ÖZEL EGE LİSESİ YÜZEY PLAZMON REZONANSIN DİZAYNI, ÜÇ BOYUTLU YAZICI TEKNOLOJİSİ KULLANILARAK ÜRETİLMESİ VE POLİMERİK MALZEMELER İLE ETKİLEŞİMİNİN GÖRÜNTÜLENMESİ HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: Eda AVCI Efe METİN DANIŞMAN ÖĞRETMEN: Ulaş GÜREL İZMİR 2016 0
İÇİNDEKİLER 1.GİRİŞ 1 1.1 Yüzey Plazmon Rezonansın Tarihi Gelişim Süreci 1 1.2 Yüzey Plazmon Rezonans 1 1.2.1 SPR Çalışma Prensibi 2 1.2.2 SPR Sistemi İle Gerçek Zamanlı Ölçümlerin Elde Edilmesi 3 1.3. Genel Olarak Yüzey Plasmon Rezonas Sisteminin Deney Aşamaları 4 1.4. SPR Enstrüman Ekipmanları 5 1.5. Üçboyutlu Yazıcı Teknolojisi 5 1.6. Yüzey Plazmon Rezonans'ın Fiziği 6 1.7 Projenin Amacı 6 2.YÖNTEM 7 2.1. Yüzey Plazmon Rezonans Sisteminin Tasarımı ve üretimi 7 2.2. Tasarlanan Yüzey Plazmon Rezonans Sisteminin Polimer Adsorpsiyonunda Kullanılması 9 3. BULGULAR 9 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 11 5. ÖNERİLER 13 KAYNAKÇA 13 1
1. GİRİŞ 1.1 Yüzey Plazmon Resonans ın Tarihi Gelişim Süreci 1902 de ilk olarak Wood tarafından gözlemlenen [Wood, 1902; Wood, 1912] ve fiziksel bir olgu olan yüzel plazmon rezonansı, hassas detektörler olan ve monomoleküler düzeyde saptama sağlayabilen bir çok pratik uygulama alanı oluşturmuştur. Wood metal yüzey üzerine gelen ışığın spektrumdaki değişimlerini rapor etmiştir. Fano ışığın kırınımındaki anormalliklerin metal yüzey üzerine meydana gelen elektro magnetic alandan kaynaklandığını ispatlamıştır. Yüzey plazmon rezonansı nın fiziksel yorumlanması, Lord Rayleigh [Rayleigh, 1907] tarafından başlatılmış ve daha sonra Fano tarafından çalışılmaya devam edilmiştir [Fano, 1941], ancak bu fiziksel olgu hakkında tam bir açıklama 1968 yılına kadar mümkün olmamıştır; Aynı yıl içerisinde Otto [Otto, 1968], Kretschmann ve Raether [Kretschmann ve Reather, 1968] yüzey plazmonlarının uyarılmasını bildirmişlerdir. Biyomoleküler etkileşimin izlenmesi uygulamalarında SPR temelli sensörlerin kullanılması ilk olarak Liedberg ve arkadaşları tarafından gösterilmiştir [Liedberg ve ark., 1983]. 1.2.Yüzey Plazmon Rezonans Yüzey plazmon rezonansı, materyallerin altın yada gümüş yüzeyler üzerindeki adsorpsiyonunu ve değişikliğini analiz etmek için kullanılan önemli bir tekniktir. Genel olarak gümüşün oksitlenmesi altına göre daha çabuk olması gibi dezavantajlarının bulunmasından altın yüzeyler daha sık tercih edilmektedir. Diğer algılama yöntemleri ile karşılaştırıldığında yüzey plazmon rezonansı, analitlerin doğrudan ve sürekli olarak, yüksek hassasiyetle izlenmesinde etiket içermeyen, gerçek zamanlı ve moleküler seviyede güçlü algılamaları sağlar (Şekil 1). Şekil 1: Yüzey Plasmon Rezonansı Genel Çalışma Prensibi [http://www.nanodev.com.tr/yuzey-plazmon-rezonans/] Şekil 1 de gösterilen sistem, temel olarak bir prizma, üst kısmında altın ile kaplı bir cam, cam ile prizma arasında optik bağlantıyı sağlayan eş indisli bir sıvı ve prizmaya gönderilen polarize ışıktan oluşmaktadır. Polarize ışık, prizmaya gönderildiğinde ışığın bir kısmı yansıtılırken bir kısmı da absorplanmaktadır. Geliş açısı değiştirilerek yansıyan ışın yoğunluğu maksimum değere ulaştığı an rezonans açısı meydana gelir. Bu spesifik açıda 1
