Tiyazol-ferrosen ile modifiye edilmiş kromenilyum-siyanin tabanlı ve çok kanallı yeni bir cıva (II) sensörün geliştirilmesi
Development of a novel multi-channel mercury (II) sensor based on chromenylium-cyanine modified with thiazole-ferrocene
- Tez No: 943176
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Rodamin floroforları, spiro-laktam formunda kapalı ve floresanssız, halka açıldığında ise güçlü floresan özellik gösteren yapılardır. Bu yapılar, yüksek molar absorpsiyon katsayıları ve floresan kuantum verimleri sayesinde, florometrik sensör tasarımında sıkça tercih edilmektedir. Ancak rodaminler, NIR bölgesinde emisyon veremezken; siyanin boyaları NIR bölgesinde güçlü emisyona sahip olmalarına rağmen düşük kuantum verimine ve“açık-kapalı”geçiş özelliğine sahip değildir. Bu eksiklikleri tamamlamak üzere, her iki sistemin avantajlarını birleştiren hibrit yapılar geliştirilmektedir. Cıva, doğal olarak bulunan toksik bir element olup yaklaşık 3000 yıldır endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde hâlâ termometre, barometre, kozmetik ürünleri ve diş dolguları gibi çeşitli alanlarda kullanılmakla birlikte, zararlı etkileri nedeniyle önemli bir çevresel kirletici ve halk sağlığı tehdidi olarak değerlendirilmektedir. Metalik, inorganik ve organik olmak üzere farklı formlarda bulunan cıvanın toksik etkileri, biyolojik erişilebilirlik ve metabolik dönüşüm süreçlerine bağlı olarak değişmektedir. Özellikle balık ve deniz ürünlerinde biriken organik cıva (metilcıva), besin zinciri yoluyla insanlara ulaşarak nörotoksik etki başta olmak üzere çeşitli sistemik bozukluklara yol açmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, cıva maruziyetinin kanserojen, immünolojik, üreme, böbrek, kardiyovasküler ve hematopoetik sistemlerde toksisiteye neden olabileceğini, ayrıca yenidoğanlarda zeka gelişimi üzerinde olumsuz etkiler yaratabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, Hg2+ iyonlarının çevresel ve biyolojik örneklerde seçici, duyarlı ve hızlı biçimde tespit edilmesi büyük önem taşımaktadır. Infrared Spektroskopisi (IR), İndüktif Olarak Eşleşmiş Plazma Atomik Emisyon Spektroskopisi (ICP-AES), Atomik Floresans Spektroskopisi (AFS) ve Atomik Absorpsiyon Spektroskopisi (AAS) gibi geleneksel analiz yöntemleri yüksek doğruluk ve düşük tespit sınırı avantajları sunsa da; yüksek maliyet, karmaşık örnek hazırlığı ve özel teknik ve uzmanlık gereksinimi gibi sınırlamalar barındırmaktadır. Bu bağlamda, son yıllarda florometrik ve kolorimetrik problar öne çıkmıştır. Organik floroforlar arasında rodamin, BODIPY, kumarin, squaraine, kinon ve siyanin türevleri, Hg2+ iyonlarının seçici tespiti için reseptör olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Floresan problar,özellikle biyolojik görüntülemede temel bileşenler olarak kabul edilmekte olup; yüksek hassasiyet, gerçek zamanlı takip imkânı ve düşük algılama sınırı gibi avantajlar sunmaktadır. Bununla birlikte, görünür bölge ışığı ile uyarılan problar, sınırlı doku penetrasyonu, yüksek otofloresans ve saçılma sorunlarıyla karşı karşıyadır. Bu sınırlamaları aşmak üzere, yakın kızılötesi (NIR) bölgede emisyon yapan floroforlar geliştirilmiştir. NIR ışık, biyolojik dokulara daha derin nüfuz edebilmekte, daha düşük fotohasar ve otofloresans ile daha yüksek sinyal-gürültü oranı sağlamaktadır. Bu çalışmada, kromenilyum-siyanin tabanlı, floresans-açma (turn-on) özellikli ve çoklu kanal tespit kapasitesine sahip bir Hg2+ probu (NIR4) geliştirilmiştir. Prob yapısındaki kromenilyum-siyanin platformu tiyazol halkası ve ferrosenil grubu içeren reseptör ile donatılmıştır. Bu sensör tasarımda ferrosen katkısıyla moleküle elektrokimyasal özellik kazandırılmıştır. Bu sayede, NIR4 probu Hg2+ iyonlarının kolorimetrik, florimetrik ve voltametrik olarak eşzamanlı tespiti için kullanılabilmektedir. Sulu DMF (3:2, v:v, Tris, pH 7) ortamında floresan özellik göstermeyen prob, Hg2+ ilavesiyle spirolaktam halkasının açılması sonucu floresan aktif forma geçmekte ve 725 nm'de absorpsiyon, 752 