Geri Dön

Synthesis and sensor appplication of reusable fluorescent uranyl-imprinted polymer gels

Yeniden kullanılabilir uranil-imprint floresan polimer jellerin sentezi ve sensör olarak kullanılması

PDF İndir

  1. Tez No: 517221
  2. Yazar: ELİF GÖKÇE ATÇAKAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN GÜNEY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Sol-jel prosesi, geleneksel metotlardan daha düşük sıcaklıklarda, çözeltiden katı bir materyalin hazırlanması esasına dayanır. Bu işlem sırasında bir sol ya da jeli orta basamak olarak kullanır. Hibrit materyallerin gündeme gelmesiyle birlikte sol-jel prosesleri üzerine yapılan çalışmaların arttığı görülmektedir. Sol-jel teknolojisi son derece geniş uygulama alanlarına sahiptir. Günümüzde bu teknoloji yalnızca materyal üretimini (fiber, seramik, ince film, cam, nanotüp vs.) değil aynı zamanda polimerik yapılar, moleküler kimya ve hatta biyolojik uygulamaları da kapsamaktadır. Geniş uygulama alanları olmasının en önemli sebebi, yoğunlaşma basamağı dışındaki tüm basamaklarda ihtiyaç duyulan sıcaklıkların düşük olmasıdır. Genellikle bu sıcaklık oda sıcaklığına yakındır. Bu sayede, malzemenin termal bozunma riski ortadan kalkmış olur ve malzeme yüksek saflıkta ve stokiometride elde edilebilir. Ön başlangıç maddeleri çoğunlukla uçucudur ve destilasyon ya da süblimleşme gibi teknikler kullanılarak kolayca çok yüksek seviyelerde saflaştırılabilirler. Bu da yüksek saflıkta ürün elde edilmesini sağlar. Sol- jel prosesi sıvı bir“sol”fazdan katı bir“jel”faza sol bileşiminin geçişini içerir. İnorganik sol ve jeller, genellikle sıvı bir ortamda çözünmüş kimyasal reaktanlardan sentez ile doğrudan üretilirler.“Sol- jel”isminin içeriğinden de anlaşılabileceği gibi, bu proses koloidal süspansiyonun oluşumunu ve bu solün jelleşmesini, sonrasında ise jelin kurutularak xerogel (kuru jel) halini almasını içerir. Genel anlamda, sol- jel işlemi etanol gibi uygun bir çözücü içerisinde, katalizörlü ya da katalizörsüz ortamda, bir metal- organik ön başlatıcının hidroliz ve kondenzasyonunu içerir. Sol- jel sentezi, inorganik malzemeler hazırlamak için geniş bir yelpazede kullanılmaktadır. Bu proses sayesinde, sertlik, optik transparanlık, kimyasal dayanıklılık, gözeneklilik ve kimyasal direnç gibi istenilen özelliklere sahip homojen inorganik oksit malzemeler yüksek reaksiyon sıcaklıklarına ihtiyaç duyulmadan oda sıcaklığında elde edilebilmektedirler. Sol- jel prosesinin böylesi ılımlı koşullarda gerçekleşebilmesi ve farklı formlarda ürünlerin elde edilebilmesi, bu alanda yapılan bilimsel ve mühendislik çalışmalarının artmasını sağlamıştır. Sol-jel biliminin en önemli konularından biri de moleküler imprint polimerlerdir (MIP). Moleküler imprint teknolojisi, antikorlar ve biyolojik reseptörler gibi doğal tanıma ajanlarını taklit edebilen güçlü moleküler tanıma materyallerini tasarlamak için geliştirilen sentetik bir yaklaşımdır. Moleküler imprint polimerlerin kökeni 1930'lu yılların başlarına dayanmasına rağmen, araştırmacıların ilgisini sadece 1970'li yıllarda çekmiş olup 1970'lerden bu yana bu alana ilgi giderek artmaktadır ve son yıllarda önemli ve aktif bir araştırma alanı haline getirmiştir. Bu polimerler, amino asitler, proteinler, nükleotid türevleri, ilaçlar ve gıdalar dahil hem biyolojik hem de kimyasal molekülleri tanıyabilen çok