I. Megmutattam, hogy a spektroszkópiai ellipszometria, mint roncsolásmentes optikai mérési módszer, alkalmas összetett szerkezetű flagelláris filamentum (FF) fehérjerétegek nagyérzékenységű, ex situ és in situ minősítésére.
I.a. Optikai modellt alkottam a hullámvezetőszenzorikában is használatos multiréteg-szerkezetek, s a felületükhöz kovalensen rögzített FF vékonyrétegek opto-geometriai tulajdonságainak ex situ meghatározására. [T1, T5]
I.b. A rácscsatolt interferométer - spektroszkópiai ellipszométer kombinált mérőberendezés megépítésének előkészítéseként megmutattam, hogy az eljárás alkalmazható átlátszó hordozók esetén is. Folyadékcellás kísérletekkel igazoltam, hogy a megfelelőoptikai modell kifejlesztésével nyomon követhetőaz épülőFF rétegek tömegsűrűségének időbeli változása, sőt e paraméter mélységbeli eloszlása is meghatározható in situ. Mint lehetséges megoldást, egy matematikai modellt javasoltam, mellyel a spektrum kiértékelésből nyert adatok alapján becslés adható a FF vékonyrétegek várható háromdimenziós szerkezetére. [T2, T6, T11]
It was demonstrated that spectroscopic ellipsometry, a non-destructive optical measurement method can be applied for highly sensitive, ex situ and in situ characterization of the complex structured flagellar filament (FF) protein layers.
I.a. Ex situ optical models were constructed to determine the opto-geometrical parameters of multilayer waveguide sensor structures and of the FF thin films deposited onto these surfaces. [T1, T5]
I.b. As an initial step in the construction of the grating coupled interferometer -spectroscopic ellipsometer combined sensor tool, it was demonstrated that the method is applicable in case of transparent substrates, as well. By introducing a flow-cell and developing the proper optical model, the time evolution of the mass density of the protein layers being deposited was monitored in situ. Moreover, the in-depth distribution of this parameter was also determined in every measurement point. As a possible solution, a mathematical model was proposed to investigate the three-dimensional structure of the filamentous protein layer based on the information obtained from the spectrum evaluation. [T2, T6, T11]
II. Először valósítottam meg a jelölésmentes, optikai érzékelésre alkalmas ún. rácscsatolt interferométer jelátalakító prototípust, majd ezt elsőként alkalmaztam refraktometriai mérések céljára. Ehhez egy rezgésmentesített optikai asztalon összeállítottam a műszerelrendezést, továbbá eljárást dolgoztam ki az eszköz optikai útjainak, valamint mérőés vezérlőelektronikáinak beállítására. Számítógépes vezérlőalgoritmusokat fejlesztettem a jelátalakító válaszjelének rögzítésére és kiértékelésére. Az első, működést igazoló kísérlettel megmutattam, hogy a műszer érzékenyen reagál az érzékelőfelületen végbemenőtörésmutató változásra, majd egy refraktometriai mérési sorozattal meghatároztam, hogy a jelátalakító ezen elsőprototípusa is már ~10-5-es érzékenységgel képes a törésmutató változását nyomon követni. A válaszjel fázisának meghatározásával igazoltam az érzékelés linearitását is. [T3, T7, T8, T9]
For the first time a label-free optical sensor, the grating coupled interferometer (GCI) signal transducer was realized and applied for refractometry. In the interest of the efficient utilization, the prototype was built up on a vibration isolated optical table.
Protocols were elaborated for the adjustment of the optical paths and control electronics and computer algorithms were developed to record and analyze the response signal of the transducer. It was demonstrated in the first “proof of the concept” measurements that the sensor reacts sensitively to the refractive index change on the sensing surface. The results of refractometric measurements proved that already the first prototype of GCI has a sensitivity to refractive index changes up to ~10-5. Calculating the phase of the response signal the linear behavior of the sensing was also demonstrated. [T3, T7, T8, T9]
III. Megmutattam, hogy a II. tézispontban megvalósított rácscsatolt interferométer jelátalakító válaszjelének fázisát egy általam fejlesztett modell illesztésével ~10-4 radian pontossággal hatékonyan és stabilan határozhatjuk meg. Valós idejűvezérlőés kiértékelőalgoritmust fejlesztettem, mellyel a vizsgált folyamatról azonnali képet kaphatunk a monitoron. Megmutattam, hogy plánparalel üveglemezzel referencia interferencia válaszjel kelthető, mely egyidejűkiértékelésével a műszer szabad fényterjedési egységéből eredőzaj hatékonyan kiszűrhető, így az eszköz érzékenysége javítható. Biológiai teszt kísérletekkel igazoltam, hogy a rácscsatolt interferométer jelátalakító az irodalommal összecsengőeredményekre mutat, illetve bebizonyítottam, hogy akár hozzávetőlegesen 0,5 pg/mm2-es, illetve néhány 10 Da-os érzékenységgel képes a felületre leválasztott molekulák detektálásra. Összehasonlítva napjaink legnépszerűbb és legelterjedtebb jelátalakítóival, e műszer kiváló teljesítőképességével azok nagy többségét felülmúlja. [T4, T11]
By fitting a model function, it was demonstrated that the phase of the response signal of GCI can be effectively and stably evaluated with the precision of about 10-4 radian.
