kullanılabilir, teranostik uygulamalar açısından umut verici bir aday olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, innovative nanocomposites based on graphene quantum dots (GQDs) aimed to be used in biotechnological applications have been developed. Polyethyleneimine functionalized nitrogen-doped graphene quantum dots (PEI-N-doped GQDs), Schiff-based nitrogen-doped GQDs (PEI-SAL-N-doped GQDs) and silver nanocomposites of these GQDs (AgNPs/PEI-SAL-N-doped GQDs) were synthesized by their reaction with salicylaldehyde (SAL). The structural characterization of these materials was carried out by FT-IR, TEM and EDX methods. The linear and nonlinear optical properties of the nanomaterials were investigated in detail by absorption, fluorescence and ultrafast spectroscopy techniques. Steady-state spectra showed that AgNPs/PEI-SAL N-doped GQDs had a broad absorption band based on the combination of PEI-SAL N-doped GQDs (~376 nm) and the plasmonic band of AgNPs (~455 nm). Functionalization with AgNPs exhibited lower fluorescence intensity compared to PEI-SAL N-doped GQDs but revealed more complex charge transfer dynamics. Spectroscopic analysis showed that there was an electron transfer from PEI-N-doped GQDs to PEI-SAL N-doped GQDs and AgNPs/PEI-SAL N-doped GQDs. Furthermore, DFT analysis showed that AgNPs/PEI-SAL N-doped GQDs had smaller HOMO-LUMO energy gap, which was consistent with the UV-Vis results, and this structure exhibited higher chemical reactivity and energy gain. In in vitro tests for bioimaging applications, AgNPs/PEI-SAL N doped GQDs showed the highest fluorescence efficiency in A549 cancer cells. Furthermore, due to the optical properties of AgNPs, a significant decrease in the viability of cancer cells was observed. All experimental and theoretical results indicate that the synthesized AgNPs/PEI-SAL N doped GQD nanocomposite can be used for both diagnosis and treatment and is a promising candidate for theranostic applications.