Cıva(II) iyonuna karşı seçici ve hassas kromenilyum-siyanin tabanlı yeni bir kemodozimetrenin geliştirilmesi
Development of a new chromenylium-cyanine based chemodosimeter selective and sensitive for mercury(II) ion
Yazar: MUHAMMED İKBAL GÜNDÜZ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Analitik kimya = Analytical chemistry ; Anorganik kimya = Inorganic chemistry ; Organik kimya = Organic chemistry

Özet:
Kimyasal sensörler bakımından geniş bir kullanım alanına sahip olan rodamin bileşiği, 1905 yılında m-aminofenol ve ftalik anhidritin bir Lewis asidi varlığında reaksiyona sokulmasıyla ilk kez sentezlenmiş olup, ksanten grubunun bir türevidir. Bu bileşiklerle gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, benzersiz tespit mekanizmalarına ek olarak, yüksek floresans verimi, yüksek molar absorpsiyon katsayısı ve uzun uyarım ve emisyon dalga boyları gibi özellikleri sayesinde son derece hassas ve doğrudur. Kapalı spirolaktam halkası nedeniyle geniş bir pH aralığında zayıf floresans özellik gösteren rhodamin türevleri, bir analit varlığında veya asidik koşullarda bu halkasının açılması ile kantitatif analiz yapılmasına olanak tanır. Bu süreç, molekül boyunca π-bağı konjugasyonunun sağlanmasıyla bileşiğin güçlü bir floresans göstermesine ve absorpsiyon ve emisyon dalga boylarının artmasına neden olur. Yakın kızılötesi (NIR) kimyasal sensörler, biyolojik ve çevresel analizlerde geniş kullanım alanı bulmaktadır. Bu sensörlerin tercih edilme sebeplerinden biri, NIR bölgedeki absorpsiyon ve emisyonların cihaz arka plan gürültüsünü minimize etmesidir. Ayrıca, NIR ışığın yüksek doku penetrasyon kabiliyeti, hücre içi çalışmalarda daha derin görüntüleme sağlar ve bu dalga boyunda hücreye zarar verme olasılığı önemli ölçüde azalır. Özellikle rhodamin-siyanin (veya kromenylium-siyanin) türevli kimyasal sensörler, NIR bölgede faaliyet gösterdikleri ve rhodamin türevli bileşiklerde benzersiz tespit mekanizmalarına sahip oldukları için yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu sensörler, biyolojik sistemlerde daha hassas, doğru ve güvenilir analizlerin gerçekleştirilmesine olanak tanıyarak önemli avantajlar sunar. Cıva, doğada son derece toksik bir ağır metal olup, düşük konsantrasyonlarda bile yaşamı tehdit eden ciddi riskler teşkil edebilir. Merkezi sinir sistemi organları başta olmak üzere birçok organda ciddi patolojik etkiler gösterebilir. Az miktarda cıvaya maruz kalan bireyler, kısa sürede merkezi sinir sistemi bozuklukları ve endokrin disfonksiyonları gibi belirtiler sergilemeye başlarlar. Ayrıca, kardiyak aritmler ve renal disfonksiyonlar da cıva zehirlenmesinin diğer klinik belirtileri arasında yer alır. Cıvanın vücuttan atılamaması ve biyotransformasyona uğramaması, onun daha tehlikeli bir metal haline gelmesine neden olur. Vücutta biyoakümülasyona uğrayarak birikmesi, merkezi sinir sistemi üzerindeki nörotoksik etkilerini artırır. Cıvanın toksisitesi evrensel olarak kabul edilmiştir ve ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA) tarafından yapılan değerlendirmelere göre, günlük cıva maruziyeti vücut ağırlığı kilogramı başına 0.1 μg'ı aşarsa, cıva birikimi ölümcül sonuçlara yol açabilir.
