Yeşil sentez yöntemi ile bakır oksit nanopartiküllerinin üretimi, karakterizasyonu ve antibakteriyel aktivitesi
Production, characterization and antibacterial activity of copper oxide nanoparticles with green synthesis method
Yazar: BUSE SİMGE AKINAN OKTAY
Danışman: DOÇ. DR. TUBA GÜRKAYNAK ALTINÇEKİÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Antibakteriyel etkiler = Antibacterial effects ; Bakır oksit = Copper oxide ; Box-Behnken dizaynı = Box-Behnken design ; Juglans regia L. = Juglans regia L. ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Yeşil sentez = Green synthesis

Özet:
Son yıllarda nanoteknolojiye duyulan büyük ilgi sayesinde, nanoteknolojinin tıp, endüstri, tarım gibi alanlarda etkisini ölçmek için bilim insanları tarafından bir dizi çalışmalar gerçekleştirilmiştir. 
Biyo ve nano tekniklerin entegrasyonu sonucu, biyoteknoloji olarak bilinen nanomalzemelerin (NM'lerin) biyolojik sentezi, nanoteknolojiden doğmuştur. Son yıllarda nanoteknoloji metal nanopartiküllerin sentezi için kimyasal ve fiziksel yöntemlere alternatif olarak, güvenilir, toksik olmayan, çevre dostu ve temiz yöntemler sunmuştur. 
Nanoteknoloji ile bitki biyoteknolojisini birbirine bağlayan, nanopartiküllerin bitkiler tarafından sentezi yeşil sentez yaklaşımıdır. Metal iyonlarının biyo-indirgenmesi için bitki özleri kullanılarak nanopartikül oluşturan bu yöntem oldukça dikkat çekmektedir. 
Sık kullanılan bitki özlerinden biri olan ceviz, çok geniş kullanım alanına sahip bir bitkidir ve geçmişten günümüze sağlık ve tıp alanında birçok faydasının dokunmasıyla ünlüdür. Juglans Regia (ceviz), antibakteriyel, antimikrobiyal, antioksidan, antifungal etkileri sebebiyle birçok araştırmaya konu olmuştur. Uzun yıllardır antimikrobiyal ajan olarak kullanılan bakır ise güçlü bir antibakteriyel aktivite ortaya çıkarmaktadır. Bakır nanopartiküllerinin (Cu NP'lerinin) farklı gram pozitif ve gram negatif bakterilerine karşı geniş bir antibakteriyel aktivite gösterdiği bilinmektedir. 
Bu çalışmada; bakır oksit nanopartikülleri (CuO NP'ler), ceviz yaprağı (Juglans Regia L.) bitki özütü kullanılarak, oda sıcaklığında yeşil sentez yöntemi ile sentezlenmiştir. Bakır tuzu miktarı, ceviz yaprağı ekstraktı miktarı ve kalsinasyon sıcaklığı olmak üzere üç sentez parametresine dayandırılarak, Box-Behnken deneysel tasarımına dayalı yüzey metodolojisi uygulanmıştır. Box-Behnken deneysel tasarım sisteminde verilen 17 deney numunesi hazırlanmıştır ve deneysel tasarım ile optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Üretilen CuO NP'lerin XRD (X-Işını Kırınımı), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), TGA (Gravimetrik) analizleri ile karakterizasyonları ve antibakteriyel özellikleri incelenmiştir. 
Yeşil sentez yöntemi ile bakır tuzu, ceviz yaprağı ekstraktı ile oda sıcaklığında reaksiyona bırakılmıştır. CuO oluşumunu gösteren kahverengimsi renk değişimi, 72 saat bekletilen çözeltilerde görülerek nanopartikül oluşumu varlığı gözlemlenmiştir. Daha sonra numuneler 300 ºC, 400 ºC ve 500 ºC de 2 saat kalsine edilerek XRD analizi ile karakterize edilmiştir. XRD sonuçları incelendiğinde, D14 numunesi haricindeki tüm analizlerde kristal yapılı CuO NP'leri oluşumu gerçekleşmiştir. D17 numunesinde CuO NP dışında, CuSO4 oluşumunu içeren safsızlık piklerine rastlanmıştır. D14 numunesinde ise sadece Cu varlığı görülmüştür. XRD analizindeki 2θ değerleri ile Debye-Scherrer denklemi kullanılarak numunelerin kristal boyutları ve kafes parametreleri hesaplanmıştır. Numunelere ait ortalama kristal boyutları 13,39 nm- 25,26 nm, kafes parametreleri ise 4,96 A°-6,79 A° aralığındadır. SEM analizi ile D5 numunesinin yüzey morfolojileri incelenerek, ortalama 14 µm partikül boyutuna sahip küresel ve homojen yapılı nanopartiküllerin varlığı görülmüştür. 
Termogravimetrik (TGA) analiz ile kalsine edilmeyen D9 numunesinde bakır oksit nanopartiküllerinde çok fazla ağırlık kaybı olduğu görülmüştür. İlk aşamada, 200 ºC altında numune üzerinde kalan ve adsorbe edilen suyun buharlaşmasından dolayı ağırlık kaybı görülmektedir. Diğer aşamada ise 200 ºC'den sonra ani bir ağırlık kaybı görülmüştür. 200 ºC ve üzerindeki sıcaklıklarda oluşan nanopartiküller dekompoze olmuştur. 
