Moleküler imprint sol-jel polimer kaplı kuantum noktaların sentezi ve optik sensör uygulaması
Synthesis of quantum dots coated with molecularly imprinted sol-gel polymer for application of optical sensor
Yazar: TANER ARSLAN
Danışman: PROF. DR. ORHAN GÜNEY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Sol-jel, çözelti içindeki kolloidal parçacıkların kararlı bir süspansiyonu olan 'sol' sisteminden yola çıkılarak, sürekli bir sıvı fazla çevrelenen gözenekli, üç boyutlu sürekli bir katı ağ yapısından oluşan jelleşmenin gerçekleşmesini sağlayan tekniktir. Nanopartikül sentezinde sol-jel tekniği hızlı, hassas, enerji verimli ve nano malzemenin şekil ve büyüklük kontrolünü sağlayabilen bir yöntem olduğundan sıklıkla kullanılır. Bu yöntemle sentezlenen nanopartiküller geniş yüzey alanına, düzgün gözenek büyüklüğüne ve termal kararlılığa sahip olduklarından katalizde, kolon dolgu maddelerinde, ilaç salınım ve sensör sistemlerinde kullanılmaktadır. Sol-jel sistemlerinde, su ortamında kolayca hidroliz olabilen, kolay saflaştırılabilen ve morfolojisi kontrol edilebilen metal alkoksitler bu özelliklerinden dolayı prekürsör olarak sıklıkla kullanılırlar. Silikon alkoksitler ise, çok çeşitli türevlerinin olmasının yanında, daha düşük reaktiviteye ve daha kolay kontrol edilebilir özelliklere sahip olduğundan en çok kullanılan metal alkoksit türüdür.  
Moleküler imprint polimer (MIP) tekniği, hedef molekülün şekline ve büyüklüğüne uygun özel tanıma alanlarının oluşturulmasını sağlayan bir tekniktir. MIP'ler, anahtar kilit ya da enzim substrat ilişkisindeki gibi hedef molekülün tanınmasını sağlayan son derece seçici ve sentetik reseptörlerdir. MIP'ler hedef molekül, hedef molekülle kompleks oluşturmaya uygun tanıma bölgelerine sahip fonksiyonel monomer ve çapraz bağlayıcıdan oluşan bir karışımın polimerleştirilmesiyle sentezlenir. Moleküler imprint polimerlerin sentezlenmesinde sol-jel, elektrokimyasal ve in-situ polimerizasyon gibi farklı metodlar kullanılmaktadır. MIP sentezinde sol-jel metot, kararlılığı, seçici tanıma özelliği, şekil ve büyüklük kontrolü sağlayabilmesi ve yüksek gözenekli polimer elde edilebilmesi nedeniyle sensörlerin geliştirilmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. MIP'ler sensör sistemleri dışında, kontrollü ilaç salınımı, kromatografik ayrım, katı faz ekstraksiyonu ve immunoassay çalışmalarında da kullanılırlar. 
MIP floresans sensör geliştirmek için doğrudan ve dolaylı sentez olmak üzere iki farklı yöntem uygulanmaktadır. Doğrudan sentezlenen sensörlerde floresans bilgi, floresans özellikli hedef moleküllerden elde edilir. Dolaylı sentezde ise, floresans özellikli fonksiyonel monomer kullanımıyla ya da metal nanokümeler veya kuantum noktalar gibi floresans özellikli harici maddelerin polimer ağına gömülmesiyle optik bilgi elde edilir. Kuantum noktaların kullanılmasıyla, floresans özellikli hedef molekülden ve fonksiyonel monomerden kaynaklanan kısıtlamalar bertaraf edilmiş olur. 
Kuantum noktalar (QDs) nano boyutlu ve floresans özellikli yarı iletken kristallerdir ve çapları 2-10 nm aralığında değişmektedir. Kuantum noktaların güçlü emisyona ve stabiliteye sahip olmasının yanında, emisyon yaptığı dalgaboyunun kontrol edilip değiştirilebilir olması nedeniyle MIP sensör sistemlerinde harici floresans kaynağı olarak kullanılırlar. QDs'lerin çaplarının değişmesiyle bant boşluk enerjisi de değişmektedir. Çapları büyük olan QDs'ler kırmızı bölgede emisyon yaparken küçük olanlar ise mavi bölgede emisyon yaparlar. Değiştirilebilir ve kontrol edilebilir renk spektrumlarına sahip olmalarının yanında, suda çözünebilir olması, yüksek kuantum verimine, dar ve simetrik emisyon piklerine sahip olması diğer avantajlarıdır. QDs'ler uygun liganda sahip metal alkoksitler ya da vinilik çift bağlı moleküllerle kaplanıp uygun başlatıcı yardımıyla çapraz bağlayıcılarla kompleks oluşturabilirler ve polimer ağ yapısına gömülebilirler. 
