Geri Dön

Development and application of fluorescent nanosensors based on carbon dots coated with molecularly imprinted polymers

Moleküler imprint polimerle kaplanmış karbon nokta esaslı florasan nanosensörlerin geliştirilmesi ve uygulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 559907
  2. Yazar: İREM ZEREY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN GÜNEY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  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: Polimer Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Sol-jel prosesi, sıvı bir fazdan katı bir materyali geleneksel metotlara göre çok daha uygun koşullarda elde etmek esasına dayanır. En dikkat çekici özelliği, ılımlı koşullar altında (oda sıcaklığında reaksiyon vb.) istenilen boyut, şekil ve büyüklükte materyal üretimine olanak sağlamasıdır. Bu nedenle, sol-jel teknolojisi hem bilimsel alanda hem de mühendislik uygulamalarında oldukça büyük dikkat çekmiştir. Sol-jel prosesi ile seramikler, camlar, jeller ve organik-inorganik hibrid materyaller çok daha verimli halde üretilmeye başlanmıştır. Özellikle organik-inorganik hibrid materyallerin üretiminde bu teknolojinin kullanılması, sol-gel proseslerinin üzerine yapılan çalışmaların artmasına olanak sağlamıştır. Bütün sol-jel prosesleri iki aşamadan oluşur. Bu aşamalar çözelti ve jelleşme olarak bilinirler. Katı partiküllerin kolloidal süspansiyonu 'sol' olarak tanımlanır. Bu katı partiküllerin birbirine bağlı bir ağ yapısı oluşturmasıyla 'jel' oluşur. Sol-jel prosesi süresince çözelti viskozitesi kademeli olarak artış gösterir. Gittikçe artan viskozite sorasında, katı ve gözenekli yapıdaki jel elde edilir. Jelleşme süresi sol-jel prosesinin koşullarına bağlı olarak değişebilmektedir. Hem çözelti hem de jelleşme aşamalarını kontrol edebilmek için farklı stratejiler geliştirilmiştir. Farklı başlatıcı öncüllerinin kullanımı, farklı katalizlerin kullanımı, jelleşme süresinin değiştirilmesi ve çözünme derecesi bu stratejilerden bazılarıdır. Elde edilen jel kurutularak kuru jel halini alır. Kurutma süresince, düşük moleküler ağırlığa sahip yan ürünler (alkol ve su) gözeneklerden buharlaşarak uzaklaşırlar. Bu nedenle, kuru jel nemli haline göre daha az gözenekli bir yapıdadır. Elde edilen son ürünün bileşimi ve karakteristiği; sol, jel ve kuru jelin üretimi süresince gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardan etkilenmektedir. Ayrıca, sol-jel prosesinin parametreleri ve son ürünün eldesi için kullanılan metotlar, kuru jelin fiziksel karakteristiği olan gözenek çapı, gözenek şekli, yüzey alanı ve gözenek büyüklüğü dağılımını doğrudan etkilerler. Sol-jel prosesinin temel bileşenleri kimyasal başlatıcılar, uygun bir çözücü ve katalizlerdir. Kimyasal başlatıcılar, metal tuzları ve metal alkoksitler olabilirler. Silikon alkoksitler en çok çalışılan ve kullanılan metal alkoksitler olarak bilinirler. Tetrametoksisilan (TMOS) ve tetraetoksisilan (TEOS) en çok kullanılan silikon alkoksit örnekleridir. Çözücü seçimi, kullanılan kimyasal başlatıcıya göre yapılır. Çözücü su veya organik bir çözücü olabilir. Ancak metal alkoksitler alkol kullanımını gerektirirler. Hem asit hem de baz katalizörler sol-jel prosesinde kullanılabilir. Katalizör kullanımı sol-jel prosesinin hem hidroliz hem de kondenzasyon aşamalarının hızlarını direk olarak etkilemektedir. Sol-jel teknolojisinin kullanıldığı en dikkat çekici alanlardan biri moleküler imprint polimerlerin (MIP) üretimidir. Moleküler imprint, hedef olarak seçilen moleküllerin aynı şekil, boyut ve fonksiyonel gruplara sahip olacak şekilde polimer ağ yapısında bağlanma boşluklarının oluşturulmasıdır. Bu sayede, hedef moleküller seçici olarak bulundukları ortamda tespit edilebilmektedirler. Bağlanma boşlukları hedef moleküllerin varlığında, fonksiyonel monomer ve çapraz bağlayıcı ajanın polimerleşmesi sonucunda oluşurlar. Polimerizasyon süresince, hedef moleküllerle fonksiyonel monomerler arasında birbirini tamamlayan etkileşimler meydana gelmektedir. Bağlanma boşluklarının oluşmasından sonra, hedef moleküller uygun çözücüler kullanılarak polimer ağ yapısından uzaklaştırılırlar. Böylece spesifik moleküler tanıma materyalleri elde edilmiş olurlar. MIP' lerin en önemli avantajı, hedef moleküle karşı elde edilen yüksek ilgi (affinity) ve seçiciliktir. Aynı zamanda, kolay sentez, düşük üretim maliyeti ve yüksek stabilite diğer öne çıkan avantajlarıdır. Elde edilen polimerlerin tekrar