yüzey plazmonları harekete geçtiğinden yüzey plazmon rezonansı oluşur ve bu rezonans durumunda enerjinin absorplanmasından dolayı yansıyan ışığın yoğunluğunda azalma meydana gelir. Yüzeyle temas halinde olan ortamın özelliklerinin değişmesi ve yüzeyde birikim sağlanması durumunda rezonans açısı değişmektedir. Bu değişimlerden yola çıkarak yüzeydeki bağlanmanın mevcut olup olmadığını yada bağlanma kinetiği hakkında bilgi vermektedir. Bunlara ek olarak SPR ölçümü örnek içerisindeki analitin konsantrasyonun belirlenmesinde de kullanılır. 1.2.1 SPR ın Çalışma Prensibi Şekil 2'de gösterilen SPR çalışma düzeneğinde polarize ışık,üstünde ince bir metal film tabakası olan bir sensör çipi üzerine gönderildiğinde ince metal tabaka kaplı sensör ayna görevi görerek ışığın yansımasını sağlamaktadır. Gelen ışığın açısı değiştirilerek, yansıyan ışının yoğunluğu gözlemlendiğinde, yansıyan ışının yoğunluğunun düştüğü Şekil 2, A doğrusu üzerinde görülmektedir. Gelen ışının bu açısında, ışın yüzey plazmonlarını uyaracak, yüzey plazmon rezonansını tetikleyecek ve yansıyan ışının yoğunluğunda bir derinlik oluşturacaktır. P-polarize ışığın fotonlar serbest elektron dalga benzeri bir salınım etkilenmesi ve bu suretle yansıyan ışık yoğunluğunu azaltmak, metal tabakasının serbest elektronlar ile etkileşime girebilir. Yansıyan ışık yoğunluğunun maksimum olduğu açıya SPR açısının rezonans açısı adı verilir. SPR açısı, sistemin optik karakteristik özelliğine (ortamın her iki tarafımdaki kırılma indislerine) bağlı olarak değişir ve bu ortam genellikle altın olur. Prizma tarafındaki kırılma indisi sabit kaldığında, ince metal yüzey üzerindeki molekül bağandığında burdaki kırılma indisi değişir. Dolayısıyla yüzey plazmon rezonans koşulları değişir ve SPR açısı ayarlanarak yüzeydeki kinetik emilim hakkında bilgi vermek için uygun hale getirilir. Şekil 2. Yüzey plasmon rezonansın sönümlenme deneyi şematik olarak gösterilmektedir. Altın kaplı A sensörü prizma üzerine yerleştirilir. Polarize ışık,ışık kaynağından çıkarak sensör yüzey üzerinde yansıma yapmaktadır. Yansıyan ışığın yoğunluğu detektör ile ölçülmektedir. Işığın belirli açısı (Ø) yüzey plasmon üzerine geldiği zaman A ile gösterilmektedir. Altın film yüzey üzerinde kırıcılık indeksdeki değişim de B ile gösterilmektedir [Tudos ve Schsfoort, 2008]. 1.2.2 SPR Sistemi ile Gerçek Zamanlı Ölçümlerin Elde Edilmesi Yüzey plazmon rezonansı metal yüzey civarındaki kırılma indislerindeki değişmeleri tespit etmek için oldukça kullanışlı bir yöntemdir. Kırılma indisi değiştiğinde ve yoğunluğun minimumunm gözlemlendiği açı Şekil 3 te gösterildiği gibi kaymış olacak. Şekilde (A) yansıyan ışığın normal yoğunluğunu gösterirken, (B) de kırılma indisi değiştikten sonraki 2
halini temsil etmektedir. Yüzey plazmon rezonansı sadece bu farkı anlamakta kalmayıp aynı zamanda rezonans açısının zamanla değişimini de grafikteki eğimden anlamaya yarar. Şekil 3. Açının zamana karşı değişimini göstermektedir. İlk olarak sensörün yüzeyinde referans alınarak SPR açısı (A) belirlenmiştir. Örnek üzerine biyomoleküller gönderildikten sonra,moleküller yüzeye bağlanacakları için kırıcılık indeksde değişim meydana gelmektedir ve SPR açısında değişim meydana gelmiştir ve meydana gelen bu değişim (B) ile gösterilmektedir [Tudos ve Schsfoort, 2008]. Şekil 3 te eğimin zamanla değişmesini göstermektedir ve bu yüzden de sensör olarak adlandırılır. Grafikteki bu değişim moleküler bir etkileşimden kaynaklanıyorsa bu ölçüm gerçek zamanlı olarak da yapılabilir. SPR sensörler metal yüzeyinde sadece çok sınırlı bir aralıkta ya da sabit hacimde çalışma imkanı sunmaktadır. Bir sinyalin, tipik olarak gözlendiği elektromanyetik alanın nüfuz etme derinliği, sensör yüzeyinden metal tabakasına olan mesafe ile katlanarak bozulması bir kaç yüz nanometreyi geçmemektedir. Işık dalgasının sönümlendiği alanda nüfuz etme derinliği, gelen ışığın dalga boyunun bir fonksiyonudur. SPR sensörlerin kendi seçicilik özelliği yoktur, bu nedenle ışığın sönümlendiği alanda tüm kırılma indislerinde gelen ışınları geçirecektir. Bu değişimler ortamın kırılma indisinin değişmesiyle ilişkilendirilebilir, örneğin koruyucu sıvının yoğunluğundaki bir değişim kırılma indisinde de bir değişime neden olabilir. Şekil 3' te gösterildiği gibi yüzeye absorblanmıştürlerin miktarı, tampon çözeltisi enjekte edildikten sonra tespit edilebilir. 