Box-Behnken deneysel tasarımdaki verilere göre sentezi etkileyen parametrenin ekstrakt miktarı olduğu görülmüştür. Tasarım programına göre kristalin boyutu verileri ve MFK (Minimum fungisidal konsantrasyon) değerleri incelediğinde D12 numunesinin gerçekleşme koşulları, optimum koşullara sahip deney olarak ortaya çıkmıştır. Bu koşullar incelendiğinde optimum koşullar; bakır tuzu konsantrasyonu 0,125 M, kalsinasyon sıcaklığı 300 ºC, ceviz yaprağı ekstraktı miktarı %5, kristalin boyutu 24,51 nm ve MFK değeri 113,051 µg/mL olduğu görülmüştür. Yapılan mikrobiyolojik analizlere göre tüm numuneler 250 µg/mL konsantrasyonda antibakteriyel etki gösterirken, bunun yanı sıra D8, D12, D13 ve D17 numaralı numuneler başarılı antifungal etki göstermiştir.

Abstract:
Thanks to the great interest in nanotechnology in recent years, a number of studies have been carried out by scientists to measure the effect of nanotechnology in fields such as medicine, industry, agriculture. 
 As a result of the integration of bio and nano techniques, the biological synthesis of nanomaterials, known as biotechnology, was born from nanotechnology. In recent years, nanotechnology has offered safe, non-toxic, environmentally friendly and clean methods for the synthesis of metal nanoparticles as an alternative to chemical and physical methods.
The synthesis of nanoparticles by plants, which connects nanotechnology and plant biotechnology, is a green synthesis approach. This method, which forms nanoparticles using plant extracts for the bioreduction of metal ions, attracts a lot of attention. 
Walnut, one of the frequently used plant extracts, is a plant with a wide range of uses and is famous for its many benefits in the field of health and medicine from past to present. Juglans Regia (Walnut) has been the subject of many researches due to its antibacterial, antimicrobial, antioxidant and antifungal effects. 
Copper, which has been used as an antimicrobial agent for many years, reveals a strong antibacterial activity. It is known that copper nanoparticles (Cu NPs) show broad antibacterial activity against different gram positive and gram negative bacteria.
In this study; copper oxide nanoparticles (CuO NPs) were synthesized by green synthesis method using walnut leaf (Juglans Regia L.) plant extract. The surface methodology based on Box-Behnken experimental design was applied, based on three synthesis parameters: copper salt amount, walnut leaf extract amount and calcination temperature. 17 test samples given in the Box-Behnken experimental design system were prepared and their optimization was carried out with the experimental design. Characterization and antibacterial properties of the produced CuO NPs were investigated by XRD (X-Ray Diffraction), SEM (Scanning Electron Microscopy), TGA (Gravimetric) analysis.
With the green synthesis method, copper salt was left to react with walnut leaf extract at room temperature. The brownish color change indicating CuO formation was observed in the solutions that were kept for 72 hours, and the presence of nanoparticle formation was observed. Afterwards, the samples were calcined at 300 ºC, 400 ºC and 500 ºC for 2 hours and characterized by XRD analysis. When the XRD results were examined, crystalline CuO NPs were formed in all analyzes except the D14 sample.Apart from CuO NP, impurity peaks including CuSO4 formation were found in D17 sample.In the D14 sample, only presence of Cu was observed.The crystal sizes and lattice parameters of the samples were calculated using the 2θ values in the XRD analysis and the Debye-Scherrer equation.The average crystal sizes of the samples are between 13.39 nm - 25.26 nm, and the lattice parameters are in the range of 4.96 A°-6.79 A°. By examining the surface morphologies of the D5 sample with SEM analysis, the presence of spherical and homogeneous nanoparticles with an average particle size of 14 µm was observed. 
With thermogravimetric (TGA) analysis, it was observed that there was a lot of weight loss in the copper oxide nanoparticles of D9 sample, which was not calcined. In the first stage, a weight loss is observed due to the evaporation of absorbed water on the sample at a temperature below 200ºC. In the other stage, a sudden weight loss was observed after 200 ºC. Nanoparticles formed at temperatures of 200 ºC and above were decomposed.
According to the data in the Box-Behnken experimental design, it was seen that the parameter affecting the synthesis was the amount of extract. When the crystalline size data and MFC (Minimum fungicidal concentration) values were examined according to the design program, the realization conditions of the D12 sample emerged as an experiment with optimum conditions. When these conditions are examined, the optimum conditions are; copper salt concentration was 0.125 M, calcination temperature was 300 ºC, walnut leaf extract amount was 5%, crystalline size was 24.51 nm and MFK value was 113,051 µg/mL. According to the microbiological analysis, all samples showed antibacterial effect at 250 µg/mL concentration, while samples D8, D12, D13 and D17 showed successful antifungal effects.