Nanoçiçek Nedir? Nanoçiçekler Nerelerde Kullanılır?

Nanoçiçekler, geniş yüzey/hacim oranı ve yüksek yüzey pürüzlülüğü sayesinde optoelektronik, kataliz ve analitik kimyada ilginç uygulamalar bulan, çiçek şekilli nanokristallerdir.^[1]. Gerçek çiçeklerle alakası olmayan bu nanopartiküller, 1,0-100 nm farklı boyut aralığına giren malzemelerdir ve daha büyük malzeme analoglarından önemli ölçüde farklı fiziksel ve kimyasal özellikler sergilemektedirler.

Nanoçiçeklerin Yapısı

Son birkaç on yılda nanoteknoloji insan yaşamının neredeyse her alanında devrim yaratmıştır. Nano malzemelerin çeşitli formları, ilaç dağıtımı, biyo görüntüleme, kataliz, tarım, kirliliğin iyileştirilmesi, enerji üretimi ve depolanması vb. alanlarda benzeri görülmemiş uygulamalara dahil olmuştur.

Nanoçiçekler, farklı uygulamalar için bilim insanlarının dikkatini çeken nispeten yeni nanomalzemelerdir. Nanoçiçeklerin yüzey morfolojisi mikroskobik incelemede çiçek şeklindeki birkaç yaprağın birleşimi gibi görünmektedir. Basit sentez yöntemlerine ek olarak nanoçiçeklerin farklı katmanları adsorpsiyon kapasitelerini, elektrokatalitik aktivitelerini, yükleme kapasitelerini ve stabilitelerini arttırmaktadır^[2] .

Nanoçiçekler bileşimlerine göre; inorganik, organik ve hibrit (hem organik hem de inorganik bileşenler) nanoçiçekler olarak sınıflandırılabilmektedir.

İnorganik nanoçiçekler yalnızca metaller, metal oksitler, alaşımlar ve metaloidler gibi inorganik malzemelerden oluşmaktadır veya inorganik malzemeler metaloidler, karbon, nitrür, sülfit, fosfit, selenit ve tellür kullanılarak kaplanmaktadır.^[3]

Organik nanoçiçekler yalnızca organik moleküllerden oluşmaktadır veya organik moleküllerin ana bileşen olduğu ortamın bir parçası olarak inorganik elementler içermektedir. Örneğin, suda elektrik arkı deşarj yöntemi kullanılarak sentezlenen karbon nanoçiçekleri rapor edilmiştir. Elde edilen karbon nanoçiçeklerin, çiçekler gibi düzenlenmiş yüksek kristalli grafen nano tabakalarından oluştuğu bildirilmiştir. ^[4]

Hibrit nanoçiçekler olarak da adlandırılan organik-inorganik hibrit nanoçiçekler, organik materyallerle ilişkili inorganik nanoyapıların tüm bileşenleri olarak tanımlanmaktadır. ^[5] Genel olarak organik bileşenler, koordinasyon etkileşimi yoluyla metal iyonlarıyla kompleksler oluşturmak için enzimleri, proteinleri, amino asitleri, biyopolimerleri, DNA'yı ve amid veya amin grupları ihtiva eden peptitleri içermektedir.

2000'li yılların başından itibaren inorganik nanoçiçekler; yani inorganik elementlerden sentezlenen nanoçiçekler, benzersiz nanoyapısal özelliklerinin yanı sıra bileşimlerine, kristal yapılarına ve lokalize yüzey plazmon rezonansına bağlı olarak mükemmel katalitik verimlilikleri ve optik özellikleri nedeniyle araştırmacıların dikkatini çekmiştir.

