Antioksidan kapasite ölçümü için doğal polimer film esaslı optik sensör geliştirilmesi
Development of natural polymer film based optical sensor for antioxidant capacity measurement
Yazar: FURKAN BURAK ŞEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA REŞAT APAK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Bitki fenolikleri = Plant phenolics ; Optik sensörler = Optical sensors

Özet:
Günümüzde reaktif oksijen türlerinin (ROS) canlı organizmalardan uzaklaştırılması ve bu türleri süpürebilen antioksidanların araştırılmasına olan ilgi giderek artmaktadır. Literatürde gıda özütlerinin antioksidan kapasite/aktivitelerinin belirlenmesi amacıyla birçok yöntem bulunmasına karşın optik sensör esaslı tayin yöntemleri ile ilgili yapılan çalışmalar oldukça sınırlıdır. Optik sensörler, minyatürize edilebilmeleri ve esneklikleri gibi birçok avantajlarının yanında yerinde analiz için de sıklıkla kullanılabilmektedirler. Ayrıca elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde çalışan optik sensörler ultra viyole (UV) alanda bitki pigmentlerinden gelebilecek olası interferanslardan etkilenmezler ve tayinin hassasiyetini oldukça arttırırlar. Günümüzde antioksidan kapasite tayininde kullanılan ve laboratuvarımızda geliştirilen optik sensör esaslı CUPRAC yöntemleri (CUPRAC Antioksidan Sensörü ve Fiber-Optik Reflektometrik CUPRAC Sensörü) literatürdeki bu boşluğu doldurabilmelerine karşın destek maddesi olarak kullanılan nafyon sentetik kopolimerin oldukça yüksek maliyeti ve temin güçlüğü önemli bir dezavantaj yaratmaktadır. Bu dezavantajın ortadan kaldırılmasıyla yöntemin yaygınlaşmasının ve kullanılabilirliğinin artacağı öngörülmektedir.
Tezin başlıca amacı daha önceki çalışmalar sonucunda çalışma grubumuz tarafından geliştirilen ve dünya literatürüne kazandırılan CUPRAC yöntemi esas alınarak antioksidan kapasitenin ölçümü için düşük maliyetli ve geniş kullanım alanı bulabilecek doğal polimer film esaslı optik sensör geliştirilmesidir. Tez çalışmasının ilk adımında karragenan/polivinilalkol karışımı kullanılarak su ve alkol ortamlarında (tayin ortamı) çözünmeyen polimer film elde edilmiştir. Polimer filmin tayin ortamındaki çözünürlüğünü azaltmak ve fiziksel özelliklerini korumak amacıyla çapraz bağlayıcı reaktif (maleik asit) kullanılmıştır. Oluşturulan polimer film üzerine CUPRAC yönteminin kromojenik oksidasyon aracı Cu(II)-Nc (bakır(II)-neokuproin) kompleksi, karragenanda bulunan sülfat grupları üzerinden elektrostatik olarak tutturularak film antioksidan bileşiklere duyarlı bir optik sensöre dönüştürülmüştür. Yöntemin esası, düşük maliyetli polimer film üzerine tutturulan reaktif Cu(II)-Nc kompleksinin antioksidanlar ile olan reaksiyonu sonucunda oluşan sarı-turuncu renkteki Cu(I)-Nc kelatına bağlı olarak absorbanstaki değişimin 450 nm dalgaboyunda ölçülmesidir. Tez çalışması kapsamında geliştirilen polimer esaslı optik sensör ile standart antioksidan bileşiklerin ve bu antioksidan bileşikleri içeren kompleks matriksli çeşitli gıda özütlerinin toplam antioksidan kapasiteleri belirlendi. Elde edilen veriler referans yöntem olarak belirlenen orijinal CUPRAC yöntemininkilerle karşılaştırıldı.
Geliştirilen optik sensör yöntemi uygulanması sonucu elde edilen bulgular troloks (TR) eşdeğeri cinsinden verileceğinden troloks bileşiğinin kalibrasyon doğrusu oluşturuldu (3.9-128.9 μM; A=1.0x104c + 0.0108; r=0.9994). Troloks bileşiğinin doğal polimer film esaslı optik sensör yöntemi ile elde edilen LOD ve LOQ değerleri sırasıyla 0.47 ve 1.56 μM'dır. Süzülmüş halde çalışılan şifalı bitki özütlerinin geliştirilen yöntem ile elde edilen toplam antioksidan kapasiteleri (mmol TR/g-örnek) şöyle sıralanmaktadır; sarı kantoron (1.19 ± 0.07) > ekinezya (0.47 ± 0.03) > hayıt otu (0.41 ± 0.02) > enginar yaprağı (0.14 ± 0.01). Meyve sularının antioksidan kapasite değerleri (mM TR) ise şöyle sıralanmaktadır; nar suyu (15.59 ± 0.99) > vişne suyu (10.36 ± 0.64) > şeftali suyu (10.36 ± 0.64) > portakal suyu (3.13 ± 0.13).