Malahit Yeşili (MY), trifenilmetan boyalarının katyonik bir türüdür ve tekstil endüstrisinde pamuk, ipek, yün, naylon gibi malzemelerin boyanmasında kullanılmaktadır. Bunun yanısıra, antimikrobiyal ve antiparazit özellikleri nedeniyle, su ürünleri yetiştiriciliğinde dış parazitler ve mantarlar ile mücadele etme amacıyla da kullanılan bir kimyasaldır. Ancak mutajenik, karsinojenik ve teratojenik özelliklere sahip olması nedeniyle insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunmaktadır. Buna rağmen MY'nin ucuz ve kolay ulaşılabilir olması, su ürünleri yetiştiriciliğinde yasadışı olarak kullanılmasına neden olmaktadır. Bu boyaları içeren balıkları tüketen insanlarda karaciğer tümör oluşumu ve kanser gelişimi gibi büyük sağlık riskleri ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle MY'nin su ürünlerinde veteriner ilaç olarak kullanımı yasaklı olup, gıda güvenliğinin sağlanması açısından ülkemizde ve dünyada rutin izleme programlarıyla kontrolleri yapılmaktadır.
Bu çalışmada, biri diğerinden on kat fazla MPTMS içeren iki farklı Mn:ZnS kuantum nokta sentezlenmiş ve iki QDs'nin de yüzeyine N-imp-QDs sol-jel polimer kaplanmıştır. Su ortamında yapılan MY titrasyonları sonucunda optimum MPTMS konsantrasyonuna sahip olan Mn:ZnS belirlenmiş ve yüzeyine MY imprint sol-jel polimer (MY-imp-QDs) kaplanmıştır. Sentezlenen MPTMS kaplı Mn:ZnS'nin ve MY-imp-QDs'nin karakterizasyonları FT-IR, XRD, SEM ve EDS ile yapılmıştır. Hem MY-imp-QDs'nin hem de N-imp-QDs'nin MY'ye karşı olan sensör özelliğinin belirlenmesi için fosforesans spektroskopisinden yararlanılmıştır. 
MY'nin seçici olarak belirlenmesi için uygun polimer konsantrasyonu belirlenmiş ve ardından MY-imp-QDs'nin MY varlığında ve yokluğunda farklı pH'larda fosforesans spektrumları alınarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca MY'nin MY-imp-QDs ile kompleks yapma süresi araştırılmış ve ideal inkübasyon süresi tespit edilmiştir. pH 5 olan asetat tampon, su ve pH 11 olan fosfat tampon ortamlarında NaCl varlığında ve yokluğunda MY titrasyonu yapılarak 594 nm'deki pik maksimumunun değişimi gözlenmiştir. Hem N-imp-QDs'nin hem de MY-imp-QDs'nin fosforesans şiddeti üç ortamda da MY konsantrasyonuna bağlı olarak azaldığı görülmüştür. Ancak her iki QDs'nin asetat tampon ve su ortamındaki NaCl varlığında ve yokluğunda MY konsantrasyonuna bağlı fosforesans sönümleme oranları birbirine benzer olurken, fosfat tampon ortamında ve 0.1 M NaCl varlığında MY-imp-QDs'nin sönümlenme oranının N-imp-QDs'ye göre belirgin bir biçimde az olduğu görülmüştür. MY-imp-QDs'nin MY'ye karşı olan seçiciliğinin ve girişim etkisinin belirlenmesi için MY'ye yapıca benzer katyonik analog moleküllerle titre edilmiştir. Titrasyon sonucunda analog moleküllerin tek başına MY-imp-QDs'nin fosforesans şiddetini çok az değiştirdiği gözlenmiştir. Analog moleküllerin bulunduğu ortamda MY titrasyonu yapıldığında da MY-imp-QDs'nin MY'ye karşı seçici olduğu, analog moleküllerin MY'ye uygun boşluklara giremediği belirlenmiştir. Son olarak, MY-imp-QDs'nin MY'yi tayin edebilme limiti ve sensörün lineer çalışma aralığı tespit edilip literatürdeki MY imprint sensörlerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Sol-gel is the technique that enables the gelling of a porous, three-dimensional and solid network, which is a continuous liquid excess, from a stable suspension of the colloidal particles (sol) in solution. Sol-gel technique is widely used for the fabrication of both ceramic, glassy and porous materials. Synthesis of alumina, zirconia, titania, and silica nanoparticles have wide relevance due to their application in many areas because of their unique physical and chemical properties. At the last decade, noticeable efforts have been made on the improve for novel synthesis methods to prepare silica nanoparticles (˂ 100 nm). There are several techniques for synthesis silica nanoparticles such as chemical vapor deposition, microemulsion, flame spray pyrolysis and sol-gel method. Nevertheless, sol-gel technique in silica nanoparticle synthesis is frequently used due to it is fast, sensitive, energy efficient and able to provide control of shape and size of nanomaterials. On the other hand, this method can provide similar pore size and neat pore structure, thermal stability and large surface area. Due to these properties, silica nanoparticles are suitable for use in many applications such as HPLC column packing materials, catalysis, molecular separations, drug delivery, sensor and biosensors. Sol-gel process divided into two classes depend on the type and nature of the precursors; firstly, inorganic precursors including nitrates, chlorides and sulfides secondly, metal alkoxide precursors such as silicon and titanium alkoxide.  Metal alkoxides which can be easily hydrolyzed, easily purified and morphologically controlled frequently use as a precursor because of these properties in a sol-gel process. Silicon alkoxides, compared to other metal alkoxides, are the most widely used metal alkoxide type since they have a wide variety of derivatives as well as a lower reactivity and more controllable properties.
