Mimetik bıyomoleküller kullanılarak metamalzeme yüzeyinin gelıştirilmesi ve meta-biyo-sensör hazırlanması
Developing metamaterial surface by mimatic biomolecules for creating meta-bio-sensor
Yazar: BAŞAK GÜDÜLLÜOĞLU
Danışman: PROF. DR. İSMAİL HAKKI BOYACI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Bu tez kapsamında, nano boyuttaki üstün özelliklere sahip olan metamalzemelerin bu özelliklerinden yararlanılarak etkin bir çevirici olarak kullanılma potansiyelleri ortaya konulmuştur. Bu amaçla yarıklı halka rezonatörü (Split Ring resonator, SRR) ve indiyum kalay oksit (Indium Tin-Okside Nanorod, ITO NR) ITO NR'lar gibi iki farklı metamalzeme ile çalışılmıştır. Metamalzeme tasarımı elektromanyetik simülasyonlar ile yapılmıştır. Simülasyon sonuçları ile istenilen dalga boyunda en yüksek duyarlılığı verecek yapı tespit edilmiştir. Nano meta malzeme yüzeylerinin nanofabrikasyonu elektron demeti litografisi ile gerçekleştirilmiştir. Bu yüzeyler Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR-ATR), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), optik geçirgenlik (ya da yansıma) spektrumu temelinde karakterize edilmiştir. SRR-Meta-biyo-sensöre ait çeviricinin hazırlanmasında temel malzeme olarak, kimyasal stabilitesi nedeniyle altın kullanılmıştır. Örnek SRR-çiplerin hazırlanmasında alttaş olarak optik geçirgenliği yüksek quartz seçilmiştir. 
Yakın-infrared (near infrared, NIR) bölgede çalışan, metatronik nano-devre temelli, yüksek hassasiyetli, kırılım indisi sensörü geliştirilmesi hedeflenmiştir. Sensör yapısı, transparan iletken oksitlerin nano-çubuk şeklinde desenlendirilmesi ile üretilmiştir. Polarizasyon bağımlı bu metatronik devrelere, ayarlanabilir bir sensör cevabı kazandırılarak, fonksiyonellikleri arttırılmıştır. Bu amaçla, indiyum-kalay-oksit (indium-tin-oxide, ITO) nano-çubukların (NR) yüzeyinde, plazma polimerizasyon (PlzP) tekniği ile NH¬2 (amin) grupları oluşturulmuştur. Yüzey fonksiyonellendirmesi için plazma polimerizasyon yöntemi (PlzP) ile farklı plazma koşullarında (güç/ süre) yüzeye peptid moleküllerini bağlamaya uygun fonksiyonel amin grubu (-NH2) kazandırılmıştır. Çevirici yüzeyini hedefe özgül kılabilmek için karara varılan oligo [acyl-lysine] (OAK) Antimikrobiyal peptit mimetiği (AMPm) ve Trombin Aptamer ile tanıyıcı tabaka oluşturulmuştur. Bu şekilde hazırlanan meta-biyo-sensör, son aşamada hedef analite karşı denenmiş ve oluşan cevaplar değerlendirilmiştir. AMPm yüzey modifikasyonu ile hazırlanan SRR-nano-sensör sisteminde 102 cfu/ml E.coli hedef derişimine karşı 15 dk. analiz süresi ile anlamlı cevap alınmıştır. Aptamer yüzey modifikasyonu ile hazırlanan SRR-nano-sensör siteminde ise 120 mM Trombin hedef molekülüne karşı 15 dk. analiz süresi ile anlamlı cevap alınmıştır. ITO NR kullanılarak hazırlanan meta-biyosensör sisteminde ise 0,032 pM hassasiyet ve 15 dk. analiz süresi ile en iyi anlamlı cevap alınmış sensör yüzeyi olmuştur. Her üç sensör yüzeyi de hedeflerine karşı seçici davranış göstermiş ve yanlış pozitif cevap vermedikleri izlenmiştir.
