İtici enerjetik materyal amonyum perklorat için altın nanoparçacık esaslı kolorimetrik sensör geliştirilmesi
Development of gold nanoparticle based colorimetric sensor for propellant energetic material ammonium perchlorate
Yazar: BÜŞRA KESKİN
Danışman: DOÇ. DR. AYŞEM ARDA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Katı roket iticilerinde kullanılan amonyum perklorat (AP) kompozit katı iticilerin en yaygın
kullanıma sahip oksitleyicisidir. AP en yaygın kullanılan fakat en az anlaşılan enerjik
maddelerden biridir. Buna ek olarak, AP'yi diğer itici ve patlayıcı maddelerden tamamen farklı
kılan şey klorun varlığıdır. Safsızlıklar AP materyalinin ayrışmasında ve yanma hızında önemli
rol oynamaktadır. AP'nin ayrışma mekanizması ve yapısal özellikleri konusunda çok sayıda
yayın yapılmış olmasına rağmen tayin yöntemlerine ilişkin az sayıda çalışma vardır ve
nanoparçacık esaslı kolorimetrik bir sensör mevcut değildir. Bu bağlamda bu tez çalışmasının
amacı itici enerjetik madde AP'nin miktar tayinine olanak sağlayacak hassas ve kolay
uygulanabilir nitelikte sensör geliştirmek ve diğer patlayıcı maddelerin yanında tayinini
sağlamaktır. Geliştirilen nanoparçacık temelli sensörün tayin prensibi, düzlemsel molekül
yapılı katyonik bir boya olan metilen mavisinin (MB) altın nanopartikül (AuNP) yüzeyine
elektrostatik etkileşim ile bağlanması ve büyük oranda adsorbe olması sonucu oluşan AuNPMB
nanokompozitinin amonyum perklorat miktar tayininde kullanılmasıdır. MB varlığında
pozitif yüklenen AuNP yüzeyi ile perklorat iyonu arasında oluşan iyon çifti sonucu AuNP
agregasyonu meydana gelmektedir. Spektrofotometrik değerlendirme 650 nm'deki absorpsiyon
değerinin 520 nm'deki absorpsiyon değerine oranlanması ile yapılmıştır. Agregasyon sonucu
600-700 nm aralığında oluşan yeni absorpsiyon pikini 650 nm'deki absorpsiyon değeri temsil
ederken,520 nm'deki absorpsiyon değeri AuNP-MB sensörüne aittir. Geliştirilen spektroskopik
sensörün AP için molar absorptivite ve LOD (belirtme sınırı) ile LOQ (tayin sınırı) gibi analitik
performans özellikleri şöyledir: AP için ε = 712 L mol-1cm-1 ; LOD = 2,4×10-5 mol L-1 ve LOQ= 8,33 ×10-5 mol L-1'dir. AP'nin TNT ve HMX varlığında tayini, karışım çözeltisi ile kirletilmiş
topraktan AP'nin su ile ekstraksiyonu sonucu gerçekleştirilmiştir. Ayrıca toprakta yaygın
olarak bulunan Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, K+, Mg2+, Ca2+ anyon ve katyonlarının sensör ile yapılan
analizlere girişim etkileri incelenmiştir. Geliştirilen miktar tayin yöntemi literatürde mevcut
ekstraktif spektrofotometrik yöntemi ile t- ve F- testleri kullanılarak istatistiksel olarak
kıyaslanmıştır.

Abstract:
Ammonium perchlorate (AP) used in solid rocket propellants is the most commonly used
oxidizer of composite solid propellants. AP is one of the most widely used but least understood
energetic substances. In addition, what makes AP completely different from other propellant
and explosive ingredients is the presence of chlorine. Impurities play an important role in the
decomposition of AP material and the rate of burning. Although there are numerous
publications on the dissociation mechanism and structural properties of AP, there are few
studies on the determination methods and there is no nanoparticle based colorimetric sensor. In
this context, the aim of this thesis is to develop a sensitive and easily applicable sensor that will allow quantification of the target propellant energetic material AP and to determine it in the
presence of other explosives. The defined principle of the developed nanoparticle-based sensor
is to use methylene blue (MB), a planar molecule-structured cationic dye, to a large extent
adsorb and electrostatic interaction bonding the gold nanoparticle (AuNP) surface to determine
the amount of ammonium perchlorate in the AuNP-MB nanocomposite. The ion pair between
the positively charged AuNP surface, in the presence of MB, and the perchlorate ion results in
AuNP aggregation. Spectroscopic evaluation made by taking the ratio of 650 nm absorption
value to 520 nm absorption value, While 650 nm represents the new formed peak between 600-
700 nm as a result of aggregation, 520 nm absorption value belong to the AuNP-MB sensor.
The analytical performance characteristics of the developed sensor for AP as molar absorptivity (ε); limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) are as follows: For AP, ε= 712
L mol-1cm-1; LOD= 2.4×10-5 mol L-1 and LOQ=8.33×10-5 mol L-1. The determination of AP in
the presence of TNT and HMX was accomplished by water extraction of AP from contaminated
soil with the mixture solution. Additionally the interference effects of various anions and
cations commonly found in soil such as Cl-, NO3-, NO2-, SO42-, K+, Mg2+ and Ca2+ were
investigated. The developed quantitation method was statistically compared with the extractive
spectrophotometric method in the literature using t- and F- tests.