Hanay araştırma grubunun geliştirdiği yeni bir ölçüm tekniğini anlatan makale, nanoteknoloji ve nanobilim alanının önde gelen mecralarından ACS Nano dergisinde kapak makalesi olarak yayınlandı. Makalede, atmosfer koşulları altında nanoparçacık ve virüslerin kütlelerinin tek-parçacık seviyesinde ölçülebildiği ilk kez gösterildi.
Dr. Selim Hanay tarafından yönetilen araştırma grubu Makine Mühendisliği Bölümü’nde yer almakta ve aynı zamanda Bilkent UNAM bünyesinde de çalışmalarını yürütmektedir.
Kütle Spektrometresi —yani moleküllerin yapılarının tespiti için kütle ölçüm tekniğinin kullanılması— günümüzde biyolojik ve çevresel çalışmalarda kullanılan önemli bir tekniktir. Yüzyılı aşkın bir süre önce J.J. Thompson tarafından icat edilen bu tekniğin bugüne kadar ki tüm çeşitlerinde, cihaz mimarileri çalışmak için vakum koşullarına gereksinim duyar. Fakat vakum koşullarını sağlamak için büyük ve pahalı vakum pompaları, odaları ve bileşenlerne ihtiyaç vardır; bu durum tekniğin maliyetini ve cihazların büyüklüğünü arttırarak, kütle spektrometresi tekniğinin kullanım alanlarını sınırlar.
Bilkent’te yapılan buluş, işte bu kısıtlamanın çözümünde kilit rol oynuyor. Geliştirilen yeni teknik ile nanoparçacıkların kütlelerinin algılanması için, bir çip üzerinde çok küçük mekanik yapılar olarak üretilen NEMS (nanoelektromekanik sistemler) aygıtları kullanılmaktadır. Böylelikle tek bir NEMS aygıtı bile kendi başına bir kütle spektrometresi olarak iş görebilmektedir. Fakat bugüne kadar, ölçülmek istenilen nanoparçacıkları, çok küçük kesit alanına sahip olan NEMS aygıtına etkin bir şekilde ulaştırmak, çok büyük bir engel olarak duruyordu. Hanay araştırma grubu bu engeli çözmek için tamamen çip üzerinde üretilen ve nanoparçacıkları neredeyse otomatik bir şekilde NEMS aygıtının üzerine taşıyan ve odaklayan iyon lensleri ürettti. Böylece çip üzerindeki lens tarafından odaklanan nanoparçacıklar, aynı çip üzerindeki NEMS aygıtı tarafından tartılabildiler.
Makalenin baş yazarı Tufan Erdoğan, “Çalışmamız, NEMS kütle spektrometrelerinin vakum odasının dışında da kütle ölçümleri yapmasını sağlıyor. Sonuç olarak, gelecekte NEMS’in laboratuvar dışında, sahada da kullanılabilmesi için kapıyı açtık.” dedi.
Doktora öğrencisi ve makalenin bir başka ortak baş yazarı olan Mohammed Alkhaled, araştırma ekibinin “alışılmış kalıpların dışında” bir yaklaşım kullanarak nanoparçacıkları NEMS sensörüne taşıma sorununu çözmeye başladıklarını kaydetti. “Bu çalışmada kullanılan tekniğin basit ama çok etkili olduğu ortaya çıktı” dedi.
Yüksek lisans öğrencisi ve ortak baş yazar Batuhan Emre Kaynak, ekibin tek nanoparçacıkları ve virüsleri tartmaya yönelik “basit ama hassas yaklaşımının”, verimsizlik, büyük ve pahalı ekipman gibi birçok dezavantajdan kurtulmalarını sağlarken, tamamen atmosferik koşullar altında çalışmalarına izin verdiğini söyledi.
Marie Skłodowska-Curie Cofund programı bursiyeri ve makalenin bir başka ortak baş yazarı olan Dr. Hashim Alhmoud, çalışmayı bir perspektife oturtarak, “İyon odaklamaya yönelik bu yaklaşımın basitliği ve etkinliği son derece zarif. Bu, bir çip üzerine entegre edilmiş, tamamen işlevsel, kendinden işlev gören bir iyon lenstir. Bunun patojen tarama dünyası ile sınırlı olmayan, aynı zamanda çevresel algılama, hızlı farmasötik ilaç keşfi, yerinde adli tıp iz analizi ve belki de jeoloji ve uzay bilimi için önemli etkileri olacağına inanıyorum. Vakum gereksinimlerinin ortadan kaldırılması, şüphesiz yakın gelecekte gerçekten elde taşınabilen kütle spektrometrelerine yol açacaktır. Bu çok heyecan verici bir zaman.”
Projenin, yonga üretimi aşamasında SUNUM (Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi) kritik nanofabrikasyon desteği sağladı. Çalışmaya katkıda bulunan diğer kurumlar da ODTÜ MEMS Merkezi ve Sabancı Üniversitesi MDBF ile, Ankara Üniversitesi Viroloji Bölümü ve Biyoteknoloji Enstitüsü (Prof. Dr. Aykut Özkul) olarak gerçekleşti. Bu çalışma TÜBİTAK ve Avrupa Birliği ERC fonlarıyla desteklendi.
Bu makale ACS Nano dergisinin 2022 Mart sayısında ”Atmospheric Pressure Mass Spectrometry of Single Viruses and Nanoparticles by Nanoelectromechanical Systems” başlığıyla yayınlandı.
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08423
