dc.contributor.advisor | Denizli, Adil | |
dc.contributor.author | Saylan, Yeşeren | |
dc.date.accessioned | 2017-07-25T10:19:51Z | |
dc.date.available | 2017-07-25T10:19:51Z | |
dc.date.issued | 2017-06-20 | |
dc.date.submitted | 2017-06-20 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/3768 | |
dc.description.abstract | Proteins hold many pivotal structural, functional and organization features and closely
associate with the other macromolecules such as lipids and carbohydrates to generate
larger and more complex units in cellular machinery. Researchers have been focused
on discovering fundamental properties of proteins, and realized that they are also one
of the major indicators and predictors in disease stages, as well as recent studies
pointed out that their structure, concentration, and even, orientation are crucial for
facilitating cellular machinery. Due to their multiple roles in cell functionality and
structure, one of the most attractive arena to investigate the significance of proteins is
to detect small biological units for diagnosing diseases. For instance, hemoglobin --an
iron carrying protein in red blood cells-- transports oxygen and carbon dioxide around
the human body and also maintains the acid-base balance in the blood. In clinical
practice, hemoglobin concentrations are closely correlated with several diseases and
health status, including thalassemia, anemia, leukemia, heart disease, and excessive
ii
loss of blood. Sensitive and accurate detection platforms will have potentially create
new avenues to monitor the concentrations of such vital protein marker, hemoglobin, in
the early detection and highly reliable prediction of disease.
Surface plasmon resonance technology has been considerably utilized to detect protein
biomarkers, eukaryotic cells, bacteria, and viruses for diagnosis purposes. This sensing
platform provides excellent optical modality to measure the changes in refractive index
at the close vicinity of the metal surface. Compared with other sensitive biosensing
modalities, the surface plasmon resonance biosensors holds multiple advantageous,
including real‐time and label-free analysis, high dual sensing modality (surface and bulk
sensitivity), short assay time, independent of small changes in temperature and surface
oscillations, low-cost assay, and multiplexing. Besides these prominent features, the
surface plasmon resonance technology cannot only potentially be integrated with
different surface sensitive tools, and it also enables versatile surface modifications that
can easily be tailored to multiplexed detection.
Molecular imprinting method, one of a fascinating surface modification techniques,
utilizes molecules as templates to create cavities for recognition of targets in the
polymeric matrix. This method provides a broad range of versatility to imprint targets
with different molecular size, three dimensional structure, and physicochemical
properties. In contrast to the complex and time-consuming laboratory surface
modification methods, this method offers a rapid, sensitive, inexpensive, easy-to-use,
and selective approach for the diagnosis, screening and monitoring disorders. Owing
to high selectivity, physical and chemical robustness, high stability, low-cost and
reusability of this method, molecularly imprinted polymers have become very attractive
and been applied in many fields, especially biosensors, diagnosis, and environmental
monitoring.
In this study, a molecularly imprinted surface plasmon resonance biosensor was
designed to detect hemoglobin as a model protein marker. First,
hemoglobin:acrylamide pre-complex was prepared with template and monomer
iii
mixture, and the cross-linker (methylenebis acrylamide) was applied to the pre-complex
mixture to form a final mixture for polymerization. Followed by addition an initiator and
activator (ammonium persulfate and tetramethyl ethylenediamine) pair to the final
mixture, the monomer mixture was then used to decorate to the surface plasmon
resonance biosensor surfaces. By employing spin coating technique, the monomer
solution was uniformly distributed on the surface plasmon resonance biosensor
surfaces. The polymerization was carried out under by photo-polymerization method.
At the end of the polymerization, the unreacted monomers and impurities were removed
and dried at room temperature. The hemoglobin imprinted surface plasmon resonance
biosensor was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy-attenuated
total reflectance, atomic force microscope, an ellipsometer, and contact angle
measurements. The hemoglobin imprinted surface plasmon resonance biosensor was
tested for real-time detection of hemoglobin from hemoglobin solutions that have
different hemoglobin concentrations. The selectivity and reusability performance of the
hemoglobin imprinted surface plasmon resonance biosensor was also investigated.