kullanılabilirliği oda sıcaklığında uzun sürebilmektedir. Sağladığı avantajlar sayesinde saflaştırma, ayırma işlemleri, ilaç salınımı, kataliz ve kimyasal ve biyosensör yapımı gibi çok çeşitli alanlarda uygulamaları görülmektedir. floresans sensör üretiminde MIP'lerin kullanılması öne çıkan uygulamalardan biridir. Hedef molekülü saptamanın genel prensibi, moleküler baskılama esasına dayalı hazırlanan floresan sensör ve hedef molekül arasında oluşan etkileşimin sonucu ortaya çıkan özel floresan sinyal ile açıklanmaktadır. Floresans sensör üretiminde hedef seçilen molekülün floresan özelliğinin olup olmamasına göre farklı üretim stratejileri izlenir. Eğer hedef molekül kendiliğinden floresan özelliğe sahipse, doğrudan sentezde kullanılır. Ancak floresan özelliği olmayan hedef moleküllerle üretim yapabilmek için farklı yaklaşımlar gerekmektedir. Bu yaklaşımlardan en çok kullanılanı sisteme floresans maddelerin dahil edilmesidir. Floresan boyalar, kuantum noktaları (QDs) ve karbon noktaları (CDs) sisteme dahil edilebilen floresans maddelerden birkaçıdır. Karbon noktalar (CDs), 10 nm den küçük boyutlu karbon nanopartikülleri olarak tanımlanırlar. 2004 yılında tek duvarlı karbon nanotüplerin ayırma ve saflaştırılması sırasında tesadüfen keşfedilmişlerdir. Düşük toksisite, güçlü kimyasal stabilite, benzersiz optik özellikler, uygun maliyetli sentez ve mükemmel biyouyumluluk gibi özelliklere sahip olmaları, karbon noktalarına olan ilginin gün geçtikçe artmasına sebep olmuştur. Özellikle karbon noktalarının sahip olduğu eşsiz biyouyumluluk, kuantum noktaları ve diğer nanomateryallerin kullanımında ortaya çıkan toksisite ve biyouyumluluk sorunları nedeniyle, karbon noktalarını önemli bir alternatif haline getirmiştir. Karbon noktalarının eksitasyona bağımlı floresans emisyonu olduğu açığa çıkarılmıştır. Ancak karbon noktalarının fotolüminesansının arkasındaki mekanizme hala net değildir. Amoksisilin, penisilin grubunun β-laktam antibiyotiği olarak bilinir. Geniş bir spektruma sahip olan amoksisilin hem gram negatif hem de gram pozitif bakteriler üzerinde etkilidir. Hayvanlarda antibiyotik kullanımı, yiyecek ve çevrede oluşacak kalıntı sorununu beraberinde getirmektedir. Bu durumda insanlar üzerinde aşırı duyarlılık gibi meydana gelebilecek olumsuz etkilerle ilgili endişe yaratmaktadır. Avrupa Birliği, hayvan dokuları ve süt için en yüksek amoksisilin kalıntı limitlerini 50 µg kg-1 ve 4.0 µg kg-1 olarak belirlemiştir. Amoksisilin kullanımıyla ilgili endişeler, gıda ürünlerinde ve biyolojik sıvılarda amoksisilin tayini konusunu önemli bir noktaya taşımıştır. Moleküler imprint polimerleri kullanarak amoksisilin tayini yapmak, seçicilik ve spesifiklik göz önüne alındığında oldukça önemli bir seçenek haline gelmiştir. Literatürde, kuantum noktaları kullanılarak üretilen MIP'lerin amoksisilin tayininde başarılı bir şekilde kullanıldığı belirtilmiştir. Bu çalışmada, iki farklı karbon nokta (CDs) ısıl işlem yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. CDs-1 olarak adlandırılan karbon nokta sentezinde sitrik asit ve 3- (2-aminoetilamino) propil] trimetoksisilan (APMDS) kullanılmıştır. CDs-2 olarak kodlanan karbon nokta sentezinde sitrik asit ve 3- (2-aminoetilamino) propil] trietoksisilan (APMTS) kullanılmıştır. Amoksisilin (AMOX) tayin etme amacıyla moleküler imprint polimerler (MIPs) ile kaplı CDs'lere dayalı bir floresan kılavuzu geliştirilmiştir. Moleküler imprint polimerle kaplı CDs'ler sol-jel yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Sol-jel yönteminde fonksiyonel monomer olarak 3-aminopropiltrietoksisilan (APTES), çapraz bağlayıcı olarak tetraetoksisilan (TEOS) ve hedef molekül olarak AMOX kullanılmıştır. APTES'te bulunan amino grupları, AMOX moleküllerindeki fonksiyonel gruplarla etkileşerek hidrojen bağı yoluyla bir kompleks oluşturmuştur. Bu kompleks yapısının varlığı, sol-jel polimer ağında bağlanma boşluklarının oluşturulması açısından önemlidir. Moleküler imprint polimerle kaplı CDs'ler AMOX-imp@CDs olarak kodlanmıştır. İmprint olmayan sol-jel polimer kaplı CDs'ler aynı prosedürle ancak hedef molekül kullanılamadan sentezlenmişlerdir ve N-imp@CDs olarak kodlanmışlardır. Hazırlanan CDs'ler ve sol-jel polimer kaplı CDs örnekleri, UV ve floresans spektrofotometreleri, fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Sol-jel polimer ağ kaplı CDs nanoparçacıklarının sentezi sonrasında var olan amin gruplarının konsantrasyonunu