Yüzeyde güçlendirilmiş raman spektroskopisi (SERS) temelli platformların geliştirilmesi ve biyoanalizlerde kullanımı
Development of surface enhanced raman spectroscopy (SERS) based substrates and applications on bioanalysis
Yazar: AKİF GÖKTUĞ BOZKURT
Danışman: PROF. DR. İSMAİL HAKKI BOYACI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Gıda Mühendisliği = Food Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Raman spektroskopisi = Raman spectroscopy

Özet:
Yüzeyde güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS), analitlerin düşük konsantrasyonlarında belirlenebilmesini sağlayan güçlü bir tekniktir. Metalik nanoyapılar kullanılarak, hedeflenen moleküldeki kimyasal bağların titreşim enerjilerine ait sinyaller zenginleştirilmektedir. SERS tekniğinin uygulanmasında yaygın olarak kolloidal nanopartiküllerden ve katı yüzeylerde oluşturulan plazmonik SERS temelli platformlardan faydalanılmaktadır. Bu tez kapsamında, farklı gıda örneklerinde ve biyolojik ortamlarda bulunan biyomoleküllerin tespitine yönelik SERS ölçümlerinde kullanılabilecek platfromlar geliştirilmiş ve hedeflenen moleküller için uygulamaları yapılarak zenginleştirme faktörleri (EF), gözlenebilme sınırı (LOD) ve tayin edilebilir alt sınır (LOQ) değerleri hesaplanmıştır.
SERS temelli platformları oluşturulması için kolloidal özellikte çubuk şeklinde altın nanopartiküller (Au-NRs) ve küresel şekilli gümüş nanopartiküller (AgNPs) sentezlenmiştir. Sentezlenen nanopartiküllerin karakterizasyonları yapılarak plazmon bandları, şekil ve boyutları belirlenmiştir. Biyoanalizlerde iki farklı teknik kullanılarak; kolloidal haldeki nanopartiküllerin süspansiyonları ve altın kaplı cam yüzeyler üzerine nanopartiküllerin kimyasal ve fiziksel bağlarla immobilize edilmeleri sonucunda üç farklı özellikte SERS temelli platformlar oluşturulmuştur. Bu platformlar Au-NRs, AgNPs ve Au-AgNPs olarak adlandırılmış ve hedeflenen biyomoleküller için geliştirilen biyoanalizlerde kullanılacak şekilde seçilmiştir.
Tez kapsamında askorbik asitin belirlenmesine yönelik SERS aktif işaretçi molekülleri kullanılarak bir yöntem geliştirilmiş ve askorbik aside ait kantitatif değerler hesaplanarak LOD ve LOQ sırasıyla; 1,37 µg ml-1 ve 4,56 µg ml-1 olarak bulunmuştur. İşaretçi olarak kullanılan bromkresol yeşili üzerinden hesaplanan EF değeri 1,33x109 olarak bulunmuştur.
Kafeinin analizi için geliştirilen üç farklı SERS temelli platform kullanılarak SERS ölçümleri alınmış ve EF değerleri karşılaştırılmıştır. İçlerinden en iyi performansı gösteren gümüş nanopartiküllerin altın yüzeylere kendiliğinden tek tabaka (SAM) oluşturacak şekilde immobilize olduğu Au-AgNPs yüzeyler kullanılmıştır. Bu platform için EF değeri 6,7x109 olarak hesaplanmıştır.  SERS ölçümleri 20X ve 50X mercekleri kullanılarak alınmıştır. Elde edilen spektrumlar üzerinden hesaplanan LOD ve LOQ değerleri; 20X mercek için sırasıyla 0,1904 ve 0,6346 mg ml-1 ve 50X mercek için sırasıyla 0,0678 ve 0,2260 mg ml-1 olarak bulunmuştur.
Yapay tatlandırıcıların SERS temelli platformlar kullanılarak belirlenebilmesi için asesulfam K, siklamat, sukraloz, aspartam ve sakarine ait spektrumlar alınmış ve EF değerleri herbir platform için hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar üzerinden aspartamın maden sularında yapay tatlandırıcı olarak miktarının belirlenmesine yönelik AgNPs nanopartikülleri kullanılarak SERS temelli bir yöntem geliştirilmiştir. Sade ve meyve aromalı maden sularında LOD değerleri ise sırasıyla; 0,13 ve 0,14 mg ml-1 olarak hesaplanmıştır. Aspartam tayinine yönelik geliştirilen yöntem ile birlikte aspartamın içeceklerde yasal sınırı 0,6 mg ml-1 olan miktarın alt ve üst noktalarında kolaylıkla tespit edilebildiği görülmüştür.
Alkalin fosfataz enzimi (ALP) klinik çalışmalarda ve metabolik aktivitelerde elzem bir role sahip olan önemli bir enzimdir. ALP aktivitesinin geliştirilen SERS temelli platformlar ile belirlenmesi için ölçümler alınmış ve 10-11-10-15 M konsantrasyon aralığında yapılan ölçümlerde en iyi performansın Au-NRs nanopartiküllerin kullanılmasıyla alındığı tespit edilmiştir. ALP'nin enzimatik reaksiyonu sonucu ortaya çıkan 5-bromo-4-kloro-3 indol (BCI) ürünün SERS aktif özelliğinden yararlanılmış ve sandviç yapılı immunoassay geliştirilerek Escherichia coli bakterisi için LOD ve LOQ değerleri sırasıyla; 10 ve 30 kob ml-1 bulunarak tayin edilmiştir. 