Molecular imprinting technique is the general name of the produce supplementary binding sites for the template molecule. Similarly, molecularly imprinted polymer (MIPs) technique is a multipurpose tool for the formation of particular recognition sites with protecting the size and shape of the template molecules, which is associating the principle of interaction between key and lock or enzymes and substrate. MIPs are synthesized via polymerization process in the mixture of functional monomers, template (target) molecules, and crosslinkers. End of the polymerization, template molecule is desorbed from the polymer network; thus, specific binding cavities are created for the shape and size of the target molecule. There are different methods such as sol-gel, electrochemical polymerization and in-situ polymerization technique used in the synthesis of molecular imprint polymers. MIPs have been widely used for drug delivery, immunoassays, chromatographic separations, biomimetic sensors, and solid phase extractions. MIP-QDs shows great fluorescent property with a molecular recognition site particularly to template molecules, and they are stable and cheap materials. Many MIP-QDs have been performed for food analysis, peptides or proteins, pesticides and explosives. An important step has been achieved by combining the target molecule determination of MIPs with electrochemical, piezoelectric and optical studies in order to convert it into a measurable signaling system. Especially molecular imprint based fluorescence sensors are most popular than other optical sensors due to their precision, low detection limits and simple analysis.
There are two main strategies for molecular imprint based fluorescence sensor design. İn a direct construction, target molecules should have a fluorescence property. Fluorescence signals derived from the target molecule when bound to MIP sensor. İn an indirect construction, optical information is obtained by the use of fluorescent functional monomers and fluorescent dyes or by embedding externally fluorescent materials such as metal nanoclusters or quantum dots in the polymer network. İn this way, the limitations due to the use of the fluorescent target molecule and functional monomer are eliminated.
Quantum dots (QDs) are fluorescent semiconductor types of nanocrystal materials which have many beneficial applications in the past decade owing to several chemical and optical properties. The QDs are composed of chemical elements from the II-VI, III-V, or IV-VI groups of periodic tables and their diameter change in the range of 2-10 nanometer. The colors of the QDs depend on their diameters, and this feature is the unique photophysical properties of QDs. As the diameter of the QDs increases, their fluorescence emissions shift to red. Their modifiable color spectrum has narrow and symmetric emission peak and unlike broad absorbance provide for simple analysis and detection of various target molecules. On the other hand, they have many remarkable advantages like water solubility, brilliant fluorescence, long fluorescence lifetime, high quantum yield and high stability. Therefore, QDs were helpful for widely applied to many research areas such as bio-imaging, bio-labeling, drug and gene delivery, optical sensors, Light-Emitting Diodes, QDs lasers, solar cells and nanowires. In recent years, Cd based QDs become a popular research topic because of unique optical properties, tunable size, and composition in production. But, their toxicity on the environment and living beings are major disadvantages for biomedical applications. As a result, many researchers focused on non-Cd based QDs in recent years. Semiconductor ZnS QDs which is another combination of II-IV groups, are convenient hosts for multiple types of dopants such as Mn2+, Co2+, Cu2+, Eu3+. Particularly Mn-doped ZnS QDs are remarkable material because of non-toxic, high quantum efficient and photochemically stable material.
