Nanopartikül kümelerinin çözelti davranışlarının tersinir kontrolünde oligonükleotidlerin kullanımı
The use of oligonucleotides in reversible control for the solution behavior of nanoparticle clusters
Yazar: NURİ EGEMEN ERGÜL
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Tersinirlik = Reversibility

Özet:
Altın nanopartiküllerin sahip olduğu optik, elektriksel ve kimyasal özelliklerinin yanında, farklı, aynı zamanda kontrol edilebilir kümeleşme davranışları altın nanopartikülleri diğer metalik partiküllerden üstün kılmakta ve birçok bilimsel araştırma ve uygulamaya konu olmasını sağlamaktadır. Yüksek optik özellikleri sayesinde çözelti içerisindeki davranışlarının takibi, farklı boyutlu partikül kümelerinin oluşturulması ile ortaya çıkan renk değişiminden faydalanılarak çıplak göz ile gerçekleştirilebilmektedir. Analiz sistemlerinin kolay, rahat takip edilebilen ve karmaşık tayin yöntemi gerektirmeksizin gerçekleştirilmesini sağlayabilen bu özellik kullanılarak, farklı boyuta sahip, analiz sonucu renk geçişinin daha rahat gözlemlenebildiği, düşük miktarlarda madde tayinini sağlayabilecek bir sistem oluşturulması kullanılan yöntemleri bir adım ileri götürecektir. Altın nanopartiküllerin zengin özelliklerine tersinir olarak kümeleşme yetisinin eklenmesi ile elektronikten optiğe, medikal uygulamadan analiz sistemlerine kadar kullanım yelpazesi oldukça geniş kullanışlı sistemler elde edilebilmektedir. Bu çalışma dahilinde farklı boyutlarda altın nanopartikül kümelerinin oluşturulması, bu kümelere tersinir özellik kazandırılması ve düzgün dizilimli altın nanopartikül sistemi oluşturulması hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünü oluşturan farklı boyutlu kümelerin elde edilmesi ve kümelere tersinir özellik kazandırılması için, yüzey modifikasyonunun kolayca gerçekleştirildiği ve su içinde çözünerek olası biyolojik uygulamalarda avantaj sağladığı gerekçesiyle Turkevich yöntemi kullanılarak küre şeklinde altın nanopartiküller elde edilmiştir. Çapraz bağlayıcı dithiothreitol (DTT) molekülü kullanılarak, uygun fosfat tampon (PBS), sodyum dodesil sülfat (SDS) ve sodyum klorür (NaCl) ortamında farklı boyutta altın nanopartikül kümeleri oluşturulmuştur. Hem sentezlenen altın nanopartiküllerin, hem de oluşturulan kümelerin boyut ve şekillerinin tayini UV-vis spektrofotometre, LS (Işık Saçınımı) ve TEM (Geçirimli Elektron Mikroskobu) kullanılarak yapılmıştır. Partikül kümelerinin oluşumu ve kararlılığını takip etmek için gün, saat ve dakika bazında incelemeler yapılmıştır. Dakika bazında yapılan incelemeler doğrultusunda gerçekleşen reaksiyonun kinetiği incelenmiştir. Oligonükleotid kullanılarak oluşturulan sıcaklığa bağlı tersinir özelliğe sahip altın nanopartikül küme sistemine sahip olmak için, kullanılan kimyasalların çözelti içerisindeki oranları değiştirilmiştir. Yüzeyine bağlı oldukları partiküllerin kararlılıklarını arttıran oligonükleotidlerin birbirlerine bağlanabilen iki örneğinin bir araya getirilmesi ile hibritleşme işlemi gerçekleştirilmiş, partikül boyutunda meydana gelen değişiklikten ötürü oluşan çözeltilerindeki renk farkından reaksiyon takip edilmiştir. Oligonükleotidlerin aralarındaki hidrojen bağlarının kopması için çözeltiler 60 °C'ye ısıtılılarak ergime işlemi gerçekleştirilmiş, hibritleşmeden önceki boyutlarına dönmeleri takip edilmiştir. Farklı boyutta partikül kümelerinin ve altın nanopartikül derişiminin kullanılması ile hibritleşme hızında meydana gelen değişimin takibi gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmını, düzgün dizilimli nanopartikül sistemi oluşturmaktadır. Bunun için çubuk şeklinde altın nanopartiküller kullanılmış ve birbirlerine bağlanmaları yine DTT molekülünün kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Altın nanoçubukların sentezleri tohum büyütme yöntemi ile gerçekleştirilmiş, partiküllerin ve oluşturulan dizilimin takibi UV-vis spektrofotometre ve TEM ile gerçekleştirilmiştir. Düşük ve yüksek boy/en oranına sahip altın nanoçubukların kullanımı ile iki farklı sistem elde edilmiştir. Asetonitril/su karışımında, düşük boy/en oranına sahip partiküllerin kullanımıyla 60 dakika sonunda dallanmış bir yapı oluşturulmuştur. Çubuk şeklindeki partiküllerle beraber safsızlığa yol açan farklı şekilli partiküllerin de olması bir takım sıkıntılara yol aşmış, yeterince düzgün bir sistem oluşturulamamıştır. Yüksek boy/en oranındaki nanoçubukların sentezleri daha yüksek verimde gerçekleştirilmiş, aynı zamanda dizilim yalnızca su içinde gerçekleştirilmiştir. 10 dakika gibi kısa bir sürede üç ila beş partikülün uç uca bağlandıkları saptanmıştır.