yönlü ve geleceği parlak polimerler olarak görülmektedir. MIP'lerin kendine özgü özellikleri sebebiyle ayırma işlemleri, saflaştırma, sensör ve biyosensör yapımı ve ilaç dağıtımı gibi farklı uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Son yıllarda yayınlanmış pek çok makaleden de görülebileceği gibi, kimyasal sensörler ve biyosensörler modern analitik kimya alanında gittikçe artan bir ilgi görmektedir. Çalışmaların sayısındaki bu artış özellikle tıp, gıda ve çevre gibi temel alanlarda gitgide artan taleplerden kaynaklanmaktadır. Toksik ve radyoaktif ağır metallerin belirlenmesi ve uzaklaştırılması biyolojik, çevresel ve endüstriyel etkileri yüzünden çok önemlidir Toksik ağır metal iyonlarının belirlenmesi için seçici ve ayırıcı kemosensörlerin geliştirilmesi ilgi çekmekte ve bu ilgi giderek artmaktadır. Toksik nitelikli metallerden biri de Uranyumdur. Uranyum; nükleer enerji üretimi, nükleer silahların yapımı, nükleer atıkların işlenmesi ve yok edilmesi, nükleer kazalar ve fosil yakıtların yanması gibi pek çok işlem sonucunda çevrede oluşan radyoaktif ve toksik bir elementtir. Nükleer yakıt üretimi aşamasında suda ve toprakta kirlenmeye sebep olur. Çevre şartları altında uranyum, nükleer atık bölgeleri ve işleme tesisleri etrafındaki toprakta hareket halinde, sulu uranil iyonu ( ) altıgen formda oluşur. İnsan bedeni havadaki tozların solunması ya da uranyum bulaşmış yiyecek ve suyun tüketilmesi sonucu uranyuma maruz kalabilir. Çözünebilir uranyum bileşikleri sindirim işlemi sırasında hızla vücuttan atılabilmesine rağmen, özellikle soluma yoluyla tozların ciğerlere girmesiyle kan dolaşımına karışır ve insan sağlığı için ciddi tehlike oluşturur. Adsoplanmış uranyum, uranil iyonuna, dönüşürek yıllarca kemik, ciğer, böbrek ve üreme dokularında birikir. Bu nedenle doğada bulunan eser miktardaki uranyumun izlenmesi önemli bir konudur. Uranyumun belirlenmesi için kapiler elektroforez, ICP-AES, iyon kromotografisi, ICP-MS, rafit fırınlı AAS, spektrofotometri, florimetri ve nötron aktivasyon analizi gibi pek çok yöntem kullanılmaktadır. Ancak bunların çoğu zaman alan, sınırlı kapasiteye sahip ve yüksek işletme gideri gerektiren yöntemlerdir. Bunların yerine, kimyasal olarak modifiye edilmiş iyon-imprint floresan polymer uygulanması esasına dayanan floresans spektroskopisi düşük ekipman maliyeti, hızlı analiz, operasyon basitliği ve yüksek hassasiyet gibi özellikleri nedeniyle uranyumun belirlenmesinde kullanılması araştırılmaktadır. Uranyumun tespiti, çevre temizliğinin izlenmesi, yakıtın üretilmesi ve yeniden işlenmesi gibi nükleer çalışmalarla ilgili uygulamalarda çok önemlidir. Bu çalışmada; iki tanesi imprint edilmemiş ve iki tanesi imprint edilmiş olmak üzere dört farklı polimerik malzeme sentezlendi ve uranil iyonlarının belirlenmesinde gerekli en uygun koşullar açığa çıkartıldı ve sonuçlar karşılaştırıldı. N-imp1 ve U-imp1 olarak nitelenen birinci grup sol-jel malzemeler; 3-aminokinolin' in ICPTS (3-izosiyanato propil trimetoksisilan) ile reaksiyonundan elde edilen ve floresans özellik sergileyen öncü molekül (QP) kullanılarak sol-jel polimerizasyonu ile elde edildi. Elde edilen parçacıkların çözelti içinde sergilediği floresans emisyonu takip edilerek spektrofotometrik olarak uranil iyonlarının belirlenmesi için optimum koşullar açığa çıkartıldı. Floresan özellik sergileyen