Development of L-proline imprinted nanofilm coated surface plasmon resonance sensors

Proline has become an important biomarker for the detection and identification of diseases. It has been documented in the literature that metabolic patients with esophageal cancer had significantly lower serum proline levels. In addition hyperprolinemia, a rare metabolic condition, occurs when the level of proline in the blood is elevated. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) are synthetic polymers that use a specific target molecule as a "template" and create recognition sites specific to this molecule in their structure. MIPs, can be used as recognition components in surface plasmon resonance (SPR) sensors. SPR biosensors provide rapid, sensitive, and economical detection of target biomolecules by measuring changes in the refractive index on or near a thin metal film. Furthermore, when combined with MIPs, the selectivity and sensitivity of the sensors can be significantly increased. In this study, aim was to synthesize L-proline imprinted nanofilms on the surface of gold SPR chip to selectively detect the L-proline molecule from human serum. Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA)-based Pro-MIP and non-imprinted (NIP) SPR sensors were synthesized and characterized by scanning electron microscope images (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Atomic Force Microscopy (AFM) and contact angle measurements. According to SEM analysis results, it was observed that polymerization occurred homogeneously on the surface. Aqueous L-proline solutions at various concentrations were used in adsorption studies for the real-time detection of prolin and detection limit was obtained as 0,5 µg/mL. The SPR isotherm parameters were determined accordingly, and the results demonstrated that Pro-MIP SPR sensors were more compatible with the Langmuir isotherm model. Selectivity of the SPR sensor for L-prolin was evaluated in presence of competitor molecules L-histidine and L-phenylalanine. In selectivity studies, proline showed 6.4 and 7.5 times higher selectivity than the competing molecules histidine and phenylalanine, respectively. In addition, it was determined that Pro-MIP SPR sensors can be used up to 5 times without significant decrease in adsorption capacity. Outcomes showed that a biosensor was obtained that could determine L-proline in low detection limits, simultaneously. Keywords: L-proline, molecularly imprinted polymers, surface plasmon resonance sensors, nanofilm, cancer biomarker

Prolin hastalıkların saptanmasında ve tanımlanmasında önemli bir biyobelirteç haline gelmiştir. Literatürde özofagus kanseri olan metabolik hastaların serum prolin seviyelerinin önemli ölçüde düşük olduğu belgelenmiştir. Ayrıca, kandaki prolin seviyesinin yükselmesiylede nadir görülen bir metabolik durum olan hiperprolinemi ortaya çıkar. Moleküler Baskılanmış Polimerler (MIP'ler), belirli bir hedef molekülü "kalıp" olarak kullanan ve yapılarında bu moleküle özgü tanıma bölgeleri oluşturan sentetik polimerlerdir. MIP'ler, yüzey plazmon rezonans (SPR) sensörlerinde tanıma bileşenleri olarak kullanılabilir. SPR biyosensörleri, ince bir metal film üzerinde veya yakınında kırılma indeksindeki değişiklikleri ölçerek hedef biyomoleküllerin hızlı, hassas ve ekonomik bir şekilde tespit edilmesini sağlar. Ayrıca, MIP'lerle birleştirildiğinde, sensörlerin seçiciliği ve hassasiyeti önemli ölçüde artırılabilir. Bu çalışmada, insan serumundan L-prolin molekülünü seçici olarak tespit etmek için altın SPR çipinin yüzeyinde L-prolin baskılı nanofilmlerin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Nanofilm sentezinde kullanılacak en etkili ön-kompleks oranını belirlemek için Pro:VIM ile farklı molar oranlarda ön-kompleksler hazırlanmıştır. Poli (2-hidroksietil metakrilat) (PHEMA) bazlı Pro-MIP ve baskısız (NIP) SPR sensörleri sentezlenmiş ve taramalı elektron mikroskobu görüntüleri (SEM), Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AFM) ve temas açısı ölçümleri ile karakterize edilmiştir. SEM analiz sonuçlarına göre polimerizasyonun yüzeyde homojen bir şekilde gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Prolinin gerçek zamanlı tespiti için adsorpsiyon çalışmalarında çeşitli konsantrasyonlarda sulu L-prolin çözeltileri kullanılmış ve tespit limiti 0,5 µg/mL olarak elde edilmiştir. SPR izoterm parametreleri buna göre belirlenmiş ve sonuçlar Pro-MIP SPR sensörlerinin Langmuir izoterm modeliyle daha uyumlu olduğunu göstermiştir. SPR sensörünün L-prolin için seçiciliği, yarışmacı moleküller L-histidin ve L-fenilalanin varlığında değerlendirilmiştir. Yapılan seçicilik çalışmaları sonucunda, prolin yarışamcı moleküller olan histidin ve fenilalanile göre sırayla 6,4 ve 7,5 kat fazla seçicilik gösterdi. Ayrıca, Pro-MIP SPR sensörlerinin adsorpsiyon kapasitesinde önemli bir düşüş olmadan 5 defaya kadar kullanılabileceği belirlenmiştir. Sonuçlar, L-prolini düşük tespit limitlerinde eş zamanlı olarak belirleyebilen bir biyosensör elde edildiğini gösterdi. Anahtar Kelimeler: L-prolin, moleküler baskılanmış polimerler, yüzey plazmon rezonans sensörleri, nanofilm, kanser biyobelirteci