Bir önceden
Tekrar merhabalar, umarım her şey yolundadır. Geçtiğimiz yazımızda, kuantum noktalarını biraz anlamaya başlamış ve onların aslında kendi boyutlarına sığamayan, yaramaz çocuklar gibi afacanlar olduğunu kavramıştık. Şimdi kaldığımız yerden devam edelim. Aslında bu yazı dizisini okumaya devam ettiğinizde, kendiniz alışılagelmiş imkanlarla çok kolay kuantum noktası üretebilecek hale geleceksiniz; hatta konu Covid-19’a gelecek ve çok değişik çalışmalar için aklınızda yeni fikirler oluşmaya başlayacak. Nasıl mı? Hadi, devam edelim!
Kuantum noktaları ve floresans
Araştırma ve bilim kariyerinizin bir noktasında, hiç şüphesiz floresanslık, floresan mikroskop vs. gibi bir şeyle mutlaka karşılaşmışsınızdır. Hatta, eğer yaşınız akademik camiada biraz ilerideyse, floresan dedektör kullanarak bir tayin yapılması konusu mutlaka karşınıza gelmiştir. Şimdiye kadar hiç karşınıza çıkmadıysa şimdi çıktı diyebiliriz. O nedenle biraz “floresan” ile ne kastedildiğini, tanımının arkasındaki tarih ve temel fiziği, çok ilginç olan yeşil floresan proteinin (GFP) keşfini ve kuantum noktaları içeren floresan probların hızla genişleyen alanına bir göz atalım.
Bilgisayar başına geçtiğinizde, herhangi bir arama motoruna “floresans” ifadesini girdiğinizde “X-ışınları veya ultraviyole ışık gibi, daha kısa bir dalga boyunda gelen radyasyonunun yarattığı bir etki sonucu olarak belirli maddelerden görünen veya görünmeyen ışınların yayılması” gibi bir cevap elde edersiniz. Burada, daha kısa bir dalga boyuna sahip olan uyaran ışık, ki bu görünür ışık ultraviyole (UV) ve kızıl ötesi (IR) olabilir, bir floresans oluşturabilen bir maddeye ulaşırsa ve bu maddede floroforlar (floresans ışık vermeye uygun yapılar) var ise bunlar uyarıldıktan sonra daha yüksek dalga boylu ışığı / fotonları yeniden yayabilirler ve floresans oluşur. Temel dalga boyu birimi metredir ve “dalga boyu“, bir ışık dalgasının ardışık iki tepe noktası veya çukurlukları arasındaki mesafe olarak tanımlanır. Dalga boyunun sembolü, Yunanca harf lambda’dır. Tipik olarak ışık dalga boyları 400 ile 700 nm arasında görünür spektrum, 400 nm’nin altında UV ve 700 nm’den sonra IR spektrumu olarak bilinir. Görünür ışığın renkleri şöyledir:
Mavi (440nm), Mavi-Yeşil (490nm), Yeşil (540nm), Sarı (590nm), Kırmızı (640nm)
Burada gördüğümüz gibi, gördüğümüz ışık ne kadar maviye yakınsa dalga boyu o kadar küçük, ne kadar kırmızıysa dalga boyu o kadar büyüktür. Yani, elimizdeki partiküller kuantum noktasıysa üzerine UV ışık verdiğimizde floresan özellik gösterecektir ve partikülü ne kadar küçükse yaydığı ışık da o kadar maviye yakın bir renkte olacaktır. Bu durumda kırmızı olan kuantum noktalarının daha kırmızı olacağı çok anlaşılabilirdir.
Anlaşılacağı üzere aslında çok da büyük bir büyüklük farkı olmamasına rağmen oluşturdukları floresans renk epey farklı olmaktadır. Yaklaşık 2 nm fark rengi kırmızıya kadar götürmektedir. Bu da bize elimizdeki kuantum noktasının büyüklüğü hakkında kolayca bilgi edinmemizi sağlar. Aslında tam da bu noktada biraz çılgınca düşünelim: çok aşırı etkili olmasa bile elimizdeki kuantum noktalarının maviye yakın olması onların ortam ışıklarından yararlanarak daha fazla düşük dalga boylu ışın üretmesine neden olacaktır. UV sterilizasyon lambalarını düşünelim, onların mavi mor rengi sizde bir şey düşündürdü mü? Evet, gerçekten mavi kuantum noktaları neden fazladan bir antimikrobiyal veya antiviral etkiye sahip olmasın? Burada bu ışının hücre içinde ve organellere çok yakın bir noktada olduğunu da unutmayalım, yani çok yüksek şiddetler zaten uygun olmayacaktır. Buna bir de etkin bir molekül ilave edildiğini düşünelim, bu çok güzel bir fikir olmaz mı?