1.3.Genel Olarak Yüzey Plasmon Rezonas Sisteminin Deney Aşamaları Bir SPR ölçümügenel olarak hedef bileşen veya analitin, yakalama elemanı veya ligand tarafından yakalanması temeline dayanarak gerçekleşen bir sistemdir (Şekil 4). Ligand, ölçümden önce sensör yüzeyi üzerinde sürekli immobilize edilir. İmmobilize ligandlarla çeşitli sensör yüzeyleri ticari olarak temin edilebilir. En basit durumda, ligand ile analiti yakalama olayı ölçülebilir bir sinyal meydana getirir,bu doğrudan tespit olarak adlandırılır. Şekil 4 te, sensör sinyalini adım adım doğrudan algılama ile ölçüm döngüsünde gösterir. Her bir ölçüm, uygun bir tampon çözeltisinin sensör yüzeyine gönderilmesiyle başlar. Bu yakalama olayı başlamadan önce güvenilir bir temel sağlamak hayati öneme sahiptir. Bu noktada, sensör yüzeyi hedef analitleri yakalamak için hazır olan aktif ligandları içerir. Analitleri (2) içeren solüsyon yüzeye enjekte edilir veyüzeyde yakalanır. Ayrıca örneğin diğer bileşenleri sensör yüzeyine tutunabilir; uygun bir ligand seçimi yapılmadan, bu spesifik bir bağlanma olmayacaktır. 3
Şekil 4: Moleküllerin bağlanmasını gösteren şemada, analitler sensör yüzey üzerindeki immobilize olmuş ligand tarafından yakalanmaktadır. Analitler yüzey üzerinde birikmesinden dolayı kırıcılık indeks te değişim meydana gelir ve SPR açısı ileri doğru kaymaktadır [Tudos ve Schasfoort, 2008]. Bu aşamada, analit molekülün bağlanma kinetikleri gerçek zamanlı ölçümle belirlenebilir. Fiziksel olarak bağlanmış bileşenler temizlendikten sonra, tampon sensörü üzerine enjekte edilir (3). Şekilde gösterildiği gibi, birikmiş kütle yüzey plazmon rezonansı yanıtı (ΔR) elde edilebilir. Ayrıca, bu aşamada, bir analitin ayrılma sürecinin kinetiklerini sağlayan olaylar da başlar. Son olarak, bir rejenerasyon çözeltisi olan analit ve ligand (4) arasındaki bağlanmanın spesifik oranda enjekte edilir. Eğer hedef analit kantitatif olarak kaldırıldığında, ligandlar, sensör üzerinde kalır. Bu analiz döngüsü yüzlerce defalarca gerçekleşmesi gerekli olduğu gibi, bozulmamış ligandların aktivitesini bırakan bir rejenerasyon çözeltisi kullanmak aynı sensör çipi ile hatta bazen testlerini birden gerçekleştirmek için hayati önem taşımaktadır. Yine, tampon sonraki analiz çevrimi için yüzey koşullandırılması için enjekte edilir. Rejenerasyon eksik ise, biriken kitle kalan başlangıç seviyesinde artışa neden olur. Genellikle SPR ölçümleri bağlayıcı sürecin kinetiği belirlemek amacıyla yürütülmektedir. Gerçekçi sonuçlar için hedef bileşeni doğru gücünü veya afinite etkileyecek şekilde ligand değiştirmesini istenmeyen bağlanmaları önlemek için hayati önem taşımaktadır. Buna ek olarak, kinetik deneyler termodinamik ve süreçlerin bağlama enerjisi hakkında bilgi verebilir (Şekil 5). 4
