Spectroscopic, morphologic, and electrochemical impedance characterizations of DNA functionalized silica coated ɣ-Fe2O3 magnetic nanoparticles

Abstract

Manyetik nanopartiküller süperparamanyetizm, yüksek koersivite (artık mıknatıslanım) ve yüksek manyetik duyarlılık gibi çeşitli spesifik manyetik özelliklere sahip partiküllerdir. Pek çok farklı disiplinlerden araştırmacılar manyetik nanopartiküllere ve onların manyetik akışkanlar, veri depolama, kataliz ve biyolojik uygulamaları alanlarına karşı önemli ilgi göstermektedir. Günümüzde manyetik nanopartiküller yaygın olarak manyetik biyolojik ayırım, hücre, protein, nükleik asit, enzim, bakteri ve virüs gibi biyolojik varlıkların tespiti, klinik tanı ve terapi (manyetik rezonans görüntüleme), hedefe yönelik ilaç salınımı, biyolojik etiketleme, RNA ve DNA saflaştırması, enzim ve protein immobilizasyonu ve kataliz gibi önemli biyolojik uygulamalarda kullanılmaktadır. Son dönemlerde manyetik nanopartiküllerle ilgili yapılan çalışmalar artmış olup, özellikle çalışmalar magnetit (Fe3O4), hematit (α-Fe2O3), magemit (ɣ-Fe2O3), vüstit (FeO), ε-Fe2O3, and β-Fe2O3 gibi demir oksit nanopartiküllerinin farklı türlerine yoğunlaştırılmıştır.Demir oksit nanopartikülleri arasından magnetit ve magemit formundaki nanopartiküller biyouyumluluk, toksik olmamam, biyo-çözünürlük, geniş yüzey alanı, küçük partikül boyutu ve uygun manyetik özelliklerinden dolayı biyolojik, biyomedikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Manyetik demir oksit nanopartikülleri yüzey-hacim oranın yüksek olmasından dolayı fazla miktarda enerjiyi yüzeyinde barındırır. Bu sebeple, hem nanopartiküller arasındaki hidrofobik etkileşimleri hem de yüzey enerjisini azaltma isteği, manyetik nanopartiküllerin agrege olmasına (bir araya toplanma), partikül boyutunun büyümesine neden olur. Demir oksit nanopartikülleri yüksek kimyasal aktiviteye sahiptir ve havaya maruz kaldıklarında kolaylıkla okside olabilirler. Bu durum genellikle demir oksit nanopartiküllerinin manyetizm ve dağılabilirlik özelliklerinin azalmasına neden olmaktadır. Tüm bu sorunların üstesinden gelmek, manyetik nanopartiküllere stabilite ve fonksiyonalite kazandırmanın yolu, demir oksit nanopartiküllerinin yüzeyinin modifiye edilmesidir. Manyetik nanopartiküllerin yüzeyi organik moleküller,yüzey aktif maddeler, polimerler, biyomoleküller, metal ya da metal olmayan maddeler, metal oksit, metal sülfid veya silika ile kaplanarak modifiye edilebilir.Organik yapılarla kaplı demir oksit nanopartikülleri, nanopartiküllerin yüzeyini çevreleyen fonksiyonel gruplar sayesinde çeşitli alanlarda uygulama imkanı sunmaktadır. Organik moleküllerin nanopartiküllere sunduğu bu fonksiyonel gruplara aldehid, hidroksil, karboksil ve amino grubu örnek gösterilebilir. Bu gruplar çeşitli uygulamalar kapsamında antikor, protein, DNA, enzim gibi biyolojik moleküllere bağlanabilirler.Manyetik nanopartikülerin silika ile kaplanması partiküllere stabilite kazandırır ve partiküller arası etkileşimden meydana gelen aglomerasyonun oluşmasını önler. Bununla birlikte, silika kaplı demir oksit nanopartikülleri daha iyi biyouyumluluk, hidrofilisite ve stabilite özellikleri göstermektedir. Ayrıca silika ile kaplama kalınlığı diğer kaplama maddelerine göre daha kolay kontrol edilebilmektedir. Silika kaplı manyetik nanopartiküller enzim immobilizasyonu, ilaç salınımı, çevresel teknoloji, biyolojik ayırım gibi özellikle biyolojik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Silika kaplamanın bir başka avantajı ise farklı biyomoleküllerin silika yüzeyine bağlanabilmesine olanak sağlamasıdır. Demir oksit nanopartikülleri, yüzeyine farklı biyolojik moleküller bağlanarak fonksiyonellendirilebilinir. Protein, polipeptid, antikor, biyotin ve avidin gibi biyolojik moleküller kimyasal olarak demir oksit nanopartikülüne bağlanır. Bu modifikasyon demir oksit nanopartikülüne fonksiyonel gruplarından dolayı hem hedef özelliği hem de biyouyumluluk kazandırır.İlgili çalışmaya manyetik demir oksit nanopartikülleri ve bu nanopartiküllerin biyouyumluluk, toksik olmama, biyo-çözünürlük, geniş yüzey alanı ve düşük partikül boyutu gibi üstün özellikleri ve biyolojik, biyomedikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmasından ilham alınarak başlanmıştır. Kaplanmamış manyetik demir oksit nanopartiküllerinin partiküller arası etkileĢim ve hidrofobisite sonucu oluĢan aglomerasyonuna karĢılık nanopartiküllerin seçilen uygun yöntemlerle modifiye edilmesi planlanmıĢtır. Bu sebeple aglomerasyonu engellemek adına demir oksit nanopartikulleri silika ile kaplanmıĢtır. Silika kaplama demir oksit nanopartikillerinde aglomerasyunu önlemenin yanı sıra nanopartiküllerin biyouyumluluk, hidrofilisite ve stabilite özelliklerini iyileĢtirmiĢ, ayrıca farklı uygulamalara yönelik nanopartikül yüzeyine çeĢitli biyolojik grupların bağlanmasına da olumlu yönde katkı sağlamıĢtır.Bu çalışmada, silika kaplı magemit (ɣ-Fe2O3) yapısındaki demir oksit nanopartikülleri kullanılmıştır. Bu nanopartiküller hem sentezlenmiş hem de ticari olarak Chemicell firmasından alınmıştır. Alınan ve özel adı SiMAG olan bu nanopartiküllere Sentromer DNA Teknolojileri firması tarafından özel adı Cola, 3C-Cola ve 6C-Cola olmak üzere farklı DNA oligonükleotidleri bağlanmıştır. Silika kaplı magemit (ɣ-Fe2O3) yapısındaki demir oksit nanopartikülü sentezi için ilk olarak FeCl2.4H2O (demir (II) klörür tetrahidrat) ve FeCl3.6H2O (demir (III) klörür hekzahidrat) kimyasallarından magnetit (Fe3O4) sentezlenmesiyle başlanmıştır. Sentezlenen magnetit nanopartikülü 300°C'de kül fırınında kalsine edilerek magemit yapısında dönüştürülmüştür. Ardından magemit nanopartikülleri TEOS (tetraetil ortosilikat) kimyasalı varlığında silika ile kaplanmış ve silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülleri elde edilmiĢtir. Hem sentezlenen hem de ticari olarak alınan (SiMAG) silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülleri spektroskopik olarak FTIR-ATR (Fourier Transform Infrared - Attenuated Total Reflectance), Raman ve UV-Vis Spektrofotometre cihazlarıyla karakterize edilmiştir. Analiz sonuçları karşılaştırıldığında iki numunenin de aynı karakteristik pikleri/bandları verdiği, analiz sonuçlarının örtüĢtüğü, dolayısıyla sentez yoluyla elde edilen silika kaplı magemit yapısındaki demir oksit nanopartikülünün ticari olarak alınan nanopartikül ile içerik ve yapı bakımından aynı olduğu görülmüştür.DNA oligonükleotidleri (ttr4 ve dT20), SiMAG, SiMAG nanopartikülüne farklı DNA oligonükleotidleri bağlanmış olan SiMAG-Cola, SiMAG-3C-Cola, SiMAG-6C-Cola ve ticari olarak Chemicell firmasından alınan SiMAG-30T nanopartikülleri spektroskopik (UV-Vis Spektrofotometre), morfolojik (AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) ve SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu)) ve elektrokimyasal (Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS)) ile incelenmiş, karakterize edilmiştir. Konsantrasyon, DNA bağlanması, bağlanan DNA uzunluğu gibi parametrelerin empedans, kapasitans, UV absorbans ve tanecik büyüklüğüne etkileri araştırılmıştır.Ölçümler sonucunda konsantrasyonun artmasıyla Cdl (çift tabaka kapasitansı) ve CLF (düşük frekans kapasitansı) değerlerinin azaldığı, empedans (Z) ve UV absorbans değerlerinin artığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, DNA oligonükleotidinin manyetik nanopartiküle bağlanması ve DNA oligonükleotid uzunluğunun 12 bazdan 30 baza arttırılması sonucunda granül çapının ve pürüzlülüğün arttığı, empedans değerinin azaldığı ve Cdl ve CLF değerlerinin arttığı görülmektedir.