Anahtar kelimeler: Yüzeyde zenginleştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS), altın nanopartikül, gümüş nanopartikül, askorbik asit, yapay tatlandırıcılar, kafein, alkalin fosfataz enzimi, Escherichia coli

Abstract:
Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) is a powerful technique that enables the determination of analytes at low concentrations. Using the high plasmon resonance of the metallic nanostructures, the signals of the vibrational energies of the chemical bonds belonging to the targeted molecule are enhanced. Colloidal nanoparticles and plasmonic SERS-based platforms formed on solid surfaces were frequently utilized for the application of SERS technique. In this thesis, platfroms that can be used in SERS measurements for the determination of biomolecules in different food samples and biological environments were developed. Enhancement factors (EF), limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) values were calculated for the developed detection platforms of each targeted analyte.
Gold nanorod particles (Au-NRs) and spherically shaped silver nanoparticles (AgNPs) were synthesized to form SERS-based platforms. The characteristics of the synthesized nanoparticles were determined and the plasmon bands, shapes and sizes were determined. Using two different techniques in bioassays; suspension of nanoparticles in colloidal state and immobilization of nanoparticles on gold-coated glass surfaces by chemical and physical bonds have resulted with three different SERS-based platforms. These platforms were named as Au-NRs, AgNPs and Au-AgNPs and were chosen to be used in bioassays developed for the targeted biomolecules.
In the context of the present thesis, an indirect method was developed by using SERS active reporter molecules for the quantitative determination of ascorbic acid. LOD and LOQ values were found to be 1,37 μg ml-1 and 4,56 μg ml-1, respectively. The EF value calculated for bromocresol green, that was used as the reporter molecule, was found to be 1,33x109.
SERS measurements were taken and obtained EF values of three different SERS-based platforms were compared in terms of their performance for caffeine analysis. Au-AgNPs surfaces which were constructed by the formation of self assmbled monolayer of silver nanoparticles on gold surface showed the best performance for caffeine analysis. The EF value for this platform was calculated as 6,7x109. SERS measurements were taken by using 20X and 50X objectives. LOD and LOQ values calculated from the obtained spectra were 0,904 and 0,6346 mg ml-1 for 20X objective and 0,0678 and 0,2260 mg ml-1 for 50X objective, respectively.
Spectra of asesulfame K, cyclamate, sucralose, aspartame and saccharin were taken and EF values were calculated for each platform so that artificial sweeteners could be determined using SERS-based platforms. Based on the results obtained, a SERS-based method was developed using AgNPs nanoparticles to determine the amount of aspartame in artificial sweeteners in mineral waters. LOD values in plain and fruit flavored mineral waters were respectively; 0,13, 0,14 mg ml-1. With the developed method, aspartame has been found to be easily detectable at the upper and lower levels of the legal limit of 0,6 mg ml-1 in beverages.
Alkaline phosphatase enzyme (ALP) is an important enzyme that plays a significant role in clinical trials and metabolic activities. SERS measurements were taken to determine ALP activity with the developed SERS-based platforms and it was determined that the best performance was obtained using Au-NRs nanoparticles in measurements between 10-11-10-15 M concentration range. The SERS active property of the 5-bromo-4-chloro-3-indole (BCI) product resulting from the enzymatic reaction of the ALP was exploited in this platform. The sandwich immunoassay was developed and LOD and LOQ values were obtained as 10 and 30 cfu ml-1 Escherichia coli.

Keywords: Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), gold nanoparticles, silver nanoparticles, ascorbic acid, caffeine, artificial sweeteners, alkaline phosphatase enzyme, Escherichia coli