floresans klavuz molekülünün emisyon spektrumunun uranil iyonları varlığında değişimi incelendi. Ayrıca uranil iyonlarının koordinasyon bağı oluşturmasına bağlı olarak farklı dalga boylarında açığa çıkan emisyonun takip edilmesine dayanan tayin yöntemi geliştirilmeye çalışıldı. Elde edilen sonuçlardan, sol-jel parçacıkların, pH 2,0 ve 4,0 aralığında spektral bir kayma ile pH' a duyarlı floresans davranış sergilediğini gösterdi. Seçici U-imp1 kemosensör, Non-imprint yada rastgele olarak nitelenen ve uranil iyonu yokluğunda sentezlenmiş olan N-imp1 sol-jel parçacıkları ile yapılan floresans ölçümlerinde; uranil iyonu konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak 374 nm de sergilediği floresans sönüm gerçekleştiği görüldü. Fakat iyon-imprint olarak nitelenen ve uranil iyonu varlığında sentezlenereki uranil iyonun sistemden uzaklaştırıldığı sol-jel parçacıkları olan U-imp1 kullanılarak yapılan florometrik titrasyon çalışmalarında; sol-jel parçacıklarının uranil iyonu konsantrasyonuna göre sergilediği sönüm şiddetinin N-imp1 kinden çok daha fazla olduğunu, bunun yanında, 514 nm de yeni oluşan uranil iyonuna ait emisyon şiddetinin uranil iyonu konsantrasyonunun fonksiyonu olarak arttığı gözlemlenmiştir. Bu oluşan emisyon piki uranil iyonunun diğer metal iyonkarı varlığında seçici algılanmasında girişim etkisi oluşturmamıştır. İkinci grup polimerik malzemeler N-imp2 ve U-imp2 olarak nitelendirildi. Çözelti kompozisyonu ve sıcaklık gibi ortam şartlarına bağlı olarak büzülme ve şişme faz geçişi sergileyen ve ayrıca floresans klavuz molekülü olarak VCz içeren hidrojeller sentezlendi. İçerik bakımından yeni bir yapıda olmaları sebebiyle farklı çözelti karışımlarında ve sıcaklıklarda dış etken duyarlılıkları ve şişme karakterleri incelendi. İçerdikleri floresan klavuz madde olan VCz'nin emisyon şiddetinin takibine dayanan, uranil iyonunun belirlenmesine ait optimum deney şartları açığa çıkartılarak kantitatif analiz davranışı araştırıldı. VCz nin uranil iyonu konsantrasyonuna bağlı olarak floresans cevap vermesinden hareketle, en fazla algılama cevabını vereceği pH' ın 5,5 olduğu açığa çıkartıldı. VCz'nin kimyasal olarak polimer matriksine bağlandığı hidrojeller sentezlendi ve uranil iyonu ile etkileşen fonksiyonel monomer, MAA içeriği hem N-imp2 ve hem de U-imp2 için kondüktometrik ve potansiyometrik ölçümleri ile belirlendi. Elde edilen hidrojeller, %100 su ve % 100 etanol içinde maksimum şişme sergiler iken farklı oranlardaki çözelti karışımlarında şişme derecesi azalmakta olduğu ve %20 etanol içeren çözelti karışımında hemen hemen başlangıç hacim değerine büzüştüğü görüldü. Sentezlendikten sonra suda maksimum oranda şişme sergileyen hidrojel içinde sentez sırasında yer alan uranil iyonunu yapıdan tamamen uzaklaşmadığı, hidrojelin su ile yıkama sonrasında sarı renkte olmasından anlaşıldı. Yapılan asit ile yıkama işleminden sonra U-imp2 hidrojeli renksiz ve şeffaf olarak elde edildi. Hidrojellerin uranil iyonuna bağlı olarak florometrik tirasyonunda U-imp2'nin 363 nm deki floresan sönümlenmesinin sulu çözeltide N-imp2'nin sönümlenmesinden daha fazla olduğu görüldü. U-imp2 hidrojel kullanılarak 0.1 M NaCl varlığında yapılan spektrofotometrik titrasyonda; VCz nin 363 nm de sergilediği emisyon piki ile birlikte 515 nm de uranil iyonunun sergilediği emisyon pikinin oluştuğu görüldü.

