Development of conducting polymer-based fluorescence on/off biosensor for biomolecule analysis

Abstract

Sensitive and selective detection of biomolecules and cells is essential for early diagnosis of diseases, prognosis monitoring, and effective therapy. This thesis aimed to develop a novel fluorescence ‘‘turn-on/off’’ biosensor for biomolecules and cells detection. In this study, cationic polythiophene derivative poly(1,4-dimethyl-1-(3-((4- methylthiophen-3-yl)oxy)propyl)piperazin-1-ium bromide) (PT–Pip) was used as an efficient fluorescence transduction element to discriminate proteins, mammalian cells, and amino acids for the first time. Initially, pH–dependent spectroscopic characterization of the PT–Pip was performed to monitor the conformational and optical changes. The pH sensitivity of the PT–Pip was demonstrated for the first time. Afterwards, the fluorescence ‘‘turn–off’’ phenomena were investigated in detail using citrate–capped gold nanoparticles as an efficient fluorescence quencher. Further, the interaction of target analytes such as proteins, mammalian cells, and amino acids with pre–quenched non–covalent PT–Pip–AuNP complexes was examined. Disruption of the binding equilibrium between PT–Pip and AuNP by analytes resulted in the selective displacement of PT–Pip, which generated signal output as a fluorescence ‘‘turn–on’’ mode. Consequently, for the sensitive detection of biomolecules and cells, chemical tongue sensor arrays were developed utilizing differential sensing approaches. PCA was used for the statistical evaluation of the multi–dimentional fluorescence response patterns. As a result, unique fingerprints were rapidly obtained by the direct sensing of proteins, ratiometric sensing of mammalian cells, and indirect sensing of amino acids. The combination of a differential sensing strategy with an appropriate multivariate statistical technique enabled the selective and sensitive detection and identification of proteins, mammalian cells, and amino acids.

Biyomoleküllerin ve hücrelerin duyarlı ve seçici tespiti hastalıkların erken teşhisi, prognozunun izlenmesi ve etkili tedavi için önemlidir. Bu tez, biyomoleküller ve hücrelerin tespiti için yeni bir floresan 'açma/kapama' biyosensörü geliştirmeyi amaçlamıştır. Bu çalışmada ilk kez, bir katyonik politiyofen türevi olan poly(1,4- dimethyl-1-(3-((4-methylthiophen-3-yl)oxy)propyl)piperazin-1-ium bromide) (PT–Pip), proteinleri, memeli hücrelerini ve amino asitleri ayırt etmek için etkili bir floresan transdüksiyon elemanı olarak kullanıldı. Başlangıçta, konformasyonel ve optik değişiklikleri izlemek için PT–Pip'in pH'a bağlı spektroskopik karakterizasyonu yapıldı. PT–Pip’in pH duyarlılığı ilk kez gösterildi. Daha sonra, floresan ‘‘kapanma’’ fenomeni, verimli bir floresan söndürücü olarak sitrat–başlıklı altın nanoparçacıklar kullanılarak ayrıntılı olarak araştırıldı. Ayrıca, proteinler, memeli hücreleri ve amino asitler gibi hedef analitlerin önceden–söndürülmüş kovalent olmayan PT–Pip–AuNP kompleksleri ile etkilleşimi incelendi. Analitler tarafından PT–Pip ve AuNP arasındaki bağlanma dengesinin bozulması, bir floresan ‘‘açma’’ modu olarak sinyal çıktısı üreten PT–Pip'in seçici yer değiştirmesiyle sonuçlandı. Sonuç olarak, biyomoleküülerin ve hücrelerin hassas tespiti için diferansiyel algılama yaklaşımlarını kullanan kimyasal burun/dil sensör dizileri geliştirilmiştir. Çok boyutlu floresan yanıt paternlerinin istatistiksel olarak değerlendirilmesi için PCA kullanıldı. Sonuç olarak, proteinin doğrudan algılanması, memeli hücrelerinin oransal algılanması ve amino asitlerin dolaylı olarak algılanmasıyla benzersiz parmak izleri hızla elde edildi. Diferansiyel algılama stratejisinin uygun bir çok değişkenli istatistiksel teknikle kombinasyonu, proteinlerin, memeli hücrelerinin ve amino asitlerin seçici ve hassas tespiti ve tanımlanmasını sağladı.