Antioksidanlara duyarlı soy metal nanoparçacık esaslı yeni sensörler geliştirilmesi
Development of novel noble metal nanoparticle sensors sensitive to antioxidants
Yazar: NİLAY GÜNGÖR
Danışman: DOÇ. DR. KEVSER SÖZGEN BAŞKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Antioksidanlar = Antioxidants

Özet:
Antioksidanların insan sağlığına olan yararlarından dolayı (kanser, kardiovasküler ve nörodejeneratif hastalıklar gibi oksidatif stres kaynaklı hastalıkların önlenmesi gibi) toplam içeriğinin değerlendirilmesi oldukça önemlidir. Nanoparçacıklar – 1-100 nm arasında bir boyuta sahip yapılar – yığın halindeki malzemelerden daha üstün ve olağanüstü özelliklere sahip olduğundan dolayı artan şekilde ilgi çekici hale gelmiştir. Bu kapsamda bu tez çalışmasında, sağlıklı beslenme açısından ve biyolojik olarak kritik öneme sahip antioksidanların tayin edilebilmesi için, nanoparçacıkların olağanüstü özelliklerinden yararlanılarak soy metal nanoparçacık esaslı sensörler geliştirilmesi amaçlanmıştır.

Tez çalışmasının ilk kısmında polifenollerin (flavonoidler, basit fenolik ve hidroksisinnamik asitler gibi) antioksidan kapasitelerinin tayini için sitratla stabilize edilmiş gümüş çekirdekleri varlığında polifenollerle Ag (I) iyonlarının indirgenmesi esasına dayanan hassas kolorimetrik bir yöntem geliştirilmiştir. Kararlı süspansiyonun renginin kontrolü, trisodyum sitrat, gümüş nitrat ve gümüş çekirdeklerinin konsantrasyonları değiştirilerek sağlanmıştır. Trisodyum sitrat ve gümüş çekirdekleri varlığında, Ag (I) iyonlarının polifenollerle küresel gümüş nanoparçacıklara (SNP'lere) indirgenmesi 423 nm'de çok yoğun bir yüzey plazmon rezonans absorpsiyon bandı oluşturmuştur. SNP'lerin plazmon absorbansı, polifenollerin spektrofotometrik olarak kantitatif tayinine imkan sağlar. Geliştirilen yöntem geniş bir konsantrasyon aralığındaki standart polifenolik bileşiklere lineer bir cevap vermiştir. Rapor edilen nanoparçacık esaslı antioksidan analizlerinin aksine bu çalışmada SNP'lerin çekirdeklenmesi değil büyümesi konsantrasyona bağlı lineer bir cevap vermiştir. Çeşitli (hidrofilik ve lipofilik) antioksidanların geliştirilen yöntem kullanılarak elde edilen troloks eşdeğeri antioksidan kapasite (TEAC) değerleri, CUPRAC yöntemiyle elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Okzalat, sitrat, meyve asitleri, amino asitler ve indirgeyici şekerler gibi gıdalarda yaygın olarak bulunan türler geliştirilen yöntemi enterfere etmemiştir. Bu yöntem lineerlik, toplamsallık, tekrarlanabilirlik ve geri kazanım açısından valide edilmiştir. Geliştirilen yöntem güvenilir ve kararlıdır. Geliştirilen yöntem, ön işleme gerek olmaksızın bazı meyve suları ve bitki çaylarının toplam antioksidan kapasitesini (TAC) belirlemek için kullanılmış ve geniş bir aralıkta gıda bitkilerinin içerdiği antioksidan envanterinin çıkarılması için uygun bir yöntem olduğu belirlenmiştir. 

Biyolojik sistemlerdeki önemli rollerinden dolayı biyotiyollerin tayini için hassas ve seçici yöntemlerin geliştirilmesi önemlidir. Tez çalışmasının ikinci kısmında Ellman reaktifinin (DTNB) adsorbe edildiği altın nanoparçacıklar (Au-NP'ler) (DTNB-Au-NP) kullanılarak biyolojik örnekler ve farmasötik ilaçlardan biyolojik açıdan önemli tiyollerin (biyotiyollerin) seçimli olarak tayinine olanak sağlayan yeni bir optik sensör geliştirilmiştir. Çözelti fazında serbest sülfhidril gruplarının kantitatif belirlenmesinde kullanılan suda çözünür bir bileşik olan, 5,5′-Ditiyo-bis(2-nitrobenzoik asit) (DTNB) kovalent olmayan etkileşimle Au-NP'lerin üzerine adsorbe edilmiş ve biyotiyollerle reaksiyonunun bir sonucu olarak sarı renkli 5-tiyo-2-nitrobenzoat (TNB2−) anyonunun oluşumuyla meydana gelen absorbans değişimleri 410 nm'de ölçülmüştür. Sensör geniş bir konsantrasyon aralığında sistein, glutatyon, homosistein, sisteamin, dihidrolipoik asit ve 1,4-ditiyoeritritolü kapsayan standart biyotiyol bileşiklere lineer bir cevap vermiştir. Her bir biyotiyol için kalibrasyon eğrileri oluşturulmuş ve bu bileşiklerin molar absorptiviteleri ve lineer konsantrasyon aralıkları belirlenmiştir. Çeşitli biyotiyollerin DTNB-Au-NP yöntemi kullanılarak elde edilen sistein eşdeğeri tiyol içeriği (CETC) değerleri, tiyollere karşı reaktivitesi bulunan DTNB reaktifinin kullanıldığı klasik DTNB yöntemiyle elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Amino asitler, flavonoidler, vitaminler ve plazma antioksidanları gibi genel biyolojik örnek içerikleri geliştirilen tayin yöntemini enterfere etmemiştir. Bu yöntem lineerlik, toplamsallık, tekrarlanabilirlik ve geri kazanım açısından valide edilmiş ve ortaya konulan yöntem güvenilir ve kararlı bir yöntemdir. DTNB bağlı Au-NP'ler, biyotiyol tayininde klasik DTNB reaktifine göre daha yüksek duyarlılık (daha düşük dedeksiyon limitleri) sağlamıştır. Optimize edilmiş koşullar altında sistein (Cys) geliştirilen yöntemle tayin edilmiştir. Sisteinin geliştirilen yöntemle elde edilen dedeksiyon limiti (LOD) 0.31 μM'dır ve 0.4 – 29.0 μM konsantrasyon aralığında lineerdir (r = 0.998).
Anahtar kelimeler: Antioksidanlar, soy metal nanoparçacıklar, sensör, biyotiyoller.

