Yüzey Kuvvetlerinin Katı Yüzeyler Üzerinde Kristal Ve Çözelti Halineki Trıs-hcl Varlığında Taramalı Uç Mikroskopisi Kullanılarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı Tris-HCl çözeltisinin kristalizasyon davranışını anlamaktır. Tris-HCl, sıklıkla kullanılan bir tampon çözelti olan Tris-EDTA’nın bileşenlerinden biridir. Daha önce laboratuvarımızda yapılan çalışmalarda Tris-HCl çözeltisinin katı yüzeyler üzerinde altıgen şeklinde kristalize olduğu gözlemlenmiştir. Tris molekülü genellikle biyolojik çalışmalarda kullanılmakla beraber, termal enerji saklaycı olarak da kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, protein kristalizasyonuyla alakalı bir çok çalışmada Tris-HCl çözeltisi kullanılmış, bu kristalizasyonlar sonucunda da altıgen kristaller elde edilmiş ancak bunların nedeninin Tris-HCl çözeltisi olduğuna değinilmemiştir. Kristalizasyon işlemlerinde sıklıkla kullanılan bir solüsyon olarak Tris-HCl’in tek başına kristalizasyonu literatürdeki eksiklerdendir. Ayrıca literatürde Tris-HCl solüsyonunun katı yüzeyler üzerindeki kristalizasyonuna dair herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada Tris-HCl çözeltisinin altın kaplanmış mika yüzeyindeki kirstalizasyonun altın ve krom kaplanmış mikadan farklı olduğu gözlemlenmiştir. Altıgen şeklindeki kristaller altın ve krom kaplanmış mika yüzeyinde oluşurken, yalnızca altın kaplanmış mica yüzeyinde oluşmamaktadır. Tris-HCl çözeltisinin iki farklı yüzey üzerinde farklı şekillerde kristalize olmasından yola çıkarak, çalışmamızda mika ve HOPG yüzeylerini kullanarak da devam ettik. Farklı yüzeyler üzerinde farklı şekillerde kristalizasyonun meydana gelmesinin sebebinin yüzey ve çözelti arasındaki farklı hidrofobik ve elektrostatik etkileşimler olabileceğini düşündük. Tris-HCl çözeltisini kendi laboratuvarımızda hazırladık ve örneklerimizi katı yüzeyler üzerine bu hazırladığımız solüsyonu mikropipet yardımıyla damlatarak hazırladık. Farklı örnek hazırlama yöntemleri deneyerek çözeltinin kristalize olmasında örnek hazırlama yönteminin etkilerini gözlemlemeye çalıştık. İlk olarak solüsyonu yüzeye damlatıp, suyun buharlaştıktan sonra yüzey üzerinde kristallerin oluşumunu gözlemledik. Ancak bu yöntemle oluşan kristallerin yükseklikleri çok yüksek olduğu için taramalı uç mikroskopisi kullanılarak incelenemedi. Solüsyonun damlatıldığı yüzeyde kristaller oluşunca, deiyonize su damlatak taramalı uç mikroskopisi ile incelenebilecek incelikteki kristal yapıları elde etmeyi başardık. Aynı zamanda, solüsyon yüzeye damlatıldıktan sonra deiyonize suyu damlatarak daha seyreltik bir çözeltiden Tris-HCl’nin kristalize olmasını gözlemledik. Ancak bu yöntemle daha ince kristallerin elde edilmesi mümkün olmadığı için, taramalı uç mikroskopisinde incelenecek örneklerimizi kristalizasyondan sonra deiyonize su damlatıp tekrar kristal oluşturma yöntemiyle hazırladık. Örnek hazırlama yöntemlerimize göre, taramalı uç mikroskopisi ile incelenebilecek altıgen şeklinde kristallerimizi yalnızca solüsyonumuzu altın ve krom kaplanmış mika yüzeyine damlatıp kurumasını bekledikten sonra su ekleyerek elde ettik. Optik mikroskop yardımı ile farklı yüzeyler üzerinde çözeltinin farklı şekillerde kristalize olduğunu gözlemleyince, çalışmalarımıza kullandığımız yüzeylerin karakterizasyonu ile devam ettik. Atomik kuvvet mikroskobu ile çalışılan yüzeylerin pürüzlülüğünü inceledik. Diğer yandan da elektrostatik kuvvet mikroskopisi yöntemini kullanılarak çalıştığımız HOPG, altın kaplanmış mika, altın ve krom kaplanmış mika gibi iletken yüzeyler üzerindeki elektrostatik yük dağımının nasıl değiştidiğini gözlemledik. Burada elde ettiğimiz değerler yüzeydeki yerel potansiyel farklarının gerçek değerlerini göstermemekle birlikte, yüzeyde kristalizasyonun oluşmasına yardımcı olabilecek farklı potansiyele sahip bölgelerin yoğunluğu gözlemlenmiş ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yüzeyler üzerinde taramalı uç mikroskopisi kullanılarak incelenebilecek kristalleri elde ettikten sonra, çalışmalarımıza atomik kuvvet mikroskopisi kullanarak devam ettik. Farklı yüzeyler üzerinde oluşan kristal yapılarını atomik kuvvet mikroskobu kullanarak inceledik ve boyutlarını ölçtük. Örneklerin zaman içindeki değişimini inceledik ve normal şartlarda saklanan örneklerinin 2 yıl içerisinde şekil değiştirdiğini gözlemledik. Yaşlanan