Synthesis of boron based quantumd dots and their biomedical applications
Bor bazlı kuantum noktalarının sentezi ve onların biyomedikal uygulamaları
- Tez No: 658531
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Biotechnology, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Kuantum noktaları, üstün fotofiziksel ve elektriksel özelliklerinden dolayı ilgi çeken nanomateryallerdir. Bu üstün özelliklere örnek olarak yüksek fotostabilite, yüksek kuantum verimi verilebilir. Kuantum noktaları, bu gibi üstün özelliklerinden dolayı farklı uygulama alanlarına sahiptir. Özellikle biyomedikal alanda farklı farklı kullanım alanları vardır. Örneğin; moleküler tanım, izlenim, fototerapi, biyosensör gibi. Kuantum noktaları, genel olarak ağır metal içeren diğer bir deyişle geleneksel kuantum noktaları ve ağır metal içermeyen kuantum noktaları olarak ikiye ayrılabilir. Ağır metal içeren kuantum noktaları, (Örn: CdSe, CdTe) yapılarında bulunan ağır metallerden dolayı toksik etkiye sahiptir. Geleneksel kuantum noktalarının toksik etkisini en aza indirmek için çevresine kaplama yapılabilir. Örneğin ZnS yapısı sıklıkla ağır metal içeren kuantum noktalarını kaplamak için kullanılır. Bu kaplama ağır metal kuantum noktalarının toksik etkisini düşürse de, kaplamalardan sızıntı olabilir. Bu durumda bir toksik hala risk teşkil etmeye devam etmektedir. Tüm bu risklerden dolayı ağır metal içermeyen kuantum noktaları, biyomedikal uygulama alanlarında daha tercih edilmeye başlamıştır. Özellikle grafen, kuantum noktalarının keşfinden sonra ağır metal içermeyen kuantum noktalarına ilgi önemli derece artmıştır. Bu ilgiden kaynaklı olarak yeni sentez metotları ve yeni kuantum noktaları geliştirilmeye başlamıştır. Örneğin; azot, kükürt ve bor elementinin grafen kuantum noktalarına doplanması ile yeni optik, yapısal özelliklere sahip kuantum noktaları sentezlenmektedir. Yakın geçişte, bor nitrür kuantum noktaları ağır metal içermeyen kuantum noktaları ailesine katılmıştır. Beyaz grafen olarak adlandırılan ve düşük toksik etkisinden dolayı biyomedikal alanlarda sıkça kullanılan bulk bor nitrürün, nano boyuta indirilmesiyle üretilen kuantum noktaları, daha sonralarında bor ve azot kaynakları kullanılarak sentezlenmiştir. Bazı kaynaklarda grafen kuantum noktalarının, yüzey kimyasından dolayı biyomoleküllerle istenmeyen etkileşime girdiği ve etkileşimden kaynaklı olarak bor nitrür kuantum noktalarının alternatif olarak kullanılmasının daha yararlı olacağı iddia edilmiştir. Bu tez üç aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama; bor bazlı kuantum noktalarının sentezi ve bor ve azot elementlerinin iki boyutlu kuantum noktalarında optik ve yapısal özelliklerinin nasıl değiştiğini anlamaktır. İlk amaç için farklı optik ve yapısal özelliklere sahip bor içeren kuantum noktaları mikrodalga ve hidrotermal yöntemleri kullanılarak sentezlenmiştir. Bu kuantum noktaları arasından 3 tanesi seçillmiş, C-BN QDs, BN QDs ve BCN QDs, ve bu kuantum noktalarının tezin ikinci kısmında biyomedikal alanda uygulaması yapılmıştır. C-BN ve BCN kuantum noktaları mikrodalga yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Bor kaynağı olarak borik asit, azot kaynağı olarak üre ve karbon kaynağı olarak eser miktarda sitrik asit kullanılmıştır. Sentezde bor kaynağının arttırılması ile elde edilen C-BN kuantum noktaları UV ışık altında mavi ışık yayarken, azot miktar kaynağının(üre) arttırılmasıyla elde edilen kuantum noktası, BCN QDs, UV altında yeşil renkte ışık yaymaktadır. Optik özelliklerindeki farkı anlamak için, emisyon spektrumları analiz edilmiştir. Spektrum sonucuna göre, yapıdaki bor oranı arttıkça emisyon yaptığı dalga boyu daha düşük dalga boyunda emisyon vermiştir. Yapısal özelliklerindeki farkları anlamak için FT-IR ve XPS analizi yapılmış olup analiz sonuçlarına göre, yapıdaki bor miktarı arttıkça kuantum noktalarının yüzeyinde daha çok hidroksil gurubu bulunmuştur. Azot miktarı arttırıldıkça(üreden gelen karbon ile birlikte) yüzeyde hidroksil miktarları azalıp yerini karboksil grubu almıştır. Kuantum noktalarının yapısındaki bor miktarı arttıkça kuantum veriminde bir düşüş gözlemlenmiştir. Örneğin; sentez sırasında kullanılan borik asit miktarı 3 katına çıkarıldığı zaman kuantum verimi 22% 'den 15%'e düşmüştür. C-BN ve BCN kuantum noktalarının yapısal ve optik özellikleri bor ve azotun mol oranın ayarlanması ile kontrol edilmiştir. C-BN ve BCN kuantum noktaları, özgün kuantum noktalarıdır. Bor nitrür kuantum noktaları, hidtrotermal yöntemi ile bor kaynağı olarak borik asit, azot