Experimental and theoretical approaches in macromolecules design, synthesis, modification and nanosensor applications
Makromoleküllerin dizayn, sentez ve modifikasyonunda teorik ve deneysel yaklaşımlar ve nanosensör uygulamaları
- Tez No: 478644
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Kimya, Çevre Mühendisliği, Science and Technology, Chemistry, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 144
Özet
Kitosan makromolekülü özellikle yüksek biyouyumlulukta bir biyomalzeme olması sebebiyle biyomedikal araştırmada sıklıkla kullanılmaktadır. Kitosanın bu alanda daha geniş kullanımının önünde en büyük problem fizyolojik pH değerlerinde düşük çözünürlüğüdür. Bu tezin ilk aşamasında kitosanın donma derişimi reaksiyonlarıyla kimyasal modifikasyonu gerçekleştirilmiş ve zincir düzenliliği düşük ve yüksek çözünürlükte kitosan türevleri elde etmek hedeflenmiştir. Bu amaçla hazırlanan kitosan çözeltileri organik asitler ile karıştırılarak b -10 derecede Michael katılma reaksiyonu gerçekleştirilmiştir ve kitosanın yapısında bulunan ve yüksek kristalinite, dolayısıyla düşük çözünürlükten sorumlu olan birincil amin grupları ikincil ve üçüncül aminlere indirgenmiştir. Sentez sonrasında saflaştırılan türevler 13C-NMR, ATR-FTIR, XRD, ninhidrin testi, çözünürlük testleri, XRD ve SEM ile karakterize edilmiştir. Özellikle XRD ve ninhidrin testleri artan çözünürlüğü doğrulamıştır. Diğer bir taraftan, tezin bu aşamasında kullanılan donma derişimli kimyasal reaksiyon yöntemi ile termal olarak hassas ve zor işlenen biyomalzemelerin modifikasyonuna alternatif bir yöntem sunarken, reaksiyon esnasında serbest asidin doğrudan elde edilmesi de Michael katılması reaksiyonları literatürüne bir katkı sağlamaktadır. Tezin ikinci kısmında nitrotriazolon (NTO) moleküllerini çevresel su ve toprak örneklerinden algılamak için moleküler baskılama yöntemiyle hazırlanan kitosan film ve grafenden oluşan bir nansensör üretilmiştir. Elektriksel ölçümleri gerçekleştirebilmek için altın elektrotlar Si/SiO2 substrat üzerine litografi yöntemiyle işlenmiş, bunu takiben elektrotlar üzerine tek tabaka grafen yerleştirilmiştir. Moleküler baskılanmış kitosan filmler ise sensörde en üst tabaka olan algılayıcı tabaka olarak kullanılmıştır. Sensör üzerindeki tek tabaka grafen ve moleküler baskılanmış film ATR-FTIR, UV-Vis, SEM ve Raman teknikleriyle karakterize edilmiştir. Elektriksel TLM ölçümleri üretilen nanosensörün NTO moleküllerinin USEPA tarafından belirlenen toksik seviyelerini de kapsayan 0.01-0.1 mg/mL aralığında seçici ve lineer bir şekilde yanıt verdiğini göstermiştir. Yapılan çalışmalar üretilen nanosensörün çok kullanımlılık, eş zamanlı ölçüm ve saha uygulamalarına uygun olması nedeniyle diğer kompleks tekniklere göre daha avantajlı olduğunu göstermektedir. Tezin üçüncü kısmı termoplastik poliüretanların yapı-morfoloji-fonksiyon ilişkisinin teorik çalışması üzerinedir. PEO bazlı segmente termoplastik poliürethanlarda yumuşak segmentin zincir uzunluğunun morfoloji ve mekanik özellikleri etkilediği bilinmektedir. Bu çalışmada bu özelliğin temellerini belirlemek adına çok ölçekli hesaplamaya dayalı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla ilk aşamada uygulanacak iri taneleme (coarse graining) stratejisinin geçerliliğini doğrulamak adına zincir uzunlukları değişen bir dizi tek zincirli PEO yapıları THF:DMF çözücüleri içerisinde moleküler dinamik (MD) ve dağılımlı parçacık dinamiği (DPD) yöntemleriyle incelenmiştir. İkinci adımda iri taneleme yöntemiyle elde hazırlanan yumuşak segment (SS) PEO modellerine yine aynı yöntemle hazırlanan sert segment (HS) taneleri eklenerek bu segmentin morfoloji üzerindeki etkileri incelenmiştir. DPD hesaplamalarından elde edilen yoğunluk alanları kısa yumuşak segment zincirli kopolimerlerde stabil kanal yapılarının oluştuğunu göstermiştir. Üç farklı kısa segment zincir uzunluğunda hazırlanan kopolimerin morfolojileri DPD ile incelenmiş ve ardından“ters haritalama”yöntemiyle atomistik detaylar eklenmiştir. Ters harita modelleri ve DPD sonuçları üretan-PEO etkileşimlerinin kısa zincirli kopolimerde belirgin bir şekilde daha güçlü olduğu gözlenmiş ve bu etkileşimlerin yapıda oluşan kanallara yo açtığı belirlenmiştir. DPD bulguları AFM görüntüleriyle de desteklenmiştir. Çalışmada kullanılan strateji HS-SS ko-oligomerleriyle dizayn edilecek yeni ve özgün morfolojilere ve makro-özelliklere temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Chitosan shows merit as a biomaterial in medical research particularly in terms of its good biocompatibility, but its poor solubility at physiological pH values narrows its potential scope of use. In this first part of this thesis, a freeze-concentrated chemical modification approach was developed to transform chitosan, yielding derivatives