A novel microcantilever sensor system for the selective determination of antibiotics

Abstract

Tez çalışmasında içme suyu kaynaklarında iz miktarda bulunmaları dahi canlılar için risk olan siprofloksazin ve eritromisin antibiyotiklerinin yeni bir yaklaşım olan molekül baskılanmış polimer teknolojisi ile mikrokantilever kütle sensörler kullanılarak tespitine yoğunlaşılmıştır. Tez çalışmasında hedef molekül olarak siprofloksasin ve eritromisin kullanılarak baskılanmış polimerik nanopartiküller (BPN'ler) sentezlenmiştir. BPN'ler Yüzey Elektron Mikroskopu ve Atomik Kuvvet Mikroskopu (AKM) kullanılarak karakterize edilmişlerdir. BPN'lerin boyutları siprofloksasin için yaklaşık 160 nm iken eritromisin için 30 nm olarak ölçülmüştür. BPN'ler üç farklı yöntemle kantilever üzerine immobilize edilmişlerdir. BPN'ler kantilevera kovalent bağlandığı nanosensörlerde, nanopartiküllerin yüzeye dağılımlarının tek tabakalı olduğu AKM ile belirlenmiştir. Antibiyotiklerin BPN'lere bağlanma kinetikleri hem sıvı hem de hava deneylerinde kontrol edilmiştir. Kantilever üzerindeki BPN'lerin yüksek seçiciliği sayesinde az miktardaki kütle değişimlerinin meydana getirdiği frekans değişimleri ölçülmüş ve toplam adsorbe olan kütle hesaplanmıştır. Bu nanosensör sistemleri kullanılarak hava deneylerinde siprofloksazin ve eritromisin tespit hassasiyeti sırasıyla 2.2 Hz/pg ve 1.6 Hz/pg olarak hesaplanmıştır. Hava deneylerinde siprofloksazin ve eritromisin nanosensörlerinin minimum tespit değerleri sırasıyla 2.2 µM ve 1 µM olarak hesaplanmışlardır. Seçicilik çalışmaları için siprofloksasin ve eritromisine fiziksel ve kimyasal açıdan benzeyen antibiyotikler kullanılarak yapılmış ve BPN'lere afinitelerinin daha az olduğu görülmüştür. Nanosensörlerin hassasiyetlerini kontrolü için moleküler baskılanmamış polimerik nanpartiküller kullanılmıştır. Baskılanmamış nanopartiküllere siprofloksazinin ve eritromisinin bağlanma istekleri BPN'lere daha az olmuştur. Elde edilen sonuçlar daha önce bu alanda yapılan çalışmalar ile karşılaştırılmış ve yorumlanmışlardır. Alanında ilk olan BPN'ler ile modifiye edilen kantilever sensör sistemleri kullanılarak yapılmış olan bu tez çalışması ilerideki kütlesel tespit uygulamalarına ışık tutacak niteliktedir.

This thesis focuses on the detection of ciprofloxacin and erythromycin, which cause adverse effects on wildlife and human life by polluting the waters. Detection of these antibiotics down to picogram mass resolution is crucial. A novel approach was established by combining the molecular imprinting technology and microcantilever mass sensors. The imprinted polymers were synthesized with miniemulsion polymerization technique. Scanning Electron Microscope images yielded that ciprofloxacin and erythromycin imprinted polymeric nanoparticles were both spherical in shape had sizes of around 160 nm and 30 nm, respectively. Atomic Force Microscopy images revealed the particle morphology on the cantilever; monolayer surface coverage was accomplished with covalent immobilization technique. The validation of sensor was carried out employing dynamic sensing mode. From the shifts recorded, masses of the total adsorbed molecules were calculated. The sensitivity of the sensor systems in air for the detection of ciprofloxacin and erythromycin were determined as 2.2 Hz/pg and 1.6 Hz/pg, respectively. The limit of detection values were calculated as 2.2 µM for ciprofloxacin sensor and 1 µM for erythromycin sensor in air. The selectivity studies proved that physically and chemically similar antibiotics showed lower affinities to the imprinted polymers. Sensitivity of the sensor showed that the binding affinities of selected antibiotics towards non-imprinted polymers were found to be lower compared to imprinted polymers. Being one of the first studies in MIP based microcantilever sensor, the developed system has the potential to be pioneer in mass sensing applications.