Şekil 5. SPR sistemininanaliz döngüsündeki basamakları: 1, tampon çözelti referans almak için sensör yüzeyine gönderilir. 2, örnek çözeltisi düzenli olarak sisteme gönderilir. 3, Sisteme tekrar tampon çözelti gönderilir. 2. ve 3. basamak arasında meydana gelen ΔRhedef molekülün bağlandığını göstermektedir.4, Kimyasal bağlanmamış olan molekülleri yüzeyden uzaklaştırmak için sensör yüzeyi yıkanır. Reaktif indeks değişimi t 1 anında gözlemlenmiştir [Tudos ve Schasfoort, 2008] 1.4. SPR Ekipmanları SPR 3 temel bölümden oluşmaktadır. Bu sistemler sırasıyla optik bölüm, örneğin enjeksiyon bölümü ve sensör yüzeyidir. Sensör çipin özellikleri SPR ölçümü için önemli bir yeri vardır. Sensör çip optik bölüm ve akış sistemi arasında engel oluşturmaktadır. Genel olarak 3 farklı optik sistem yüzey plasmonu oluşturmak için kullanılır. Optik sistem içerisinde ki bu parçalar prizma, optik ağ ve optik dalga kılavuzudur. SPR sisteminde en yaygın kullanılan sistem Şekil 1 de de gösterildiği gibi Kretschmann konfigürasyonudur. Sistem içerisindeki prizma polarize ışığın ince metal film ile kaplı sensör yüzey ile buluşmasını sağlamaktadır. Fotodiyot kullanılarak yansıyan ışığın yoğunluğu ölçülür. SPR sensör ise düşük konsantrasyondaki biyolojik ve kimyasal maddelerin ölçülmesine olanak sağlamaktadır. [Tudos ve Schasfoort, 2008] 1.5. Üç Boyutlu Yazıcı Teknolojisi Üç boyutlu üretim, masaüstü imalat ya da katkısal üretim olarak da bilinen bir üretim yöntemidir. Hızlı proto-tipleme olarak da bilinen bu teknolojide 3 boyutlu bilgisayar tasarımını gerçek bir objeye dönüştürülür. 3 boyutlu sayısal model STL formatına dönüştürülür ve 3D yazıcıya gönderilir. 3D yazıcı katman katman inşa ederek gerçek objeyi oluşturur. Termoplastik malzemenin düzgün bir şekilde yığılabilmesi için erime sıcaklığına ısıtılmış bir nozuldan geçirmek gerekmektedir. Bu nozul bilgisayar tarafından kontrol edilerek parça geometrisine uygun olarak hareket etmektedir. Termoplastik malzemenin yığılması ile beraber, parça 2 boyutlu katmanlar halinde tablaya yığılır ve yığılan katmanlar ürünü oluşturmaktadır.bu proses günümüzde en çok hızlı prototipleşme ve 3 boyutlu yazıcı alanlarında kullanılmaktadır. 3D yazıcı, 3 boyutlu üretim, 3D yazıcı olarak da bilinir. Üç boyutlu yazıcılar temelde bir ürünün piyasaya çıkmadan önce son halini görebilmek için tasarlanmış makinelerdir. Bu sayede bir ürün seri üretime geçmeden önce bu yazıcılardan çıkış alınıp son haline bakılarak ürünün elle tutulduğunda nasıl bir şeye benzediği görülebiliyor. Bu da hem maliyet tasarrufu hem de olası sorunların önceden görülmesini sağladığı için ciddi bir kolaylık getiriyor. Genelde bir çizim programları ile uyumlu çalışan 3 boyutlu yazıcılar standart yazıcılardan farklı olarak mürekkep yerine farklı materyaller kullanılmaktadır. Plastik, polikarbon kadar birçok malzemeyi kullanabilen 3 boyutlu yazıcılar birçok karmaşık nesneyi üretebilmektedir. Delta model 3 boyutlu yazıcımızın avantajı hızlı baskı alabilmesi ve kartezyen tipinde çalışan yazıcılara göre daha kusursuz baskı alabilmesidir. Ayrıca karbon-fiber gibi özel kullanım amaçlı malzemelerin de kullanımına uygun olacak 3 boyutlu yazıcı ve yazılımı sayesinde kalıp masraflarına gerek kalmadan prototip ürünler test edilebilecektir. Tasarımını yapacağımız delta modellerde kartezyen modellere göre daha az parça kullanılıyor. Bunun yanında kartezyen sistemlerde her bir eksendeki hareket kendi başına yapılıyor ve bu da her eksenin farklı hızda ve doğrulukta çalışmasına sebep oluyor. Delta 3d printerlarda ise bu 3 kol eş değer özelliklere sahip olduğu için eksenel farklılıklar söz konusu olmuyor. Delta yazıcılarda her bir kol için V hareket aksamı ve yataklama sistemi kullanılıyor. Hareketli aksam ve yataklar kartezyen sistemlere göre üretimin daha hızlı gerçekleşmesini sağlıyor. Ayrıca geliştireceğimiz yazılım sayesinde 3 boyutlu bütün çizim programlarıyla uygun çalışabilen bir ara yüz oluşturularak tüm dosya tipindeki 3 boyutlu çizimlerin baskısı alınabilecektir. 5
