Investigation of interaction between nanocrystal quantum dot films and escherichia coli

Abstract

Semiconductor nanocrytals also known as quantum dots (QD) with high photoluminesce quantum yield (PLQY), size tunability and favorable optical characteristics occupy a significant area in display technology, solar energy conversion and biotechnology. Size tuning feature of QDs allows peak emission wavelength ranging from ultraviolet to infrared spectral region. In literature, QD based studies have been performed in visible spectral range by employing mostly cadmium, being a toxic heavy metal. Recently, the search for less toxic alternatives revealed the cadmium free compounds, particularly InP. Cadmium free semiconductor nanocrytals' potential to be used as fluorescent probes in biodetection and biolabeling area has been proved over the past decades. Pathogens threaten life particularly via water sources like rivers, reservoirs and groundwater. Increasing demand for managing the 'contamination of drinkable water by pathogenic bacteria' problem needs a broad perspective about pathogens and their membrane characteristics which are integral part of microorganism detection platforms. Bacteria are categorized mainly upon their membrane properties which are gram negative and gram positive. Extra wall called as peptidoglycan layer in gram positive bacteria makes them more resistant to external forces. Gram negative bacteria with wavy wall is relatively more prone to their environment. One of the most known pathogenic bacteria, E. Coli, have damaged and destroyed many lives throughout the world. High growth rate enables this microorganism to spread around large areas in short time. Therefore, accurate and definite detection of this bacteria in water is crucial. The main frame of this research depends on QD based biodetection of bacteria. First of all, organic based QDs (50% PLQY) containing triocytlyphosphine-sulfur ligand were synthesized and via successful phase transfer, QDs in aqueous solvent with 20% PLQY were achieved. Although surface is damaged during ligand exchange procedure, QDs in aqueous solvent with high PLQY were obtained. SiO2 was covered with QDs thanks to the attraction between their NH2 group and carboxylic ends, respectively. In the final step, this hybrid structure was encapsulated with SiO2 and silica coated QDs (SCQD) were formed. In order to utilize SCQDs in bacteria detection, fluorescent agents were embeded in polymeric films which were formed by spin coating. As a result, SCQD facilitates the attachment of negatively charged bacteria onto the surface of the films. Appropriately grown DH5 alpha (E. Coli strain) expressing green fluorescent protein (GFP) was used as pathogen in the detection part. SCQD thin films were treated with water containing E.Coli DH5 alpha. Positively charged SCQD attracted negatively charged bacteria and the conjugation between them was analysed with time resolved spectroscopy and monitored with fluorescence microscope. Thus, usage of QDs as biosensor in pathogen detection could provide an insight in the future studies. Keywords: biodetection, E.coli, quantum dots, semiconductors, silica coated quantum dots, indium phosphate, InP QD

Kuantum noktacık olarak adlandırılan yarı iletken nanokristaller yüksek fotolüminesans verimi, değiştirilebilir boyut ve üstün optik özellikleri ile ekran teknolojileri, güneş panelleri ve biyouygulamalarda önemli bir yere sahiptir. Emisyon dalga doyu spektrumu ultraviyole bölgeden kızılötesi bölgeye kadar uzanmaktadır. Literatürde QD tabanlı çalışmalar görünür spektral alanda, özellikle toksik ve ağır bir metal olan kadmiyum kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Düşük toksisiteye sahip alternatiflerin arayışı InP gibi kadmiyum içermeyen bileşikleri ortaya çıkarmıştır. Kadmiyum içermeyen kuantum noktacıkların biyoalgılama ve biyoişaretleme alanlarında floresan ajanlar olarak kullanım potansiyeli son yıllarda yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur. Patojenler canlıları su üzerinden özellikle nehir, yeraltı kaynakları ve rezervler yoluyla tehdit etmektedir. Patojenik bakteriler tarafından yapılan kontaminasyon tüm dünyayı endişelendiren bir olgu haline gelmiştir. Bu probleme yönelik çözüm arayışları, bakteriler ve onların tespiti için kritik öneme sahip olan membran özelliklerinin geniş bir perspektifte ele alınmasını gerektirmektedir. Bakteriler genellikle membran yapılarına göre (gram pozitif ve gram negatif) sınıflandırılmaktadır. Peptidoglikan tabaka olarak da adlandırılan ekstra hücre duvarı gram pozitif bakterileri çevresine karşı daha dirençli yapmaktadır. İnce bir duvarla çevrili olan gram negatif bakteriler ise dışarıdan gelen etkilere daha açıktır. En iyi bilinen patojenik bakteri türlerinden biri olan E. Koli şimdiye kadar dünya çapında birçok yaşamı tehdit etmiş ve zarar vermiştir. Yüksek çoğalma kapasitesi bu mikroorganizmanın kısa sürede büyük alanlara yayılmasına imkan vermektedir. Bu sebeplerden dolayı su kaynaklarındaki bakterilerin doğru ve kesin tespiti elzemdir. Bu çalışmanın ana iskeletini bakterilerin kuantum noktacık bazlı biyoalgılaması oluşturmaktadır. Öncelikle triositilfosfin-sülfür ligandına sahip kuantum noktacıklar (50% ışıma verimi) sentezlendi ve başarılı bir faz transferi ile su bazlı (20% ışıma verimi) kuantum noktacıklar hazırlandı. Ligand değişimi sırasında ortaya çıkan yüzey hasarına rağmen, yüksek verimle ışıyan su bazlı kuantum noktacıklar elde edildi. NH2 kaplı SiO2, yüzey etkileşimi yaratan karboksilik ligandlara sahip kuantum noktacıklar ile kaplandı. Bu parçacıkların üzerine tekrar SiO2 kaplanarak silika içeren kuantum noktacık yapıları oluşturuldu. Bu yapıların bakteri tespitinde kullanılması floresan ajanların dönel kaplama yöntemiyle hazırlanan polimerik filmlerin içerisine gömülmesiyle sağlandı. Uygun bir şekilde büyütülen yeşil floresan protein sentezleyen DH5 alfa (E. Koli ırkı) algılama için patojen olarak kullanıldı. Silika kaplı hibrit yapıyı içeren polimerik filmler içerisinde E. Koli DH5 alfa bulunduran su ile muamele edildi. Pozitif yüklü hibrit yapı ile negatif yüklü bakteri arasındaki etkileşim zaman çözünürlüklü spektroskopi ve floresan mikroskobu ile analiz edildi. Böylece, kuantum noktacıkların patojen biyoalgılamada sensör olarak kullanılabileceği gösterilmiş ve gelecek çalışmalara ışık tutması amaçlanmıştır. Anahtar kelimeler: biyoalgılama E.koli, kuantum noktacık, yarıiletkenler, silika kaplı kuantum noktacıklar, indiyum fosfat, InP QD