belirlemek için kondüktometrik titrasyon gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen CDs'lerin ve sol-jel polimer kaplı CDs örneklerinin UV-görünür ve floresans spektrumları kuantum verimlerini hesaplamak için elde edilmiştir ve böylece fotofiziksel özellikleri değerlendirilmiştir. Farklı dalga boyları ile uyararak, CDs'lerin floresans spektrumları relatif nanoparçacık büyüklüğü dağılımlarını ortaya çıkarmak için elde edilmiştir. Hedef molekül varlığında ve yokluğunda pH'a bağlı floresans emisyon davranışını değerlendirebilmek için, CDs nanoparçacıklarının ve sol-jel kaplı CDs'lerin su ortamında farklı pH değerlerinde floresans spektrumları elde edilmiştir. Hedef molekül ile AMOX-imp@CDs yapısındaki bağlanma boşlukları arasında gerçekleşen bağlanmanın tamamlanmasından emin olmak amacıyla inkübasyon süresi araştırılmıştır. Spektroflorometrik titrasyonlar sol-jel kaplı CDs'ler kullanılarak ve hedef molekülün eklenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Hedef molekülle AMOX-imp@CDs arasındaki ilişkiden doğan floresans sönümlenmesi incelenmiştir. Floresan sönümlenme mekanizması, AMOX-imp@CDs' nin UV ve floresans spektrumu ile AMOX'un UV spektrumu üst üste çizdirilerek aydınlatılmıştır. Sönümlenme verileri Stern-Volmer denklemi kullanılarak AMOX molekülüne ait sönümlenme sabiti hesaplanmıştır. Hem N-imp@CDs hem de AMOX-imp@CDs yapılarının stabilitesi pH değeri 5.5 olan tampon çözeltisinde ve oda sıcaklığında zamana bağlı olarak çalışılmıştır. Sensörün uygulanabilirliğini doğrulamak için önerilen yöntem, gerçek süt örneklerinde AMOX tayin etmek amacıyla kullanılmıştır. Farklı dalga boylarında uyarma ile CDs'lerin floresan spektrumları elde edildiğinde, dalga boyunda artışla birlikte maksimum dalga boyunun kırmızı bölgeye kaydığı görülmüştür. Maksimum dalga boyu değişim aralığının geniş olmadığı görünmüştür. Bu durum parçacık boyutu dağılımının dar olduğuna işaret etmektedir. Sonuç olarak CDs-1 nanoparçacıklarının çaplarının birbirine yakın olduğu iddia edilebilir. Aynı şekilde, N-imp@CDs yapısının farklı dalga boylarında uyarma sonucunda emisyon yoğunluğunda meydana gelen değişim CDs'ler ile aynı elde edilmiştir. Ayrıca, maksimum dalga boyundaki değişim eğilimi biraz farklı olarak görünmüştür ve bu durum CDs nanoparçacıklarının sol-jel polimer ağıyla kaplandığını göstermektedir. Kondüktometrik titrasyon sonucuna göre, APTES'e ait amin gruplarının % 86'sının reaksiyona girdiği ve sol-jel polimer ağında yer aldığı bulunmuştur. Farklı pH değerlerinde elde edilen floresans spekturumlarına göre, CDs'lerin emisyon yoğunluğunun artan asitlik derecesiyle azaldığı görülmüştür. Bunun nedeni, CDs'lerin protonlanarak foto kaynaklı elektron sönümlenme prosesine maruz kalmasıdır. Aynı zamanda, AMOX molekülü varlığında ve yokluğunda AMOX-imp@CDs yapısının pH duyarlı davranışı ortaya çıkarılmıştır. Çözelti pH değerinin 7'den az olduğu durumlarda sönümlenmede farklılık olduğu gözlenmiştir. AMOX-imp@CDs'a ait floresans yoğunluğunun AMOX moleküllerinin varlığında N-imp@CDs'a göre daha fazla sönümlendiği görülmüştür. Böylece AMOX-imp@CDs yapısının floresans kılavuzu olarak kullanılarak seçici bir şekilde AMOX moleküllerini tayin edebileceği sonucuna varılmıştır. Floresans kılavuzun 5 dakika içinde AMOX moleküllerinin 0.1 ile 85 µM arasındaki konsantrasyonlarına seçici bir şekilde floresans sönümlenme cevabı verdiği bulunmuştur. Ayrıca yarım saat içerisinde 13 ölçüm sonrasında sabit cevap verdiği de tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar CDs'lerin enerjisinin oluşan komplekse aktarıldığını ve sonucunda CDs'lerin sönümlenmesiyle birlikte floresans yoğunluğunun düştüğünü göstermiştir. CDs-1'e ait kuantum veriminin CDs-2'ninkinden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, hem N-imp@CDs hem de AMOX-imp@CDs yapılarına ait kuantum verimleri CDs'lere göre daha az olarak bulunmuştur. Bu sonuç, CDs'lerin sol-jel polimer ağıyla kaplandığına işaret etmektedir. AMOX molekülünün tespitinde AMOX-imp@CDs yapısı basit, hızlı ve seçici bir floresans kılavuzu olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada önerilen metot, AMOX moleküllerini kompleks örneklerde girişim olmadan tespit edebilmektedir. Bu nedenle, AMOX-imp@CDs floresan sensörünün kompleks örneklerde yerinde ve hızlı AMOX analizi için uygun olduğu söylenebilir. Aynı zamanda, bu sensör kolay hazırlama, yüksek stabilite ve düşük maliyet gibi çok önemli avantajlara sahiptir.