Özet (Çeviri)

The sol-gel process, also called as chemical solution deposition, is a technique at room temperature commonly used in ceramic engineering and materials science such as electronics, nanotechnology, optics, medicine etc. In generally, sol-gel describes the synthesis and processing of ceramic and glasses. In addition the sol-gel process, also referred to as the“chimie douce”, is based on the preparation of a solid solution of solids at lower temperatures than conventional preparation methods, using either a left or gel medium step. This is a simple technology in theory but in practice, it requires a significant amount of effort. Many scientists have experienced about this phenomenon for many years. Thanks to this process (stability, optical transparency, chemical) porosity and chemical resistance, etc.), homogeneous inorganic oxide materials can be obtained at room temperature without the need for the high melting temperature required for conversion to inorganic glasses. The ability of the sol- gel process to be achieved under extreme moderate conditions (often at room temperature) and the availability of products in various shapes, sizes and formats has allowed this technology to become increasingly used in various scientific and engineering fields. In general, sol-gel chemistry, hydrolysis and condensation reactions, oxide are based on the transformation of molecular network precursors in the network. Alkoxide groups in the alcohol-water solution are gradually removed by hydrolysis in the presence of basic or acidic catalyst and hydroxyl- groups. Gelling occurs when the growing polymer networks come together to form a network covering the entire solution volume. At this point of gelation, both the viscosity and the elastic modulus rise steadily. The gel can be dried by evaporation to form xerogels, or by supercritical fluid extraction to obtain aerogels. The hydrolysis and condensation reactions depends on many different parameters such as pH, temperature, solvent, the kind of catalyst, nature and concentration of the initiator, the type of solvent and the acidity of the medium, type and concentration of additives, aging time of the mixture, component concentration in the initial mixture and ratio of the alkoxy with respect to water. One of the most important aspects of sol-gel science is molecular imprint polymers. Molecular Imprint Technology (MIT) is a synthetic approach to designing powerful molecular recognition materials that can mimic natural recognition agents such as antibodies and biological receptors. Although the origin of molecular imprint polymers is based on the early 1930s, the interest of researchers has only attracted attention in the 1970s, and since 1970, the interest in this field has been increasing and has become an important and active research area in recent years. These polymers are seen as versatile and future bright polymers capable of recognizing both biological and chemical molecules, including amino acids, proteins, nucleotide derivatives, drugs and foods. Because of the unique properties of MIPs, they are used in different applications such as separation, purification, sensor and biosensor construction and drug delivery. As can be seen from many recent articles published in recent years, chemical sensors and biosensors are receiving increasing attention in the field of modern analytical chemistry. This increase in the number of studies is mainly due to the growing demand in basic fields such as medicine, food and the environment. The identification and removal of toxic and radioactive heavy metals is very important because of their biological, environmental and industrial effects. The development of selective and differential chemosensors for the determination of toxic heavy metal ions is of interest and this interest is increasing. Uranium is a radioactive and toxic element that occurs in the environment as a result of many processes such as nuclear power generation, construction of nuclear weapons, processing and destruction of nuclear waste, nuclear accidents and burning of fossil fuels. Nuclear fuel production causes pollution in water and soil. Under environmental conditions, the uranyl ion in water forms in hexagonal form, moving on the earth around uranium, nuclear waste zones and processing facilities. The human body may be exposed to airborne dust, or to uranium-contaminated food and water. Although soluble uranium compounds can be rapidly extirpated during the digestion process, they are confused with the bloodstream, especially by the ingestion of powders into the lungs, creating a serious hazard for human health. Uranium detection is crucial for applications related to nuclear work such as monitoring environmental cleanliness, producing and reprocessing fuel. One uranium species of interest, uranyl ion, has accumulated over many years in the bone, liver, kidney and reproductive tissues. For this reason, the monitoring of the small amount of uranium in the forest is an important issue. Numerous methods are used to determine uranium. However, these methods require limited capacity and high operating costs. In this study, four different kinds of polymeric materials were synthesized, two of which were obtained as fluorescent sol-gel particles and two of which were obtained as fluorescent stimuli-responsive hydrogels. In the first part of study, the fluorescent functional precursor (QP) was synthesized by the reaction between 3-aminoquinoline and 3-isocyanatopropyltrimethoxysilane, and then the sol-gel material was synthesized by using QP as fluorescent probe, TMOS as cross-linker and TEA as catalyst in the presence of uranyl ion. The obtained sol-gel particles in powder form was designated as U-imp1 and the sol-gel particles which was synthesized in the absence of uranyl ion was designated as N-imp1. The characterizations of both sol-gel particles were made by FT-IR, BET analysis, optic microscopy, SEM and TGA. The optimum solution conditions such as composition of solvent mixture and pH for the determination of uranyl ions by using both N-imp1 and U-imp1 hydrogels were investigated and compared by fluorescence emission exhibited by the particles in solution. In the second part of the study, fluorescent non-imprinted (N-imp2) and uranyl ion-imprinted (U-imp2) hydrogels were synthesized and characterized. U-imp2 hydrogel was prepared in dioxane by free radical polymerization of N-isopropyl acrylamide as a main component, methacrylic acid as a functional monomer, 9-vinylcarbazole as a fluorescent monomer and N,N-methylenebis acrylamide as a cross-linker in the presence of uranyl ion. Imprinted hydrogel, which was prepared in the presence of uranyl ion, contains negatively charged monomer units to interact with positively charged uranyl ion. Upon interaction with uranyl ion, fluorescent gel exhibits a change in fluorescence intensity. As uranyl ion concentration increases in solution, the quenching of fluorescence of imprinted polymer increases. When compared with N-imp2 hydrogel that was prepared in the absence of uranyl ion, the amplified fluorescence quenching was observed in the case of imprinted hydrogel, showing that certain cavity was created for selective binding of uranyl ion. Swelling behavior of polyelectrolyte hydrogel was also investigated in solvent mixture and collapsing behavior of the hydrogels was evaluated depending on temperature. Furthermore, swelling kinetic of stimuli-responsive hydrogel was investigated in ethanol-water mixtures with different composition. The sensor behavior of fluorescent hydrogels for the determination of uranyl ion was evaluated both in swollen and shrunken state by monitoring of the fluorescence intensity of the carbazole moiety in hydrogels.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    671456

