Particle detection and signal analysis in nanopores
Nanogözeneklerde parçacık algılama ve sinyal analizi
- Tez No: 808589
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ DİNLER, DOÇ. DR. KAAN KEÇECİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyokimya, Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Biochemistry, Bioengineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medeniyet Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Nanoteknoloji, benzeri görülmemiş özelliklere ve işlevlere sahip yeni malzemelerin, cihazların ve sistemlerin geliştirilmesi yoluyla endüstride çok sayıda devrim yaratma potansiyeliyle son yıllarda hızla büyüyen bir alan hâline gelmiştir. Bu alandaki araştırma yöntemleri içinde en önemli ve uygulamaları hızla genişleyen tekniklerden birisi de nanogözeneklerle sinyal algılamadır. Nanogözenekler, moleküler veya atomik ölçekte, silindirik, konik veya düzensiz şekillerde farklı geometrilere sahip, tipik olarak (1-100) nanometre ölçeğinde (çapında), son derece küçük delikler veya kanallardır. Bu gözenekler biyolojik membranlar, katı hâl malzemeler veya sentetik polimerler gibi çeşitli malzemelerde bulunabilir. Bunlar genellikle nanoteknoloji uygulamalarında algılama, filtreleme ve molekülleri manipüle etme gibi çeşitli amaçlar için kullanılır. Öte yandan, kullanılan nanogözenek türü spesifik uygulamaya ve üzerinde çalışılan moleküllerin özelliklerine bağlıdır. Katı hâl nanogözenekler, biyolojik nanogözenekler ve proteinle tasarlanmış nanogözenekler olarak da adlandırılan hibrit nanogözenekler de dâhil olmak üzere birkaç farklı nanogözenek türü vardır. Katı hâl nanogözenekler, tekrar üretilebilirlikleri, kimyasal ve termal olarak sağlam olmaları gibi kararlı yapıları nedeniyle dirençli darbe algılama (resistive pulse sensing-RPS) için tercih edilen özelliklere sahiptirler. Bununla birlikte biyolojik nanogözenekler de belirli şekle ve boyutlara sahip olmaları, aynı boyutla üretilebilmeleri, biyo-uyumlulukları, yüksek hassasiyetleri ve versatil yapılarıyla katı hâl gözeneklere göre çeşitli avantajlar sunar. Bu özellikler onları çeşitli alanlarda çok farklı uygulamalar için cazip hâle getirmektedir. Özellikle tekli moleküllerin yüksek hassasiyet ve seçicilikle algılanmasına, analiz edilmesine olanak tanıyan olağanüstü algılama yetenekleriyle bilinen nanogözenekler, DNA, RNA, proteinler ve diğer küçük molekülleri tanımlamak ve analiz etmek için kullanılır. Nanogözeneklerle algılama yöntemi olarak adlandırılan bu metod nano ölçekte küçük gözenekler oluşturmanın gelişmiş bir uygulamasıdır. Bu gelişmiş teknik, nanometre ölçeğinde cihazlar ve yapılar üretmeye odaklanan nanofabrikasyon ilkelerine dayanmaktadır. Dirençli darbe algılama (resistive pulse sensing) metodu üzerine işleyen sistem, tipik olarak birkaç nanometreden birkaç on nanometreye kadar değişen boyutlarda nano gözenekleri kullanan ve tek moleküllerin etiketsiz bir şekilde algılanmasını, analiz edilmesini sağlayan nano-sensör platformlarının bir varyasyonudur. Dirençli darbe algılamanın çalışma metodu, partiküllerin veya moleküllerin yalıtkan bir membrana gömülü bir nanogözenekten geçerken elektrik akımındaki geçici değişikliklerin tespit edilmesine dayanır. Parçacıklar içinden geçerken bir nanogözeneğin elektrik direncindeki değişikliklerin ölçülmesini içeren bir tür algılama yöntemidir. Coulter Counter prensibine dayanan sistem, ince bir membranda tipik olarak birkaç nanometre çapında küçük bir gözenek kullanılmasını içerir. Membran ve nano gözenek boyunca bir elektrik akımı uygulanır ve bu da akım akışına karşı ölçülebilir bir dirence neden olur. Gözeneğin direnci, gözeneğin boyutu ve şekli ile belirlenir. Bir parçacık veya molekül nanogözenekten geçtiğinde kanalı kısmen tıkayarak elektrik akımında“dirençli darbe”olarak adlandırılan geçici bir düşüşe neden olur. Akımdaki bu azalma tespit edilip kaydedilerek partikülün boyutu, şekli ve konsantrasyonu hakkında bilgi sağlar. Direnç darbesinin büyüklüğü ve süresi, gözenekten geçen parçacık veya molekülün boyutuna ve şekline bağlıdır. Bu teknik, virüslerin, bakterilerin, nanopartiküllerin boyutunu ve şeklini incelemenin yanı sıra DNA, RNA ve proteinler gibi biyomolekülleri tespit ve karakterize etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Algılama araçlarında nanogözeneklerin kullanılması analitlerin olağanüstü hassasiyet ve duyarlılıkla tespit edilmesini mümkün kıldığı gibi karmaşık molekül karışımlarını da analiz edebilir. Bununla beraber sistemin potansiyeli ve ortaya koyacağı performansı açısından en önemli unsur seçilen parametrelerin optimizasyonudur. Gözenek boyutunun analiz edilecek parçacığa göre seçimi, yapılacak uygulama için kritik öneme sahiptir. Nanogözeneğin boyutu, yüzey kimyası, seçiciliği, hassasiyet ve geçirgenliği çeşitli fiziksel ve kimyasal özellikleri etkileyebilir. Örneğin, daha küçük gözenek boyutlarına sahip nanogözenekli malzemeler daha yüksek yüzey alanına ve artan aktif bölge sayısı nedeniyle daha yüksek reaktiviteye sahip olabilirken daha büyük gözenek boyutları daha yüksek geçirgenlik ve daha hızlı kütle taşınımı ile sonuçlanabilir. Bununla beraber konik gözenek şekli cihazın hassasiyetini, silindirik geometri ise doğruluğunu artırabilir. Gözenek boyutunun yanı sıra malzeme seçimi de kararlılık, dayanıklılık, deformasyon veya kırılmaya karşı direnç oluşturmak için önemli bir parametredir. Nanogözenekler silikon, cam, metal ve polimerler dâhil olmak üzere çok çeşitli malzemelerden üretilebilir ve farklı boyutlar, şekiller ve yüzey kimyaları ile tasarlanabilir. Bu da onları bir dizi uygulama için çok yönlü hâle getirir. Malzemeden kaynaklanan gözenek yüzeyinin kimyasal özellikleri, moleküllerle olan etkileşimlerini etkileyebilir ve yüzeydeki modifikasyonlar bu etkileşimleri geliştirmek veya kontrol etmek için kullanılabilir. Nanogözenek malzemesinin kararlılığı ve dayanıklılığı, özellikle uzun süreli kullanım veya zorlu ortamlara maruz kalmayı gerektiren uygulamalar için önemli faktörlerdir. Cihazın doğruluğunu ve hassasiyetini etkileyecek diğer etkenler hedef analiti nanogözenekten geçirmek için kullanılan voltaj ve akımdır. Uygulanan voltaj, gözenekten geçen moleküllerin hızını ve frekansını etkiler. Voltaj çok yüksekse moleküllerin gözenekten çok hızlı geçmesine yol açabilir, bu da zayıf sinyal-gürültü oranına ve doğruluğun azalmasına neden olur. Öte yandan, voltaj çok düşükse moleküller gözenekten hiç geçmeyebilir veya çok yavaş geçebilir, bu da düşük hassasiyet ve düşük verimlilikle sonuçlanır. Nanogözenek platformunun performansını etkileyebilecek bir diğer unsur da sistemin sıcaklığıdır. Düşük sıcaklıklar stabiliteyi ve hassasiyeti artırabilirken yüksek sıcaklıklar analit geçiş hızını artırabilir. Tuz konsantrasyonunun da çözeltinin iyonik gücü, iletkenliği ve stabilitesi üzerinde büyük etkisi vardır. Düşük tuz konsantrasyonlarında, elektrostatik etkileşimler daha zayıftır, bu da daha yavaş translokasyon sürelerine ve hassasiyetin azalmasına neden olur. Aksine, yüksek tuz konsantrasyonlarında elektrostatik etkileşimler daha güçlü hâle gelir, bu da daha hızlı translokasyon süreleri ve artan hassasiyetle sonuçlanır. Ayrıca tuz konsantrasyonu nanogöznek iç stabilitesini de etkiler. Yüksek tuz konsantrasyonları iyonik gücün ve iletkenliğin artmasına yol açar, bu durum gözeneğin dengesizleşmesine ve bozulmasına sebep olur. Bu parametrelerin etkilerini değerlendirmek ve optimize etmek, çok çeşitli biyolojik ve biyoteknolojik uygulamalarda etkili nanogözenek cihazları tasarlamak ve kullanmak için gereklidir. Bununla beraber nanogözeneklerin benzersiz içsel özellikleri de sistemin potansiyelini önemli ölçüde etkiler. Nanogözeneklerin fiziksel özelliklerinden biri olan iletkenlik, gözenekten geçen molekülleri algılamak veya tespit etmek için kullanılabilen elektrik akımını iletir. Nanogözeneklerin diğer temel özellikleri seçicilik ve hassasiyettir. Nanogözenekler, boyutlarına, yüklerine veya diğer özelliklerine bağlı olarak belirli molekül türleri için seçici olacak şekilde tasarlanabilir ve sıcaklık, pH veya belirli moleküllerin varlığı gibi çevredeki değişikliklere karşı oldukça hassas olabilir. Ayrıca moleküllerin yüksek çözünürlüklü analizini sağlayarak özelliklerinin ve davranışlarının ayrıntılı olarak incelenmesine olanak tanır. Bu niteliksel özellikler nanogözenekleri çeşitli uygulamalar için umut verici araçlar hâline getirmektedir. Örneğin, nanogözeneklerin en heyecan verici uygulamalarından biri DNA analizinde devrim yaratma potansiyeline sahip olan DNA dizilemedir. Bu yöntem DNA'nın yapısal analizi için hızlı, hassas ve yüksek verimlilikte sonuç sağlar. DNA bir nanogözenekten geçirilirken her bir nükleotid geçişi sırasında meydana gelen elektrik akımındaki değişiklikler ölçülebilir, bu da hızlı ve doğru DNA dizilemesine olanak tanır. Bu teknoloji, genomik araştırmalarda devrim yaratma potansiyeline sahiptir ve hâlihazırda taşınabilir DNA dizileme cihazlarının geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Boyuta dayalı ayırma özelliği sayesinde nanogözenekler molekülleri boyutlarına göre seçici olarak filtreleyebilir ve ayırabilir, bu da tek bir cihazla DNA'nın hızlı ve doğru bir şekilde dizilenmesini sağlar. Nanogözenekler protein analizinde de potansiyele sahiptir. Bireysel proteinlerin elektriksel özelliklerini ölçmek için nanogözenekler kullanılarak elektrik sinyalindeki değişiklikler proteini boyutuna, şekline ve yüküne göre tanımlamak için kullanılabilir. Bu şekilde araştırmacılar, ilaç keşfi ve geliştirilmesi için değerli olabilecek protein yapısı ve işlevi hakkında fikir edinebilir. Bir proteini gözenekten geçirerek her bir amino asitin gözenekten geçişi sırasında oluşturduğu elektrik sinyalindeki değişikliklere dayanarak proteinin amino asit dizisi belirlenebilir. Nanogözenekler ayrıca proteinlerde meydana gelen konformasyonel değişiklikleri analiz etmek için de kullanılabilir. Nanogözenek, proteinin belirli bölgelerine seçici olarak bağlanabilen ligandlarla modifiye edilerek elektrik sinyalindeki değişiklikler, protein ligandlarla etkileşime girdikçe meydana gelen yapısal değişiklikleri izlemek için kullanılabilir. Genel olarak zorluklarına rağmen bu teknoloji, tanımlama, miktar belirleme, sıralama ve konformasyonel analiz için hızlı, hassas ve yüksek verimli bir yöntem sağlayarak DNA ve protein analizinde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte, umut verici potansiyellerine rağmen, nano gözenek algılama, bu teknolojinin yeteneklerinden tam olarak yararlanmak için daha fazla araştırma gerektiren sinyal-gürültü oranı, gözenek üretimi ve veri analizi gibi çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorlukları aşmak için kullanılan metotlardan biri sayısal yöntemler ve simülasyon uygulamalarıdır. Sayısal yöntemler, deneyler yoluyla kolayca incelenemeyen karmaşık olayların daha ayrıntılı bir analizini sağlar. Bu uygulamalar, nanogözenek algılama alanını ilerletmek ve potansiyelini tam olarak ortaya çıkarabilmek için temel araçlardır. Sayısal yöntemler ve simülasyon uygulamaları, nanogözeneklerin içindeki moleküllerin ve iyonların davranışını modellemek ve simüle etmek için bir yöntem sağlayarak nanogözenek algılamanın zorluklarının üstesinden gelmede kritik bir rol oynamaktadır. Modelleme ve simülasyon teknikleri, deneysel yeteneklerin ötesinde, karmaşık olayların daha ayrıntılı bir analizini sağlar. Bu uygulamalar gözenek boyutu, elektrolit çözeltisi ve uygulanan voltaj gibi faktörleri ayarlayarak nanogözeneklerle algılamanın bazı zorluklarının üstesinden gelmeye yardımcı olabilecek değişkenlerin ve parametrelerin kontrollü manipülasyonuna izin verirler ve böylece çeşitli parametrelerin nanogözeneklerin algılama performansı üzerindeki etkisinin ortaya koyulmasına yardımcı olurlar. Bu, deneysel parametrelerin optimizasyonunu mümkün kılar ve nanogözenek algılamada yer alan karmaşık olaylara ilişkin iç görüler ortaya koyar. Ayrıca, simülasyon tabanlı yaklaşımlar, yeni nanogözenek tasarımlarını keşfetmek ve yeni algılama platformlarını? geliştirmek için de yararlıdır. Sinyal-gürültü oranı ve gözenek üretimi gibi nano gözenek algılamanın bazı zorlukları, gözenek boyutu, elektrolit çözeltisi, gözenek/parçacık yüzey yükü ve gözenek boyunca uygulanan voltaj gibi algılama sürecine dâhil olan parametrelerin simülasyon ortamında modellenerek optimize edilmesiyle aşılabilir. Bu doktora tezinde, sayısal yöntemlerden sonlu elemanlar metodu kullanılarak seçilen parametrelerin hem katı hâller hem de biyolojik nanogözenekler açısından tek molekül algılama, ssDNA ve protein geçişleri için nanogözeneklerin hassasiyetini ve seçiciliğini nasıl etkilediği araştırılmaktadır. Özellikle gözenek geometrisi ve yüzey yükü değişimlerinin parçacık duyarlılığı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca nanogözenek algılamanın hassasiyetini ve doğruluğunu artırmak için yeni yaklaşımlar ele alınmaktadır. Bu çalışma temel olarak hem katı hâl hem de biyolojik nanogözenekler üzerine sayısal modelleme çalışmalarını içermekle birlikte deneysel validasyonlar sunmaktadır. Literatüre genel bir girişten sonra (Bölüm 1), katı hâl ve biyolojik nanogözeneklerin molekül algılama potansiyelleri üç ayrı bölümde ele alınmaktadır. Daha sonra (Bölüm 2) sentetik gözenekler olarak da adlandırılan katı hâl nanogözenekler üzerinden modelleme yapılarak nanogözenek geometrisinin gözenek seçiciliği ve hassasiyeti üzerindeki etkileri açıklanmaktadır. Bu bölüm, gözenek geometrisinin hem sinyal şekli hem de darbe büyüklüğü üzerinde önemli bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. Konik, puro ve kum saati olmak üzere modellenen üç gözenek geometrisinin karşılaştırılması, geometrinin hem büyüklük hem de dalga biçimi (yani dirençli/bifazik) açısından ayırt edici direnç sinyallerinin üretilmesi üzerinde derin etkileri olduğunu ortaya koymaktadır. Parçacık boyutu ayırt etme kabiliyetini değerlendirmek amacıyla 120 nm, 260 nm ve 360 nm çaplı parçacıklar kullanılırken; duyarlılık analizi için benzer boyutlarda 240 nm, 260 nm ve 280 nm çaplı parçacıklar incelenmiştir. Parçacık yükünün darbe büyüklüğü üzerinde önemli bir etkisi olduğundan, nanogözeneklerin parçacık yükündeki değişikliklere verdiği tepkiler de araştırılmıştır. Sunulan simülasyon sonuçlarına dayanarak sinyal dalga biçimlerinin gözenek geometrisine bağlı olduğu açıkça tanımlanmıştır; örneğin konik ve puro gözenekleri bifazik sinyaller üretirken; kum saati gözeneği yalnızca dirençli darbe üretmektedir. Sonuçlar, sinyallerin partiküllere verdiği tepkilerin algılama bölgesinin konumu, elektrik alanının yoğunluğu ve uç (algılama bölgesi) kenarına yakın iyonik yoğunluktaki kademeli değişikliklerle ilişkili olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca, bulgular iletken darbelerin nispeten küçük partiküllerin tespiti için değerli bir bilgi kaynağı olabileceğini de göstermektedir. Ayrıca, seçilen geometriler dâhilinde gözenek geometrisi konikten kum saati veya puro şekline dönüştükçe hassasiyet ve seçicilikte bir artış gözlemlenmiştir. Bununla birlikte farklı parçacık yükleri ile yapılan modellemelerde, özellikle iletken darbeler dikkate alındığında, parçacık yükünün parçacığın yanlışlıkla fazla veya eksik boyutlandırılmasına yol açabileceği görülmüştür. Parçacıkların yörüngesi de nano gözenek algılamada sinyal çözünürlüklerini etkileyebilecek bir diğer önemli faktör olarak ele alınmıştır. Parçacığın eksen dışı geçişinin konik ve puro şekillerinde darbe büyüklüklerini artırabilmesine rağmen, kum saati gözeneğindeki parçacık boyutunun çözünürlük kapasitesini azaltacak kadar büyük olmayabileceği sonucuna varılmıştır. Ardından (Bölüm 3) konik şekle sahip bir PET nanogözenekten geçen DNA hareketinin, bu süreçteki farklı parçacık yük yoğunlukları ve nanogözeneğin yüzey yük yoğunlukları dikkate alınarak teorik bir incelemesi sunulmaktadır. Simülasyonların sonuçları, aynı koşullar altında gerçekleştirilen deneylerle elde edilen verilerle tutarlıdır. Simülasyon sonuçları, gözenek yük yoğunluğu düşük olduğunda üretilen elektrik akımı darbelerinin düzgün olduğunu ve akım artışı olmadan keskin bir ani yükselişe benzediğini ortaya koymuştur. Öte yandan, gözenek ve DNA'nın yüzey yüklerinin yüksek olması durumunda, sinyallerdeki bozulmalar daha belirgin hâle gelir. Bu da elektrik yükü dağılımında bir dengesizlik olduğunu ve yüklü parçacık ile gözenek yüzeyi arasında bir etkileşim olduğunu göstermektedir. Sonuçlar hem DNA'nın hem de nanogözenek yüzeyinin yük yoğunluklarının akım darbelerinin şekli üzerindeki etkisini anlamak için bir yöntem sunmuştur. Son olarak (Bölüm 4) biyolojik nano gözeneklerin (AeL, 𝛂-HL, MspA, CsgG) sinyal darbe büyüklükleri üzerindeki yüzey yükü etkileri açısından karşılaştırmalı bir çalışması anlatılmaktadır. Parçacık translokasyonu sırasında mutasyonların biyolojik nanogözeneklerdeki etkisi sayısal analiz kullanılarak değerlendirilmiştir. Molekül geçişi sırasında üretilen sinyalleri araştırmak için farklı şekillere sahip üç molekül tipi yani çubuk şeklindeki tek sarmallı DNA (gerilmiş DNA'yı temsil eder), katlanmış şekilli (sarmal), tek sarmallı DNA ve protein şeklindeki parçacıklar modellenmiştir. Yüzey yük yoğunluğunun farklı değerlerinden elde edilen sonuçlar, yüzey yükü değerinin belirli bir noktaya kadar gözenek hassasiyeti üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olmasıyla açıklanmaktadır. Sonuçlar ayrıca mutasyonun yapılış şeklinin seçilen gözenek geometrisinden daha önemli olabileceğini göstermektedir. Bunun yanı bulgular, yüzey yüküne bağlı olarak daha küçük çaplı gözeneklerin biraz daha duyarlı olabileceğini düşündürmektedir. Bu gözlem, Bölüm 4'ün tüm bölümlerinde tutarlı olan AeL>MspA>CsgG>𝛂-HL şeklindeki gözeneklerin hassasiyet sırasını potansiyel olarak netleştirebilir. Ayrıca, gözeneğin yüzey yükü yoğunluğu, eşik etkisi olarak adlandırılan belirli bir noktaya kadar, şekillerinden bağımsız olarak, geçen parçacıkların büyüklükleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Elektrostatik etkiler sadece bu sınıra kadar etkili olduğundan gözeneğin performansını artırmak için yüzey yük yoğunluğunun belirli bir eşik değerine ulaşması gerektiği sonucuna varılabilir. Buna ek olarak, seçilen dört biyolojik nano gözenek, parçacıkları uzunluklarına göre ayırt etme kabiliyetleri açısından da karşılaştırılmıştır. Bu, farklı veya benzer nükleotid uzunlukları için doğru ve güvenilir DNA dizilimi için çok önemlidir. Ayrıca bu, daha hassas ve güvenilir dizileme teknolojileri geliştirmek amacıyla nükleik asitlerdeki yapısal varyasyonların tespiti için bir yöntem sunmaktadır. Sonuçlara göre, dört nanogözenek de özellikle en küçük nanoparçacık için ayırt edilebilir sinyaller üretmektedir. Önceki bulgularla uyumlu olarak, AeL nanogözenek hem büyük hem de küçük partiküller için en yüksek sinyal büyüklüklerini göstermektedir. Öte yandan, dört nanogözenekten her birinin farklı uzunluklardaki parçacıklar için benzersiz sinyaller ürettiği açıktır. Sonuç olarak, çalışmada öncelikle nanogözenek geometrisinin gözenek seçiciliği ve hassasiyeti üzerindeki etkileri ortaya koyulmak üzere konik, puro ve kum saati olarak üç farklı gözenek geometrisi modellenerek gözenek geometrisinin hem sinyal şekli hem de darbe büyüklüğü üzerinde ayırt edici bir rol oynadığı, yüzey yük değişimlerinin ve parçacığın geçiş yörüngesinin de sinyal genlikleri üzerindeki etkileri ortaya koyulmuştur. Daha sonra aynı parametrelere sahip izli aşındırılmış PET membran gözenekle sonlu elemanlar yöntemiyle oluşturulan model gözenekten DNA geçişi sırasında elde edilen sinyallerin tutarlı olduğu gösterilmiştir. Bu yolla yüklü parçacık ile gözenek yüzeyi arasında meydana gelen etkileşim ortaya koyulmuş hem DNA'nın hem de nanogözenek yüzeyinin yük yoğunluklarının akım darbelerinin şekli üzerindeki etkisini anlamak için bir yöntem sunulmuştur. Son olarak dört yaygın kullanılan biyolojik gözenek (AeL, 𝛂-HL, MspA, CsgG) DNA geçişi ve protein geçişi sırasında üretilen sinyal darbe büyüklükleri üzerindeki yüzey yükü etkileri mutasyon uygulaması açısından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Literatürle tutarlı olarak ve deneysel çalışmaların bir doğrulaması olarak AeL gözeneğin daha iyi algılama yaptığı, MspA' in ise daha iyi hassasiyete sahip olduğu ortaya konulmuştur. Ayrıca sonuçlar mutasyonun yapılış şeklinin seçilen gözenek geometrisinden daha önemli olabileceği gösterilmiştir. Bu doktora çalışmasından elde edilen bilimsel veriler çeşitli basılı akademik ortamlarda yer bulmuştur. Çalışmada ilk olarak ele alınan“nanogözenek geometrisinin gözenek seçiciliği ve hassasiyeti üzerindeki etkileri”nin incelendiği bölüm Chemistry Select dergisine konu olmuştur. Kimya bölümüyle iş birliği yapılarak sonuçlandırılan“konik şekle sahip bir PET nanogözenekte, parçacık ve nanogözenek için farklı yüzey yük yoğunluk durumunun DNA geçiş hareketi üzerine etkisi”nin teorik ve deneysel incelemesi IEEE dergisinde yer almıştır. Tezin son bölümünde yer alan“seçili biyolojik nanogözeneklerde (AeL, 𝛂-HL, MspA, CsgG) DNA ve protein geçişi sırasında üretilen sinyal darbe büyüklükleri üzerindeki yüzey yükü etkilerinin mutasyon uygulaması açısından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesi”ni içeren çalışma da European Biophysics Journal'a başvuru aşamasındadır.
Özet (Çeviri)
Nanopore sensing is a rapidly growing field that enables the detection and analysis of single molecules in a label-free manner. However, despite their promising potential, nanopore sensing faces several challenges, such as signal-to-noise ratio and pore fabrication, which require further research to fully exploit the capabilities of this technology. Numerical methods provide a more detailed analysis of complex phenomena beyond experimental capabilities. In this thesis, using the numerical finite element and resistive pulse analyses methods, we investigate how the selected parameters affect the sensitivity and selectivity of nanopores for single molecule sensing, both in terms of solid state and biological membranes. In the first section, the effects of nanopore geometry and the size of the particle to be detected on particle detection are analyzed. Particle surface charge and trajectory are also discussed to analyze their influence on nanopore sensitivity. In the second chapter surface charge effect on DNA translocation in track-etched nanopores is discussed in terms of signal wave-shapes and electric potential. In chapter three, the effects of surface charges on the sensing capabilities are examined for widely used four biological nanopores (i.e., Aerolysin (AeL), alpha-hemolysin (𝛂-HL), MspA, and CsgG). In this case, translocated particles are simulated in the form of a rigid (rod) ssDNA, folded (coiled) ssDNA, and a 3-node protein. This chapter also includes a comprehensive overview of biological nanopores. The thesis results provide a basis for optimizing nanopore sensing parameters to make it a routine tool for high-throughput, label-free, and real-time single molecule analysis in various applications.
Benzer Tezler
- Konik ve çift-konik geometrili nanogözeneklerde parçacık duyarlılığı simülasyonu
Particle sensitivity simulation in conical and double-conical nanopores
DURDANE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyomühendislikİstanbul Medeniyet ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ DİNLER
- Telomeraz aktivitesi tayinine yönelik yüksek enerji dönüşümlü floresan partiküllerin biyosensör olarak kullanımı
The use of up-conversion fluorescent particles as a biosensor for determination of telomerase
MESUT KAPLAN
- Moleküler imprint sol-jel polimer kaplı kuantum noktaların sentezi ve optik sensör uygulaması
Synthesis of quantum dots coated with molecularly imprinted sol-gel polymer for application of optical sensor
TANER ARSLAN
- Development of a segmented detector for reactor antineutrinos
Reaktör antinötrinoları için bölmeli bir dedektörün geliştirilmesi
MUSTAFA KANDEMİR
Doktora
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUAMMER ALTAN ÇAKIR
- Organik malzemelerin çift enerjili X-ışını güvenlik sistemlerinde görüntülenmesi ve patlayıcı malzemelerin tespiti
Imaging organic materials on dual energy X-ray security systems and detection of explosive material
OZAN YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSKENDER ATİLLA REYHANCAN