örneklerden edindiğimiz sonuçlara göre, damlatma ve kuruduktan sonra yüzey üzerinde seyreltme yöntemiyle altın ve krom kaplanmış mika yüzeyine hazırladığımız örneklerde yükseklikleri yaklaşık olarak 500 nm olan düzgün altıgen yapılar gözlemledik. Ancak aynı yöntemle diğer yüzeylere hazırlanmış ve yaşlanmış örneklerde aynı düzgün yapıları gözlemleyemedik. Yaşlanan örneklere dair ortak olan bir özellik de örneklerin farklı kristalizasyon bölgelerine ayrılmış olması idi. Optik mikroskop ile gözlemlerimize göre örnekler üzerinde kristalizasyon kahve kalıntılarına benzer şekilde 4 bölgeye ayrılıyor. Düzgün altıgen yapılar ise yalnızca altın ve krom kaplanmış mica yüzeyinin 3. Bölgesinde görülebiliyor. Elektrostatik kuvvet mikroskobunu kristallerin oluştuğu yüzeylerimiz üzerinde de kullananarak, bu yüzeyler üzerindeki yük dağılımını gördük. Elektrostatik kuvvet mikroskobuyla elde ettiğimiz bu elektrostatik yük dağılım haritalarını aynı zamanda yalnızca yüzeylerin elektrostatik dağılım haritalarıyla karşılaştırdık. Daha sonra Kelvin uç kuvvet mikroskopisi yöntemini kullarak oluşan Tris-HCl kristalleri ile altın kaplanmış mika, altın ve krom kaplanmış mika ve HOPG yüzeyleri arasındaki kontak potansiyel farkını ölçtük. Daha sonra deneylerimizden elde ettiğimiz sonuçlarla Tris-HCl çözeltisinin farklı yüzeyler üzerinde nasıl kristalize olduğunu inceledik. Yüzey üzerindeki kristalleri taramalı uç mikroskopisi ile inceleyerek kristalizasyon şekillerini ve boyutlarını öğrendik. Bu kristalizasyon farkının örnek hazırlama biçimiyle ve yüzeyle neden değiştiğini anlamaya çalıştık. Deney sonuçlarımıza göre Tris-HCl solüsyonunun kristalizasyonunda yüzey özelliklerinin ve kristalizasyon için gereken zamanın önemli bir rol oynadığı sonucuna ulaştık. Ayrıca Kelvin uç kuvvet mikroskopisi ile elde ettiğimiz kontak potansiyel farklarının farklı yüzeylerde nasıl değişim gösterdiğini inceledik. Kelvin uç yönteminden herhangi bir yüzeye ait iş fonksiyonu hesaplayamadık. Bunun için iş fonksiyonu bilinen referans bir iğne kullanmak gerekiyordu. Kelvin uç mikroskopisinden yalnızca iletken yüzey ve kristaller arasındaki kontak potansiyel farkını ölçüp kristallerin elektronik yapısı hakkında bilgi sahibi olmaya çalıştık.

The motivation of this study is to understand the crystallization behavior of Tris-HCl from solution on different surfaces. Tris-HCl is a component of commonly used buffer solution Tris-EDTA. In previous studies it was shown that this solution crystallizes and creates some hexagonal structures on solid surfaces. Our investigations on Tris-HCl solution on gold surfaces has shown that while the solution on Au/Cr/mica surface crystallizes in hexagonal shape, the crystals on Au/mica surfaces are not hexagonal. Also we investigated the crystallization of Tris-HCl on other surfaces like mica and HOPG. Such different crystallization on different surfaces could be due to different electrostatic and hydrophobic interaction between the solution and surfaces. We prepared Tris-HCl solutions and prepared our samples mainly by drop casting them on to solid surfaces. We have tried to generate dilute and smaller crystals on surfaces by drop casting deionized water on the samples, which had already been prepared by drop casting and drying Tris-HCl solutions. This method is used for observation of thin layers of crystals on the surface instead of bulk crystallites, which could not be investigated by scanning probe microscopy methods. Besides, we also tried diluting the Tris-HCl solution on surfaces by means of adding DI water on fresh samples. This method also caused the formation of bulk crystals of Tris-HCl after evaporation of water. After the observation of different crystal formations on different surfaces with optical microscopy we performed roughness analysis using atomic force microscopy. Using electrostatic force microscopy on conducting surfaces like gold-coated mica and gold and chromium coated mica and HOPG surfaces, we investigated the electrostatic charge distribution on these surfaces. Additionally we performed Kelvin probe force microscopy measurements to measure contact potential difference between Tris-HCl crystals and solid surfaces. Finally, we compared the data that we obtained from the experiments with the theory of crystal formation that is explained in the thesis.