Escherichia coli ve enterococcus faecalis bakterilerinin gözenekli sisyum yüzeyinde depolanmasında elektrik alanın etkisi

Abstract

Mikroorganizmaların hassas ve hızlı bir şekilde tayin edilebilmesi; gıda güvenliği, hastalıkların teşhisi gibi konularda önem arz etmektedir. Gözenekli silisyumun boşluklu yapısı, büyük yüzey alanı, elektrokimyasal anodizasyon parametrelerinin değiştirilerek gözenek boyutlarının ayarlanabilir olması nedeniyle biyosensör tasarımı için bir sensör platformu olarak kullanılması mümkündür. Elektrik alan etkisi kullanılarak mevcut bakteri sensörlerinin ölçüm hassasiyetinin arttırılabileceği düşünülmüştür. Bakteriler, elektriksel yük taşırlar. Bu nedenle elektrik alanda hareket ettirilebilirler. GS tabanlı sensör platformuna uygulanan elektrik alanın ileri yönünün negatif yüklü bakterileri gözenekli silisyum yüzeyine yaklaştırabileceği, ters yönde uygulanan elektrik alanın ise bakterileri gözeneklerden uzaklaştırabileceği gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında, gözenekli silisyum sensör platformlarını elde etmek için n tipi tek kristal silisyum kullanılarak farklı parametrelerde uygulanan elektrokimyasal anodizayon işlemi sonucu %60 makro (5-15 μm) gözenek boyutlarında ve % 52 küçük gözenekli makro (1-5 μm) gözenek boyutlarında olmak üzere iki farklı özellikte In/Si/GS/Ag yapılar elde edilmiştir. Bu yapılar öncelikle elektrik alanın uygulanmadığı ortamda, sırasıyla, 1,7x107 cfu.mL-1, 2,9x107cfu.mL-1, 4x107cfu.mL-1, 4,4x107cfu.mL-1, 4,8x107cfu.mL-1 ve 5,6x107cfu.mL-1 Escherichia coli (E. coli) ve sırasıyla, 1,1x107cfu.mL-1, 1,3x107cfu.mL-1, 2 x107cfu.mL-1, 2,6 x107cfu.mL-1, 3x107cfu.mL-1 ve 4,1x107cfu.mL-1 Enterococcus faecalis (E. faecalis)’ in farklı bakteri konsantrasyonu içeren sıvıları içine daldırılarak 5Hz ile 100 kHz frekans aralığında frekansa bağlı empedans değerleri incelenmiştir. Bakteri konsantrasyon değerlerinin artmasıyla empedansta azalma meydana geldiği gözlemlenmektedir. Elektrik alanın etkisini inceleyebilmek için iki Al levha arasına yerleştirilen makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar, 4x107 cfu.mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 0-10 kV/cm aralığında, 2x107 cfu.mL-1 E. faecalis sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 0-5 kV/cm aralığında çeşitli elektrik alan değerlerine maruz bırakılmıştır. Taban (alt) elektroda pozitif voltaj, tavan (üst) elektroda ise negatif voltaj uygulayarak (ileri yön elektrik alan) elektrik alanın artıdan eksiye doğru bir yönelimi olması nedeniyle sıvı içerisinde bulunan negatif yüklü bakterilerin ileri yönde bir elektrik alanın etkisi ile hareketi GS yapının empedans spektroskopisindeki azalma şeklinde yorumlanmıştır. Taban elektroda negatif voltajın uygulanması sonucu, ters yönde uygulanan elektrik alanın etkisi ile bakterilerin gözeneklerden uzaklaşabildiği yorumlanmıştır. Ters yönde uygulanan elektrik alanın artmasıyla gözeneklere birikmiş olduğu düşünülen bakteriler uzaklaştığı için GS tabanlı yapının empedans spektroskopisinde artış meydana gelmiştir. İki Al levha arasına yerleştirilen makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar, 1,5x107 cfu. mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 0-5 kV/cm aralığında çeşitli elektrik alan değerlerine maruz bırakılarak deneyler tekrar edilmiştir. Ayrıca, ileri ve ters yönde uygulanan sabit elektrik alan değerinde, elektrik alanın uygulanma süresinin canlı ve ölü E. coli ve E. faecalis bakterilerin gözeneklere birikme durumunun empedans spektrumları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar 0,5-3 saat aralığı boyunca, canlı 4x107 cfu.mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 12 kV/cm, canlı 2x107 cfu.mL-1 E. faecalis sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 7 kV/cm sabit ileri ve ters yönde elektrik alana maruz bırakılmıştır. İleri ve ters yönde uygulanan elektrik alan süresinin artmasıyla empedans değerlerinde değişim gözlemlenmiştir. İleri yönde uygulanan sabit elektrik alan şiddetinin uygulanma süresi arttıkça GS tabanlı yapıda bulunan gözeneklere daha çok bakteri yerleşmiş ve empedans değerleri azalmıştır. Ters yönde uygulanan sabit elektrik alan şiddetinin süresinin artmasıyla gözeneklerde bulunan bakteriler uzaklaşarak empedans değerlerinde bir artma meydana getirmiştir. Makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar 0,5-3 saat aralığı boyunca, canlı 1,5x107 cfu.mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 7 kV/cm sabit ileri ve ters yönde elektrik alana maruz bırakılmış ve deneyler tekrar edilmiştir. Sabit elektrik alanın uygulanma süresinin gözeneklere yerleşen bakteri sayısı üzerindeki etkisini netleştirebilmek için aynı deneyler ölü bakteri hücreleri üzerinde tekrarlanmıştır. Makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar 0,5-3 saat aralığı boyunca, 121 0C de 1,5 atm basınçta 20 dakika süre ile otoklavlanmış 4x107 cfu.mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 12 kV/cm, 2x107 cfu.mL-1 E. faecalis sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 7 kV/cm sabit ileri ve ters yönde elektrik alana maruz bırakılmıştır. Otoklavlanma işlemi nedeniyle bakteri hücre duvarı zarı zarar görerek hücre duvarı içinde kalan iyonlar sıvı içerisine dağılmakta ve ortamdaki serbest iyon konsantrasyonunun artmasına neden olmaktadır. Elektrik alanın ileri ve ters yönde uygulanması sonucunda; ölü bakteri konsantrasyonundaki empedans değerleri canlı bakteri konsantrasyonunda incelenen empedans değerlerine göre daha düşüktür. Elektrik alanın uygulanma süresine bağlı olarak ölü bakteri konsantrasyonuna ait empedans değerlerinde kayda değer bir değişim gözlemlenmemiştir. Makro gözenekli In/Si/GS/Ag yapılar 0,5-3 saat aralığı boyunca, otoklavlanmış 1,5x107 cfu.mL-1 E. coli sabit bakteri konsantrasyonu içeren sıvıya daldırılarak 7 kV/cm sabit ileri ve ters yönde elektrik alan maruz bırakılmış ve deneyler tekrar edilmiştir. Tüm deneyler küçük gözenekli makro (1-5μm) In/Si/GS/Ag yapılar için tekrar edilmiştir. Hem E. coli hem de E. faecalis bakteri konsantrasyonlu sıvılarda elde edilen sonuçlar, makro gözenek boyutlarındaki GS tabanlı yapı için yapılan deney sonuçları ile örtüşmektedir.