Biyolojik moleküllerin tayinine yönelik kantilever bazlı biyosensör sisteminin geliştirilmesi
Development of cantilever based biosensor system for detection of biological molecules
Yazar: TAMER ÇIRAK
Danışman: PROF. DR. EMİR BAKİ DENKBAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Atomik kuvvet mikroskobu = Atomic force microscope ; Biyosensörler = Biosensors

Özet:
Günümüz koşullarında teknolojik gelişmelerle birlikte insanların bilgiye ulaşma istekleri ve ihtiyaçları da artmıştır. Hastalıkların tedavisinde erken teşhis tedavinin etkisi açısından oldukça önemlidir. Bu nedenle hastalığın ilk evresinde oluşan öncül belirteç moleküller veya hastalığa sebep olan virüs gibi organizmaların oldukça düşük derişimlerde teşhisi insanlar için önem taşımaktadır. Devletler savunma sistemlerinin bir parçası olarak biyolojik savaş aracı olarak kullanılabilecek her türlü organizmayı ve biyomolekülü çok hızlı teşhis edebilecek sistemlere ihtiyaç duymaktadırlar. İlaç geliştirme çalışmaları, çevre kirliliği kontrolü, uzay araştırmaları, savunma ve tıp gibi uygulama alanlarında ortak ihtiyaç incelenmek istenilen molekülün varlığının ve miktarının saptanması olarak özetlenebilir. Bu ihtiyacı karşılamak için biyolojik incelemeler açısından kandaki glukoz miktarının belirlenmesi ile başlayan araştırmalar tek molekül veya virüs tespitine kadar ilerlemiş bulunmaktadır. Halen farklı biyolojik ajanların farklı ölçüm ve analiz yöntemlerine ihtiyaç duyması sebebiyle yeni yöntemler geliştirilmek üzere birçok çalışma sürdürülmektedir.
Sunulan tez çalışması kapsamında biyolojik moleküllerin saptanması amacıyla kütle değişimi ölçümüne dayanan kantilever bazlı biyosensör sisteminin hazırlanması ve spesifik olmayan bağlanmalardan kaynaklanan sanal etkilerin giderilmesi amacıyla bir sistem geliştirilmesi hedeflenmiştir. 
Bu amaç doğrultusunda Atomik Kuvvet Mikroskopi temeline dayanan kapalı sıvı hücre içerisinde biyolojik ortamda ölçüm alabilen bir sistem oluşturulmuştur. Bu sistemde kantileverlerin mekanik özelliklerindeki değişimler kantilever yüzeyinden yansıyan lazer aracılığıyla fotodetektörde ölçülerek kantileverin rezonans frekans değerleri takip edilmiştir.  Kantileverin rezonans frekansındaki değişimler ile yüzeyde biriken analit molekülleri arasındaki ilişki teorik hesaplamalarla incelenmiş, farklı geometrik yapılarda kantileverler tasarlanarak sinyal/gürültü oranını arttıracak yapılar belirlenmeye çalışılmıştır. Geometrik modifikasyonların hava ve sıvı ortamındaki etkilerinin incelenmesi amacıyla odaklamalı iyon demeti yöntemiyle aşındırılarak kantileverler hazırlanmıştır.
İlk olarak modifiye edilmiş kantileverlerin yüzeylerinde biyotin reseptörleri oluşturularak streptavidin ile etkileşimleri incelenmiştir. Sonrasında kantilever yüzeyinde anti-Hepatit B antikoru ile reseptör tabakası oluşturularak ortamda bulunan Hepatit B yüzey antijeni tespit edilmeye çalışılmıştır. Çalışmaların son aşamasında kantileverlerin analit molekülüne karşı verdikleri cevap sinyallerinin arttırılması amacıyla kantilever yüzeyleri biyotinlenmiş HSA nanopartiküllerle fonksiyonelleştirilerek yüzey alanı ve serbest fonksiyonel grup sayısı arttırılmaya çalışılmıştır. Bu kantileverler kullanılarak biyotin - streptavidin etkileşimleri incelenmiştir. Sonrasında anti-HBs antikoru ile kaplanan kantileverler ile Hepatit B yüzey antijeni etkileşimleri incelenerek gerçekleştirilen yüzey modifikasyonlarının etkisi araştırılmıştır. Kantilever yüzeyinde yapılan modifikasyon işlemlerinin etkinliği temas açısı ölçümü, FT-IR, XPS, SEM, AFM gibi karakterizasyon teknikleri ile analiz edilmiştir.

Abstract:
Nowadays, demand and necessity of obtaining information is increased depending on technological developments. Early diagnosis is very important on therapeutic efficiency of diseases. So, detection of precursor molecules, which are formed during initial steps of diseases or detection of viruses in very low concentrations, is very important for patients. Governments are looking for very fast and accurate detection systems, which are able to detect any kind of organism or biomolecule that could be used as a biological war agent. Common need of drug development researches, environmental pollution controls, space, defense and medicinal researches is identifying existence of analyte molecule and detection of concentration. Current researches on biosensors are reached detection levels down to single molecule or virus detection levels, which started with studies of detection of glucose level in blood. There are many studies are going on for he development of novel sensor systems because still there is need of different type of measurement and analysis methods for different type of analytes.
In this thesis, cantilever based biosensor system is prepared for detection of biological molecules in their physiological environment. Main goal was enhance the biosensor system in order to avoid the virtual mass effect arises from the nonspecific bindings on cantilever. For this purpose an atomic force microscope based system with closed liquid cell, which is able to collect data in biological mediums, is configured. 
Changes in mechanical properties of cantilever are measured in photo-detector, which collects laser beams reflected from cantilever surface and resonance frequency data are obtained. Relation of change in the resonance frequency of cantilever and analyte molecules deposited on surface is investigated by theoretical calculations and experimental measurements. Different geometric modifications are studied by modeling their resonance behaviors in air and liquid. Then experimental resonance frequencies are measured on cantilevers that are prepared by milling using Focused Ion Beam method. 
Biotin streptavidin interactions are investigated by preparation of biotin receptor layer on modified cantilever surfaces. Following, detection of Hepatitis B surface antigen by using cantilevers modified with anti-HBs surface antigen specific receptor layer. In the last section of the studies, in order to increase the response signal of analyte molecules, cantilever surfaces are modified by using biotinylated Human Serum albumin (HSA) nanoparticles and therefore cantilevers surface area and numbers of active functional groups on surface are increased. To understand effects of surface modifications, cantilever responses are investigated for biotin – streptavidin and anti-HBs – HbsAg interactions. Modification processes are characterized by using contact angle, FT-IR, XPS, SEM and AFM analyses.