Metamalzemeler ile AMPm ve Aptamerlerin entegrasyonu ile yüksek hassasiyette, seçicilikte ve doğrulukta bir biyosensör oluşturmak bu tezin hedefini oluşturmaktadır. Bu çalışmanın iki hedefi bulunmaktadır; tek hücre tanısına izin verebilecek hassas bir biyosensör ve ikincisi ise daha ucuz ve pikomolar seviyesinde ölçüm yapabilmeye izin verecek, oldukça hassas bir biyosensör ortaya koyabilmektir. Bahsedilen ITO NR'lar ile gerçekleştirilen biyosensör çalışmaların, vücuda yerleştirilebilen hassas ve biyo-uyumlu metatronik nano-yapıların elde edilmesi ve yakın gelecekte bireysel tıbbi uygulamalar için nanofotonik biyosensörlerin elde edilmesinde temel oluşturacağı düşünülmektedir. 
Bu çalışma kapsamında, PlzP tekniği ile yüzey fonksiyonellendirmesi yapılarak AMPm ve Aptamerler ile tanıyıcı tabakanın oluşturulmasıyla ortaya konulan gelişmiş özelliklere sahip bir meta-biyo-sensör, literatürde bir ilk olacaktır. Tez kapsamında nano-yüzeylerin hazırlanması, modifikasyonu ve uygulamaları ile yeni bir sistem ortaya konulmuş ve bu yeni meta-biyosensörler başarı ile geliştirilmiştir.

Abstract:
In the scope of this thesis, the potential use of metamaterials, which have outstanding features at nano scales as an efficient transducer was presented. For this purpose, two different metamaterials such as Split Ring resonator (SRR) and Indium Tin-oxide Nanorod (ITO NR) have been studied. With the results of the simulation, a structure with a maximum sensitivity to a desired wavelength has been determined. Nano metamaterial surfaces have been nanofabricated by using electron beam lithography. These surfaces have been characterized on the basis of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR-ATR), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and optical transmittance. Because of the chemical stability gold has been used as a fundamental material for the preparation of transducer related to the meta-bio-sensor. Quartz with high optical transmission properties has been used as a substrate in the preparation of chip samples. 
The aim of this work is to design a refractive index sensor which is highly-sensitive, works at near infrared region and built on metatronic nano-circuits. The sensor is fabricated by arranging the transparent conducting oxides in a nano-rod geometry. The functionality of these polarization dependent metatronic nano-circuits is enhanced by bringing in a tunable response. This feature is investigated by depositing NH¬2 (Amine) groups via plasma polymerization technique on top of indium-tin-oxide (ITO) nano-rods.  For surface functionalization, amine functional group (-NH2) which is enable the binding of peptide molecules to the surface has been added via plasma polymerization method at different plasma conditions (power/time). Recognition layers have been created with Antimicrobial Peptide Mimetics (AMPm) oligo [acyl-lysine] (OAK) and Thrombin Aptamers in order to make transducer target specific. In the last stage, Meta-bio- sensors produced like this have been tested against the target analyte and the responses of the sensor have been evaluated. In the nano-sensor system prepared by AMPm surface modification, meaningful response was obtained with 15 min. analysis period against to 102 cfu / ml E. coli target concentration. In the nano-sensor system prepared by aptamer surface modification, meaningful response was obtained with 15 min. analysis period against to 120 mM target concentration. Regeneration of both nano-biosensors has been demonstrated in this study. Both sensor surfaces showed selective behavior against their targets and weren't responded to false positives.
The aim of this thesis is to create a biosensor with high sensitivity, selectivity and accuracy with the integration of AMPm and Aptamers with metamerials. This study has two objectives; the first is to provide a sensitive biosensor that allows single cell diagnosis, and the second is to provide a cheap and highly sensitive biosensor that will allow measurement at the picomolar level. Biosensor studies with these ITO NRs are thought to be the basis for obtaining precise and biocompatible metatronic nano-structures that can be implanted in the body to obtain nanophotonic biosensors for individual medical applications in the near future. 
Meta-biosensor with advanced properties, which have been modified with AMPm and Aptamers and PlzP surface modification, will be the first in the literature. Within the scope of the thesis, a new system has been put into practice with the preparation, modification and application of nano-surfaces and these new meta-biosensors have been successfully developed.