Pestisit tayini için moleküler baskılama temelli yüzey plazmon rezonans ve kuvars kristal mikroterazi sensörlerin hazırlanması
Preparation of molecular imprinting based surface plasmon resonance and quartz crystal microbalance sensors for pesticide determination
Yazar: OĞUZ ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE BAYSAL
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Kimya = Chemistry
Dizin: Pestisitler = Pesticides

Özet:
Sunulan çalışmanın amacı, çevre sularında eser miktarda bulunan organik fosforlu insektisit dimetoat ve karbamatlı insektisit karbofuranın tayinine yönelik, moleküler baskılama yöntemi kullanılarak kuvars kristal mikroterazi (QCM) ve yüzey plazmon rezonans (SPR) sensörlerinin hazırlanmasıdır. Hazırlanan QCM ve SPR sensörlerin yüksek seçiciliği, doğruluğu, hassasiyeti, daha düşük tayin limitlerine inilmesi ve çevre suyu örnekleri üzerindeki uygulamaları sıvı kromatografisi üçlü kuadrupol (tandem) kütle spektrometresi (LC-MS/MS) tekniği ile karşılaştırmalı olarak yapılmıştır. 
Çalışmanın ilk aşamasında, hedef molekülle etkileşmesi için uygun yapıda fonksiyonel monomer olarak seçilen N-metakriloil-L-triptofan metil ester (MATrp) FTIR-ATR çalışmaları ile karakterize edildi. QCM ve SPR sensör çiplerinin altın yüzeylerine pestisit baskılanmış (MIP) poli(etilenglikol dimetakrilat-N-metakriloil-(L)-triptofan metil ester) (poly(EGDMA-MATrp)) nanofilmler tutturuldu. Ayrıca baskılanmamış (NIP) nanofilmler aynı yöntemle sadece ortama hedef molekül eklenmeksizin sentezlendi. Hazırlanan QCM ve SPR sensör çipleri, atomik kuvvet mikroskobu (AFM), elipsometre, FTIR-ATR ve temas açısı ölçümleri ile karakterize edildi. Kalınlık ölçümleri ve AFM görüntüleri, nanofilmlerin homojen ve hemen hemen tek tabakalı olduğunu göstermektedir. Karakterizasyon çalışmalarının ardından elde edilen pestisit baskılanmış ve baskılanmamış sensör çipleri QCM ve SPR sensör sistemlerine bağlanarak hedef moleküle ait kinetik ve afinite bağlanma çalışmaları yapıldı. Dimetoat ve karbofuran için belirleme alt limitleri (LOD) sırasıyla QCM için 5.35 ng/L ve 4.89 ng/L, SPR için 8.37 ng/L ve 7.11 ng/L olarak hesaplandı. Baskılanmış nanofilmlerin, baskılanmamış nanofilmlere göre hedef moleküle daha fazla duyarlılık gösterdiği belirlendi. Adsorpsiyon kinetikleri farklı derişimlerdeki pestisit çözeltilerinin QCM ve SPR sensör sisteminden geçirilmesiyle belirlendi. Langmuir adsorpsiyon modeli, bu afinite sistemleri için en uygun model olarak bulundu. Pestisit baskılanmış nanofilmlerin seçiciliğini göstermek için yarışmalı adsorpsiyon deneyleri yapıldı. Sensörlerin tekrar kullanılabilirlikleri birer hafta arayla altı tekrar ile yapıldı. Örnek çalışma olarak dört farklı çevre suyu örneğine her bir pestisit için 10 ng/L standart eklenmesi (spike) yapılarak analizler gerçekleştirildi.
Çalışmanın ikinci aşamasında, sıvı kromatografisi iyon tuzaklı/uçuş zamanlı kütle spektrometresi (LC-MS IT-TOF) cihazında hazırlanan metot ile pestisitlerin parçalanma iyonları ve virgülden sonra dört haneye kadar tam kütleleri (exact mass) belirlendi. Belirlenen tam kütleler ve parçalanma iyonları doğrultusunda LC-MS/MS cihazı ile kalitatif ve kantitatif analiz için pestisitlere özgü kapsamlı bir metot hazırlanarak validasyon çalışmaları yapıldı. Dimetoat ve karbofuran için belirleme alt limitleri (LOD) sırasıyla 16.92 ng/L (R2=0.999) ve 20.47 ng/L (R2=0.999) olarak hesaplandı. LC-MS/MS sisteminde, örnek çalışma olarak dört farklı çevre suyu örneğine her bir pestisit için 500 ng/L standart eklenmesi (spike) yapılarak analizler gerçekleştirildi. QCM ve SPR sensör sistemlerinin farklı derişimlerdeki bağlanma doğruluğunu belirlemek için sensör sistemlerinde çalışılan standart çözeltiler arasında üç farklı derişim (10-100-1000 ng/L) belirlendi. Bu derişimlerin sensör sistemlerindeki adsorpsiyon öncesi ve adsorpsiyon sonrası örnekleri alındı ve LC-MS/MS cihazı ile analizler yapıldı. Analiz sonucunda, sensör sistemlerinin yüksek seçiciliği ve doğruluğu LC-MS/MS ile doğrulandı.