Silica coated magnetic iron oxide nanoparticles (SiMAG, special name of the product) at maghemite form (ɣ-Fe2O3 NPs) were obtained from Chemicell Company (Belgium). Different DNA oligonucleotides (Cola, 3C-Cola, and 6C-Cola) were bound to the surface of silica coated magnetic iron oxide NPs (SiMAG) by Sentromer DNA Technologies Company. Additionally, magnetic iron oxide nanoparticles on magnetite form (Fe3O4) was also synthesized. Then, magnetite iron oxide nanoparticles were converted to maghemite form (ɣ-Fe2O3) by calcination proces at 300°C. After that, ɣ-Fe2O3 NPs were coated with silica. Therefore, silica coated ɣ-Fe2O3 NPs that have same structural form as SiMAG were obtained. Both synthesized silica coated ɣ-Fe2O3 NPs and SiMAG nanoparticles were characterized spectroscopically with Fourier Transform Infrared - Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR), Raman Spectrophotometer, and UV-Vis spectrophotometer. Analysis results were compared in each other. It was observed that both of magnetic nanoparticles had same structure and formation owing to exhibition same characteristic bands from the analyses. In additional, DNA oligonucleotides (ttr4, and dT20) and magnetic nanoparticles with and without DNA binding (SiMAG, SiMAG-Cola, SiMAG-3C-Cola, SiMAG-6C-Cola, and SiMAG-30T) were investigated spectroscopically (UV-Vis Spectrophotometer), morphologically (AFM and SEM), and electrochemically (Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)). The effect of parameters such as concentration, presence of bound DNA, length of DNA on impedance, capacitance, UV absorbance and granule size were investigated. As a result of the measurements, it was observed that when the concentration was increased, Cdl (double layer capacitance) and CLF (Low frequency capacitance) values decreased while Z(impedance) and UV absorbance values increased. Moreover, when the DNA oligonucleotide was bound to the magnetic nanoparticle and the length of DNA oligonucleotide was elongated from 12 base to 30 base, it was observed that granule diameters were expanded, the Zvalues diminished, Cdl and CLF values increased for each concentration value.