with reduced chain regularity and improved solubility. In confirming the generality of this approach, chitosan solutions spiked with acrylic, citraconic, itaconic, or maleic acid were incubated at -10 °C, transforming primary amino groups to the corresponding Michael type adduct. The purified derivatives were characterized via 13CNMR, ATR-FTIR, XRD, ninhydrin, solubility measurements, and SEM, with changes in XRD and ninhydrin profiles particularly correlating well with improved solubility. It follows to reason that this approach enhanced processability of challenging or thermally sensitive biopolymers and contribute to the Michael reactions in the sense our method yields the free acid directly, which is in fact another novelty in chitosan research. In the second part, a molecularly imprinted chitosan and graphene-based nanosensor was fabricated to selectively detect nitrotriazolone (NTO) molecules with a molecularly imprinted film via simple electrical measurements. Molecularly imprinted polymer comprising chitosan was used as sensitive layer. Gold electrodes for electrical measurements were lithographically fabricated on Si/SiO2 substrate, followed by monolayer graphene transfer and polymeric film coating. Monolayer graphene and molecularly imprinted polymer were characterized by ATRFTIR, UV-Vis, SEM and Raman spectroscopy. Transfer-length measurements (TLM) indicate that the sensor selectively and linearly responds against aqueous NTO solutions within a wide range of concentration of 0.01–0.1 mg mL_1 that covers the lowest toxic level of NTO determined by USEPA. This nanosensor with embedded electrodes is re-usable and suitable for field applications, offering real-time electrical measurements unlike current techniques where complex analytics are required. Third part of the thesis deals with theoretical investigation of structure-morphology-property relationship in thermoplastic polyurethanes. Soft segment (SS) chain length is known to affect the morphologies and mechanical behavior of poly(ethylene oxide) based-segmented poly(urethaneurea) copolymers in binary solvents. Here, a multi-scale computational study is carried out to determine the origins of this behavior. First, single chains of a series of poly(ethylene oxide) (PEO) of varying lengths are comparatively examined by molecular dynamics (MD) and dissipative particle dynamics (DPD) simulations in THF:DMF mixture to verify that the coarse graining strategy is applicable to the system at hand. In the second step, hard segment (HS) beads containing urethane groups are attached into PEO chains to study the effect of hard segment on morphology. Density fields obtained from DPD calculations results in a stable channel formation of soft segment molecules in the copolymers with the lower soft segment lengths. Morphologies of copolymers with three different soft segment lengths investigated by DPD are followed by reverse mapping to full atomistic detail. Monitoring the trajectories and the reverse mapped structures, we find that urethane-PEO interactions are significantly stronger in copolymer with lowest soft segment length leading to channel formation. The findings are corroborated by atomic force microscopy (AFM) images obtained for the corresponding copolymers. The strategyemployed in this work lays the foundations for predicting novel morphologies and macroproperties using designs based on HS-SS cooligomers.
Benzer Tezler
- Moleküler modelleme yöntemleri ile organik yarı iletkenlerin bant aralıklarının incelenmesi ve bilgisayar destekli ilaç tasarımı
Investigation of band gap of organic semiconductors by molecular modeling methods and computer aided drug design
PINAR SEYİTDANLIOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
KimyaHacettepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANAN ÜNALEROĞLU
PROF. DR. PERVİN ÜNAL CİVCİR
- Vitamin A ve gümüş nanotanecik katkılı cilt maskesi üretimi
Production of skin mask containing vitamin A and silver nanoparticles
TUĞÇE KADAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Physics of nonradiative energy transfer in the complex media of 0D, 2D and 3D materials
0, 2 ve 3 boyutlu malzemelerin oluşturduğu karmaşık yapılarda ışınımsız enerji transferinin fiziği
AYDAN YELTİK
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- 151,153,155sm çekirdeklerinde düşük enerjili elektromanyetik dipol modların teorik olarak araştırılması
Theoretical investigation of low energy electromagnetic dipole modes in 151,153,155sm nuclei
YASEMİN KARADEMİRCİ KÖMÜRCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE TABAR
- Poliolefin nanokompozitlerin hazırlanması
Preparation of polyolefin nanocomposites
ALİ DURMUŞ
Doktora
Türkçe
2006
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. AHMET KAŞGÖZ