İyon tayini için yüzey plazmon rezonans algılayıcı tasarlanması
Surface plasmon resonance sensor design for ion detection
Yazar: ZEYNEP GERDAN
Danışman: PROF. DR. MUKDEN UĞUR ; PROF. DR. ADİL DENİZLİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyokimya = Biochemistry
Dizin: Optik sensörler = Optical sensors

Özet:
Bakır insan vücudunda birçok enzimatik reaksiyonlar için hayati önem taşımaktadır. Eser miktarda olması ve insan vücudu için bu kadar önemli olmasına rağmen vücutta eksikliği veya fazlalığı birçok organda ciddi problemlere yol açmaktadır. Bakırın fazla miktarda dolaşımda olması Alzhemier ve Wilson hastalığı gibi nörodejeneratif hastalıklara yol açmaktadır. Wilson hastalığı (WH) ya da hepatolentiküler dejenerasyon, 13. kromozomda bulunan ATP7B genindeki bir bozukluktan gelişen otozomal resesif geçişli bir hastalıktır. Bakırın aşırı birikmesine neden olan bu metabolizma bozukluğu, karaciğer, beyin, göz, böbrek gibi birçok organda ciddi sorunlara neden olmaktadır. Bu denli önemli olan bakırın tespiti için çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Ancak bu yöntemlerin hazırlanmasının zorlu, karmaşık ve pahalı olması araştırmaların yönünü başka yöntemlere kaydırmıştır. Son 20 yılda en çok tercih edilen yüzey modifikasyon tekniklerinden olan moleküler baskılama tekniği, bakırın tespiti için kullanılmaktadır. Moleküler baskılama tekniği, monomer ile kalıp molekül arasındaki etkileşimin gücüne dayanmaktadır. Bu yöntem, yüksek seçicilik ve hassasiyet, kimyasal ve fiziksel dayanıklılık, düşük maliyet ve tekrar kullanılabilirlik gibi eşsiz avantajlar sunmaktadır. Yüzey plazmon rezonans, metal film ile dielektrik ortam arasındaki serbest elektronların salınımları ile ilişkilidir. Yüzey plazmon rezonans temelli sensörler, optik sensör teknolojisinde kullanım alanı en geniş yelpazeye sahip sensörlerdir. Yüzey plazmon rezonans sensörler, diğer hassas algılama yöntemleri ile karşılaştırıldığında,  gerçek zamanlı ve etiketsiz analiz, yüksek algılama alanı, kısa analiz süresi ve düşük maliyetli analiz gibi bir çok avantaja sahiptir.
Bu çalışmada, bakır iyonu (Cu(II)) tayini için moleküler baskılanmış yüzey plazmon rezonans (SPR) sensörü tasarlanmıştır. İlk aşamada fonksiyonel monomer ve kalıp molekül ile (MAC-Cu(II)) ön-kompleks hazırlanmıştır. Hazırlanan bu ön-komplekse 2-hidroksi etil metakrilat (HEMA, C6H10O3) monomeri ve etilen glikol dimetakrilat (EGDMA, C10H14O4) çapraz bağlayıcısı eklenerek monomer karışımı elde edilmiştir. 2,2′-Azobis(2-metilpropiyonitril) (AIBN, C8H12N4) başlatıcısı eklendikten sonra daha önceden alillenmiş SPR sensör yüzeyi üzerine bu monomer karışımı damlatılmış ve spin kaplama cihazı yardımıyla homojen bir şekilde kaplanmıştır. Daha sonra sensör yüzeyindeki monomer karışımının fotopolimerizasyon yöntemi ile polimerleşmesi sağlanmıştır. Kontrol ve karşılaştırma deneyleri için aynı protokol ile kalıp molekül olmadan baskılanmamış SPR sensör hazırlanmıştır. Hazırlanan SPR sensörler, Fourier dönüşümlü kızılötesi-zayıflatılmış toplam yansıma spektrofotometresi, elipsometre, atomik kuvvet mikroskobu ve temas açısı ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Farklı Cu(II) derişimleri kullanılarak hazırlanan örnek çözeltiler ile Cu(II)-baskılanmış SPR sensörünün kinetik, seçicilik, tekrar kullanılabilirlik ve yapay örnek analizleri yapılmıştır. Tüm bu analizlerin sonucunda matematiksel hesaplamalar gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlara göre Cu(II)-baskılanmış SPR sensörün 0,04 µM-5 μM derişim aralığında %96 doğrulukta ölçüm yapabildiği görülmüştür. En düşük tayin limiti (LOD) ve en düşük miktar limiti (LOQ) 0,027 µM ve 0,09 µM olarak hesaplanmıştır. Cu(II)-baskılanmış SPR sensörün yüksek seçicilikte ve tekrarlanabilir düzeyde ölçüm yapabildiği gösterilmiştir. Son olarak, Cu(II)-baskılanmış SPR sensörün sadece sulu ortamda değil plazma ve idrar gibi karmaşık bir ortamda da başarılı bir şekilde çalıştığı gösterilmiştir.

Abstract:
Copper is vital importance for many enzymatic reactions in the human body. Although it is a trace amount and is important for the human body, its deficiency or excess in the body causes serious problems in many organs. A large amount of copper in the circulation leads to neurodegenerative diseases such as Alzheimer's and Wilson's disease. Wilson's disease (WD) or hepatolenticular degeneration is an autosomal recessive disease that develops from a defect in the ATP7B gene on chromosome 13. This metabolism disorder, which causes excessive accumulation of copper, causes severe problems in many organs such as the liver, brain, eye, and kidney. There are various methods to detect copper however, these methods are difficult to prepare, complex, and expensive and hence this fact has shifted the direction of the research to other methods. The molecular imprinting technique, one of the most preferred surface modification techniques in the last 20 years, is used for the detection of copper. The molecular imprinting technique is based on the strength of the interaction between the monomer and the template molecule. This method offers unique advantages such as high selectivity, high sensitivity, chemical, and physical resistance, low cost, and reusability. Surface plasmon resonance is associated with the oscillations of free electrons between the metal film and the dielectric medium. Surface plasmon resonance-based sensors are used with the widest range in optical sensor technology. Compared to other sensitive detection methods, surface plasmon resonance sensors have many advantages such as real-time and label-free analysis, high detection area, short analysis time, and low-cost analysis.
In this study, a molecularly imprinted surface plasmon resonance (SPR) sensor was designed for copper ion (Cu(II)) determination. In the first step, pre-complex was prepared with functional monomer and template molecule (MAC-Cu(II)). The monomer mixture was obtained by adding 2-hydroxy ethyl methacrylate (HEMA, C6H10O3) monomer and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA, C10H14O4) crosslinker to this pre-complex. After 2,2′-azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN, C8H12N4) initiator addition, this monomer mixture was dropped onto the surface of the previously allylated SPR sensor and coated homogeneously with the help of the spin coating device. Then, the polymerization of the monomer mixture on the sensor surface was achieved by the photopolymerization method. For the control and comparison experiments, a non-imprinted SPR sensor without template molecule was prepared with the same protocol. The prepared SPR sensors were characterized by Fourier transform infrared-attenuated total reflection spectrophotometer, ellipsometer, atomic force microscope, and contact angle measurements. Kinetic, selectivity, reusability, and artificial sample analyzes of Cu(II)-imprinted SPR sensor was performed with sample solutions prepared using different Cu(II) concentrations. As a result of all these analyze, mathematical calculations were made and according to the results, it was seen that the Cu(II)-imprinted SPR sensor can measure with 96% accuracy in the concentration range of 0.04 µM-5 μM. The lowest limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) values were calculated as 0.027 µM and 0.09 µM. It has been shown that the Cu(II)-imprinted SPR sensor can measure with high selectivity and repeatability. Finally, the Cu(II)-imprinted SPR sensor has been shown to work successfully not only in an aqueous medium but also in a complex medium such as plasma and urine