1.6 Yüzey Plazmon Rezonans ın Fiziği Son 20 yılda yüzey plazmon rezonans ı (SPR) fiziksel, kimyasal ve biyolojik araştırmalarda ilgilenen objenin ara yüzeyinin karekterizasyonu çalışmak için sıklıkla kullanılan optik araçlarının olağandışı bir yenilik olarak karşımıza çıkmıştır. Yüzey plasmon rezonans ın (SPR) nano optik alanı fiziğin optik fonksiyonlarının gerçekleştirilmesinde dizayn edilen nano ölçekteki metalik yapıların eklenmesi açısından önemlidir. Bu alan özellikle klasik konvensiyonel yöntemlerin daha iyi anlaşılması ve daha küçük detaydaki maddelerin saptanması için önemlidir. Yüzey plasmon u (SP) oluşturulabilmesi için gerekli olan şartlardan bir tanesi iki mataryel arasındaki serbest elektronlardır ki bu pratikte çoğu zaman bir metal iyonunun bunu sağlaması ile gerçekleşir ve elektronun çok olduğu yerden az olduğu yere doğru sağlanır. Bu eşitlik metal dielektirik ara yüzeylerinin Maxwell eşitliği ile analizlenmesinden doğal olarak ulaşılabilmektedir.[tudos ve Schasfoort, 2008] Alternatif olarak yüzey plazmon elektromanyetik dalgaların güçlü bir şekilde bu ara yüzeye bağlanması olarak da görülebilir. Yüzey plazmon (SP) alanı ara yüzeyin yoğunluğuyla ve yüzey plazmon rezonans ın (SPR) neden ara yüzey çalışmalarında birçok tipi için güçlü bir araç olarak kullanılabileceği açıklanmıştır. 1.7 Projenin Amacı Son yıllarda, yüzey plazmon rezonans spektroskopisi alanındaki gelişmeler, moleküllerin etkileşmelerini araştırmak için daha hassas araştırmaların gelişmesine yol açmıştır. Yüzey plazmon rezonans (SPR) tekniği, belirli bir bağlanma dinamiğine sahip her türlü molekül çiftinin bağlanmasını, etiketleme yapmadan tespit eden opto-elektronik temelli bir tekniktir. SPR tekniği, altın ya da farklı materyallerin taşıdığı karakteristik özelliklerden yararlanır. Yüksek kırılma indisine sahip bir malzemenin üzerine kaplanan ince altın katmanı lazer ışınını emer ve altın yüzeyinde elektron dalgaları oluşur. Analiz edilmesi düşünülen yapıya, akışkan kanallar yardımıyla alıcısı gönderilir ve alıcının bağlanması halinde altın katmanın yüzeyinde ışığın davranışı değişerek kırılma indisi değişimine yol açar. Meydana gelen bu optik değişim sayesinde biyolojik etkileşimleri etiketlemeye ihtiyaç duyulmaksızın yüksek bir hassasiyette ve gerçek zamanlı olarak nitel ve nicel ölçüm yapılabilir. Yüzey plasmon rezonans ın birçok alanda kullanımı vardır. Bu alanlara örnek verecek olursak sırasıyla; Peptit/Protein Protein DNA/RNA Protein Protein Hücre Alıcı Hücre Protein Virüs Karbonhidrat Protein dir. Yüzey plasmon rezonansın yukarıda anlatılana avantajları göz önüne alınarak yapılan bu çalışmada moleküllerin altın yüzey üzerinde etkileşimlerini görüntülemek amacıyla tasarımı kendimizi ait olan yüzey plasmon rezonans sistemi üç boyutlu yazıcı teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Üç boyutlu yazıcı teknolojisi sayesinde standart yüzey plasmon rezonans sistemlerinden daha küçük ve daha kullanışlı bir sistem elde edilmiştir. Tasarlamış olduğumuz yüzey plasmon rezonans sistemi, birden fazla birbirinden farklı moleküllerin gerçek zamanlı etkileşimlerini incelemek amacıyla ve mevcut olan sistemlerden fark yaratmak için sisteme mikrokanallar eklenmiştir. Mikrokanallara ek olarak yine tasarladığımız sistem için akış sistemleri geliştirilmiştir ve sistem üzerine entegrasyonu sağlanmıştır. Son olarak geliştirdiğimiz ve yeniden ürettiğimiz yüzey plasmon rezonans sisteminin güvenilir bir şekilde çalıştığını göstermek için literatürde yapılan çalışmalara benzerlik sağlaması için 6