Abstract:
Making estimation of total content of antioxidants is very important due to their possible health benefits (i.e., prevention of oxidative stress related diseases such as cancers and cardiovascular and neurodegenerative diseases). Nanoparticles – structures with at least one dimension between 1 nm and 100 nm – have attracted steadily growing interest due to fascinating properties and superior to those of bulk materials. In this regard, the aim of this thesis work is to develop novel noble metal nanoparticle sensors for detection of antioxidants crucial in healthy diet and biologically, utilizing the amazing surface properties of nanoparticles.
A sensitive colorimetric method for the detection of polyphenols (i.e., ﬂavonoids, simple phenolic, and hydroxycinnamic acids) was developed at first part of this thesis work based on the reduction of Ag (I) ions by polyphenols in the presence of citrate-stabilized silver seeds. The color of the stable suspension was controlled by varying the concentration of trisodium citrate, silver nitrate, and silver seeds. The reduction of Ag (I) to spherical silver nanoparticles (SNPs) by polyphenols in the presence of trisodium citrate and silver seeds produced a very intense surface plasmon resonance (SPR) absorption band of SNPs at 423 nm. The plasmon absorbance of SNPs allows the quantitative spectrophotometric detection of the polyphenols, and the developed method gave a linear response over a wide concentration range of standard polyphenolic compounds. In contrast to other reported NP-based antioxidant assays, it was established in this work that growth but not nucleation of SNPs gave a linear concentration-dependent response. The trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) values of various (hydrophilic and lipophilic) antioxidants using the developed method were comparable to those of the CUPRAC assay. Common food ingredients like oxalate, citrate, fruit acids, amino acids, and reducing sugars did not enterfere with the proposed sensing method. This assay was validated through linearity, additivity, precision and recovery, demonstrating that the assay is reliable and robust. The developed method was used to screen total antioxidant capacity (TAC) of some commercial fruit juices and herbal teas without preliminary treatment, and showed a promising potential for the preparation of antioxidant inventories of a wide range of food plants.
Development of sensitive and selective methods of determination for biothiols is important because of their significant roles in biological systems. We present a new optical sensor using Ellman's reagent (DTNB)-adsorbed gold nanoparticles (Au-NPs) (DTNB-Au-NP) in a colloidal solution devised to sensitively determine biologically important thiols (biothiols) from biological samples and pharmaceuticals at second part of this thesis work. 5,5′-Dithio-bis(2-nitrobenzoic acid) (DTNB), a versatile water-soluble compound for quantitating free sulfhydryl groups in solution, was adsorbed through non-covalent interaction onto Au-NPs, and the absorbance changes associated with the formation of the yellow-colored 5-thio-2-nitrobenzoate (TNB2−) anion as a result of reaction with biothiols was measured at 410 nm. The sensor gave a linear response over a wide concentration range of standard biothiols comprising cysteine, glutathione, homocysteine, cysteamine, dihydrolipoic acid and 1,4-dithioerythritol. The calibration curves of individual biothiols were constructed, and their molar absorptivities and linear concentration ranges determined. The cysteine equivalent thiol content (CETC) values of various biothiols using the DTNB-Au-NP assay were comparable to those of the conventional DTNB assay, showing that the immobilized DTNB reagent retained its reactivity toward thiols. Common biological sample ingredients like amino acids, flavonoids, vitamins, and plasma antioxidants did not enterfere with the proposed sensing method. This assay was validated through linearity, additivity, precision and recovery, demonstrating that the assay is reliable and robust. DTNB-adsorbed Au-NPs probes provided higher sensitivity (i.e., lower detection limits) in biothiol determination than conventional DTNB reagent. Under optimized conditions, cysteine (Cys) was quantified by the proposed assay, with a detection limit (LOD) of 0.31 μM and acceptable linearity ranging from 0.4 to 29.0 μM (r = 0.998).
Keywords: Antioxidants, noble metal nanoparticles, sensor, biothiols.