Üst enerji dönüşümü yapabilen (upconverting) nanoyapıların sentezi, karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

Abstract

Lantanitlerle doplanmış nanoyapılar, floresans ömrünün uzun olması, yüksek fotokimyasal kararlılık, dar emisyon pikleri ve düşük optik gürültü sağlamaları nedeni ile biyomedikal çalışmalar, optik görüntüleme, biyo- ve kimyasal sensör alanlarında ilgi çekmektedir. Bu nanoyapılar, floresans özellikteki organik boyalar ve quantum dot nanoyapılara alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu tezde, nadir toprak elementleri temelli üst enerji dönüşümü (upconverting) yapabilen nanoyapıların (UCNS) mikrodalga hidrotermal sentez yöntemi ile sentezlenmesi sürecinin optimizasyon çalışmaları yapılmış, elde edilen nanoyapıların biyomedikal ve biyosensör alanlarındaki uygulamaları incelenerek yüzey işlevselleştirilmeleri ile karakterizasyonları yapılmıştır. NaYF4:Yb-Tm UCNS'e katkılanan Tm miktarının (0, 0.3, 0.5 ve 0.7mmol), mikrodalga cihazının gücünün (900, 1000 ve 1200watt) ve reaksiyon süresinin (60s, 120s ve 1200watt için 45s) parçacık yapısı, kimyasal karakteri ve yakın kızılötesi (980nm NIR) ışık altındaki luminesansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Nanoyapılara doplanan Tm miktarları arttıkça ışımada artış gözlenmiş ve mor aralıkta ışık saçılmaları dijital kamera ile kaydedilmiştir. Nanoyapıların ileri sensör araştırmalarında kullanılabilmesi için polietilenglikol 10000 (PEG 10000) ve siklodekstrin (CD) ile yüzey fonksiyonelleştirmesi sağlanmıştır. Değişen CD konsantrasyonuna bağlı olarak, yaprak ve çubuk şeklinde farklı UCNS elde edilmiştir. Yapısal özellikler IR lazer ışığı altında ışıma rengini (mor) değiştirmemiştir. Konuk-konak etkileşimine bağlı bir sinyal değişimi gözlenip, gözlenmeyeceği CD'nin konuğu olan adamantan (ADA) varlığında incelenmiştir. ADA ile muamele edilen UCNS'lerin yüzey net yükleri, iletkenlik ve mobilite ölçümleri ile FT-IR ölçümleri alınmış, IR lazer ışığı altında ışıma kayıpları incelenmiştir. ADA eklenmesi ile oluşan iletkenlik ve yüzey yüklerinde seçici olmayan değişimler gözlemlense de, CD ile işlevselleştirilmiş UCNS'lerin IR ışığa maruz bırakıldıklarında yüzeyi CD ile işlevselleştirilmemiş UCNS'lere oranla daha yüksek sönümlenme gösterdiği görülmüştür. Sonuç olarak, konuk-konak etkileşimi CD ile işlevselletirilmiş UCNS'lerde IR ışık kullanılarak gözlemlenebilmekte ve seçici olmayan diğer yüzey etkileşimlerinden ayırt edilebilmekte ve elde edilen yapıların sensör çalışmalarındaki potansiyelini göstermektedir.

Lanthanide doped nanostructures attract attention in biomedical studies, optical imaging, bio and chemical sensor fields due to their long lasting florescence properties, high photochemical steadiness, narrow emission peaks and lower optical noises. These nanostructures provide an alternative to organic dyes and quantum dots. In this thesis, optimization studies for microwave hydrothermal synthesis of rare-earth doped upconverting nanostructures (UCNS), characterization and functionalization of the obtained structures are held by focusing on studies in biomedical and biosensor fields. Varying Tm moles (0, 0.3, 0.5 and 0.7mmol) doped in NaYF4:Yb-Tm upconverting nanopstructures and different microwave power (900, 1000 and 1200watt) and reaction times (60s, 120s and 45s for 1200watt power) for synthesis were examined for their effect on morphology, chemical characteristic and luminescence under (980nm) NIR light. It is clearly observed that luminescence increases with the increasing Tm moles doped in nanostructures and that violet range light scattering is recorded by a digital camera. Surface functionalization of the nanostructures is managed with polyethyleneglycol 10000 (PEG 10000) and cyclodextrin (CD) to maintain utilization of the structures in further sensor research. Depending on the varying CD concentration, different UCNs in leaf and rod form have been obtained. Structural features did not change the radiance color (purple) under the IR laser light. The emission is examined in the presence of the adamantane (ADA) which is guest of CD to see whether a signal change due to host-guest interaction would be observed. Net surface charges, conductivity and mobility measurements and FT-IR measurements of ADA-treated UCNS have been measured and radiation losses under IR laser light were examined. Although non-selective changes in conductivity and surface charge caused by ADA attachment have been observed, it has been observed that CD-functionalized UCNS exhibit higher quenching than UCNS that are not surface functionalized with CD when exposed to IR laser light. As a result, guest-host interaction can be observed using IR light in CD-functionalized UCNS and can be distinguished from other non-selective surface interactions and demonstrate the potential of obtained nanostructures for sensor work.