Sulardaki mikroplastiklerin ATR-ftır spektroskopisi ile hızlı tayini için yeni kemometrik analiz metotlarının geliştirilmesi
Development of new chemometric analysis methods for rapid determination of microplastics in water with ATR-ftir spectroscopy
Yazar: HAFİZE MERVE KESTEK
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL TARHAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Sunulan tez çalışmasında sularda en çok bulunan poliamit (PA), polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren (PS) ve polietilenterefitalat (PET) türlerinin mikroplastik (MP) formlarının aynı anda kalitatif ve kantitatif analizini hızlı ve kolay bir şekilde gerçekleştirebilmek amacıyla kemometrik yöntemlerden faydalanılarak yeni Zayıflatılmış Toplam Yansıma-Fourier Dönüşümü Kızılötesi (ATR-FTIR) spektroskopi metotları geliştirilmiştir. Bu amaçla ilgili polimerlerin standartları temin edilmiş ve uygun yöntemlerle MP formları elde edildikten sonra doğadaki MP'leri en iyi şekilde temsil edebilmeleri için laboratuvar ortamında yaşlandırma ve iklimlendirme işlemlerine tabi tutulmuştur. Elde edilen MP'lerin analizi amacıyla, kemometrik faktöriyel tasarım gereği 5 farklı MP'yi 5 farklı konsantrasyonda içeren 191 adet karışım ATR-FTIR spektrofotometresinde analiz edilmiştir. Kalitatif analizler için temel bileşen analizi (PCA) uygulanırken, kantitatif analizler için de kısmi en küçük kareler (PLS) modelleri oluşturulmuştur. Tüm spektrumların ham, 1. ve 2. derece spektrumları ve bunların farklı seviyelerde yumuşatma noktası (ham spektrum için 0, 9, 17, 25; türev spektrumlar için 3, 9, 17, 25) içeren spektrumları da alınarak her bir MP için 24, toplamda 120 adet farklı kemometrik model oluşturulmuştur. Geliştirilen PCA modellerinin istatistiksel performanslarının yorumlanmasında, ilk iki temel bileşenin yüzdeleri (PC1 ve PC2) toplamı olan özdeğeri ve açıklanan varyanstaki temel bileşenlerin (PC) sayısı parametrelerinden faydalanılmıştır. Geliştirilmiş olan PLS modellerinin istatistiksel performanslarının yorumlanmasında R-kare (R2, regrasyon katsayı) değeri, kalibrasyonun ortalama karekök hatası (RMSEC), çapraz validasyonun ortalama karekök hatası (RMSECV) ve tahminin ortalama karekök hatası (RMSEP) parametrelerinden faydalanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre tüm polimer türlerinin kalitatif ayrımı başarıyla sağlanmıştır. MP'ler için oluşturulan PCA modelleri incelendiğinde normal ve 1. derece türev spektrumlarının kullanıldığı modellerinin ulaşılan PC sayısının diğerlerine göre yüksek olduğu görülmüş ve çoğunun öz değerinin %90 ve üzeri olduğu tespit edilmiştir. PA, PE, PP, PS ve PET türlerinin kalitatif tayini için ATR-FTIR spektrumlarına sırasıyla 1. derece türev – 17 yumuşatma noktası, normal - 17 yumuşatma noktası, 2. derece türev - 25 yumuşatma noktası, 1. derece türev – 9 yumuşatma noktası ve normal - 9 yumuşatma noktası uygulanarak elde edilen PCA modelleri ile analiz edilen MP'lerin başarılı bir şekilde ayırt edilebildiği tespit edilmiştir. MP türlerinin farklı konsantrasyonlarından oluşan karışımlarının kantitatif olarak tayini için geliştirilen PLS modellerinin arzu edilen seviyede olamadıkları tespit edilmiştir. Buna rağmen normal spektrumun kullanıldığı PA, PE, PP ve PET için geliştirilen PLS modellerinin kısmi de olsa kantitatif olarak doğru sonuçlar verebildiği tespit edilmiştir. PA, PE, PP ve PET türlerinin kantitatif tayini için FTIR spektrumlarına sırasıyla normal – 9 yumuşatma noktası, normal – 0 yumuşatma noktası, normal – 0 yumuşatma noktası ve normal – 9 yumuşatma noktası uygulanarak elde edilen PLS modelleri ile bu MP'lerin doğruya yakın sonuçlarla tayin edilebildiği tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis study, new Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) spectroscopy methods were developed using chemometric methods in order to perform simultaneous qualitative and quantitative analysis of microplastic (MP) forms of the most common polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), and polyethylene terephthalate (PET) species in water quickly and easily. For this purpose, the standards of the relevant polymers were obtained and after the MP forms were obtained using appropriate methods, they were subjected to aging and climate processes in the laboratory environment in order to best represent the MPs in nature. In order to analyze the obtained MPs, 191 mixtures containing 5 different MPs at 5 different concentrations were analyzed on the ATR-FTIR spectrophotometer and principal component analysis (PCA) models were created for qualitative analysis and partial least squares (PLS) models were created for quantitative analysis due to chemometric factorial design. A total of 120 different chemometric models, 24 for each MP, were created by taking the raw, 1st and 2nd degree spectra of all spectra and their spectra containing smoothing points (0, 9, 17, 25 for raw spectrum and 3, 9, 17, 25 for derivative spectra) at different levels. In interpreting the statistical performances of the developed PCA models, the eigenvalue, which is the sum of the percentages of the first two principal components (PC1 and PC2), and the parameters of the number of principal components (PC) in the explained variance were used, while in the interpretation of the statistical performances of the developed PLS models, the R-square (R2, regression coefficient) value, the root mean square error of calibration (RMSEC), root mean square error of cross validation (RMSECV), and root mean square error of prediction (RMSEP) parameters were used. According to the results obtained, qualitative separation of all polymer types was successfully achieved. When the PCA models created for MPs were examined, it was seen that the number of PCs reached in the models using normal and 1st order derivative spectra was higher than the others, and it was determined that the eigenvalues of most of them were 90% and above. It was determined that these MPs can be successfully distinguished with PCA models obtained by applying 1st order derivative – 17 smoothing points, normal – 17 smoothing points, 2nd order derivative – 25 smoothing, 1st order derivative – 9 smoothing and normal – 9 smoothing points to the ATR-FTIR spectra for the qualitative determination of PA, PE, PP, PS and PET species, respectively. It was determined that PLS models developed for the quantitative determination of mixtures consisting of different concentrations of MP species are not at the desired level. Despite this, it was determined that the PLS models developed for PA, PE, PP and PET using the normal spectrum can give quantitatively accurate results, albeit partially. For the quantitative determination of PA, PE, PP and PET species, it was determined that these MPs can be determined with near-accurate results with the PLS models obtained by applying normal – 9 smoothing points, normal – 0 smoothing points, normal – 0 smoothing points and normal – 9 smoothing points to the FTIR spectra, respectively.