Floresanslık – Jablonski diyagramı
Polonyalı fizikçi Profesör Aleksander Jablonski (1898-1980), basitçe “Jablonski Diyagramı” olarak bilinen üç seviyeli bir enerji diyagramında, zemin / uyarılma / yayma arasındaki döngüyü tanımlayan ilk kişiydi. 1930’da Varşova Üniversitesi’nden “Uyarma ışığının dalga boyundaki değişimin floresans spektrumları üzerindeki etkisi üzerine” başlıklı tezi ile doktorasını aldı. 1933 yılında Jablonski diyagramını içeren makalesini (Efficiency of Anti-Stokes Fluorescence in Dyes) Nature’da yayınladı. Floroforların davranışının bu basit ama etkili açıklaması, temel durumdan uyarılmış duruma ve daha uzun dalga boyuna sahip bir fotonun emisyonuyla / yayılmasıyla zemine geri dönme döngüsünü açıklar . Burada, bir fotonla uyarılan elektronlar aldıkları enerji ile bir üst düzeye çıkarlar ve buradan 2. konuma çıkabilirler; bunu takiben üçüncü duruma inebilirler. 2 durumundan 1’e inilerek ışıma oluşursa floresans, 3 durumundan 1 durumuna inilerek ışıma olursa fosforesanstan bahsedebiliriz. Aslında bu iki terim birbiri ile ilgili ve çok benzerdir. Fosforesans, floresanla ilgili bir tür fotolüminesansdır, ışıma olayıdır. Floresanstan farklı olarak bir fosforesan malzeme, emdiği radyasyonu hemen yeniden yaymaz. Yeniden yaymanın daha yavaş zaman ölçekleri, kuantum mekaniğindeki “yasaklı” enerji durumu geçişleriyle ilişkilidir. Bu geçişler belirli malzemelerde çok yavaş gerçekleştiğinden, emilen radyasyon orijinal uyarılmadan birkaç saate kadar daha düşük bir yoğunlukta yeniden yayılır. Ayrıca floroforlar, moleküllerin elektron dönüşlerine bağlı olarak “tekli değil üçlü durumlar” olarak bilinen değişen gevşeme durumları yoluyla da zemine geri dönebilir. Bu basit diyagramda elektron uyarılır ve bir üst seviyeye çıkar. Aslında doğada işler hep aynıdır; yeter ki benzeştirecek bir pencereden bakalım. Gerçekte, her insan bir üst refah seviyesine çıkarsa aynen elektronlar gibi bir rahatlamaya girer, yavaşlar. Çünkü bir üst seviyede elektrona etkiyen çekim kuvveti azdır ve dengelemek için hız sanki daha az olacaktır. Rahatlama bir soruna neden olmaz; ancak elektron bu refah seviyesinden eski durumuna dönerse o zaman aynen insanlarda olduğu gibi bir huzursuzluk bir stres olur. Elektron geri dönünce çekirdeğe daha yakın olduğundan daha büyük bir kuvvetle çekilmeye başlar, bunu dengelemek için de daha hızlı dönmesi gerekir ve birden gaza basmış araba gibi bir enerji boşaltma, bir patinaj meydana gelir. Bu da onu oraya çıkaran uyarandan daha uzun dalga boylu (enerji kaybı mutlaka olacağından bu kayıp dalga boyunu uzatır) bir yayınlama “Floresans” şeklinde bir olayla sonuçlanır. Bu, her uyaran geldiğinde olur ve uyaran uyarmaya devam ettiği sürece de olmaya devam eder.
