Potential of microdroplet lasers for optofluidic biosensing applications
Mikrodamla lazerlerin olası opto-akışkan biyoalgılama uygulamaları
- Tez No: 414055
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyofizik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biophysics, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Boya katkılı mikro damlacıklar, lazer olarak kullanılabilen fısıldayan galeri kiplerini taşıyabilmektedir. Lazer çıkış dalgaboyu, lazer eşiği, lazer verimliliği ve hatta lazer ışık spotunun şekli; damlacıkların şu fiziksel özelliklerine hassas bir şekilde bağlıdır: Damlacıkların boyutu, şekli, damlacıkların kırılma indisi ile ortamın kırılma indisi arasındaki fark, kovuk kalite faktörü ve damlacık malzemesinde moleküler bağlanma veya bağların açılması gibi. Bu hassas ilişki, algılama uygulamalarının kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bu bağlamda lazer olarak kullanılan damlacıkların uygulama sırasında en az bozulmayla hareket ettirilebilmesi için, optik kuvvetlerin fiziksel temasa ihtiyaç duymama avantajından faydalanmak gerekmektedir. Bu tezde öncelikle optik kuvvetlerle yönlendirilen boya katkılı sıvıda veya havada asıltı şeklindeki damlacıklardan lazer ışığı elde edilmiştir. Zamana göre lazer kararlılığı ve damlacığın fiziksel özelliklerine göre lazer ışığı dalgaboyundaki değişim gözlemlenmiştir. Dahası, optik kuvvetler kullanılarak damlacık şekli deformasyona uğratılmış, böylelikle lazer dalgaboyu ayarlanabilmiştir. Bu deney için su içerisinde boya katkılı yağ damlacıklar optik olarak uyarılmış ve çift ışıklı tuzaklama yöntemiyle şekilleri deformasyonauğratılmıştır. Böylelikle ışığın damlacık içinde aldığı yol değiştiğinden lazer dalgaboyunda kaymalar meydana gelmektedir. Bu teknik kullanılarak, lazer dalgaboyu ayarlanması sadece optiğe dayanan, neredeyse tamamen tersine çevrilebilir bir şekilde gösterilmiştir. Ayrıca dalgaboyundaki ayarlamanın yönünün, pompa lazerinin odağının damlacık üzerindeki konumuna bağlı olduğu görülmüştür. Bunlara ek olarak sıcaklık değişiminin dalgaboyu kayması üzerindeki etkisi incelenmiş ve damlacığın sıcaklığının artmasıyla lazer dalgaboyunda kırmızıya kayma gözlemlenmiştir. Tezin biyo-algılama kısmında mikrodamlacıklarbiyolazer olarak kullanılmıştır. Bu damlacıklar sarı floresan proteinler ya da floresan protein içeren canlı E. Coli bakterileri içermektedir. İlk olarak 49 µM kadar düşük derişimlerdeki proteinler kullanılarak lazer özelliği gösterilmiştir. Daha sonra damlacık içerisine yerleştirilen tek bir bakterinin floresan özelliği ile lazer kazanç ortamı olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Su içerisindeki damlacık mikrokovuklar, bu bakterilerin engelsiz büyüme ortamına yerleştirilebilmesi için uygun zemin hazırlamaktadır. Bu sebeple bu sonuçlar, lazer ışığının mikroskobik ölçekte kendi kendini yenileyebilen bir şekilde üretilmesine zemin hazırlamaktadır. Floresan rezonans enerji transferi (FRET) verici ile alıcı kromoforlar arasındaki mesafenin atomik boyutlarda ölçülmesine, böylelikle biyomoleküllerdeki uyumlu değişikliklerin fark edilmesine olanak sağlamaktadır. FRET ile lazer sistemini birleştirmek, FRET parametrelerinin lazer çıkışı üzerindeki doğrusal olmayan etkileri sayesinde FRET tabanlı biyokimyasal algılayıcıların hassasiyetini arttırmaktadır. Damlacıklar ile birleştirilen FRET lazerlerinin algılayıcı özelliklerinin daha iyi anlaşılması için kapsamlı bir teorik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada oran denklemi modeli kullanılarak Fabry-Pérot kovukları için FRET lazerleri incelenmiştir. Alıcı ve verici moleküllerin çözelti içerisinde başka bir etki olmadan difüzyon ile hareket edebildikleri durum ile birbirlerine uzunluğu sabit bir molekül ile bağlı alıcı ve verici moleküllerin durumu karşılaştırılmıştır. Sonuçta ikinci durumun, düşük derişimlerde algılama uygulamaları için daha uygun olduğu sonucuna ulaşılmıştır. FRET lazer algılayıcıları ile bilinen FRET algılayıcıları karşılaştırılmış, uygun pompa ve FRET çifti derişimleri şartları altında, Förster mesafesi bölgesinde oluşan değişimlerde algılama hassasiyetinde 100 kata varan iyileşmelerin görüleceği gösterilmiştir. Algılama hassasiyetinin iyileşmesinin kovuk kalite faktörü ile ilişkisi de araştırılmıştır. 