In addition, the microfluidic-integrated surface plasmon resonance biosensors were
also prepared for real-time hemoglobin detection by using different layers that are
polymethyl methacrylate, double sided adhesive and gold coating substrate. After the
different modification steps, the microfluidic-integrated surface plasmon resonance
biosensors interacted with different hemoglobin concentration solutions. Finally, the
equilibrium and adsorption isotherm models of interactions between hemoglobin
solutions and two different surface plasmon resonance biosensors were determined. | tr_TR |
dc.description.tableofcontents | ABSTRACT I
ÖZET IV
ACKNOWLEDGMENT VII
CONTENTS VIII
FIGURE LEGENDS XI
TABLE LEGENDS XV
SYMBOLS AND ABBREVIATIONS XVI
1. INTRODUCTION 1
2. GENERAL INFORMATION 4
2.1. Hemoglobin 4
2.1.1. The Functional Class of Hemoglobin 4
2.1.2. Biological Function of Hemoglobin 5
2.1.3. Amino Acid Sequence of Hemoglobin 5
2.1.4. Molecular Characterization of Hemoglobin 6
2.1.5. Variants and Disorders of Hemoglobin 6
2.2. Molecular Imprinting Method 7
2.2.1. Types of Molecular Imprinting Methods 8
2.2.2. Synthesis Materials of Molecular Imprinting Polymers 12
2.2.3. Polymerization Types of Molecularly Imprinted Polymers 16
2.2.4. Applications of Molecularly Imprinted Polymers 17
2.3. Biosensors 20
2.3.1. Electrochemical Biosensors 21
2.3.2. Piezoelectric Biosensors 22
2.3.3. Optical Biosensors 22
2.4. Surface Plasmon Resonance Biosensors 23
2.4.1. The Background of Surface Plasmon Resonance 23
2.4.2. The Principle of Surface Plasmon Resonance 23
2.4.3. Application of Surface Plasmon Resonance 27
2.5. Microfluidics 28
2.5.1. Microfluidic-Integrated Biosensors 29
3. EXPERIMENTAL 30
3.1. Materials 30
3.2. Characterization of Acrylamide 30
3.3. Modification of SPR Surfaces 30
3.4. Preparation of Hemoglobin:Acrylamide Pre-Complex 31
3.5. Preparation of Hemoglobin Imprinted SPR Biosensor 31
3.6. Removal of Hemoglobin 32
3.7. Characterization of SPR Biosensors 32
3.7.1. FTIR-ATR Spectroscopy Analysis 32
3.7.2. Atomic Force Microscopy Analysis 33
3.7.3. Ellipsometry Analysis 34
3.7.4. Contact Angle Analysis 34
3.8. Surface Plasmon Resonance Analysis 35
3.9. Kinetic Analysis 37
3.10. Selectivity Analysis 38
3.11. Reusability Analysis 38
3.12. Preparation of Portable Microfluidic-Integrated SPR Biosensors 38
3.12.1. Fabrication of Gold Surfaces 38
3.12.2. Construction of Microfluidic Chips 38
3.12.3. Modification of Microfluidic-Integrated SPR Biosensors 41
4. RESULTS AND DISCUSSION 43
4.1. Characterization of Acrylamide 43
4.2. Preparation of Hemoglobin:Acrylamide Pre-Complex 43
4.3. Characterization of SPR Biosensors 44
4.3.1. FTIR-ATR Spectroscopy Analysis 44
4.3.2. Atomic Force Microscopy Analysis 46
4.3.3. Ellipsometry Analysis 48
4.3.4. Contact Angle Analysis 49
4.4. Surface Plasmon Resonance Measurements 51
4.4.1. Effect of pH 51
4.4.2. Effect of Hemoglobin Concentration 53
4.4.3. Kinetic Studies 60
4.4.4. Selectivity Analysis 66
4.4.5. Reusability Analysis 70
4.5. Portable Microfluidic-Integrated SPR Biosensors 74
4.5.1. Surface Chemistry Modification 74
4.5.2. SPR Measurements 74
4.5.3. Equilibrium Analysis 79
4.5.4. Adsorption Isotherm Models 80
5. CONCLUSION 84
6. REFERENCES 89
7. CURRICULUM VITAE 100 | tr_TR |
dc.language.iso | en | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Biosensor | |
dc.subject | Hemoglobin | |
dc.subject | Molecular imprinting | |
dc.subject | Surface plasmon resonance | |
dc.title | Preparation Of Hemoglobin Imprinted Surface Plasmon Resonance Biosensors | tr_eng |
dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | Proteinler yapısal, işlevsel ve organizasyon olmak üzere birçok temel özelliklere
sahiptirler ve hücresel makinelerde daha büyük ve daha karmaşık birimler oluşturmak
için lipidler ve karbonhidratlar gibi diğer makromoleküllerle yakından ilişkilidirler.
Araştırmacılar, proteinlerin temel özelliklerini keşfetme üzerine yoğunlaşmış ve
hastalıkların farklı aşamalarında önemli belirteçlerden biri olduklarını farkına
varmışlardır. Son zamanlarda yapılan çalışmalarla yapılarının, derişimlerinin ve hatta
yönelimlerinin hücresel etkileşimleri kolaylaştırmada çok önemli oldukları keşfedilmiştir.
Hücrenin işlevselliğinde ve yapısındaki çok sayıda rolünden dolayı, proteinlerin önemini
araştıran en çekici alanlardan biri, hastalıkların teşhisi için biyolojik birimleri tespit
etmektir. Örneğin, hemoglobin -kırmızı kan hücrelerinde demir taşıyan protein- insan
vücudunda oksijen ve karbon dioksit taşır. Aynı zamanda kandaki asit-baz dengesini
de muhafaza eder. Klinik uygulamalarda, hemoglobin derişimleri, talasemi, anemi,
lösemi, kalp rahatsızlığı ve aşırı kan kaybı gibi çeşitli hastalıklar ve sağlık durumu ile
yakından ilişkilidir. Hassas ve doğru algılama platformları, hastalıkların erken teşhisi ve
v
güvenilir bir şekilde öngörülmesinde böylesi hayati önemi olan protein belirteci
hemoglobinin derişimlerini izlemek için yeni yollar yaratacaktır.