sistem üzerinde polimer malzemenin moleküler etkileşimleri incelenmiştir [http://www.nanodev.com.tr/yuzey-plazmon-rezonans/]. 2.YÖNTEM 2.1 Yüzey Plazmon Rezonans Sisteminin Tasarımı ve Üretimi Yüzey plasmon rezonans sisteminin tasarımı Autocad 2013 programı ile yapılmıştır. Tasarıma ait teknik çizimler Şekil 6 üzerinde de gösterilmektedir. Tasarımı yapılan yüzey plasmon resonans sistemi üç boyutlu yazıcı teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Üç boyutlu yazıcının resmi Şekil 7 üzerinde gösterilmiştir. Bizim tasarlamış olduğumuz yüzey plasmon sistemini diğer sistemlerden farklı kılmak için mikrokanal sistemi eklenerek düşük madde miktarında moleküllerin gerçek zamanlı etkileşimlerinin gözlemlenmesi sağlanmıştır. Mikrokanallar Şekil 8 üzerinde gösterilmiştir. Sistem üzerine mikrokanallara ek olarak, tek giriş ve tek çıkışa sahip akış sistemi de üretilmiştir. Mikrokanalların yanında akış sistemin üretilmesinde ki amaç mikrokanallara analizi yapılacak örnek gönderildiğinde düşük ihtimal de olsa örneğin kanal içerisinde sızma ihtimalidir. Üretilen akış sistemi sayesinde olası durumda meydana gelecek sızıntı durumunda mikrokanallar yerine akış sistemi devreye girerek analizin doğru bir şekilde gerçeklemesi sağlanmaktadır. Bahsi geçen akış sistemleri üç boyutlu yazıcı teknoloji kullanılarak üretilmiştir. Akış sistemlerin farklı modellerde tasarımı yapılmıştır. Üretilen akış sistemleri Şekil 8 üzerinde gösterilmiştir. Şekil 9 da tasarlanmış yüzey plasmon rezonans cihazı görülmektedir. A B Şekil 6.Yüzey plasmon rezonans cihazının teknik çizimleri. 7
Şekil 7.Yüzey plasmon rezonans sisteminde kullanılan üç boyutlu yazıcı. Şekil 8.Farklı modellerde üretilen akış sistemi ve kullanılan mikrokanal modeli. Şekil 9.Tasarımı tamamlanmış yüzey plasmon rezonans sistemi 2.2 Tasarlanan Yüzey Plazmon Rezonans Sisteminin Polimer Adsorpsiyonunda Kullanılması 8
Polimer adsorpsiyonunda kullanılacak olan altın kaplamalı slaytlar (16mm x 16mm), asetonla 5 dakika sonike edilip, deiyonize su ve etanol ile yıkandı ve N 2 ile kurutulmuştur, ardından 60º C deki bazik pirana (H 2 O:H 2 O 2 :NH 4 OH),(70:15:15)çözeltisiyle 1-1,5 dakika boyunca temizlenmiştir, tekrar deiyonize su ve etanolle yıkandı, N 2 ile kurutulduktan sonra, 20 dakika boyunca 80ºC deki etüve bırakılmıştır. Düzenekte altın yüzey, 80µl hacminde havuza ve biri yüzeye sıvı enjekte etmeye diğeri de yüzeye ulaşan sıvının sistem dışına iletimini sağlamaya yarayan iki adet kanala sahip olan hücre ile kapatılmıştır. Deneye başlamadan önce sistemin kalibrasyonun yapılmalıdır. Sistem kalibrasyonu için, cihaz açıldıktan sonra ilk olarak havaya göre daha sonra da suya göre referansı alınması için su yüzeye ulaşıncaya kadar su enjekte edilir ve su yüzeye ulaşınca referans alınır ve sistem deney için hazır hale getirilmiş olur. Deneyin ilk aşamasında deiyonize su ile referansı alınan yüzeye 4500 moleküler ağırlığında % 0 OEGMA (oligo etilen glikol maleimit) içeren fosfat uçlu sulu polimer enjekte edildi ve bir süre beklemeye bırakıldıktan sonra yüzey deiyonize su enjekte edilerek yıkanmıştır. İkinci aşamasında, aynı işlem 4700 moleküler ağırlığında % 0 OEGMA içeren pyridyldisulfide (PDS) uçlu sulu polimer çözeltisi için uygulanmıştır. Deneyin son aşamasında etanol ile referansı alınan yüzeye, etanolle çözülmüş 4900 moleküler ağırlığında % 50 OEGMA içeren silan uçlu polimer yollanarak bir süre beklemeye bırakılmıştır ve etanolle yıkanmıştır. (Deneyin su ve etanollü aşamalarında farklı altın yüzeyler kullanıldı ve polimer konsantrasyonları 0,1mM dır). 