Improved control and evaluation algorithm were developed in order to the real time monitoring of the experiment. By introducing a plan parallel glass slab, it was also demonstrated that a reference interference signal can be created, whose simultaneous analysis allows the effective elimination of the phase noise and fluctuations occurring within the free space optics part of the sensor, consequently, the sensitivity of the device can be improved. It was confirmed by biological test experiments that the measurement results of GCI are in a good agreement with the literature values. Furthermore, the surface mass sensitivity of the signal transducer was proved to be approximately 0.5 pg/mm2or a few of 10 Da. Comparing to the most popular and world spread instruments of today’s biotechnology GCI overcomes the most devices. [T4, T11]
IV. Először terveztem és építettem kombinált mérőberendezést rácscsatolt interferométer és spektroszkópiai ellipszométer integrálásával. A kisebb érzékenységűspektroszkópiai ellipszométer folyadékfázison (folyadékcellán) keresztül, széles hullámhossz-tartományon mérve meghatározza a hordozó felületén épülővékonyréteg opto-geometriai paramétereit, míg a kiemelkedőfelbontással jellemezhetőrácscsatolt interferométer hordozó felől egyetlen meghatározott hullámhosszon detektálva feltárja a vizsgált folyamat apró változásait. E két eszköz együttese tehát érzékenyebb és információban gazdagabb eredményeket szolgáltat, mint tennék azt külön-külön. Egy egyszerűfehérjeadszorpciós kísérlettel demonstráltam, hogy e műszeregyüttes alkalmas azonos pontban való párhuzamos mérésekre. Bemutattam, hogy már ez az első prototípus is ≈5 pg/mm2-es felületi és néhány 10 pg/mm2 mélységbeli érzékenységgel képes a detektálásra úgy, hogy közben mindkét mérési eljárás előnyeit megtartja. [T10, T11]
For the first time a grating coupled interferometer - spectroscopic ellipsometer combined instrument was designed and realized. The less sensitive spectroscopic ellipsometer determines the opto-geometrical parameters of the sample measuring in a wide wavelength range through the liquid phase (through a flow cell), while the more sensitive grating coupled interferometer detects the tiny changes in the proximate environment of the sensor surface measuring at a distinct wavelength from the substrate side (through the waveguide). Consequently, the combined sensor tool is able to reveal more detailed and more precise information about the sample of interest, than what could be gained by applying the devices separately. In a simple protein adsorption experiment, it was demonstrated that the combined device is able to measure simultaneously at the same sample area. Furthermore, already this first prototype has a sensitivity up to ≈5 pg/mm2 near the surface and a few 10 pg/mm2 in the liquid phase, while it keeps the individual advantages of the two techniques. [T10, T11]
A tézispontokhoz szigorúan kapcsolódó publikációk List of enclosed papers
[T1] P. Kozma, N. Nagy, S. Kurunczi, P. Petrik, A. Hamori, A. Muskotal, F. Vonderviszt, M.
Fried, I. Barsony, “Ellipsometric characterization of flagellin films for biosensor applications,”Physica Status Solidi (C), vol. 5, pp. 1427-1430, 2008.
[T2] P. Kozma, D. Kozma, A. Nemeth, H. Jankovics, S. Kurunczi, R. Horvath, F.
Vonderviszt, M. Fried, P. Petrik, “In-depth characterization of biosensor protein layer deposition by in-situ spectroscopic ellipsometry,” Applied Surface Science, doi: 10.1016/j.apsusc.2011.03.081, 2011.
