Nanolif kaplı kuvars kristal mikroterazi yüzeyler ile kütle hassas biyosensörlerin performansının geliştirilmesi
Improvement of the performance of mass sensitive biosensors by nanofiber coated quartz crystal microbalance surfaces
Yazar: NURŞEN ZİĞAL
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Avidin = Avidin ; Biyosensörler = Biosensors ; Kuvars kristal = Quartz crystal ; Plazma polimerleşmesi = Plasma polymerization

Özet:
Bu çalışmanın amacı; kütle hassas biyosensörlerin performansını arttırmak amacıyla kuvars kristal mikroterazi (QCM) yüzeylerin elektro-eğirme yöntemiyle nanoliflerle kaplanması ve karşılaştırılmalı olarak değerlendirilmesidir. Elektro-eğirme yöntemiyle kaplanan QCM kristallerinin yüzeylerinin yüzey alanı/hacim oranı artacaktır. Nanoliflerin çapları ne kadar küçük olursa biyoaktif yüzey o kadar artacak dolayısıyla yüzeyde daha hassas ölçüm yapma olanağı sağlayacaktır.Elektro-eğirme yöntemi polimer esaslı nanoliflerin üretimi için kullanılmaktadır. Bu yöntem, katı ve boşluklu içyapıya sahip, uzun boylarda, homojen çapta ve çeşitli komposizyonlarda nanolif üretimi sağlamaktadır. Piezoelektrik prensibini kullanan kuvars kristal mikroterazi (QCM) biyosensör ile etkileşen ve bağlanan analit miktarının meydana getirdiği kütle değişimlerini çok hassas ölçebilecektir.Ön çalışmamızda elektro-eğirme yöntemiyle daha ince ve sürekli nanolif elde etmek için polivinil alkol (PVA) ile farklı parametrelerde çalışılmıştır. PVA polimeri yağda ve çözücüde çözünmez, kararlıdır ve film haline getirilmesi kolaydır. PVA polimeri ile oda sıcaklığında elektro-eğirme yöntemini kullanmak mümkündür. Bu polimerle QCM kristallerin yüzeyinde oluşturulan nanolif yapıların modifikasyonu, plazma polimerizasyonu yöntemiyle amino grubu içeren monomerler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında amino grubu oluşturmak için Alilamin (AA) monomeri tercih edilmiştir.Plazma işlemi görmüş elektrospan nanolif modifiyeli yüzeylere kimyasal aktivasyon uygulanmış ardından biyotin yüzeye immobilize edilmiştir. Tanıyıcı tabaka oluşturulduktan sonra sensör performansının ölçülmesi için yüzeyler avidin ile etkileştirilmiştir.Her basamakta, yüzeylerde meydana gelen değişimler taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR-ATR) ile karakterize edilmiştir.Elektro-eğirme işlemiyle nanolif kaplanan yüzeylere uygulanan tüm işlemler nanoliflerin etkisini karşılaştırmak amacıyla nanolif kaplanmayan fakat plazma polimerizasyonu modifikasyon ve kimyasal aktivasyonun ardından tanıyıcı tabakanın oluşturulduğu, daha sonra avidinle etkileştirilen (boş) kristal yüzeylerine de uygulanmıştır. Çalışmanın sonucunda nanolif kaplanan kristallerin sensör performansının daha yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
The piezoelectric quartz crystal microbalance (QCM) surfaces were modified with electrospun fibers in order to increase the performance of mass sensitive biosensors, and compare it with sensors made up of plain crystals. The procedure of electrospining is expected to increase the surface area to volume ratio. As the fiber diameter decreases the surface area will increase, potentially increasing the sensitivity of the sensor.Electrospinning is a very versatile tool to produce polymeric nanofibers. This method provides fibrous, solid, long, homogenous fibers with different compositions. A piezoelectric quartz crystal, with its mass sensitive property, is capable of measuring the amount of analyte bound to the biological recognition element on the crystal surface, with high sensitivity.In the preliminary studies, polyvinyl alcohol (PVA) was selected as electrospinning agent to produce, thinner and regular nanofibers. The main advantages of PVA include insolubility in oil and solvents, stability and filming. It can be processed with electrospinning in ambient temperature. The surfaces of QCM crystals covered with PVA nanofibers were further modified with plasma polymerization technique to incorporate amino groups on surface. Alilamine (AA) monomer was used as the precursor in plasma modification studies. After the chemical activation of plasma treated surfaces, biotin molecules were immobilized on the surfaces to create the recognition layer of mass sensitive biosensor. The performance of the sensor was tested using avidin as an analyte. After each modification, the changes of crystal surfaces were monitored using Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy with ATR and Grazing Angle (FTIR-ATR-GA) techniques.The prepared recognition layers were compared with the same type of mass sensitive sensors but nanofibers. The mass sensitive sensors prepared by nanofiber coated crystals have shown much higher performance against sensors without nanofiber.