3.BULGULAR Yüzey plasmon resonans tasarımı ve üretimi bittikten sonra cihazın doğru bir şekilde çalıştığını kontrol etmek için sırasıyla fosfat, pyridyldisulfide ve silan uçlu polimerler sisteme gönderilerek yüzey ile etkileşimi analiz edilmiştir. Yapılan deneyler doğrultusunda elde edilen sonuçlar cihazın düzgün bir şekilde çalıştığını göstermektedir (Şekil 10 ve 11). Şekil 10. Altın yüzeye gönderilen fosfat uçlu polimerin SPR tekniği ile analizi. Başlangıçta yüzeye deiyonize su yollandıktan sonra hızlı bir sinyal artışı olarak gözlemlenen ilk enjeksiyon (polimer), enjeksiyon tamamlandıktan sonra su enjekte edildiğinde hızlı bir sinyal düşüşü olarak gözlemlenmiştir. Sensogramdaki A polimer enjeksiyon edilen nokta, B ise polimer fazlalığının deiyonize su ile yıkandığı noktalardır. Şekil 11 den de anlaşılacağı üzere yüzeye ikinci kez su enjekte edildikten sonra yüzeydeki polimerlerin tamamen yıkandığı, fosfat uçlu polimerlerin yüzeye tutunmadığı görülüyor. 9
Şekil 11: Altın yüzeye gönderilen pyridyldisulfide (PDS) uçlu polimerin SPR tekniği ile analizi. Yüzeye deiyonize su yollandıktan sonra hızlı bir sinyal artışı olarak gözlemlenen ilk enjeksiyon (polimer), enjeksiyon tamamlandıktan sonra su enjekte edildiğinde hızlı bir sinyal düşüşü olarak gözlemlenmiştir. Sensogramdaki A polimer enjeksiyon edilen, B ise polimer fazlalıklarının deiyonize su ile yıkandığı noktalardır. Grafikten de anlaşılacağı üzere, yüzeye ikinci kez su enjekte edildikten sonra pyridyldisulfide (PDS) uçlu polimerlerin tamamen yıkanmadığı, yüzeye tutunduğu görülmüştür. Tutunan polimer miktarı 6,8 x 10 14 molecules cm 2 olarak hesaplanmıştır.(şekil 12). Şekil 12. Altın yüzeye gönderilen silan uçlu polimerin SPR tekniği ile analizi Yüzeye salt etanol yollandıktan sonra hızlı bir sinyal artışı olarak gözlemlenen ilk enjeksiyon (polimer), enjeksiyon tamamlandıktan sonra tekrar salt etanol enjekte edildiğinde hızlı bir sinyal düşüşü olarak gözlemlendi. Sensogramdaki A polimer enjeksiyon edilen nokta, B ise polimer fazlalığının salt etanol ile yıkandığı noktalardır. Grafikten de anlaşılacağı üzere, yüzeye ikinci kez salt etanol enjekte edildikten sonra yüzeydeki polimerlerin tamamen yıkandığı, silan uçlu polimerlerin yüzeye tutunmadığı görülüyor (Şekil 12). 10
4. SONUÇ VE TARTIŞMA Moleküllerin metal yüzeyler üzerinde ki bağlanma etkisini gözlemlemek amacıyla yüzey plasmon resonans sistemini tasarlanmış ve üretilmiştir. Üretmiş olduğumuz yüzey plasmon resonans sisteminin düzgün bir şekilde çalıştığını gözlemlemek için altın yüzey üzerine polimerik bir malzeme olan oligo etilen glikol maleimit isimle sisteme gönderilmiştir ve sonuçlar bulgular bölümünde detaylı olarak anlattılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürde yapılan çalışmalar ile örtüşmektedir. Literatür çalışmasına örnek verecek olursak 2015 yılında Vollmer ve arkadaşları polimerik malzemelerin yüzey plasmon resonan etkileşimlerini incelemek amacıyla bir çalışma yapmışlardır [Vollmer ve ark., 2015]. Yapılan bu çalışmada poli-(b-cd)nh 2 ve PEG (poli etilen glikol) kullanılmıştır. Şekil 13. 1 g/l poli etilen glikolün farklı konsantrasyondaki poli-(b-cd)nh 2 yüzey plasmon resonans sistemi ile gösterimi. ile etkileşimin Şekil 14. 