Development of quantum dots-based optical fluorescence sensors
Kuantum nokta temelli optik floresan sensörlerin geliştirilmesi
- Tez No: 966015
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON, DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 154
Özet
Kuantum noktaları (QD'ler), benzersiz optik ve yapısal özelliklere sahip, biyosensör uygulamaları, biyogörüntüleme ve biyomolekül etiketleme çalışmalarında yaygın olarak kullanılan çok yönlü floresan nanokristallerdir. QD'ler, kuantum sınırlama etkisi, yüksek kuantum verimi, yüksek fotostabilite, modifiye edilebilir yüzey, boyut ve kompozisyona bağlı emisyon özellikleri gibi benzersiz nitelikleri nedeniyle biyolojik uygulamalar için büyük ilgi görmektedir. Özellikle belirli modifikasyon teknikleri aracılığıyla ayarlanabilen yüzey özellikleri oldukça önemlidir, çünkü QD'lerin toksisitesi bu yolla doğrudan manipüle edilebilmektedir. Bu tez, kimyasal sensör ve biyosensör uygulamaları için gelişmiş kuantum nokta temelli optik floresans sensörlerin geliştirilmesi üzerine kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Çalışma, hassas analit tespiti için floresan nanomalzemelerin performansını artırmaya yönelik yenilikçi yaklaşımlara odaklanan birbiriyle bağlantılı üç araştırmayı kapsamaktadır. Birinci çalışma, geleneksel karbon noktaların karşılaştığı kritik bir sınırlamayı ele almaktadır - emisyonlarının hücresel otofloresans ile çakışması sorunu. Karbon noktaların floresansı genellikle 430 nm - 530 nm dalga boyu aralığında en parlak seviyeye ulaşmakta, bu da birçok ökaryotik hücrenin otofloresans aralığı ile örtüşerek karbon noktaları in-vivo ve in-vitro görüntüleme çalışmaları için pratik olmaktan çıkarmaktadır. Bu çalışmada mikrodalga destekli sentez yöntemi kullanılarak, karbon noktaların yüzeyi biyomolekül olan üre ile pasive edilmiştir. Bu işlem, 1,2-fenilendiamin karbon prekürsörü ve pasivasyon ajanı olarak üre kullanılarak kolay, hızlı ve enerji açısından verimli bir mikrodalga destekli sentez yöntemi vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Üredeki NH₂ grupları, karbon noktaların yüzeyini pasive ederek kuantum veriminde önemli bir artışa (%40'tan %51'e) yol açmıştır. Ayrıca floresan özelliğe sahip bir biyomolekül olan Aflatoksin B1 (AFB1), sarı emisyonlu CDs için enerji donörü olarak kullanılmıştır. Bu yöntem, yaklaşık %42 enerji transfer verimliliği sağlayarak kuantum verimini daha da artırmıştır. Sonuçlar, sarı emisyonlu karbon noktaların AFB1 sensörü olarak büyük potansiyele sahip olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, AFB1'in sarı emisyonlu karbon noktalar için etkili bir enerji donörü olduğu ve emisyon artırıcı olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu yaklaşımlar, sadece biyogörüntüleme uygulamaları için uygun, yüksek lüminesanslı sarı emisyonlu karbon noktalar üretmekle kalmamış, aynı zamanda bunların AFB1 sensörü olarak potansiyelini de göstermiştir. Kullanılan yöntemler, basit, hızlı ve enerji tasarruflu olmaları nedeniyle pratik uygulanabilirliklerini vurgulamaktadır. Diğer çalışmada, karbodiimid kimyasını kullanarak iki farklı tip karbon noktanın (CDs) - sitrik asit bazlı karbon noktalar (CAdots) ve 1,2-fenilendiamin bazlı karbon noktalar (UPHdots) - kovalent olarak bağlanmasıyla yenilikçi bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu süreçte, CAdots'ların karboksilik asit grupları aktive edilerek UPHdots'ların amin gruplarıyla stabil amid bağları oluşturulmuştur. Sonuçta elde edilen kenetlenmiş karbon noktalar, tek bir uyarılma dalga boyunda (390 nm) iki belirgin emisyon zirvesi (455 nm ve 555 nm) sergileyerek beyaz ışık emisyon özellikleri göstermiştir. Bu karbon noktaların optik özellikleri, iki tip karbon noktanın basit karışımıyla karşılaştırılarak karakterize edilmiştir. Kovalent olarak bağlanmış karbon noktalar, fotolüminesans spektroskopisinde 455 nm ve 555 nm'de çift emisyon zirveleri sergilemiştir. Bu bağlanmış sistem, iyi su çözünürlüğü ve floresans stabilitesi göstererek, Cr(VI) iyonlarının hızlı ve hassas tespitini sağlamıştır. Sensör, farklı sönümleme davranışı göstermiştir: CAdots'tan kaynaklanan 455 nm'deki emisyon merkezi, Cr(VI) eklenmesiyle belirgin şekilde sönümlenirken, UPHdots'tan kaynaklanan 555 nm'deki emisyon merkezi daha az sönümleme verimliliği sergilemiştir. Tespit sistemi, Cr(VI) için 4,6-500 μM'lik doğrusal bir aralık ve 4,6 μM'lik bir tespit limiti elde etmiştir. Yeni sentezlenen bu hibrit