Nanoçiçeklerin Bulunma Hikayesi ve Gelişimi

Nanoçiçekler ilk olarak Richard Zare ve çalışma grubu tarafından sentezlenmiştir. Zare'nin grubu, hibrit organik-inorganik nanoçiçekler hazırlamak için kullanılan enzimleri hazırlamışlardır. Sonuç olarak enzimler gelişmiş aktivite, dayanıklılık ve stabilite sergilemiştir. Bu hibrit nanoçiçekler glikoz, hidrojen peroksit ve fenol gibi kimyasalların tespitinde daha yüksek hassasiyet göstermiştir. ^[6] Sonrasında, Mahyari ve arkadaşları çekirdeksiz tek kap yöntemiyle altın nanoçiçekleri sentezlemiştir.

Reaksiyon, biyolojik olarak parçalanabilen, toksik olmayan ve ekonomik bir çözücünün yanı sıra indirgeyici bir madde olarak da görev yapmıştır. Bu yeşil yaklaşım, yüzeyle geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) özelliklerine sahip oldukça kararlı ve dallanmış AuNF'ler sağlamıştır. ^[7]

Mahyari ve arkadaşları gümüş nanoçiçeklerin (AgNF'ler) tek kapta biyosentezi için kapatma ve indirgeme maddesi olarak L-sistein kullanmıştır. Bu yaklaşım, herhangi bir sentetik stabilizatör veya kapatma maddesi içermediğinden çevre dostu olarak etiketlenmiştir^[8] .

Nanoçiçeklerin Kullanım Alanları

Biyosensörler

Biyosensörler, çeşitli hastalık ve bozuklukları tespit etmek için tanıma ünitesi için dönüştürücüler ve sinyal dönüştürme sistemi ile birleştirilen biyolojik olarak türetilmiş analitik cihazlardır. ^[9]

Yeni geliştirilen çiçek benzeri nanopartikül türü olan nanoçiçekler; basit sentezi, yüksek verimliliği ve enzimin harika stabilitesi sayesinde büyük ilgi görmektedir. Ayrıca geniş yüzey alanları daha aktif alanlar sunmakta, böylece katalitik performansın, yakalama yeteneğinin ve algılama hassasiyetinin artmasına olanak sağlamaktadır. Hareketsizleştirilmiş enzimler, ağır metal iyonlarının adsorpsiyonu ve boyanın uzaklaştırılması vb. alanında yeni bir malzeme olarak nanoçiçekler üzerine çok sayıda teorik ve deneysel araştırma yapılmasına rağmen, biyoalgılamaya dayalı nanoçiçeklerdeki önemli ilerlemeler göz ardı edilmemelidir.^[10]

Saflaştırma

Enzimle kaplı nanopartiküller, özel yapısal ve fonksiyonel özelliklerinden dolayı giderek daha fazla ilgi görmektedir. Daha yüksek yüzey alanına sahip nanomalzemeler, enzim aktivitesinin arttırılması nedeniyle enzim immobilizasyonunda substrat olarak kullanılmaktadır. Bu, kolay uygulanabilir ve düşük maliyetli bir yöntemdir. Bu nedenle, saflaştırma yöntemini basitleştirmek, maliyeti azaltmak ve aktiviteyi arttırmak için kendi kendine kapanan nanoçiçeklerin kullanımı artmaktadır. ^[11]

Alzheimer Tanısı

Wang ve arkadaşları, amiloid öncü proteini ve yaban turpu peroksidazından oluşan bir kompozit malzeme sentezlemişlerdir.^[12] Bu kompozit malzeme sayesinde Alzheimer tanısı kalorometrik olarak konulabilmektedir.