Özet (Çeviri)

In this study, two kinds of carbon dots (CDs) were synthesized by thermal treatment using citric acid and 3-(2-Aminoethylamino)propyl]dimethoxymethylsilane (APDMS) labeled as CDs-1 and 3-(2-Aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane (APTMS) labeled as CDs-2. A fluorescent probe based on CDs coated with molecularly imprinted polymers (MIPs) was fabricated for the determination of amoxicillin (AMOX). The MIP-coated CDs were synthesized via a sol–gel process using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) as a functional monomer, tetraethoxysilane (TEOS) as a cross-linker, and AMOX as a template through a surface imprinting method. The existence of complex, which is formed by hydrogen bonding between the amino groups in APTES and functional groups in AMOX molecules, is crucial for the creation of recognition sites in sol-gel polymer network. The synthesized MIP-coated CDs was coded as AMOX-imp@CDs. Non-imprinted sol-gel polymer-coated CDs were prepared following the same procedure of AMOX-imp@CDs except the addition of the template molecule, AMOX and was coded as N-imp@CDs. The as-prepared CDs and the sol-gel polymer-coated CDs samples were characterized by UV-visible and fluorescence spectrophotometers, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Scanning electron microscope (SEM). Conductometric titration was carried out to confirm the concentration of amine groups existed in sol-gel polymer network-coated CDs nanoparticles after synthesis. UV-visible and fluorescence spectra of synthesized CDs and sol-gel polymer coated CDs were collected to calculate the quantum yields in order to evaluate the photophysical properties. Upon exciting with different wavelength, fluorescence spectra of CDs were obtained to elucidate the relative nanoparticle size distributions. The fluorescence spectra of CDs nanoparticles and sol-gel polymer-coated CDs in water at different pH values were obtained to evaluate the pH-dependent fluorescence emission behavior in the absence and the presence of target molecule, AMOX. The effect of incubation time between target molecule, AMOX and AMOX-imp@CDs was investigated to ensure the completion of binding between AMOX and the recognition site of AMOX-imp@CDs. Spectrofluorometric titrations were carried out using sol-gel polymer-coated CDs upon addition of AMOX. The fluorescence quenching relationship between AMOX-imp@CDs and AMOX was investigated. The quenching mechanism was enlightened by overlaying the UV-vis spectra of AMOX and AMOX-imp@CDs and fluorescence spectrum of AMOX-imp@CDs. The quenching data was additionally fitted with the Stern-Volmer equation and quenching constant of AMOX was calculated. The stabilities of both N-imp@CDs and AMOX-imp@CDs in buffer at pH 5.5 were estimated by fluorescence intensity as a function of time at room temperature. To validate the applicability of the sensor, the proposed method was employed to analyze AMOX in real milk samples.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    362595