karbon noktalar, Cr(VI) tespitine yönelik duyarlılığı 4,6-500 μM olarak kaydedilmiş. Bireysel olarak kullanılan veya basitçe karıştırılmış karbon noktalar yerine bağlanmış karbon noktaların geliştirilmesi, çift emisif bir malzemenin kullanılması ve Cr(VI)'nın hızlı tespitinin geliştirilmesi için yol açmıştır. Üçüncü çalışma, ferrik iyonlarının (Fe(III)) tespiti için bir mikroakışkan sistem geliştirerek, nanomalzeme tabanlı sensör teknolojisini küvet ortamından pratik ve entegre bir cihaza taşımaya odaklanmıştır. Floresan problar olarak yeşil ışıma yapan kadmiyum selenyum sülfür (CdSeS) QD'ler seçilmiş ve polistiren (PS) boncukların yüzeyine başarılı bir şekilde immobilize edilmiştir. Bu strateji, QD'ler için katı destek görevi gören PS boncukların geniş yüzey alanından faydalanarak yüksek yoğunluklu bir sensör malzemesi oluşturmuştur. Fonksiyonel hale getirilmiş bu QD kaplı boncuklar, daha sonra özel olarak tasarlanmış bir mikroakışkan çipe entegre edilerek mikrokanallar içinde tutulmuş ve böylece nanomalzeme sentezi ile cihaz mühendisliği arasındaki boşluğu etkili bir şekilde kapatan, kararlı ve yeniden kullanılabilir bir optik algılama yüzeyi meydana getirilmiştir. Karakterizasyonun ardından, entegre QD-mikroakışkan sensör, sulu numunelerdeki Fe(III) iyonlarının kantitatif tespiti için başarıyla uygulanmıştır. Sistem, 2 µM ile 1 mM arasındaki geniş bir konsantrasyon aralığında ve 4 dakikalık bir tepki süresi ile Fe(III) iyonlarına karşı tutarlı ve doğrusal bir floresan sönümleme tepkisi göstermiştir. Bu performans, sistemin mikromolar düzeyde hassasiyet gerektiren uygulamalar için uygunluğunu ortaya koymaktadır. Bu entegre platformun başarılı bir şekilde üretilmesi ve doğrulanması, taşınabilir, otomatik ve verimli hasta başı (point-of-care) teknolojilerinin geliştirilmesine yönelik önemli bir adımı temsil etmektedir. Bu çalışma, hem klinik hem de çevresel bağlamlarda hızlı ve güvenilir kimyasal analizler için mikroakışkan cihazlarda QD tabanlı sensörlerin kullanılmasına yönelik sağlam bir çerçeve oluşturmaktadır. Sonuç olarak, bu üç çalışma bir araya getirildiğinde, stratejik malzeme tasarımı, kenetleme teknikleri ve sistem entegrasyonu yoluyla kuantum nokta temelli optik floresans sensörlerinde önemli ilerlemeler gösterilmiştir. Geliştirilen sensörler, çevresel izleme ve biyosensör alanlarında arttırılmış hassasiyet, geliştirilmiş kuantum verimleri ve pratik uygulanabilirlik sunmaktadır. Tezin sonuçları, nanoteknoloji ve sensör teknolojilerinin kesişim noktasında önemli katkılar sağlayarak, gelecekteki çevresel kirlilik izleme sistemleri, biyolojik görüntüleme uygulamaları ve noktasal bakım teşhis cihazları için yeni olanaklar sunmaktadır. Özellikle, karbon noktaların yüzey modifikasyonu ve kuantum nokta-polimer hibrit sistemlerin mikroakışkan entegrasyonu, gelecekteki taşınabilir sensör teknolojilerinin geliştirilmesinde umut vaat eden stratejiler olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması, kuantum noktaların hem çevresel hem de biyolojik uygulamalar için hassas, hızlı ve etkili algılama sistemleri olarak potansiyelini vurgulamakta ve bu alandaki gelecekteki araştırmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Quantum dots (QDs) are versatile fluorescent nanocrystals with unique optical and structural properties and commonly used in biosensing, bioimaging, biomolecule tagging studies. QDs have drawn significant attention for biological applications due to their unique properties such as quantum confinement effect, high quantum yield, high photostability, modifiable surface, size- and composition-dependent emissive properties, etc. Especially their tunable surface properties via certain modification techniques are significantly important because the toxicity of QDs can be directly manipulated through this route. This thesis presents comprehensive research on the development of advanced quantum dots-based optical fluorescence sensors for environmental monitoring and biosensing applications. The work encompasses three interconnected studies focusing on innovative approaches to enhance the performance of fluorescent nanomaterials for sensitive analyte detection. The first study addressed a critical limitation of traditional carbon dots (CDs) - their emission overlap with cellular autofluorescence. This research enhanced the quantum yield of yellow-emissive CDs through two distinct methods: (1) surface passivation with urea via