nm'de ise emisyon vermektedir. Elektrokimya çalışmalarında ise 0,516 V'da orantılı şekilde akım azalması gözlenmiştir. NIR4 probunun Hg2+ iyonlarına karşı seçiciliğini ölçmek adına diğer anyon ve katyonlarla seçicilik ve girişim çalışması yapılmıştır. Katyonlar için nitrat (Li+,Na+, K+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Al3+, Pb2+ ve Hg2+) tuzları, anyonlar için sodyum (Cl-,EDTA2-) ve potasyum (AcO-, SCN-, Br-,F-, OH ve I-) tuzlarının yanı sıra tiyoüre çözeltilerinin çözeltileri 5,0 × 10-2 M çözeltileri ile çalışılmış ve Hg2+ iyonu ile karşılaştırılmıştır. Prob en yüksek cevabını Hg2+ iyonuna göstermiş ve rakip iyonlardan etkilenmemiştir. NIR4 probunun Hg2+ iyonlarına karşı duyarlılığını ve seçiciliğini değerlendirmek amacıyla ayrıntılı titrasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaların sonuçları, NIR4'ün oldukça hassas olduğunu ortaya koymuştur; UV-Gör ölçümlerinde tespit sınırı 2,44 × 10−8 M, floresan titrasyon ölçümlerinde 8,96 × 10−8 M, voltametri titrasyon ölçümlerinde ise 6,02 × 10-7 M olarak belirlenmiştir. NIR4 kimyasal sensörünün Hg2+ iyonlarına verdiği yanıt süresi de bahsi geçen her teknikle değerlendirilmiş olup, yaklaşık 30 saniye gibi hızlı bir tespit süresi gözlemlenmiştir. Böylece, prob Hg2+ iyonu ile koordinatif kovalent bağ içeren bir kompleks oluşturmaktadır. Proba ait yapısal ve spektral özellikler; NMR, HRMS, FT-IR, UVGör, floresans spektroskopisi ve voltametri teknikleriyle detaylı şekilde karakterize edilmiştir. Elde edilen bulgular doğrultusunda, Hg2+ iyonu ile prob arasındaki bağlanma mekanizması önerilmiştir. NIR4, Hg2+ iyonlarına karşı yüksek seçicilik, hızlı yanıt süresi ve çoklu kanal algılama kapasitesi ile hem çevresel analizlerde hem de biyolojik görüntüleme uygulamalarında güçlü bir aday olarak öne çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
Rhodamine fluorophores are well-known for their unique fluorescence activation mechanism, wherein they remain non-fluorescent in their closed spirolactam form due to the disruption of conjugation, but undergo a marked fluorescence enhancement upon ring-opening, which restores the conjugated π-system. This“off–on”fluorescence response renders rhodamines highly attractive for the development of molecular probes aimed at sensitive and selective detection of analytes. Moreover, these compounds possess high molar absorption coefficients and excellent fluorescence quantum yields, further reinforcing their utility in optical sensor design. Despite these advantageous characteristics, one notable limitation of traditional rhodamine derivatives is their emission in the visible region, which restricts their effectiveness in certain bioanalytical applications where near-infrared (NIR) emission is preferred. Cyanine dyes, by contrast, exhibit strong absorption and emission in the NIR region, making them particularly valuable for applications such as in vivo imaging and deep-tissue fluorescence analysis. However, cyanines typically suffer from relatively low fluorescence quantum yields, limited photostability, and the absence of a reversible fluorescence switching mechanism. These shortcomings reduce their applicability in dynamic sensing platforms where signal modulation is required. In light of these complementary strengths and weaknesses, recent efforts have focused on the development of hybrid fluorescent probes that combine structural elements of both rhodamine and cyanine frameworks. These hybrid systems aim to integrate the fluorescence switching capability and brightness of rhodamines with the deep tissue penetration and low background interference offered by cyanine-based NIR emission. Mercury is a naturally occurring yet highly toxic heavy metal that has been utilized by human civilizations for over three millennia, particularly in industrial, agricultural, and medical applications. Despite increased regulatory restrictions, mercury is still employed in devices such as thermometers and barometers, as well as in products including cosmetics