Kendiliğinden düzenlenen tek tabaka yöntemi ile ışık kontrollü dna çip tasarımı
Design of photocontrollable DNA chip by self-assembled monolayer method
Yazar: GÖKÇEN DEMİREL
Danışman: PROF. DR. TUNCER ÇAYKARA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada, Si(100) yüzeyleri üzerinde yeni bir ışık kontrollü DNA çip tasarlanmıştır. Bu ışık kontrollü malzeme Si(100) üzerinde 3-Glisidoksipropiltrimetoksisilan (GPTS) ve 4,(4'-aminofenilazo) benzoik asit (APABA) moleküllerinden oluşan azobenzen içeren birimlerin kendiliğinden düzenlenen tektabakaları (KDT) ile hazırlanmıştır. Işık-duyarlı APABA molekülü Schündehütte metodu kullanılarak sentezlenmiş ve yapısal analizi FTIR, NMR ve LC-MS ile gerçeklestirilmiştir. Azobenzen tektabakaları Si(100) yüzeyleri üzerine GPTS ara bağlanmalarıyla oluşturulmuştur. Hazırlanan modifiye yüzeyler, X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS), değme açısı ölçümleri ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile karakterize edilmiştir. APABA moleküllerinin tersinir fotoanahtar performansları DMSO ortamında UV spektrofotometresi ile incelenmiştir. Yüzeylerin foto-geri dönüşümlülük mekanizmasını anlamak ve kontrol edebilmek için yüzeyler UV ve vis ışık ile ışınlandıktan sonra farklı sıvılar kullanılarak değme açısı ölçümleri alınmıştır. Bu değme açısı ölçümleri UV ve vis ışık ile ışınlanan APABA-modifiye yüzeylerinin, yüzey enerji bileşenlerinin Lifshitz?van der Waals/asit-baz yaklaşımı yardımı ile hesaplanmasında kullanılmıştır. Fotoanahtar yüzeylerin toplam yüzey enerjileri, vis ve UV ışınlamalarından sonra sırasıyla 37.28 mJ/m2 ve 36.95 mJ/m2 olarak hesaplanmıştır. Işık kontrollü DNA çipin hazırlanması için, Cy3 etiketli amino-uç gruplu tek iplik prob-DNA dizileri fotoanahtar yüzeylere immobilize edilmiştir. Prob-DNA derişimi ve inkübasyon zamanı floresans mikroskobu kullanılarak araştırılmıştır. Optimum hibridizasyon şartları Cy5 etiketli eşlenik DNA ile floresans mikroskobu kullanılarak çalışılmıştır. Ayrıca hazırlanan yüzeylerin vis ve UV ışık ile ışınlandıktan sonraki DNA hibridizasyonlarının ışık ile kontrolü konfokal mikroskobu ile gösterilmiştir. Hazırlanan ışık kontrollü DNA çip için hibridizasyon yüzdeleri, çipin açık ve kapalı pozisyonları için sırasıyla % 61 ve % 5 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, Yoğunluk Fonksiyonları Teorisi (DFT) kullanılarak teorik hesaplamalar yapılmıştır. APABA moleküllerinin epoksi-sonlu Si(100)-(2x2) yüzeyleri üzerine bağlanma mekanizmaları ve enerjileri teorik olarak incelenmiştir. Öncelikle, trans-APABA moleküllerinin epoksi-sonlu Si(100) yüzeyleri üzerine kimyasal bağlanması için iki olası model önerilmiştir; (i) karboksil ucundan bağlanma (Model 1), (ii) amino ucundan bağlanma (Model 2). Hesaplamalar, Model 1'in 0.43 eV daha kararlı olduğunu göstermiştir. İkinci olarak ise, trans-APABA molekülleri farklı açılarla bükülerek yüzeyler üzerinde cis-APABA molekülleri elde edilmiştir. Sonuç olarak trans-APABA yüzeylerinin cis-APABA yüzeylerinden 1.65 eV daha kararlı olduğu bulunmuştur.

Abstract:
In this study, a new photocontrollable DNA chip was designed on Si(100) wafer. The photo-controllable substrate was prepared by azobenzene-containing self-assembled monolayers (SAMs) on the Si(100) via chemisorption of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) and 4-(4?-aminophenylazo)benzoic acid (APABA). Photosensitive APABA was synthesized by using Schündehütte method and characterized by FTIR, NMR and LC-MS. The azobenzene monolayers were formed on Si(100) surfaces by GPTS linkages. The modified surfaces were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact angle analysis and atomic force microscopy (AFM) techniques. The reversible photoswitching performances of APABA molecules were investigated by UV Spectroscopy in DMSO solution. In order to understand and control this reversible photoswitching mechanism, contact angle measurements were performed by using a variety of liquids after UV and visible light irradiation. These contact angle results were used to calculate the components of the APABA-modified surface energy under UV and visible light with the aid of the Lifshitz?van der Waals/acid?base approach. The total surface energies of photoswitchable surfaces after visible and UV light irradiation were calculated as 37.28 mJ/m2 and 36.95 mJ/m2, respectively. To prepare a photo-controllable DNA chip, Cy3 labeled amino-terminated single stranded probe-DNA arrays were then immobilized onto the photoswitchable surface. Using fluorescence microscopy, the probe-DNA concentration and the incubation time were investigated. The optimum hybridization conditions were studied with Cy5 labeled complementary-DNA using fluorescence microscopy. In addition, the photocontrolling of DNA hybridizations onto prepared surfaces were verified by confocal microscopy after vis and UV light irradiation. The percentenge hybridization ratios for the on and off state of the DNA chip were calculated as 61% and 5%, respectively. Furthermore, the theoretical calculations were performed by using Density Functional Theory (DFT). The binding mechanisms and energies of APABA molecules on the epoxy-terminated Si(100)-(2x2) surfaces were theoretically investigated. Firstly, two possible models for chemisorption site of the trans-APABA molecule on the epoxy-terminated surface were considered; (i) amino-site binding (Model 1) and (ii) carboxyl-site binding (Model 2). The results showed that the Model 1 was energetically more favorable than Model 2 by 0.43 eV. Secondly, trans-APABA molecule was folded at different angles to obtain cis-APABA molecule on the surface. As a result, trans-surfaces were found energetically more favorable than cis-surfaces by 1.65 eV.