Subftalosiyanin temelli moleküllerin antibakteriyel ve fotokatalitik özelliklerinin incelenmesi
The investigation of antibacterial and photocatalytic properties of subphthalocyanine based molecules
Yazar: BUKET GÜNTAY
Danışman: DOÇ. DR. EMRE ASLAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Fotokatalitik hidrojen üretimi doğal fotosentez sürecinden esinlenerek geliştirilen enerji elde etme yöntemlerinden biridir. Bu sistem; yarıiletkenler, boyar maddeler, elektron verici madde ve görünür ışık uyarımı altında gerçekleşmektedir. Boyar madde duyarlı fotokatalizörler özellikle güneş enerjisi dönüşümü alanında umut verici bir yaklaşım olan, güneş ışığı veya görünür ışık altında fotokatalitik olarak suyun ayrıştırılmasını gerçekleştirmek için kullanılmaktadır. Bulaşıcı hastalıkların önlenmesi, önemli araştırma çabalarının odak noktasıdır. Son yıllarda, oksidatif stres ile mikroorganizmaların inaktivasyonuna dayanan fotoantimikrobiyal tedavi, yeni araştırmalar geliştirmektedir.  Fotosentezdeki elektron transferi, yük ayırma görevleri olan klofillere yapısal benzerliğinden dolayı, porfirinler, ftalosiyaninler, profinoid türevleri ve subftalosiyaninler (SubPc), fotokatalitik su ayrıştırmada boyar madde duyarlılaştırıcı olarak yaygın kullanılmaktadır.
Bu tez çalışmasında SubPc'lerin aksiyal konumlarında karboksilik asit içeren, çevresel konumda hacimli, yüksek elektron verme ve düşük agregasyona uğrama özelliği taşıyan tiyofen (SubPc1) ve tiyol (SubPc2) grupları içeren ve fonksiyonel grup barındırmayan (SubPc3) yeni SubPc türevleri sentezlenmiş, bunlar TiO2 ile birleştirilerek (SubPc1/TiO2, SubPc2/TiO2 ve SubPc3/TiO2) fotokatalizörleri sentezlenerek, optik ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. SubPc/TiO2 yapıların Pt yardımcı katalizörü ile optimizasyon çalışmaları, elektron verici çözelti (TEOA) optimizasyonu, fotokimyasal (fotoelektrokimyasal ve fotokatalitik) hidrojen üretimi ve morfolojik karakterizasyonları incelenmiştir. Fotokatalitik süreç (belirlenen optimum değerlerle) elektron verici TEOA reaksiyon ortamında H2PtCl6'in fotodepozisyonu ile elde edilen Pt yardımcı katalizörü varlığında ve yokluğunda incelenmiştir. Optik özellikler ve elektrostatik potansiyel (ESP) çalışmaları çevresel konumda tiyol grubu bulunduran SubPc2/TiO2'in 7,86 Debye ile daha yüksek dipol momenti, diğer SubPc'lere göre daha fazla polerize edilebilirliği ve daha güçlü moleküller arası etkileşime sahip olmasına ve belirlenen enerji band aralığı ile fotouyarılmış elektronları TiO2'in iletim bandına transferini kolaylaştırmasıyla SubPc1/TiO2 ve SubPc3/TiO2 fotokatalizörlerine göre daha yüksek hidrojen üretimi gerçekleştirmiştir. SubPc2/TiO2, 5,208 mmol·g−1·h−1 hidrojen oluşum hızıyla, boyar madde duyarlı üç fotokatalizör arasında en iyi fotokatalitik aktiviteyi göstererek, hidrojen üretim sonuçları SubPc2/TiO2 > SubPc1/TiO2 > SubPc3/TiO2 sırasını izlemektedir. Fotoantimikrobiyal etki karanlık ve aydınlık koşullar altında Staphylococcus aureus (S. aureus), Escherichia coli (E. coli) ve metisiline dirençli S. aureus (MRSA) patojen bakterileri üzerinde çalışılarak bakterilerin fotoantimikrobiyal sonuçlarını aydınlatmak amacıyla optik yoğunluk (OD) spektroskopisi, taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ve floresans mikroskopisi ile desteklenmiştir. Fotoantibakteriyel aktivite SubPc1/TiO2 ve SubPc2/TiO2 yapıları E. coli, S. aureus bakterileri için LED ışık ışınımı kullanıldığında yaklaşık %100'e varan antibakteriyel etkiler ölçülmüştür. Ayrıca bakteriler floresan mikroskobu kullanılarak boyanarak canlı-ölüm analizi yapılmış ve SEM analizi ile bakteriyel morfolojik değişiklikler araştırılmıştır. SubPc/TiO2 türevlerinin fotoantibakteriyel mekanizması, band seviyeleri kullanılarak ışık ışıması altında ROS üretimi aydınlatılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlara göre Fotokimyasal hidrojen üretimi ve fotoantimikrobyal aktiviteleri paralellik göstermiştir.