and dental amalgams. Due to its widespread use and persistence in the environment, mercury has emerged as a major environmental contaminant and public health threat. It exists in elemental, inorganic, and organic forms, each exhibiting different degrees of bioavailability and toxicity. Among these, organic mercury species-especially methylmercury are considered the most hazardous due to their high lipid solubility, ability to cross biological membranes, and propensity to bioaccumulate through the food chain, particularly in fish and seafood. Upon ingestion, methylmercury can easily traverse physiological barriers such as the blood–brain barrier and the placental barrier, exerting systemic toxicity and causing profound neurological damage. Numerous studies have demonstrated that mercury exposure is associated with a wide array of adverse health effects, including but not limited to carcinogenic, immunotoxic, nephrotoxic, reproductive, cardiovascular, and hematological complications. In particular, prenatal and early postnatal exposure to mercury can result in irreversible impairments in cognitive development, motor coordination, and sensory functions. Consequently, the rapid, selective, and highly sensitive detection of Hg2+ ions in both environmental samples and biological systems has become increasingly important for risk assessment and mitigation efforts. Conventional analytical techniques such as infrared spectroscopy (IR), inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES), atomic fluorescence spectroscopy (AFS), and atomic absorption spectroscopy (AAS) are capable of detecting trace levels of mercury with high precision and low detection limits. Nevertheless, these methods often require expensive instrumentation, elaborate sample preparation procedures, and the involvement of trained personnel, making them less suitable for routine monitoring or point-of-care diagnostics. In response to these limitations, colorimetric and fluorometric detection strategies have gained considerable attention owing to their simplicity, cost-effectiveness, rapid response times, and suitability for real-time analysis. A wide range of organic fluorophores—including rhodamine, BODIPY, coumarin, squaraine, quinone, and cyanine derivatives—have been employed as functional units in the design of selective fluorescent probes for Hg2+ ions. Fluorescent probes are particularly advantageous in bioimaging applications due to their high signal-to-noise ratios, spatial resolution, and ability to facilitate real-time tracking of target analytes in living systems. However, many traditional probes that are excited in the visible region are subject to limitations such as limited tissue penetration, increased autofluorescence from endogenous biomolecules, and significant light scattering, all of which reduce analytical performance in biological environments. To address these challenges, researchers have developed NIR-excitable fluorescent probes that emit within the biological optical window (approximately 650–900 nm). NIR fluorescence not only minimizes background signals and photodamage but also allows for deeper tissue imaging and higher contrast in biological samples, thereby enhancing the utility of fluorescent probes in biomedical research and diagnostics. In this study, a novel turn-on fluorescent probe, designated as NIR4, was synthesized based on a chromenylium-cyanine platform for the multichannel detection of Hg2+ ions via colorimetric, fluorometric, and voltammetric methods. The molecular design of NIR4 incorporates a chromenylium-cyanine platform and a thiazole ring bearing ferrocene moiety as a receptor, endowing the probe with both optical and electrochemical sensing capabilities. Notably, NIR4 represents the first example of a voltammetric metal ion sensor constructed on a chromenylium-cyanine backbone, offering a multifunctional platform for comprehensive analyte detection. In aqueous DMF (3:2, v:v, Tris, pH 7), the probe exists predominantly in