microwave-assisted synthesis, which increased quantum yield from 40% to 51%, and (2) using aflatoxin B1 (AFB1) as an energy donor for yellow-emissive CDs, achieving an energy transfer efficiency of approximately 42%. These approaches not only produced highly luminescent yellow-emissive CDs suitable for bioimaging applications but also demonstrated their potential for AFB1 sensing. The methods employed were notably facile, rapid, and energy-efficient, highlighting their practical viability. In the second study, a novel approach was developed through the covalent coupling of two different types of CDs (CDs) - citric acid-based CDs (CAdots) and 1,2-phenylenediamine-based CDs (UPHdots) - using carbodiimide chemistry to form stable amide bonds. The resulting coupled CDs exhibited distinctive dual emission peaks (455 nm and 555 nm) under a single excitation wavelength of 390 nm, demonstrating white light emission properties. This coupled system demonstrated excellent water solubility and fluorescence stability, enabling rapid and sensitive detection of Cr(VI) ions. The sensor showed differential quenching behavior, with the 455 nm emission peak (from CAdots) exhibiting remarkably higher quenching efficiency compared to the 555 nm peak (from UPHdots). The detection system achieved a linear range of 5-500 μM with a detection limit of 4.6 μM for Cr(VI), and the quenching effect was successfully demonstrated in live cell imaging applications. The third study focused on translating nanomaterial-based sensing from the cuvette to a practical, integrated device by developing a microfluidic system for the detection of ferric ions (Fe (III))). Green-emissive cadmium selenide sulfide (CdSeS) QDs were selected as the fluorescent probes and were successfully immobilized onto the surface of polystyrene (PS) beads. This strategy created a high-density sensing material by leveraging the large surface area of the PS beads, which acted as solid supports for the QDs. These functionalized QD-decorated beads were then integrated into a custom-designed microfluidic chip, where they were trapped within the microchannels to form a stable, reusable optical sensing surface, effectively bridging the gap between nanomaterial synthesis and device engineering. Upon characterization, the integrated QD-microfluidic sensor was successfully applied for the quantitative detection of Fe(III) ions in aqueous samples. The system demonstrated a consistent and linear fluorescence quenching response to Fe(III) across a broad concentration range from 2 µM to 1 mM, with a response time of 4 minutes. This performance highlights the system's suitability for applications where micromolar sensitivity is required. The successful fabrication and validation of this integrated platform represent a significant step towards the development of portable, automated, and efficient point-of-care technologies. This work establishes a robust framework for using QD-based sensors in microfluidic devices for rapid and reliable chemical analysis in both clinical and environmental contexts. Collectively, these studies demonstrate significant advancements in quantum dots-based optical fluorescence sensors through strategic material design, coupling techniques, and system integration. The developed sensors offer enhanced sensitivity, improved quantum yields, and practical applicability in environmental monitoring and biosensing fields.
Benzer Tezler
- Bisfenol a tanıma bölgelerine sahip moleküler baskılanmış polimerik kartuşların ve sensör sisteminin geliştirilmesi
Development of molecularly imprinted polymeric cartridges and sensor system with bisphenol A recognition sites
RECEP ÜZEK
- Seçici ftalat tayini için kuantum noktalar içeren rasyometrik akıllı nanohidrojel sensörlerin geliştirilmesi
Development of imprinted fluorescent hydrogels containing quantum dots for phthalate analysis
HÜMA FİLİZ YILDIRIM
- Mide kanserine neden olan patojenlerin teşhisi için biyosensörlerin geliştirilmesi
Development of biosensors for diagnosis of pathogens causing stomach cancer
DİLEK ÖZTÜRK
- Enerji, optik sensör ve aktif gıda paketleme alanlarında kullanılmak üzere yüzeyi işlevselleştirilmiş floresans karbon noktaların geliştirilmesi
Development of surface functionalized fluorescence carbon dots for use in energy, optical sensor, and active food packaging areas
MELİS ÖZGE ALAŞ
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RÜKAN GENÇ ALTÜRK