Stokes kayması (Stokes shift)
Sir George Gabriel Stokes (1819-1903), İrlandalı bir matematikçi ve fizikçiydi ve yaşamı boyunca optik ve ışık alanlarında birçok keşif ve ilerleme yaptı. 1849’da Cambridge Pembroke College’a matematik profesörü olarak atandı ve 1903’teki ölümüne kadar da bu pozisyonda kaldı. 1852’de yayınlanan ve “On the Change of Refrangibility of Light” (Işığın kırılma özellikleri ile ilgili) adlı güzel bir tanımlayıcı makale yazdı. Bu metinde kullanılan dil, günümüz bilimsel literatüründe alışkın olduğumuz dilden farklı olmasıyla da bilinir. Ama Stokes, uyarılmış elektronların temel durumlarına döndüğünde ve bir ışık fotonu yaydığında, bunun dalga boyunun her zaman uyarmak için kullanılandan daha uzun olduğunu kanıtlarıyla sunmuştur. Bu dalga boyunun radyasyon enerjisi ile ters orantılı olması, ışığın özelliğinden kaynaklanmaktadır. Stokes kayması, bir floroforun tepe uyarımı ve yayma dalga boyu arasındaki farkı (nanometre cinsinden) açıklar. Bir florofordan gelen uyarılmama ve yayma arasında ayrım yapmak, Stokes kaymasındaki artışla orantılı olarak daha kolaydır. Floroforlar, elektron konfigürasyonları ve moleküler yapıları nedeniyle Stokes kayması açısından benzersiz özelliklere sahiptir.
Floresan protein
Aslında ilk olarak “floresan” terimini kullanan Stokes’ti, ancak tarih 1565’e kadar uzanıyor. Nicolas Monardes adlı İspanyol bir doktor ve botanikçi, bir Meksikalı ağaçtan elde ettiği parçaların infüzyonunun garip bir mavi rengi olduğunu rapor etmiştir (Lignum nefritikum). Canlı bir organizmada yeşil floresan bir maddenin bulunması çok sonra olmuştur. 1955 yılında, Hydromedusae olarak bilinen bir denizanası alt sınıfının eozinofillerindeki fotojenik dokuyu tarif eden bir makale yayınlanmıştır. Çok sonraları biyolüminesan denizanası Aequorea victoria’da floresan protein elde edilmiştir. 1994 yılında, Columbia Üniversitesi’nden Martin Chalfie, yeşil floresan proteini kodlayan genin prokaryotik ve ökaryotik hücrelerde (yani Escherichia coli ve Caenorhabditis elegans nöronlarında) işlevsel olarak ifade edilebileceğini gösteren bir makale derledi. Makçalışma yapmış ve bu floresan için eksojen substratlar ve kofaktörler gerekli olmadığından, yeşil floresan protein (Green Fluorencent protein GFP) ekspresyonunun canlı organizmalarda gen ekspresyonunu ve protein lokalizasyonunu izlemek için kullanılabileceğini belirtmiştir. Biyolojik araştırmalarda GFP’nin yaygın kullanımının yolunu açan bu çalışmadır. Burada bundan bahsetmek istememin sebebi, floresans madde bulmak onun pek çok değişik ve akla hayale gelmez kullanımları olabileceğinin ilk işaretidir. Bir maddede floresans bulursanız onu yabana atmamanız gerekir diye düşünüyorum.
Bu olaylardan bir yıl sonra, San Diego’daki Califronia Üniversitesi’nden Profesör Roger Tsien (vahşi tip GFP’nin mutantlarını araştıran) çalışmalarını Nature’daki bilimsel yazışmalarda yayınladı. 2008’de Shimomura, Tsien ve Chalfie, rolleri ve GFP’yi keşfettikleri için birlikte Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü.
Quantum noktaları keşfediliyor
Kuantum noktaları, ilk olarak 1981’de Rus bilim adamı Alexey Ekimov tarafından St. Petersburg’daki Vavilov Eyalet Optik Enstitüsü’nde çalışırken bir cam matriste keşfedildi. Ancak, işin doğrusu kuantum noktaları ilk olarak New Jersey’deki AT&T Bell Laboratuvarlarında koloidal çözeltilerle ve yarı iletkenler üzerinde çalışan Louis Brus tarafından keşfedilmiştir. İlk defa 1983 ve 1984’te yayınlanan iki makalede Brus, kuantum noktalarını “küçük yarı iletken kristalitler” olarak nitelendirmiştir.