10^4 ile 10^6 arasındaki kalite faktörleri için en yüksek iyileşmenin görüleceği gösterilmiştir. 10^6'dan daha yüksek kalite faktörlerinin, kovuk içindeki ışınımsal enerji transferi sebebiyle iyileştirmeyi düşürdüğü gösterilmiştir. Son olarak tetrahedral şeklindeki DNA yapılarının FRET lazer özelliği gösterilmiştir. Bu yapılar Cy3 ve Cy5 boyaları ile etiketlenmiş ve damlacık içine yerleştirilmiştir. Bu damlacıklar da süper hidrofobik yüzeyler üzerinde tutulmaktadır. 1Cy3-3Cy5 ve 3Cy3-1Cy5 DNA yapıları için lazerin eşik akışı ve diferansiyel verimi karakterize edilmiştir. Sabit Cy5 derişimi altında 1Cy3-3Cy5 ile karşılaştırıldığında 3Cy3-1Cy5 için ortalama eşik akışı 3 ila 8 kat azalırken diferansiyel verim 6 ila 30 kat artmıştır. 3Cy3-1Cy5 nanoyapıları kullanılarak 1 µM'e kadar düşük seviyelerde lazer gözlemlenmiştir. Bu çalışma gösteriyor ki, biyo-kimyasal algılama uygulamaları ve fotonik alet yapımı,damlacık rezonatör tabanlı opto-akışkan mikro-lazerler DNA teknolojisi ile birleştirilerek daha derin bir şekilde keşfedilebilecektir.
Özet (Çeviri)
Dye-doped microdroplets can host lasing whispering gallery modes (WGMs). The sensitivity of laser emission wavelength, lasing threshold, lasing differential efficiency or even lasing beam spatial profile to the physical properties of microdroplets such as size, shape, relative refractive index of the droplet with respect to its surrounding medium, cavity Q-factor, or molecular binding/unbinding inside their constructive material can be used in sensing applications. To this end the necessity of control and manipulation of lasing microdroplets with minimum perturbation in their performance during the study suggests the utilization of advantages of optical forces as non-contact remote manipulation tools. In this thesis firstly we demonstrate lasing from optically manipulated dye-doped emulsion and aerosol droplets. We study their lasing properties such as lasing stability in time and dependence of the lasing WGMs on the physical properties of the microdroplets such as size, refractive index and dye concentration. Moreover, we use optical forces as deforming tools to stretch the microdroplet lasers for tuning their lasing emission. To do this a dual-beam trap is used to stretch the optically pumped dye-doped droplets of oil dispersed in water. Subsequently, resonant path lengths of WGMs propagating in the droplet are modified, leading to shifts in the microlaser emission wavelengths. Using this technique, we present all-optical, almost reversible spectral tuning of the lasing WGMs and show that the direction of tuning depends on the position of the pump beam focus on the droplet. In addition, we study the effects of temperature changes on the spectral position of lasing WGMs and demonstrate that droplet heating leads to red-tuning of the droplet lasing wavelength. In the biosensing side of this thesis, we study microdroplet biolasers that exploit active liquid optical resonators formed by surface-supported aqueous microdroplets containing purified yellow fluorescent protein or a suspension of live E. coli bacterial cells expressing the fluorescent protein. We first demonstrate lasing in fluorescent protein solutions at concentrations as low as 49 µM. Subsequently, we show that a single fluorescent bacterial cell of micrometre size confined in a droplet-based cavity can serve as a laser gain medium. Aqueous droplet microcavities allow the maintenance of the bacterial cells under conditions compatible with unimpeded growth. Therefore, our results also suggest a direct route to microscopic sources of laser light with self-regenerating gain media. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) from a donor to an acceptor chromophore is used as an atomic scale ruler to measure the conformational changes in biomolecules. Incorporating FRET into a laser cavity can increase the sensitivity of FRET-based biochemical sensors due to the nonlinear dependence of the lasing output on the FRET parameters. In order to obtain a fundamental understanding of the sensing capabilities by FRET lasing in microdroplets we carry out a comprehensive theoretical analysis of optofluidic FRET lasers on a simpler counterparts of microdroplet lasers called Fabry-Perot microcavity using a rate equation model. We compare conceptually distinct cases of donor and acceptor molecules diffusing freely in bulk solution versus molecules connected by a fixed-length linker and show that the latter arrangement is especially well-suited for sensing of low-concentration analytes. By comparing FRET lasing-based sensors with conventional FRET sensors, we show that for optimal pump fluence and FRET-pair concentration, FRET lasing can lead to more than 100-fold enhancement in detection sensitivities of conformational changes in the Forster radius range. We study the dependence of the sensitivity enhancement on the cavity Q-factor. We show that the highest enhancements can be obtained for Q-factors between 10^4-10^6, and enhancement values decrease for Q-factors above 10^6 due to the radiative energy transfer in the cavity. Finally, we demonstrate FRET lasing from self-assembled tetrahedral DNA complexes labeled with Cy3 and Cy5 dyes and suspended as a gain medium in aqueous microdroplet cavities deposited on a superhydrophobic surface. Threshold fluence and differential efficiency are characterized for DNA complexes containing 1Cy3-3Cy5 and 3Cy3-1Cy5. We demonstrate that at a constant Cy5 concentration, average threshold fluence is reduced 3 to 8 times and average differential efficiency is enhanced 6 to 30 times for 3Cy3-1Cy5 as compared to 1Cy3-3Cy5. Using 3Cy3-1Cy5 nanostructures, FRET lasing is observed at very low concentrations down to 1 µM. This work shows that optofluidic microlasers based on droplet resonators can be combined with DNA nanotechnology to explore applications in biochemical sensing and novel photonic devices.
Benzer Tezler
- Fiziksel buhar biriktirme (Pvd) yöntemiyle yapılan Alüminyum krom nitrür (AlCrN) ince film kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Aluminium chromium nitride (AlCrN) thin films deposited by Physical vapour deposition (Pvd)
TUNCAY AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Katodik Ark Pvd yöntemi ile üretilmiş tiaın ve tin kaplamalarının korozyon özellikleri
Başlık çevirisi yok
LEVENT CANDEMİR
- Toksoplazmoza karşı sentetik peptit bazlı subunit aşı formülasyonunun etkinliğinin ın vıvo çalışmalarda gösterilmesi
Demonstration of the effectiveness of synthetic peptide-based subunit vaccine formulation against toxoplasmosis in vivo studies
ESLİN ÜSTÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RABİA ÇAKIR KOÇ
- Investigation of the interfacial instability between a Newtonian fluid and a polymeric fluid under the influence of an electric field for microfluidics applications
Mikroakışkan uygulamaları için Newtonyen bir akışkan ile polimerik bir akışkanın arayüzey kararsızlığının elektrik alanı etkisinde incelenmesi
GÜLSÜM ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. KEREM UĞUZ
- Mo-N esaslı PVD kaplamaların oksidasyon davranışları
The oxidation behaviour of Mo-N coatings deposited on alumina by cathodic ARC PVD method
MURAT KESİK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN