Yüzey plazmon rezonans temelli biyosensörlerde nanopartikül boyut etkisinin karşılaştırmalı incelenmesi
Comparative investigation of the nanoparticle size effect in surface plasmon resonance-based biosensors
- Tez No: 952627
- Danışmanlar: PROF. DR. HANDAN YAVUZ ALAGÖZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyokimya, Kimya, Biochemistry, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Yüzey plazmon rezonansına (SPR) dayalı biyosensörler, etiket gerektirmeyen çalışma prensipleri, gerçek zamanlı izleme imkânı ve yüksek hassasiyetleri sayesinde özellikle biyolojik analizlerde tercih edilen ileri düzey optik sensör teknolojileri arasında yer almaktadır. SPR sensörleri, altın gibi metal yüzeylerde ışığın oluşturduğu plazmon dalgalarının, yüzeydeki kırılma indisi değişimlerine karşı duyarlı olması esasına dayanır. Sensör yüzeyinde meydana gelen bu kırılma indisi değişimleri, çoğunlukla hedef analitin bağlanmasıyla oluşur ve bu değişimler SPR sinyali üzerinden izlenebilir. Bu nedenle, sensör yüzeyinin kimyasal ve fiziksel özellikleri, algılama performansı üzerinde belirleyici rol oynamaktadır. Yüzey mühendisliği yaklaşımları, özellikle yüzeyin fonksiyonelleştirilmesi ve nanopartikül entegrasyonu gibi stratejiler, sensör hassasiyetinin artırılması için sıklıkla kullanılmaktadır. Literatürde, SPR sensör performansını artırmak amacıyla sıklıkla metal nanopartiküller kullanılmaktadır. Bu nanopartiküller, lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) etkisi oluşturarak SPR sinyalini kuvvetlendirmekte ve böylece algılama sınırlarını düşürmektedir. Ancak metalik nanopartiküller sadece yüzey alanı katkısı sunmakla kalmaz; aynı zamanda plazmonik yapıları itibarıyla ışığın yayılımını da doğrudan etkilerler. Bu durum, nanopartikül boyutunun sensör performansına olan katkısını izole bir şekilde değerlendirmeyi güçleştirir. Yani metal nanopartikül kullanıldığında, boyutun etkisi ile plazmon rezonans etkisi birbirine karışmakta, hangi parametrenin ne derece etkili olduğu açıkça belirlenememektedir. Bu tez çalışmasında temel motivasyon, nanopartikül boyutunun SPR sensör performansı üzerindeki etkisini plazmonik etkilerden bağımsız olarak ortaya koyabilmektir. Bu amaçla, plazmon üretmeyen, optik olarak şeffaf ve dielektrik özellik gösteren silika nanopartiküller (SiNPler) tercih edilmiştir. Bu özellikleri sayesinde, SPR sinyaline olan katkıları yalnızca fiziksel parametreler özellikle yüzey alanı, partikül yoğunluğu ve yüzey etkileşim kapasitesi üzerinden değerlendirilebilir. Böylece nanopartikül boyutunun algılama performansı üzerindeki doğrudan etkisi net bir şekilde analiz edilebilir hale gelmektedir. Çalışmada, çapları sırasıyla 57 nm, 65 nm ve 80 nm olan SiNPler Stöber yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Bu partiküller, SPR sensör çiplerinin yüzeyine modifiye edilerek entegre edilmiştir. Yüzey modifikasyonlarının başarılı bir şekilde gerçekleştirildiği, zeta-potansiyeli ölçümleri, temas açısı analizleri, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntülemeleri ile doğrulanmıştır. Ayrıca nanopartiküllerin yüzeye tutunma verimliliği ve morfolojik özellikleri ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir. Algılama platformu olarak, immünoglobulin G (IgG) modeli seçilmiş ve yüzeye anti-IgG antikorları immobilize edilmiştir. Bu sistem aracılığıyla, farklı boyuttaki SiNPlerin bulunduğu SPR sensörü yüzeylerde IgG'nin bağlanma davranışı karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bu kapsamda farklı boyuttaki nanopartiküllerin sensör performansı üzerindeki etkisini karşılaştırmak amacıyla derişim, seçicilik ve tekrarlanabilirlik testleri yapılmıştır. Bu testler kapsamında, sensörler farklı IgG derişimlerine maruz bırakılarak duyarlılıkları belirlenmiş, benzer proteinlerle yapılan deneylerle seçicilikleri değerlendirilmiş ve çoklu tekrarlarla gerçekleştirilen ölçümlerle tekrarlanabilirlikleri analiz edilmiştir. Bu bağlamda sunulan doktora tez çalışmanın literatüre önemli katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. Çoğu çalışmada nanopartikül katkısı, plazmonik etkilerle birlikte değerlendirilmekte; bu da nanopartikül boyutunun doğrudan performansa etkisinin anlaşılmasını zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada ise plazmonik etkilerin dışlandığı bir model sistem kullanılarak, sadece boyut parametresinin SPR performansı üzerindeki etkisi sistematik ve kontrollü bir şekilde incelenmiştir. Elde edilecek bulgular, sadece SPR biyosensör tasarımları için değil, aynı zamanda nanopartikül destekli diğer optik algılama platformları için de önemli yapısal tasarım rehberliği sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Surface plasmon resonance (SPR) based biosensors are among the advanced optical sensor technologies preferred particularly in biological analyses due to their label-free operation principle, real-time monitoring capability, and high sensitivity. SPR sensors operate based on the sensitivity of plasmon waves—generated by light on metal surfaces such as gold—to changes in the refractive index at the sensor surface. These refractive index changes typically occur as a result of target analyte binding and can be monitored through the SPR signal. Therefore, the chemical and physical properties of the sensor surface play a critical role in determining detection performance. Surface engineering approaches, especially surface functionalization and nanoparticle integration, are frequently employed to enhance sensor sensitivity. In literature, metallic nanoparticles are commonly used to improve SPR sensor performance. These nanoparticles enhance the SPR signal by generating localized surface plasmon resonance (LSPR) and thereby lower the detection limits. However, metallic nanoparticles not only contribute to the surface area but also directly affect the propagation of light due to their plasmonic nature. This makes it difficult to evaluate the contribution of nanoparticle size to sensor performance in an isolated manner. In other words, when metallic nanoparticles are used, the effects of size and plasmon resonance become intertwined, making it unclear which parameter is more influential. The primary motivation of this study is to elucidate the effect of nanoparticle size on SPR sensor performance independent of plasmonic effects. For this purpose, optically transparent and dielectric silica nanoparticles, which do not produce plasmonic responses, were selected. Due to these properties, their contributions to the surface plasmon resonance signal can be evaluated solely through physical parameters, particularly surface area, particle density, and surface interaction capacity. This enables a clear analysis of the direct impact of nanoparticle size on detection performance. In this thesis study, silica nanoparticles (SiNPs) with diameters of 57 nm, 65 nm, and 80 nm were synthesized using the Stöber method. These particles were then modified and integrated onto SPR sensor chip surfaces. Successful surface modifications were confirmed through zeta-potential measurements, contact angle analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and Scanning Electron Microscopy (SEM) imaging. In addition, nanoparticle adhesion efficiency and morphological features were evaluated in detail. As the sensing platform, immunoglobulin G (IgG) was selected as the model analyte, and anti-IgG antibodies were immobilized onto the sensor surface. Using this system, the binding behavior of IgG on SPR biosensor surfaces containing SiNPs of different sizes was comparatively examined. In this context, concentration-response studies, selectivity tests, and repeatability analyses were conducted to compare the performance of sensors modified with different nanoparticle sizes. As part of these tests, the sensors were exposed to varying IgG concentrations to evaluate their sensitivity, tested with structurally similar proteins to assess their selectivity, and subjected to repeated measurements under identical conditions to analyze their reproducibility In this context, the presented doctoral dissertation is expected to make significant contributions to the literature. In most studies, nanoparticle integration is assessed together with plasmonic effects, making it difficult to isolate the direct impact of nanoparticle size on sensor performance. In contrast, this study employs a model system free of plasmonic influences, enabling a systematic and controlled investigation of how the size parameter alone affects SPR biosensor performance. The findings obtained will not only guide the design of SPR biosensors but also provide valuable structural insights for other nanoparticle-assisted optical detection platforms.
Benzer Tezler
- Amoksisilin baskılanmış yüzey plazmon rezonans nanosensörler
Amoxicillin imprinted surface plasmon resonance nanosensors
SONA FAALNOURI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİL DENİZLİ
- Mikroalbumin tayini için SPR temelli nanosensörlerin hazırlanması
Preparation of SPR based nanosensors for microalbumin assays
MELTEM KOCA ESENTÜRK
- Sularda fekal kirlilik tayinine yönelik biyosensör geliştirilmesi
Biosensor development for the detection of faecal pollution in water
ÖZGECAN ERDEM
Doktora
Türkçe
2019
BiyoteknolojiHacettepe ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLÜFER CİHANGİR
PROF. DR. ADİL DENİZLİ
- Lizozim tayini için lizozim baskılanmış yüzey plazmon rezonans çipler
Lysozyme imprinted surface plasmon resonance chips for lysozyme detection
ŞEYMA ERİŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİL DENİZLİ
- Gıda ürünlerinde mikrobiyal bozulmaya neden olan Pseudeomonas spp. bakterisinin yüzey plazmon rezonans (SPR) temelli biyosensör kullanılarak belirlenmesi
Determination of Pseudomonas spp bacteria that cause microbial deterioration in food products using surface plasmone resonance (SPR) based biosensors
TUĞÇE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİL DENİZLİ