İlaç Salım Sistemi

Organik-inorganik hibrit nanomateryaller biyosensörler, ilaç taşıyıcı ajanlar ve kataliz gibi pek çok umut verici uygulama göstermektedir. Nhung ve arkadaşları yüzeyi geliştirilmiş rezonans saçılımı tabanlı sensör için altın nanoçiçekleri geliştirmiştir. Yüzeyi altın kaplamalı olan nanoçiçeklerin ilaç salım sistemi ve tümör tedavisinde efektif bir kullanım sağladığı bildirilmiştir. ^[13] Bir diğer örnek ise Baek ve arkadaşlarının glikoz tespiti için geliştirdiği biyosensördür. Araştırıcılar, glikoz tespiti için bir elektrokimyasal biyosensör olarak bakır nanoçiçekle kaplanmış altın nanopartikülleri, grafen oksit nanofiberinin üretimi için yeni bir elektrospinning yaklaşımı önermiştir. Çalışmalarında grafen oksiti vinil alkol ile karıştırarak, elektrokimyasal özellikleri büyük ölçüde artıran bir fiber öncüsü olarak kullanmışlardır. Çözeltiyi yüzeylerin üzerine düzgün bir şekilde kaplamışlar ve biyosensörü geliştirmişlerdir.^[19] Wang ve arkadaşları ise tandem kataliz yapmak amacıyla yapay bir enzim sistemi hazırlamak için kolay bir yaklaşım rapor etmişlerdir. Çalışmada içi boş nano parçacıklar ve glikozoksidaz, eş zamanlı çökeltme yöntemi yoluyla zeolitisimidazolat çerçevesi8 (ZIF-8) üzerinde aynı anda hareketsiz hale getirilmiştir. Bu nano partiküllerin sadece peroksidaz aktivitesi göstermekle kalmadığını, aynı zamanda glioksidazın enzimatik aktivitesini koruduğunu göstermişlerdir.^[20]

Nanoçiçekler Ne Gibi Avantajlar Sunar?

Nanoçiçekler çeşitli avantajlara sahiptir. Nanoçiçeklerin kullanım avantajları aşağıdaki gibi açıklanabilir: ^{[14], [15], [16]}

1. Nanoçiçekler, reaksiyonların kinetiğini hızlandırmak ve yüzey adsorpsiyonunu arttırmak için yüksek yüzey/hacim oranı gösterir.
2. Nanoçiçekler, geniş yüzey alanı sayesinde daha iyi yük aktarımı ve taşıyıcı hareketsizliği göstermektedir.
3. Nanoçiçeklerin 3 boyutlu yapısında yüzey reaksiyonunun etkinliği arttırılmıştır.
4. Nanoçiçeklerin hazırlanmasına yönelik kullanılan iyonotropik jelasyon, çöktürme yöntemi ve yeşil sentez gibi sentetik yöntemler basit ve uygun maliyetlidir.
5. Proteinlerin ve enzimlerin kararsızlığı nedeniyle metal yüzeyinde immobilizasyonu stabiliteyi arttırır.

Nanoçiçeklerin Dezavantajları

Nanoçiçeklerin kullanımındaki dezavantajlar aşağıdaki gibi açıklanabilir: ^{[17], [18]}

1. Nanoçiçeğin yaprakları ve boyutları gibi yapısal özelliklerinin, reaksiyon aşaması ve tamamlanması sırasında kontrol edilmesi çok zordur.
2. Sentetik reaksiyonlarda nanoçiçekler, toksik elementlerin veya yan ürünlerin oluşabileceği 80-550 °C gibi ekstrem koşullarda hazırlanır.
3. Protein ve peptidin immobilizasyonu nedeniyle terapötik aktiviteleri serbest formlara göre azalır. Glikoz oksidazın immobilizasyonu, E. coli'nin gıda patojeni olarak belirlenmesine yönelik terapötik aktivitesini azaltabilir.

Gelecekteki Uygulamalar

Nanoçiçeklerin gelecekte biyoalgılama, biyo-kataliz ve ilgili cihazlar, nanokompozitler, doping, nanokümeler, biyo-nanokompozit ve yapay zeka alanlarında çok büyük uygulama ve kapsama sahip olacağı öne sürülmektedir. Nanoçiçekler dekoratif ilaç dağıtımında enerji tasarrufu sağlamak amacıyla elektronikte kullanılabilir. Ayrıca, enzimlerin ve proteinlerin dayanıklılığını ve stabilitesini arttırmak için nanoçiçek sentezlemeye yönelik çevre dostu yöntemler geliştirilmektedir. Yakın gelecekte nanoçiçek fotodetektör olarak kullanılabilecektir.