kaynağı olarak üre kullanılarak sentezlenmiştir. Yüzeyinde bolca hidroksil grubu bulundurduğu FT-IR analizi ile gösterilmiştir. Element analizi EDAX kullanılarak yapılmıştır ve genel olarak yapısının bor ve azot elementlerinden oluştuğu gözlemlenmiştir. Optik özellikleri, floresans spektroskopi kullanılarak analiz edilmiştir. Emisyon yaptığı dalga boyu (eksitasyon dalga boyu 350 nm) karbon içeren kuantum noktalarına göre daha düşük dalga boyunda gözlemlenmiştir (432 nm). Uv ışığı altında mavi bir ışıma yaptığı gözlemlenmiştir. Tezin ikinci aşaması, sentezlenen bu 3 farklı kuantum noktalarının fotosentetik pigmentler ile arasında enerji transferi olup olmadığını gözlemektir. Fotosentezin ilk aşaması olan ışık toplama üzerinde çokça çalışma yapılan bir konudur özellikle ışık toplama mekanizmasında başlıca iki araştırmaya yönelim vardır. Bunlardan biri; ışık toplama mekanizmasının detaylıca açığa çıkarıp anlamak bir diğeri ise; fotosentetik pigmentlerin ışık toplama kapasitesinin arttırılması üzerinedir. Fotosentetik pigmentlerin ışık toplama kapasitesi, doğal ve sentetik yollarla arttırılabilmektedir. Literatürde bu yollar ile ilgili araştırmalar da mevcuttur. Kuantum noktaları, ışık toplama kapasitesinin arttırılması için kullanışlı malzemelerdir. Bu tezde; BCN, C-BN ve BN kuantum noktaları fotosentetik pigmentlerinde ışık toplama kapasitesini arttırmak için kullanılan malzemelerdir. Bu kuantum noktaları taze ıspanak yapraklarından izole edilen fotosentetik pigmentlerle uygun bir medyumda karıştırılmıştır. Böylece organik-inorganik hibrit bir yapı oluşturulmuştur. Sonuç olarak, 350-425 nm dalga boyu aralığında kuantum noktalarından fotosenteik pigmentlere göze çarpar bir enerji transferi gözlemlenmiştir. Bu kuantum noktaları; sentezlemesi kolay, ucuz, düşük toksik etkiye sahip ve tekrar edilebilir düzeyi yüksektir. Bu nedenle fotosentetik pigmentler, enerji transferinde kullanılmak için çok uygun nanomalzemeleridir. Tezin son aşamasında; sentezlenen kuantum noktalarının toksik etkisine XTT deneyi yapılarak bakılmıştır. Hücre hattı olarak, bronş epitel hücre hatları tercih edilmiştir. Bu hücre hattının tercih edilme nedenlerinden biri; kuantum noktalarının solunum yoluyla vücuda alındığı takdirde akciğerlerin ilk savunma mekanizması olan bronş epitel hücre hatlarındaki etkisini gözlemlemektir. Bronş epitel hücre hatları, akciğer organının dış ve iç ortam arasında bir bariyer görevi görmektedir. Aynı zamanda solunum yoluyla vücuduna alınan yabancı organizmaları tanımlayarak bağışıklık sistemini harekete geçirmektedir. Tüm bu nedenlerden dolayı BEAS-2B hücre hatları seçilmiştir. BEAS-2B hücre hatları, farklı konsantrasyonlarda kuantum noktaları ile karıştırılmış ve 24 saat boyunca bekletilmiştir. Daha sonra XTT deneyi uygulanarak toksik etkisine bakılmıştır. Sonuç olarak, sentezlediğimiz kuantum noktalarının toksik etkisinin, kuantum noktaları konsantrasyonu arttıkça arttığını ve genel olarak tüm konsantrasyonlarda düşük bir toksik etki gösterdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca yapısında daha çok karbon içeren BCN kuantum noktalarının diğerlerine göre daha toksik etki gösterdiği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Quantum dots are attractive nanomaterials because of their unique photophysical and electrical features, such as good photostability, high quantum yield etc. and QDs are often used in biomedical area. However, traditional QDs mainly consist of heavy metal elements and use traditional QDs in biomedical application can have risk about sustainability. In this case, heavy metal free QDs are more preferable than traditional QDs in biomedical application. After discovering graphene QDs which are two-dimensional QDs, heavy metal free QDs use in biomedical application has increased. The rise has affected positively attention for heavy metal free QDs and new type of QDs has published in the literature such as nitrogen doped GQDs, boron, nitrogen doped GQDs. Heavy metal free QDs which had new optical and structural properties were synthesized. Boron nitride QDs are example of the new type of QDs. In the literature, many different synthesis methods of BN QDs have published and claimed idea about BNQDs is that BN QDs can be more effective than GQDs in biomedical application because GQDs can have unwanted interaction with biomolecules because of surface groups. In this thesis, first aim was the synthesis boron based QDs and understanding optical and structural effect of boron and nitrogen in the graphitic QDs composition, various