Polimer fırça-nanoparçacık hibrit sistemlerin hazırlanması ve biyosensör uygulamaları
Preparation of polymer brush-nanoparticle hybrid systems and their biosensor applications
Yazar: ADEM ZENGİN
Danışman: PROF. DR. TUNCER ÇAYKARA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmanın ilk aşamasında, silisyum (100) yüzeyler üzerinde yüzeyde başlatılan tersinir katılma-ayrılma zincir transfer polimerleşme (RAFT) yöntemi ile sülfidril uç gruplara sahip sıcaklık duyarlı poli((2-metoksietoksi etil)metakrilat) P(MEO2-MA) fırçalar sentezlenmiştir. Elde edilen fırçaların yapısal karakterizasyonu için X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve grazing angle aksesuarlı fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (GA-FTIR) kullanılmıştır. Polimer fırçaların hidrofilik/hidrofobik karakteri su değme açısı ölçümleri ile  ve yüzey morfolojileri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile belirlenmiştir. Hazırlanan polimer fırçaların elipsometre karakterizasyonu sonucu yüzeyler üzerinde yaklaşık 27 nm kalınlığında, 0,7 zincir/nm2  aşılama yoğunluğunda ve yüzeydeki iki makromolekül arası uzaklığın ise 1,35 nm olduğu belirlenmiştir. Sıcaklık kontrol elementli su değme açısı ölçümleri ile hazırlanan polimer fırçaların yaklaşık olarak 34 °C faz geçiş sıcaklığına sahip olduğu belirlenmiştir. Polimer fırçaların üzerine ortalama çapları 15 nm olan altın nanoparçacıklar immobilize edilerek polimer fırça-nanoparçacık hibrit sistem hazırlanmıştır. Hibrit sistemde bulunan altın nanoparçacık yoğunluğu AFM ile 185 parçacık/µm2 olarak belirlenmiştir. Hazırlanan hibrit sistemlerin yüzeyde güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS) temelli olması ve Hepatit B teşhisinde kullanılabilmesi için yüzeyler üzerinde ?sandviç tip? DNA hibritleşmesi gerçekleştirilmiştir. Oda sıcaklığında Hepatit B teşhisi için tayin edebilme sınırı 0,44 fM ve faz geçiş sıcaklığının üzerinde ise 0,13 fM olarak belirlenmiştir. Ayrıca yapılan detaylı analizler sonucunda, silisyum yüzeyinde hazırlanan hibrit sistemin klinik olarak kullanılabilme potansiyelinin olduğunu göstermiştir.

Çalışmanın ikinci kısmında ise, ilk olarak ortalama çapları 62 nm olan silika nanoparçacıklar sentezlenmiştir. Parçacıkların yüzeyi 3-iyodopropil tirmetoksisilan (IPTS) molekülü ile modifiye edildikten sonra yüzeyde başlatılan tersinir zincir transfer katalizlenmiş polimerleşme (RCTP) yöntemi ile ortalama 7 nm kalınlığında poli(glisidil metakrilat) P(GMA) fırçalar sentezlenmiştir. Polimer fırçalar üzerine ilk olarak anti-karsino embriyojenik antijen (anti-CEA) ve daha sonra karsino embriyojenik antijen (CEA) bağlanmıştır. Hazırlanan hibrit sistemin SERS temelli olabilmesi için manyetik gümüş nanotanecikler sentezlenmiş, Raman etiket molekülü ve anti-CEA ile modifiye edilmiştir. CEA bağlı silika nanotanecikler ile anti-CEA bağlı manyetik gümüş nanotanecikler arasında ?sandviç kompleks? oluşturulmuştur. SERS karakterizasyonu ile hazırlanan hibrit sistemin dış manyetik alan yokken CEA antijeni tayin edebilme sınırı 0,08 ng/mL, dış manyetik alan varken ise 1 pg/mL olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, hibrit sistemin akciğer kanseri hastalığının teşhisinde klinik olarak kullanabilme potansiyelinin olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In the first part of this study, temperature sensitive poly((2-methoxyethoxy)ethyl) methacrylate [P(MEO2-MA)] brushes with sulfıdryl end group on silicon (100) disc surface were synthesized via reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization. The structural characterizations of P(MEO2-MA) brushes were carried out by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and grazin angle Fourier transform infrared spectroscopy (GA-FTIR). Their hydrophilic/hydrophobic characters and surface morphologies were conducted by water contact angle measurements and atomic force microscopy (AFM), respectively. As the results of ellipsometry characterization, thickness, grafting density and distance of two adjacent macromolecules were found to be 27 nnm, 0.7 chain/nm2 and 1.35 nm, respectively. The P(MEO2-MA) brushes had a phase transition temperature at 34 ?C determined by temperature controlled water contact angle measurements. Polymer brush-nanoparticle hybrid systems were prepared after immobilization of gold nanoparticles with an avagare diameter of 15 nm on polymer brushes. The gold nanoparticle density on the hybrid system by AFM was calculated as 185 particles/nm2. ?Sandwich type? DNA hybridizations were done on the hybrid system for Hepatit B detection and based on surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). The limit of detection for Hepatit B was found to be as 0.44 fM and 0.13 fM at room temperature and above phase transition temperature, respectively. Moreover, detailed analysis of the hybrid systems showed that they can be potentially used in clinical applications.

In the second part of this study, silica nanoparticles with an avarege diameter of 62 nm were first prepared and then poly(glycidyl methacrylate) PGMA brushes with an average thickness of 7 nm were synthesized via reversible chain transfer catalyzed polymerization (RCTP) on the silica nanoparticles after the modification with 3-iodotrimethoxysilane (IPTS). Anti-carsinio embryogenic antigen (anti-CEA) and embryogenic antigen (CEA) molecules were bound on the polymer brushes. Meanwhile, magnetic silver nanoparticles were also synthesized and modified with Raman reporter molecules and anti-CEA to be based on SERS of the prepared hybrid system. Finaly, ?Sandwich complexes? were produced between CEA coated silica nanoparticles and anti-CEA coated magnetic silver nanoparticles.The detection limit of the hybrid system was found to be 0.08 ng/mL without an external magnetic field and 1 pg/mL with an external magnetic field. The results of these studies also indicated that the hybrid system can be potentially used in clinical applications such as lung cancer detection.