Sonuç olarak geliştirilen optik sensör literatürde az bulunan sensör esaslı antioksidan tayin yöntemlerine alternatif olacak ve gerek düşük maliyetli polimer film kullanılması gerekse tüm antioksidan bileşiklere cevap vermesiyle ön plana çıkacaktır. Yeni bir doğal polimer film esaslı optik sensörün geliştirilmesi ile antioksidan araştırmacıları, biyokimyacılar, tıp ve gıda bilimcileri tarafından antioksidan kapasite tayinlerinin daha kolay yapılabilmesinin yanı sıra maliyet, enerji ve zamandan tasarruf sağlanması da hedeflenmektedir. Ayrıca geliştirilen polimer esaslı optik sensör, yakın gelecekte kit formatına dönüştürülerek daha yaygın kullanım potansiyeline de sahip olabilecektir.

Abstract:
The best way to combat such health risks is to balance these reactive oxygen species (ROS) through diet by the consumption of foods rich in antioxidants. Recently the importance of removing excessive active oxygen species from living organisms is becoming increasingly recognized, together with a growing interest in finding antioxidants that can scavenge reactive oxygen species. Although there are a great many methods to determine antioxidant capacity/activity of food extracts in literature, there are limited researches about optical sensor-based assay methods. Optical sensors have the advantages of flexibility and miniaturization and may also be commonly used for in situ analysis. Moreover, such sensors working in the visible range of the electromagnetic spectrum are not affected from potentially interfering plant pigments essentially absorbing in the UV range and they greatly increase the sensitivity of assay. Although the optical sensor-based CUPRAC methods (CUPRAC Antioxidant Sensor and Fiber-Optic Reflectometric CUPRAC Sensor) developed in our laboratory for determining antioxidant capacity may fill this gap in the literature, Nafion synthetic copolymer used as the support material is of quite high cost, making a significant disadvantage. It is envisaged that, with the elimination of this disadvantage, these methods will have widespread use and availability.
The main purpose of this thesis is develop a low-cost and widely used novel natural polymer film-based optical sensor using the CUPRAC (CUPric ion Reducing Antioxidant Capacity) method originally developed and introduced to world literature by our research group in previous studies. In the first step of thesis study, a polymer-based film –insoluble in water and alcohol (assay medium)– was obtained by using carrageenan/polyvinylalcohol mixture. Crosslinking reagent (maleic acid) was used to for maintaining the physical properties and decreasing the solubility of polymer film in the assay medium. As a result of electrostatic immobilization of the chromogenic oxidizing reagent of CUPRAC method, Cu(II)-Nc(copper(II)-neocuproine) complex, on the created polymer film via carrageenan's sulphate groups, the film was converted to an antioxidant-sensitive optical sensor. As the basis of the method, the copper(II)-neocuproine (Cu(II)-Nc) complex reagent will be immobilized onto the low-cost polymer film, and the absorbance changes associated with the formation of the yellow-orange colored Cu(I)-Nc chelate as a result of reaction with antioxidants can be measured at 450 nm. In this thesis, total antioxidant capacities of standard antioxidant compounds and complex matrix of food extracts containing these antioxidant compounds is determined with the developed polymeric optical sensor. The results obtained are compared with those of the original CUPRAC method, given as reference method.
Since the results obtained with improved optical sensor method will given as the trolox equivalent, the calibrating curve of the trolox compound was formed. The LOD and LOQ values of the trolox compound obtained by the natural polymer film based optical sensor method are 0.47 and 1.56 μM, respectively. The total antioxidant capacities (mmol TR / g-sample) values of medicinal herb extracts in the filtered measured by improved method were found in the following order; aaron's beard (1.19 ± 0.07 > echinacea (0.47 ± 0.03) > vitex agnus-castus (0.41 ± 0.02) > artichoke (0.14 ± 0.03). The antioxidant capacity values (mM TR) of fruit juices were found in the following order; pomegranate juice (15.59 ± 0.99 ) > cherry juice (10.36 ± 0.64) > peach juice (10.36 ± 0.64) > orange juice (3.13 ± 0.13).
In conclusion, the developed optical sensor will be an alternative for the rarely existing sensor-based antioxidant determination methods in literature, and will come to the fore due to its responsiveness to all kinds of antioxidants with the use of a low-cost polymer-based film. With the development of novel natural polymer film based optical sensor, it is aimed to enhance the practical applicability of antioxidant capacity determination by antioxidant researchers, biochemists, medicinal and food chemists, and to spare cost, energy and time. In the near future, the developed polymer-based optical sensor is expected to find widespread use by potential conversion to a kit format.