Yüzey plazmon rezonans teknolojisi, protein belirteçlerini, ökaryotik hücreleri, bakteri
ve virüsleri tanısal amaçlı algılamak için oldukça yaygın kullanılan bir teknolojidir. Bu
algılama platformu, metal yüzeyin yakınında meydana gelen kırılma indeksindeki
değişimleri ölçmek için mükemmel bir optik yöntem sağlar. Yüzey plazmon rezonans
biyosensörler, diğer hassas algılama yöntemleri ile karşılaştırıldığında, sıcaklık ve
yüzey salınımlarındaki küçük değişikliklerden bağımsız olarak, gerçek zamanlı ve
etiketsiz analiz, yüksek algılama alanı (yüzey ve hacim duyarlılığı), kısa analiz süresi
ve düşük maliyetli analiz gibi bir çok avantaja sahiptir. Bu belirgin özelliklerin yanı sıra,
yüzey plazmon rezonans teknolojisi sadece potansiyel olarak farklı yüzey hassas
cihazları ile entegre olamaz. Ayrıca çoklu algılama için kolayca uyarlanabilen çok yönlü
yüzey değişikliklerine de olanak sağlar.
Mükemmel bir yüzey modifikasyon tekniklerinden biri olan moleküler baskılama
yöntemi, polimerik matriksteki hedeflerin tanımlanması için boşluklar oluşturmak için
molekülleri bir kalıp olarak kullanır. Bu yöntem, farklı yük, üç boyutlu yapı ve
fizikokimyasal özelliklere sahip hedefleri baskılamak için geniş bir alan sunar. Bu
yöntem, karmaşık ve zaman alıcı laboratuvar yüzey modifikasyon yöntemlerinin aksine,
hastalıkların teşhis, tarama ve izleme için hızlı, hassas, ucuz, kullanımı kolay ve seçici
bir yaklaşım sunar. Yüksek seçicilik, fiziksel ve kimyasal dayanıklık, yüksek kararlılık,
düşük maliyet ve tekrar kullanılabilirlikgibi özellikleri sayesinde, moleküler baskılanmış
polimerler çok cazip hale gelmiştir ve birçok alanda, özellikle biyosensörlerde,
teşhislerde ve çevresel izlemelerde uygulanır.
Bu çalışmada, hemoglobini tayini için moleküler baskılanmış yüzey plazmon rezonans
biyosensörü tasarlanmıştır. İlk olarak, hemoglobin:akrilamid ön-kompleksi kalıp
molekül ve monomer karışımı ile hazırlanmış ve daha sonra metilenbis akrilamid çapraz
bağlayıcısı, ön-kompleks karışımına polimerizasyon için bir nihai karışım oluşturmak
üzere eklenmiştir. Ek olarak, nihai karışıma bir başlatıcı ve aktifleştirici çifti (amonyum
vi
persülfat ve tetrametil etilendiamin) de eklenerek yüzey plazmon rezonans biyosensör
yüzeylerini kaplamak için kullanılmıştır. Monomer çözeltisi, döndürmeli kaplama tekniği
ile yüzey plazmon rezonans biyosensör yüzeylerine homojen olarak dağıtılmıştır.
Polimerizasyon, foto-polimerizasyon yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Polimerizasyonun
sonunda, reaksiyona girmemiş monomerler ve safsızlıklar uzaklaştırılmış ve
biyosensör oda sıcaklığında kurutulmuştur. Hemoglobin baskılanmış yüzey plazmon
rezonans biyosensörü, ilk olarak Fourier dönüşümlü infrared spektroskopi-zayıflatılmış
toplam yansıma, atomik kuvvet mikroskobu, elipsometre ve temas açısı ölçümleri ile
karakterize edilmiştir. Daha sonra, hemoglobin baskılanmış yüzey plazmon rezonans
biyosensörü, farklı hemoglobin derişimlerine sahip hemoglobin çözeltilerinden gerçek
zamanlı hemoglobin tayini için analizler yapılmıştır. Hemoglobin baskılanmış yüzey
plazmon rezonans biyosensörünün seçicilik ve tekrar kullanılabilirlik performansı da
araştırılmıştır.
Buna ek olarak, mikroakışkan entegreli yüzey plazmon rezonans biyosensörleri, poli
metil metakrilat, çift taraflı yapışkan ve altın kaplı yüzey gibi farklı tabakalar kullanılarak
gerçek zamanlı hemoglobin tespiti için hazırlanmıştır. Farklı modifikasyon
basamaklarından sonra mikroakışkan entegreli yüzey plazmon rezonans biyosensörleri
farklı hemoglobin derişimdeki çözeltilerle etkileştirilerek kinetik analizleri yapılmıştır.
Son olarak, hemoglobin çözeltilerle ile iki farklı yüzey plazmon rezonans biyosensörleri
arasındaki etkileşimin denge ve adsorpsiyon izoterm modelleri belirlenmiştir. | tr_TR |
dc.contributor.department | Kimya | tr_TR |
dc.contributor.authorID | 10156164 | tr_TR |