0.1 g/l poli etilen glikolün farklı konsantrasyondaki poli-(b-cd)nh 2 ile etkileşimin yüzey plasmon resonans sistemi ile gösterimi Yukarıda bahsedilen polimerin birbirleri farklı konsantrasyonlardaki etkileşimleri Şekil 13 ve Şekil 14 te gösterilmiştir. Şekil 15 de 1g/L deki poli etilen glikolun farklı konsantrasyondaki poli-(bd)nh 2 ile etkileşimi gösterişmiştir. Şekil 16 da ise 0.1g/L deki poli ethilen glikol farklı konsantrasyondaki poli-(bd)nh 2 ile etkileşimi gözlemlenmiştir. Elde edilen iki farklı grafik incelendiğinde poli ethilen glikol konsantrasyonu yüksek olduğunda iki polimer arasındaki etkileşimin daha fazla olduğu gözlemlenmektedir. Yine grafikler üzerinde dikkatli bir şekilde bakıldığında, bizim elde ettiğimiz grafiklere benzer olarak okla gösterilen yerler, sistem üzerindeki fiziksel olarak bağlanmayan polimerin uzaklaştırılması için sisteme su gönderildiğinde grafik üzerinde meydana gelen kırılma aynı bölgelerde yani sisteme su 11
gönderildiği zaman elde edilmiştir. yine sisteme su gönderildikten sonra grafik dissociation fazına yani ayrılma fazına geçmiştir. Elde edilen verilerdeki uyumlar grafikler üzerinde net bir şekilde görüşmektedir. Bundan dolayı tasarlamış olduğumuz yüzey plasmon sistemi uygun bir şekilde çalışmaktadır. Şekil 15. 1 g/l poli etilen glikolün farklı konsantrasyondaki poli-(b-cd)nh 2 ile etkileşimin yüzey plasmon resonans sistemi ile gösterimi. Şekil 16. 0.1 g/l poli etilen glikolün farklı konsantrasyondaki poli-(b-cd)nh 2 ile etkileşimin yüzey plasmon resonans sistemi ile gösterim 5. ÖNERİLER Tasarladığımız ve üretimini üç boyutlu yazıcı teknoloji kullanarak ürettiğimiz yüzey Plazmon Rezonans (SPR) sistemi yardımıyla altın yüzey üzerine polimerik malzeme gönderilerek tek katmanlı sensör yapılmıştır. Literatürde de olduğu gibi altın yüzey üzerinde oluşturulan birden fazla kaplama sayesinde çok katmanlı sensörler elde edilmiştir. Bu sayede ileri zamanlarda yapılacak çalışmalarda kaplama sayısı daha da arttırılarak oluşturulacak sensörler sayesinde birden fazla hastalığın tanısı aynı anda belirlenmiş olabilecektir. 12
KAYNAKLAR 1.Wood, R.W., (1902). On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum.philos. Mag., 4, 396 402. 2. Wood R.W. (1912),SPR Method and Its Utilisation for Low Alcohols Concentrations Determination Philos. Mag., 310 317 3.Rayleigh, L. (1907), Waterman and Rayleigh methods for diffraction grating problems: extension of the convergence domain, Journal of the Optical Society of America A, sayfa 399. 4. Fano, U. (1941), The Theory of Anomalous Diffraction Gratings and of Quasi-Stationary Waves on Metallic Surfaces (Sommerfeld s Waves),Journal of the Optical Society of America, 31, 3, sayfa 213 222. 5. Otto, A.(1968), Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection, Zeitschrift für Physik, 216, 4, sayfa 398 410. 6.Kretschmann, E. ve Reather, H. (1968), Radiative Decay of Nonradiative Surface Plasmons Excited by Light, Zeitschrift für Naturforschung A,2135 2136. 7.Liedberg, B., C. Nylander, and I. Lundstrom, (1983). Surface plasmon resonance for gas detection andbiosensing, Sensors and Actuators, 4,2, sayfa 299 304. 8.http://www.nanodev.com.tr/yuzey-plazmon-rezonans/ Erişim Tarihi: 14.01.2016 9.Tudos ve Schasfoort (2008), Chapter 1: Introduction to Surface Plasmon Resonance, Handbook of Surface Plasmon Resonance, RSC Publishing, 1-14. 10. Vollmer, H., Harvey, E., Barker, G., Young, D. (2015). Outcomes of isolated small bowel transplants ina single UK centre, Intensive Care Medicine Experimental, 3, 1 sayfa A 357. 13