its non-fluorescent spirolactam form. Upon selective binding to Hg2+ ions, the spirolactam ring undergoes opening to generate a conjugated amide structure, resulting in a substantial enhancement in fluorescence. This ring-opening event triggers the formation of a coordination complex between the probe and Hg2+ ions, which is accompanied by a pronounced increase in absorption at 725 nm and a strong NIR fluorescence emission at 752 nm. In electrochemical studies, it was found that the probe caused a proportional decrease in the anodic peak current of the ferrocene moity observed at 0,516 V. Detailed titration experiments were conducted to evaluate the sensitivity and selectivity of the NIR4 probe towards Hg2+ ions. The results of these studies demonstrated that NIR4 is highly sensitive; the detection limits were determined to be 2,44 × 10−8 M for UV-Vis measurements, 8,96 × 10−8 M for fluorescence titration, and 6,02 × 10−7 M for voltammetric titration. The response time of the NIR4 chemical sensor towards Hg2+ ions was also assessed using each of these techniques, and a rapid detection time of approximately 30 seconds was observed. A series of spectroscopic analyses were employed to elucidate the binding mechanism and validate the structural changes induced by Hg2+ coordination. These included nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, high-resolution mass spectrometry (HRMS), Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, UV-Vis absorption spectroscopy, steady-state fluorescence spectroscopy. Together, these techniques provided comprehensive insights into the interaction between NIR4 and Hg2+ ions and supported the proposed mechanism of fluorescence activation via spirolactam ring opening and complexation. The NIR4 probe exhibits remarkable selectivity and sensitivity toward Hg2+ ions, with a rapid fluorescence response that facilitates real-time detection. Furthermore, its multichannel sensing capability enabling simultaneous colorimetric, fluorometric, and voltammetric readouts enhances its versatility in various analytical scenarios. Given its strong photophysical performance, high affinity for Hg2+, and multifunctional design, the NIR4 probe holds significant promise for applications in environmental monitoring, toxicological assessments, and biological imaging. The development of such a hybrid system exemplifies a strategic approach to overcoming the limitations of conventional fluorescent probes by integrating complementary functionalities into a single molecular platform.
Benzer Tezler
- Synthesis, thermal and electrochemical properties of 2-mercaptobenzothiazole and 8- hydroxyquinoline, and 4-hydroxyphenylacetamide substituted phthalocyanine complexes
2-merkaptobenzotiyazol, 8- hidroksikinolin ve 4-hidroksifenilasetamid, sübstitüe ftalosiyanin komplekslerinin sentezi, termal ve elektrokimyasal öezllikleri
OTHMAN ABDULRAHMAN HAMAD JUKL
- Metal iyonlarına duyarlı yeni tasarlanmış ferrosenil tiyazol benzimidazol sensörün teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of new designed ferrocenyl thioazole benzimidazole sensors, sensible to metal ions
MİNE ALŞAN
- Tiyazolo-tiyazol, schıff baz türevi bileşiklerin sentezi, optik özellikleri ve güneş pillerinde kullanımı
Synthesis of thiazalo- thiazole, schiff base derivative compounds, optical properties and use in solar cells
ÇİĞDEM UĞURLU GÜRBÜZ
- Tiyazol grubu içeren polimerlerin sentezi, karakterizasyonu ve bazı özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of polymers containing thiazole group and investigation of some properties of them
YEŞİM GÜR
- Yeni tiyazol türevi bileşiklerin sentezleri ve iki boyutlu NMR spektroskopisi ile yapı tayinleri
Synthesis of new thiazole derivative compounds andstructure determination by two-dimensional NMR spectroscopy
MEYSA ZEYNEP AKDÜNE
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Eczacılık ve FarmakolojiAnadolu ÜniversitesiFarmasötik Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAFER ASIM KAPLANCIKLI