[T3] P. Kozma, A. Hamori, K. Cottier, S. Kurunczi, R. Horvath, “Grating Coupled Interferometry for Optical Sensing,”Applied Physics B, vol. 97, pp. 5-8, 2009.
[T4] P. Kozma, A. Hamori, S. Kurunczi, K. Cottier, R. Horvath, “Grating Coupled Optical Waveguide Interferometrer for label-free Biosensing,” Sensors and Actuators B, doi: 10.1016/j.snb.2010.12.045, 2011.
A tézispontokhoz szigorúan kapcsolódó konferencia előadások és poszterek List of enclosed conference presentations and posters
[T5] P. Kozma, N. Nagy, S. Kurunczi, P. Petrik, A. Hamori, A. Muskotal, F. Vonderviszt, M.
Fried, “Ellipsometric characterization of flagellin films for biosensor applications,”
4thInternational Conference on Spectroscopic Ellipsometry, Stockholm (Sweden), 11 to 15 June, 2007.Poszter bemutatás - Poster presentation.
[T6] P. Kozma, T. Hulber, A. Nemeth, A. Hamori, R. Horvath, S. Kurunczi, P. Petrik, M.
Fried, F. Vonderviszt, I. Bársony, “Protein layers for biosensor applications characterized by ellipsometry and atomic force microscopy,” E-MRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg (France), 8 to 12 June, 2009.Szóbeli előadás - Oral presentation.
[T7] P. Kozma, A. Hamori, K. Cottier, S. Kurunczi, R. Horvath, “Biosensing using Planar Mode Interference,” E-MRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg (France), 8 to 12 June, 2009.Szóbeli előadás - Oral presentation.
[T8] P. Kozma, A. Hamori, K. Cottier, S. Kurunczi, R. Horvath, “Biosensing using Planar Mode Interference,” Ukrainian-Hungarian Days, Uzhgorod (Ukraine), 3 to 4 November, 2009.Szóbeli előadás - Oral presentation.
[T9] P. Kozma, A. Hamori, K. Cottier, S. Kurunczi, R. Horvath, “Integrated Optical Interference Sensor,” Conference of Chemical Engineering 2010, Veszprém (Hungary), 27 to 29 April, 2010.Szóbeli előadás - Oral presentation.
[T10]P. Kozma, R. Horvath, A. Hamori, S. Kurunczi, K. Cottier, P. Petrik, M. Fried, “A Combined Tool for Simultaneous Measurements by Spectroscopic Ellipsometry and Grating Coupled Interferometry,” 5th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, Albany (USA), 23 to 28 May, 2010. Poszter bemutás - Poster presentation.
[T11]P. Kozma, F. Fodor, A. Nemeth, D. Kozma, A. Hámori, S. Kurunczi, K. Cottier, H.
Jankovics, F. Vonderviszt, R. Horvath, P. Petrik, M. Fried, “In depth characterization of flagellar filament protein layers using spectroscopic ellipsometry,” 3rd Nanocharm workshop, Berlin (Germany), 13 to 15 October, 2010. Szóbeli előadás - Oral presentation.
Az I. és II. tézispontokkal az European Materials Research Society (E-MRS) Fiatal Kutató Díját (Young Scientist Award) nyertem a strasbourgi E-MRS konferencia „L” szekciójában 2009. júniusában.
The conclusion I. and II. were awarded by the European Materials Research Society (E-MRS) with the Young Scientist Award in section „L” (Strasbourg, July of 2009)
A tézisponthoz szigorúan nem kapcsolódó és egyéb publikációk Publications not included in this thesis
[T12]P. Kozma, B. Fodor, A. Deak, P. Petrik, “Optical models for the characterization of silica nanosphere monolayers prepared by Langmuir-Blodgett using ellipsometry in the quasistatic regime”,Langmuir, vol. 26, pp. 16122-16128, 2010.
[T13]A. Nemeth, P. Kozma, T. Hulber, S. Kurunczi, R. Horvath, P. Petrik, A. Muskotal, F. Vonderviszt, C. Hos, M. Fried, J. Gyulai, I. Bársony, “In Situ Spectroscopic Ellipsometry Study of Protein Immobilization on Different Substrates Using Liquid Cells,” Sensor Letters, vol. 8, pp. 730-735, 2010.
[T14]S. Kurunczi, A. Nemet, T. Hulber, P. Kozma, H. Jankovics, A. Sebestyen, F.