Sonuç olarak; Moleküler baskılama temelli QCM ve SPR sensörlerin, hem sulu çözeltilerden hem de doğal kaynaktan pestisit tayini için LC-MS/MS tekniği ile karşılaştırma deneyleri yapılarak hazırlanan sensör çiplerinin yüksek seçiciliği, doğruluğu, hassasiyeti ve daha düşük tayin limitlerine inilebildiği belirlendi.

Abstract:
The aim of this study is preparation of quartz crystal microbalance (QCM) and surface plasmon resonance (SPR) sensors using molecular imprinting method for determination of organic phosphorous insecticide dimetoate and carbamated insecticide carbofuran, which are present in trace amount in environmental waters. High selectivity, accuracy, sensitivity, lower detection limits and application in environmental water samples of QCM and SPR sensors were carried out comparatively by liquid chromatography triple quadruple (tandem) mass spectrometer (LC-MS/MS). 
In the first stage of this study, N-metacryloyl-L-tryptophan methyl ester (MATrp), which was selected as a proper functional monomer to interact with a target molecule was characterized by FTIR-ATR. Pesticide imprinted (MIP) poly(ethylenglycol dimethacrylate-N-methacryloyl-(L)-tryptophan methyl ester) (poly(EGDMA-MATrp)) nanofilms were attached to gold surfaces of QCM and SPR sensor chips. Furthermore, non-imprinted (NIP) nanofilms were synthesized by the same method except without addition of target molecule to medium. The QCM and SPR sensor chips were characterized by atomic force microscope (AFM), elipsometer, FTIR-ATR and contact angle measurements. Thickness measurements and AFM images show that almost all nanofilms are monolayered. Then, kinetic and affinity binding of the target molecule were investigated by binding the pesticide imprinted and non-imprinted sensor chips to QCM and SPR sensor chips. The limit of detection (LOD) for dimethoate and carbofuran was calculated to be 5.35 ng/L and 4.89 ng/L for QCM, 8.37 ng/L and 7.11 ng/L for SPR, respectively. Imprinted nanofilms were found to show high sensitivity towards the target molecule than non-imprinted ones. Adsorption kinetics was determined by passing pesticide solutions at different concentrations through QCM and SPR sensor systems. Langmuir adsorption model was found as the most proper model for these affinity systems. Competitive adsorption experiments were performed to display selectivity of pesticide imprinted nanofilms. The reusability of the sensors was done by repeating once time in a week for a six week. As a case study, four different environmental waters were analyzed by adding standard 10 ng/L (spike) for each pesticide.
In the second part, fragmentation ions and exact mass of the pesticides until four digits after decimal points were determined by a method prepared at a liquid chromatography mass spectroscopy ion trap / time of flight (LC-MS IT-TOF) instrument. According to these exact masses and fragmentation ions, a comprehensive method was prepared by LC-MS/MS for qualitative and quantitative analysis of the pesticides to perform validation. The limit of detection (LOD) were found to be 16.92 ng/L (R2=0.999) and 20.47 ng/L (R2=0.999) for dimetoate and carbofuran, respectively. As a case study, four different environmental waters were analyzed by adding standard 500 ng/L (spike) for each pesticide in LC-MS/MS system. To determine binding accuracy of QCM and SPR sensor systems at different concentrations, three different concentrations (10-100-1000 ng/L) were selected out of the standard solutions in the sensor systems. The samples at these concentrations were taken from the sensor systems before and after adsorption, which were then analyzed by LC-MS/MS. As a result of the analysis, the high selectivity and accuracy of the sensor systems was confirmed by LC-MS/MS.
As a conclusion; the sensor chips were found to have high selectivity, accuracy, sensitivity and lower detection limits obtained from comparison experiments of molecular imprinted QCM and SPR sensors to determine pesticide in both aqueous solutions and natural source by LC-MS/MS.