Kuantum noktaları tuhaf bir şekilde davranırlar; yaklaşık olarak tek kristalde 100 ile 100.000 arasında atom içermelerine rağmen tek bir atomdan oluşuyormuş gibi özellikler gösterirler. Bununla birlikte, sıfır enerji seviyesine (toprak enerjisine) geri döndüklerinde tekrar uyarılabilecekleri ve fotonlarını serbest bırakabilecekleri bir florofor gibi davranabileceklerini zaten anlamış durumdayız. Ancak ticari olarak 2002’de satılmaya başladıklarını da söylemeyi unutmayalım (California, Quantum Dot Corporation).
Kuantum noktaları, floresan uygulamalarında kullanım için çok parlak ve kararlıdırlar. Çalışmalar, geleneksel floroforlardan birkaç kat daha parlak olduğunu göstermiştir, fotostabilite açısından ise geleneksel floroforlardan 100 kat daha kararlı oldukları ve bir in vivo görüntüleme çalışmasında dört aya kadar floresan kaldıkları bildirilmiştir .
Bugünün sonunda, kuantum noktalarını daha iyi anlamaya başladığımızı ümit ediyorum. Aslında beni bilgisayara ve nanoparçacıklara yönelten değerli hocam Prof.Dr. İlbeyi Ağabeyoğlu’nu burada bir kez daha saygıyla hatırlayarak, onun bana öğrettiği bir noktayı sizlerle paylaşmak istiyorum. Bir parçacık ne kadar küçülürse, özellikleri ve tahmin edilemezlikleri o kadar artar ve bu noktada elinizde bir nanoparçacık varsa ona hemen UV altında bakmamız gerekiyor diyebiliriz. Hatta değişik UV nm’de ışık veren lambalar kullanarak bakmak belki de ilk iş olmalı ama hiç yoktan 365 nm’de de bir bakmak gerek. Çünkü elimizdeki yaramaz partiküllerin ne menem bir şey oldukları hakkında ilk bilgileri edinmek önemli. Hocamın motivasyonu ile elime fullaren tozunu ilk aldığımda tam ne bekliyordum bilmiyorum; ama biraz beklemediğim bir şey bulduğumu hatırlıyorum. Bana bu noktada dolaylı olarak öğretilen, fullaren çok çok küçük parçalardan oluşsa bile onun da sonuçta fiziksel bir yapısı olduğu ve buna bakarak gerçekte ne olduğunu hemen anlayamayacağımdı. Çünkü karbon tozundan pek de ayıramayacağım ancak parlak yüzeyleri olan kristal bir yapısı vardı. Bu elime aldığım ilk nano-yapıydı ve onuyla pek çok değişik çalışmalara yol açan bir serüvene çıkacağım aslında çok da belliydi. Çünkü bana gelişi, cebimden bazı ödemeler de yapmamı gerektiren ilginç ama çok hızlı sonuç bulan olaylar sonucu olmuştu. Fullaren ve karbon nanotüplere de geleceğiz. Biraz temel bilgilerden sıyrılmaya başlıyoruz ve daha heyecanlı kısımlara yavaştan yelken açıyoruz.
Bir sonraki yazıda buluşmak dileği ile.
1 yorum
Bir sonraki yazınızı merakla bekliyorum. tebrik ederim
Çoğu kimeranın cildinde, UV ışık altında ortaya çıkan, açık ve koyu renkte Blaschko Çizgileri’nin varlığı bildirilmiştir. Bu çizgiler, iki farklı ten rengi tonu kodlayan, farklı embriyo hücrelerinin rahim içindeki gelişimleri süresinde yaşadıkları hücre göçü nedeniyle, ciltte iki farklı tonun girdap benzeri desenler oluşturmasından kaynaklanır. Keskin İ, Müdok T. Bir ben var, benden içeri:Kimerizmı. ISJMS 2016;2(1): 1-6
Ben de bu çalışmayı akıl hastalarının cildinde blascho çizgilerini aramak için yapardım. Teşhis de önemli bir pozitif delil olur. https://www.researchgate.net/publication/291165701_DERLEME_Blaschko_Cizgilerini_Izleyen_Dermatozlar