Potential of microdroplet lasers for optofluidic biosensing applications

Boya katkılı mikro damlacıklar, lazer olarak kullanılabilen fısıldayan galeri kiplerini taşıyabilmektedir. Lazer çıkış dalgaboyu, lazer eşiği, lazer verimliliği ve hatta lazer ışık spotunun şekli; damlacıkların şu fiziksel özelliklerine hassas bir şekilde bağlıdır: Damlacıkların boyutu, şekli, damlacıkların kırılma indisi ile ortamın kırılma indisi arasındaki fark, kovuk kalite faktörü ve damlacık malzemesinde moleküler bağlanma veya bağların açılması gibi. Bu hassas ilişki, algılama uygulamalarının kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bu bağlamda lazer olarak kullanılan damlacıkların uygulama sırasında en az bozulmayla hareket ettirilebilmesi için, optik kuvvetlerin fiziksel temasa ihtiyaç duymama avantajından faydalanmak gerekmektedir. Bu tezde öncelikle optik kuvvetlerle yönlendirilen boya katkılı sıvıda veya havada asıltı şeklindeki damlacıklardan lazer ışığı elde edilmiştir. Zamana göre lazer kararlılığı ve damlacığın fiziksel özelliklerine göre lazer ışığı dalgaboyundaki değişim gözlemlenmiştir. Dahası, optik kuvvetler kullanılarak damlacık şekli deformasyona uğratılmış, böylelikle lazer dalgaboyu ayarlanabilmiştir. Bu deney için su içerisinde boya katkılı yağ damlacıklar optik olarak uyarılmış ve çift ışıklı tuzaklama yöntemiyle şekilleri deformasyonauğratılmıştır. Böylelikle ışığın damlacık içinde aldığı yol değiştiğinden lazer dalgaboyunda kaymalar meydana gelmektedir. Bu teknik kullanılarak, lazer dalgaboyu ayarlanması sadece optiğe dayanan, neredeyse tamamen tersine çevrilebilir bir şekilde gösterilmiştir. Ayrıca dalgaboyundaki ayarlamanın yönünün, pompa lazerinin odağının damlacık üzerindeki konumuna bağlı olduğu görülmüştür. Bunlara ek olarak sıcaklık değişiminin dalgaboyu kayması üzerindeki etkisi incelenmiş ve damlacığın sıcaklığının artmasıyla lazer dalgaboyunda kırmızıya kayma gözlemlenmiştir. Tezin biyo-algılama kısmında mikrodamlacıklarbiyolazer olarak kullanılmıştır. Bu damlacıklar sarı floresan proteinler ya da floresan protein içeren canlı E. Coli bakterileri içermektedir. İlk olarak 49 µM kadar düşük derişimlerdeki proteinler kullanılarak lazer özelliği gösterilmiştir. Daha sonra damlacık içerisine yerleştirilen tek bir bakterinin floresan özelliği ile lazer kazanç ortamı olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Su içerisindeki damlacık mikrokovuklar, bu bakterilerin engelsiz büyüme ortamına yerleştirilebilmesi için uygun zemin hazırlamaktadır. Bu sebeple bu sonuçlar, lazer ışığının mikroskobik ölçekte kendi kendini yenileyebilen bir şekilde üretilmesine zemin hazırlamaktadır. Floresan rezonans enerji transferi (FRET) verici ile alıcı kromoforlar arasındaki mesafenin atomik boyutlarda ölçülmesine, böylelikle biyomoleküllerdeki uyumlu değişikliklerin fark edilmesine olanak sağlamaktadır. FRET ile lazer sistemini birleştirmek, FRET parametrelerinin lazer çıkışı üzerindeki doğrusal olmayan etkileri sayesinde FRET tabanlı biyokimyasal algılayıcıların hassasiyetini arttırmaktadır. Damlacıklar ile birleştirilen FRET lazerlerinin algılayıcı özelliklerinin daha iyi anlaşılması için kapsamlı bir teorik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada oran denklemi modeli kullanılarak Fabry-Pérot kovukları için FRET lazerleri incelenmiştir. Alıcı ve verici moleküllerin çözelti içerisinde başka bir etki olmadan difüzyon ile hareket edebildikleri durum ile birbirlerine uzunluğu sabit bir molekül ile bağlı alıcı ve verici moleküllerin durumu karşılaştırılmıştır. Sonuçta ikinci durumun, düşük derişimlerde algılama uygulamaları için daha uygun olduğu sonucuna ulaşılmıştır. FRET lazer algılayıcıları ile bilinen FRET algılayıcıları karşılaştırılmış, uygun pompa ve FRET çifti derişimleri şartları altında, Förster mesafesi bölgesinde oluşan değişimlerde algılama hassasiyetinde 100 kata varan iyileşmelerin görüleceği gösterilmiştir. Algılama hassasiyetinin iyileşmesinin kovuk kalite faktörü ile ilişkisi de araştırılmıştır. 10^4 ile 10^6 arasındaki kalite faktörleri için en yüksek iyileşmenin görüleceği gösterilmiştir. 10^6'dan daha yüksek kalite faktörlerinin, kovuk içindeki ışınımsal enerji transferi sebebiyle iyileştirmeyi düşürdüğü gösterilmiştir. Son olarak tetrahedral şeklindeki DNA yapılarının FRET lazer özelliği gösterilmiştir. Bu yapılar Cy3 ve Cy5 boyaları ile etiketlenmiş ve damlacık içine yerleştirilmiştir. Bu damlacıklar da süper hidrofobik yüzeyler üzerinde tutulmaktadır. 1Cy3-3Cy5 ve 3Cy3-1Cy5 DNA yapıları için lazerin eşik akışı ve diferansiyel verimi karakterize edilmiştir. Sabit Cy5 derişimi altında 1Cy3-3Cy5 ile karşılaştırıldığında 3Cy3-1Cy5 için ortalama eşik akışı 3 ila 8 kat azalırken diferansiyel verim 6 ila 30 kat artmıştır. 3Cy3-1Cy5 nanoyapıları kullanılarak 1 µM'e kadar düşük seviyelerde lazer gözlemlenmiştir. Bu çalışma gösteriyor ki, biyo-kimyasal algılama uygulamaları ve fotonik alet yapımı,damlacık rezonatör tabanlı opto-akışkan mikro-lazerler DNA teknolojisi ile birleştirilerek daha derin bir şekilde keşfedilebilecektir.