Abstract:
Photocatalytic hydrogen production is one of energy harvesting methods developed inspired by the natural photosynthesis process. This system operates with semiconductors, dyes, electron donor materials, and under visible light excitation. Dye-sensitized photocatalysts, particularly promising in the field of solar energy conversion, are utilized for photocatalytic water splitting under sunlight or visible light. Preventing infectious diseases is a focal point of significant research efforts. In recent years, photoantimicrobial therapy based on oxidative stress and microbial inactivation has been advancing through new research. Due to their structural similarity to chlorophylls, which perform electron transfer and charge separation tasks in photosynthesis, porphyrins, phthalocyanines, porphyrinoid derivatives, and subphthalocyanines (SubPc) are widely used as dye sensitizers in photocatalytic water splitting.
In this thesis study, new SubPc derivatives containing thiophene (SubPc1) and thiol (SubPc2) groups with carboxylic acid in their axial positions, bulky substituents in the peripheral position, high electron-donating, and low aggregation properties, along with a functional group-free SubPc3, were synthesized. These were then combined with TiO2 to synthesize photocatalysts (SubPc1/TiO2, SubPc2/TiO2, and SubPc3/TiO2), and their optical and electrochemical properties were investigated. Optimization studies of SubPc/TiO2 structures with Pt co-catalyst, electron donor solution (TEOA) optimization, photocatalytic (photoelectrochemical and photocatalytic) hydrogen production, and morphological characterizations were conducted. The photocatalytic process (with determined optimum values) was investigated in the presence and absence of electron donor TEOA medium and Pt co-catalyst obtaining from H2PtCl6 by in situ photodeposition. Optical properties and Electrostatic Potential (ESP) studies revealed that SubPc2/TiO2 containing a thiol group in the peripheral position had a higher dipole moment of 7.86 Debye, making it more polarizable and having stronger intermolecular interactions compared to other SubPcs. Moreover, due to the determined energy band gap facilitating the transfer of photoexcited electrons to the conduction band of TiO2, SubPc2/TiO2 achieved higher hydrogen production compared to SubPc1/TiO2 and SubPc3/TiO2 photocatalysts. SubPc2/TiO2 exhibited the best photocatalytic activity among the three dye-sensitized photocatalysts with a hydrogen formation rate of 5.208 mmol·g−1·h−1, following the order of SubPc2/TiO2 > SubPc1/TiO2 > SubPc3/TiO2. The photoantimicrobial effect was investigated on Staphylococcus aureus (S. aureus), Escherichia coli (E. coli), and methicillin resistant S. aureus (MRSA) pathogenic bacteria under dark and light conditions to elucidate the bacteria's photoantimicrobial outcomes, supported by optical density (OD) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and fluorescence microscopy. The photoantibacterial activity of SubPc1/TiO2 and SubPc2/TiO2 structures showed antibacterial effects of up to approximately 100% when LED light irradiation was used for E. coli and S. aureus bacteria. Additionally, bacteria were stained using fluorescence microscopy for live-death analysis, and bacterial morphological changes were investigated via SEM analysis. The photoantibacterial mechanism of SubPc/TiO2 derivatives was elucidated under light irradiation using band levels to explain ROS production. According to the experimental results obtained, photochemical hydrogen production and photo antimicrobial activities showed parallelism.