boron based QDs were synthesized via microwave assisted and hydrothermal method. Synthesized 3 different QDs were chose to use in biological application, which were BCN, C-BN and BN QDs. These QDs mainly consisted of boron, nitrogen and carbon elements but surface of the these QDs and composition were different to each other, that the differences were proved via FT-IR, XPS and EDAX analysis. Increase boron amount in the QDS composition caused the more found –OH group on the surface. Also, boron amount in the composition affect the optical properties of these QDs, emission of QDs which contained more boron element carried out at the lower wavelength than the other QDs. However, as boron amount increased in the composition, quantum yield of QDs decreased from %22 to %15. It can be said that optical features, surface and composition of QDs were controlled via tuning mole ratio of boron and nitrogen precursors and novel QDs were synthesized and characterized. Second part of this thesis was related with energy transfer from QDs to biomolecules. Light harvesting in photosynthesis is significant issue and studied in the world. There are two points of light harvesting which are focused via researcher; 1) decipher and understanding light harvesting mechanism 2) increasing absorption capacity of light harvesting complexes. Enhancing absorption capacity of light harvesting complexes can be achieved via natural method or synthetic method. Quantum dots are suitable nanomaterials for synthetic method. In this part of thesis, BCN, C-BN and BN QDs were mixed with photosynthetic pigments which were extracted from spinach leaves and organic-inorganic hybrid structure was built in the suitable medium. As a result, noticeable energy transfer was observed at 350-425 nm range from QDs to photosynthetic pigments. The application of BCN, C-BN and BN QDs demonstrated that easily synthesized, inexpensive, reproductible QDs can be used effectively for increasing absorption capacity of photosynthetic pigments. In the last part of this thesis, cellular toxicity of BCN QDs, C-BN QDs and BN QDs were analyzed via XTT assay. These QDs were taken from respiratory system during synthesis or usage area because of small size. In this case, BEAS-2B cell line was chose for XTT analysis. 4 different QDs concentration were treated with BEAS-2B cells for 24 h and toxicity of QDs was analyzed via XTT assay using ELISA reader. It showed that toxicity of these QDs was really low at all concentration and toxicity of QDs which contained more carbon in their composition was more than the other QDs.
Benzer Tezler
- Bor içeren poliokzometalat fonksiyonlaştırılmış grafen kuantum noktacıklarının sentezi ve lityum iyon pillerde anot malzeme olarak kullanımı
Synthesis of boron containing new polyoxometalate functionalized graphen quantum dots and their use as anode material for lithium-ion batteries
ÖZGÜR HOR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECİP ATAR
- Ftalosiyanin-kuantum dot konjugatların eldesi ve elektrokimyasal uygulamaları
Phthalocyanine and heteroatom‐doped carbon quantum dots conjugate: synthesis and electrochemical investigation
BAŞAK GİZEM KARAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZÇEŞMECİ
- Grafen temelli kuantum noktaları / ftalosiyaninkonjugatlarının sentezi ve enerji transferi özelliklerininincelenmesi
Graphene-based quantum points / phthalocyanine investigation of the synthesis and energy transfer characteristics of the conjugates
ŞULE ERYİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM ÖZÇEŞMECİ
- Perovskit güneş hücrelerinde kuantum nanomalzemeler ile katkılama işleminin fotovoltaik parametrelere etkisi
The effect of doping with quantum dot nanomaterials on photovoltaic parameters in perovskite solar cells
AYŞEGÜL TOPRAK
Doktora
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriSelçuk ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ
DOÇ. DR. PARVANEH MOKARIAN
- Karbon kuantum noktacıklar ile desteklenmiş nanopartiküllerin sentezi yapısal tanımlamaları ve farklı hidrojen kaynaklarından hidrojen üretimi için hidroliz tepkimelerindeki katalitik performanslarının ölçülmesi
Synthesis and structural characterization of nanoparticles supported with carbon quantum dots and measuring their catalytic performance i̇n hydrolysis reactions to produce hydrogen from different hydrogen sources
ERHAN ONAT
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiSiirt ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SAİT İZGİ
PROF. DR. ÖMER ŞAHİN