Abstract:
Gold nanoparticles are used in a wide variety of scientific researches and applications due to their unique optical, electrical, chemical and also different aggregation properties unlike the other metal nanoparticles. According to their high optical characteristics, the solution behavior of gold nanoparticles can be tracked with the naked eye by observing color change as the solution with the emerging different ? sized particle clusters. In analysis systems, this feature provides an easy, convenient assay that can be followed without any need for complex technique. To achieve more convenient assay, observing sharper color transition and detection of low quantity of the target molecules will take the common techniques a step forward. With the bringing in of the ability of reversible aggregation of gold nanoparticles, a wide range of applications ? from electronics to optics, biomedical applications to analysis systems ? can be obtained. In this study, it is aimed to produce desired - sized gold nanoparticle clusters, provide reversible aggregation to these clusters and also obtain a gold nanoparticle system with organized assembly. In the first part of the study, gold nanoparticles were synthesized by using Turkevich method to obtain gold nanoparticle clusters with desired size and reversibility in size control thermally. Gold nanoparticle clusters were obtained by using cross linker molecule dithiothreitol (DTT) in the medium of phosphate buffer saline (PBS), sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium chloride (NaCl). The size and the geometry characterization of synthesized gold nanoparticles and particle clusters were performed by using UV-vis Spectrophotometer, LS (Light Scattering) and TEM (Transmission Electron Microscope). To track the formation of gold nanoparticle clusters and their stability in solution, investigations were carried out on a daily basis, and also in hours and minutes. Kinetic approach on aggregation reaction was investigated by using datum in short time interval. Thermally reversible aggregation of gold nanoparticle clusters was provided by using oligonucleotide molecule and also changing the ratio of chemicals in the solvent. The two complementary oligonucleotide samples that bound on particle surface were brought together to hybridize that was followed by observing the color change of the solution due to the changing of the cluster sizes. Dehybridization process - breaking the bonds between the oligonucleotide molecules - was occurred as the temperature increased to 60 °C and the resultant color change of the solution was observed. Effect of different cluster size and particle concentration on hybridization rate was tracked. The second part of the study includes obtaining longitudinal assembly of gold nanorods. To provide an assembly between gold nanorods, DTT molecule was used as in the first part of the study. Seed mediated method was used to synthesize gold nanorods. Analysis of size and shape of the gold nanorods and their assembly was carried out by using UV-vis spectrophotometer and TEM. Two different assemblies were investigated by using low and high aspect ratio gold nanorods. Branched configuration of particles was observed in the medium of acetonitrile/water mixture with using low aspect ratio gold nanorods. Among the rod shaped gold nanoparticles, different shaped particles were observed in the solution that inhibited to obtain well organized system. Efficiency of high aspect ratio gold nanorods seemed higher and assembly of them carried out in water. It was observed that three to five particles was bound to each other in 10 minutes.