Vonderviszt, M. Fried, I. Bársony, “In situ ellipsometric study of surface immobili-zation of flagellar filaments,”Applied Surface Science, vol. 257, pp. 319-324, 2010.
[T15]Peter Petrik, Miklos Fried, Eva Vazsonyi, Peter Basa, Tivadar Lohner, Peter Kozma, Zsolt Makkai, “Nanocrystal characterization by ellipsometry in porous silicon using model dielectric function,” Journal of Applied Physics, vol. 105, 024908, 2009.
[T16]M. Vincze, P. Kozma, “Tólengések a Balatonon, a fjordokban és a laboratoriumban,”
Természet Világa, vol. 138, pp. 547-550, 2007.
[T17]M. Vincze, P. Kozma, B. Gyure, I. M. Janosi, G. Szabo, T. Tel, “Amplified internal pulsations on a stratified exchange flow excited by interaction between a thin sill and external seiche,”Physics of Fluids, vol. 19, 108108, 2007.
A tézispontokhoz szigorúan nem kapcsolódó konferencia előadások és poszterek Conference presentations and posters not included in this thesis
[T18]P. Kozma, B. Fodor, A. Deak, Zs. Zolnai, P. Petrik, M. Fried, “Optical Models for Nanosphere Layers,” 5th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, Albany (USA), 23 to 28 May, 2010.Poszter bemutatás - Poster presentation.
12. Köszönetnyilvánítás
Köszönetemet szeretném kifejezni mindazoknak, akik az elmúlt évek alatt munkámat segítették:
Témavezetőmnek,Dr. Horváth Róbertnek, hogy a rácscsatolt interferométer fejlesztését az MFA-ban elindította és bevont az ilyen irányú bioszenzorikai kutatásokba. Dr. Petrik Péternek hálás köszönettel tartozom, hogy az ellipszometriai méréstechnikába bevezetett, s az ilyen irányú tevékenységeimet nagymértékben segítette és koordinálta. Köszönöm, hogy munkámat mindvégig erőn felül támogatták és, hogy hozzáállásukkal, professzinalizmusukkal példát mutattak, s hogy tanácsaikra, lényeglátó javaslataikra minden pillanatban számíthattam. Hálásan köszönöm, hogy szakmai fejlődésemet konferencia részvételekkel, külföldi kutatóutakkal is támogatták.
Professzoraimnak Prof. Bársony Istvánnak (az MFA igazgatójának) és Prof. Vonderviszt Ferencnek (a PE-MNDI doktori iskola elnökének) a lehetőséget, hogy intézetük tagja lehettem.
Köszönöm továbbá, hogy az elmúlt évek alatt mindvégig jó szívvel gondoltak rám, s hogy rendkívül fontos elfoglaltságaik ellenére is, folyamatosan segítették munkámat. Prof. Vonderviszt Ferencnek és munkatársainak hálás köszönettel tartozom továbbá, hogy a flagelláris filamentumokat a kísérleteimhez biztosították.
Osztályvezetőmnek Dr. Fried Miklósnak, ki doktoranduszi éveim alatt minden lehetőséget biztosított számomra, hogy munkámat hatékonyan végezhessem. Köszönöm, hogy sokrétű tudását, szakmai tapasztalatait hosszú beszélgetések során megpróbálta átadni nekem.
Dr. Hámori Andrásnak, ki zseniális érzékkel állt hozzá minden optikai, elektronikai és egyéb technikai jellegűkérdéshez. Meglátásai és javaslatai, keresztkérdései számtalan esetben mutattak új utat munkámban.
Dr. Kaspar Cottiernek, ki mint elsősorban munka-, másodsorban versenytárs, kitűnőérzékkel motiválta munkámat.
Dr. Kurunczi Sándornak, kihez minden esetben bizalommal fordulhattam vegyészeti kérdéseimmel. Köszönöm továbbá, hogy a munkámhoz szükséges oldatokat elkészítette számomra.
Plósz Bélának, ki a rácscsatolt interferométer – spektroszkópi ellipszométer műszerkombinációhoz szükséges mechanikai elemeket elkészítette.
Végül, de nem utolsó sorban köszönet illeti önzetlen támogatásukért családom tagjait;szüleimet, Tóth Rékát és Kozma Dánielt, valamint fiatal kollégáimat, Fodor Bálintot, Németh Andreát és Janosov Milántis.