    Elektro döndürme yöntemi ile elde edilen karbon nanolif ve karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

    Characterisation and functionalization of electrospun carbon nanofibers and carbon nanotubes

    MERVE YILMAZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. FİLİZ ALTAY

  2. Tez No

    792233

    Detection of bacterial spores using fluorescent silica nanoparticles and development of a new horizontal flow test platform

    Bakteri sporlarının floresan özellikteki silika nanoparçacıklar kullanılarak belirlenmesi ve yeni bir yatay akış test platformunun geliştirilmesi

    YAĞMUR NUR ÇETİNKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve TeknolojiKonya Gıda ve Tarım Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT DENİZ YILMAZ

  3. Tez No

    465264

    Bisfenol a tanıma bölgelerine sahip moleküler baskılanmış polimerik kartuşların ve sensör sisteminin geliştirilmesi

    Development of molecularly imprinted polymeric cartridges and sensor system with bisphenol A recognition sites

    RECEP ÜZEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    KimyaHacettepe Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERAP ŞENEL

  4. Tez No

    651013

    Kanda siyanür tayini için floresan altın nanokümeler ile kombine mikroakışkan tabanlı bir platform tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of a microfluidic-based platform, combined with fluorescent gold nanoclusters for cyanide detection in blood

    UĞUR AYDIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    BiyoteknolojiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEMED DUMAN

  5. Tez No

    893527

    New applications of surface acoustic wave for bio-sample preparation

    Biyo-numune hazırlamada yüzey akustik dalgasının yeni uygulamaları

    ADİR YARSAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyoteknolojiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER ŞİŞMAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ABBAS ALI HUSSAINI

Geri Dön