    Nitro-enerjetik maddelerin karakterizasyonu için organik ligandlarla dönüştürülmüş nanoprobların sentezi

    Synthesis of organic ligand-modified nanoprobes for the characterization of nitro-energetic materials

    BATUHAN YARDIMCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimyaİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA REŞAT APAK

    PROF. DR. FEHİME JÜLİDE HIZAL YÜCESOY

  2. Tez No

    709863

    Nanomaterials in macromolecular synthesis

    Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı

    AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

  3. Tez No

    683990

    Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels

    Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu

    EZGİ BERFİN ÇEPER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN GÜNEY

  4. Tez No

    478644

    Experimental and theoretical approaches in macromolecules design, synthesis, modification and nanosensor applications

    Makromoleküllerin dizayn, sentez ve modifikasyonunda teorik ve deneysel yaklaşımlar ve nanosensör uygulamaları

    MERVE SENEM AVAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve TeknolojiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU

  5. Tez No

    884259

    MEMS ile entegre mikro ısıtıcı ve IDE mikro sistemlerin fabrikasyonu ve nano kompozit yarı iletken gaz sensör uygulaması

    Fabrication of integrated micro heater and ide micro systems with MEMS and application of nano composite semiconductor GAS sensor

    HALİME İLBEYİİLİNGİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA MOROVA

    DOÇ. DR. CİHAT TAŞALTIN

Geri Dön