Malachite Green (MG), is a cationic type of triphenylmethane dye which has been widely used antifungal, antibacterial and antiparasitic agent in aquaculture. Otherwise, it is used for wool, silk, cotton, leather and paper dyeing for industries. MG can cause a mutagenic, carcinogenic and teratogenic effect when exposed on human body. Therefore, many countries have been restricted or forbidden use of malachite green in the aquaculture industry and it is commonly found in aquatic living beings and environmental water. But MG has been used illegally in the fish industry because of its high efficiency and low cost. There are many research reported for detection of MG such as High Performance Liquid Chromatography (HPLC), High Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (HPLC-MS), Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) and Raman Spectroscopy. These instrumental methods show high sensitivity and high selectivity, even though they have disadvantages such as elaborate sample pretreatment steps and long time consuming before the detection.
In this study, two different Manganese-doped zinc sulfide (Mn:ZnS) capped with mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) quantum dots were synthesized. Firstly, Mn:ZnS capped with low concentration of MPTMS (coded as QDs) and secondly, Mn:ZnS capped with 10 times higher concentration of MPTMS than that of QDs (coded as H-QDs). Non-imprinted sol gel polymer has been anchored on the surface of both QDs (N-imp-QDs)  and H-QDs (N-imp-H-QDs). MG titration was performed for both quantum dot and non-imprinted sol gel polymer at the aqueous medium, and ideal Mn:ZnS capped with MPTMS was determined as QDs. After that, MG-imprinted sol-gel polymer (MG-imp-QDs) has been coated on the surface of QDs. MG-imp-QDs and MPTMS-Mn:ZnS was characterized by Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD) and Energy Dispersive X-ray (EDS) techniques. Surface imprinting property of MPTMS-Mn:ZnS (QDs) covered by MG-imprinted sol-gel (MG-imp-QDs) was elucidated by Room Temperature Phosphorescence (RTP) measurements.
Appropriate polymer concentration in the solution was determined by measuring the RTP intensities for the selective determination of MG. Then, the change in intensity of RTP emission of MG-imp-QDs in the absence and presence of MG molecules was examined depending on pH of solution. In addition, the duration of complexity between MG and MG-imp-QDs was investigated and the optimum incubation time was determined. The response of N-imp-QDs and MG-imp-QDs to MG was studied depending on pH and ionic strength of solution. When the spectrophotometric titration was carried out in acetate buffer solution (pH 5.0) and water medium, the RTP emission intensities of both N-imp-QDs and MG-imp-QDs were quenched upon increase in MG concentration. However, there was no difference in quenching ratio (P/P0) of RTP in acetate buffer and water medium for both N-imp-QDs and MG-imp-QDs sensors depending on MG concentration. Same spectrophotometric titration was carried out in phosphate buffer (pH 11) containing 0.1 M NaCl, and RTP emission intensities of both N-imp-QDs and MG-imp-QDs were quenched depending on increase in MG concentration. At these conditions, MG-imp-QDs displayed higher quenching efficiency in RTP toward MG than N-imp-QDs. The selectivity and interference studies were investigated by comparing RTP response of MG-imp-QDs in the presence of several kinds of cationic dyes such as fuchsine (FU), diamond fuchsine (DFU), crystal violet (CV), ethidium bromide (EtBr) that are analogue molecules to MG. Spectrofluorometric titration revealed that RTP emission of MG-imp-QDs was slightly affected by addition of each analogue molecules. This shows that MG-imp-QDs exhibits less responsive behavior, indicating that the analogue molecules could not enter into the recognition cavities of MG-imp-QDs. Finally, limit of detection and linear detection range of MG-imp-QDs was calculated and compared to the MG- imprinted sensors in the literature.
In conclusion, MG-imp-QDs were synthesized successfully by covering the surface of the MPTS-capped Mn-doped ZnS quantum dots with MG-templated sol-gel polymer. The results obtained by optimizing the pH and ionic strength of solution revealed that the MG-imp-QDs as an optical sensor with a property of RTP emission exhibited exclusive selectivity and high binding affinity to MG in phosphate buffer solution with 0.1 M NaCl at pH 11, where the absorption spectrum of MG molecule and RTP emission spectrum of the MG-imp-QDs nanoparticles displays very low spectral overlap. A series of binding experiments have further demonstrated that MG-imp-QDs exhibited a highly selectivity for MG over analogue molecules. The results indicated that the MG-imp-QDs provided selectivity to MG based on the interaction of the size, shape, and functionality of the template. In addition, it has promising advantages such as simple preparation, high stability, and low cost for analysis than previous methods.