Bu sebeplerden ötürü, cıva konsantrasyonunun doğru ve hızlı bir şekilde belirlenmesi büyük önem arz etmektedir. Günümüzde cıva tayini için Atomik Absorpsiyon Spektrometresi (AAS) ve İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) gibi analitik teknikler kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemler, yüksek maliyetli cihaz ve ekipman gereksinimi, karmaşık numune hazırlık süreçleri ve nitelikli personel ihtiyacı gibi dezavantajlara sahiptir. Alternatif olarak, florometrik ölçümler sağlayan kimyasal sensörler, duyarlılık, seçicilik, düşük maliyetli ekipman gereksinimi, basit ve hızlı numune hazırlık süreçleri gibi avantajları nedeniyle artan bir ilgi görmektedir. Özellikle bu sensörlerin kullanım kolaylığı ve gerçek zamanlı analiz yapabilme kabiliyetleri, onları biyolojik ve çevresel analizlerde cazip kılmaktadır.
Bu tez çalışmasında, fenil izotiyosiyanat modifikasyonlu kromenilyum-siyanin bazlı bir sensör platformu (NIR9) sentezlenerek, hem UV-Gör hem de floresans teknikleri kullanılarak NIR9 probu üzerinden Hg2+ iyonlarının analizi gerçekleştirilmiştir. Sentetik sürecin ardından, probun moleküler karakterizasyonu, NMR spektroskopisi, IR spektroskopisi ve yüksek çözünürlüklü kütle spektrometrisi (HRMS) gibi yöntemlerle detaylı olarak yapılmış ve bileşik yapısı açıkça tanımlanmıştır. Normal şartlarda soluk sarı renkte olan NIR9 probe çözeltisi, Hg2+ iyonlarının varlığında koyu yeşil renge dönüşmekte ve bu değişiklik sonucunda 750 nm'de güçlü bir floresan emisyonu gözlenirken, UV-Gör spektrumunda 715 nm'de yeni bir absorpsiyon bandı ortaya çıkmaktadır. Hg2+iyonlarına karşı seçici ve hassas olan probun titrasyon çalışmaları detaylı bir şekilde yürütülmüş ve elde edilen verilere göre, tespit limitleri UV-görünür ve floresans titrasyon ölçümleri için sırasıyla 3,7 × 10-8 M ve 2,3 × 10-8 M olarak belirlenmiştir. NIR9 kimyasal sensörünün Hg2+ için yanıt süresi, Uv-gör deneylerle 20 dakika olarak ölçülmüştür. Ayrıca, diğer metal iyonlarının girişimi incelenmiş ve sadece Cu2+ iyonunun Hg2+ cevabını etkilediği gözlemlenmiş, bu durum UV-Gör ve florometrik çalışmalarla doğrulanmıştır. NIR9 probu içme suyu, göl suyu ve çeşme suyu gibi gerçek numunelerde Hg2+ iyonlarını başarıyla analiz edebilmiş ve bu probun pratik uygulamalarda etkinliğini göstermiştir. Sonuç olarak, UV-Gör ve floresans teknikleriyle çift kanallı analiz yapabilen, fenil izotiyosiyanat modifikasyonlu rhodamin-siyanin tabanlı seçici ve hassas bir Hg2+ kimyasal sensörü literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Rhodamine compounds have long been revered in the field of chemical sensors for their remarkable ability to detect a wide array of analytes with high sensitivity and precision. The journey of rhodamine began in 1905 when it was first synthesized through the reaction of m-aminophenol with phthalic anhydride in the presence of a Lewis acid. This synthesis process produced a compound that belongs to the xanthene group, a class of dyes known for their vibrant fluorescence and photostability. Rhodamine derivatives have since become indispensable in scientific research, particularly due to their unique detection mechanisms, which are facilitated by their high fluorescence quantum yield, substantial molar absorption coefficient, and long excitation and emission wavelengths. These characteristics make rhodamine derivatives highly effective in analytical applications, where accuracy and sensitivity are paramount. One of the defining features of rhodamine derivatives is their behavior in different pH environments. Typically, these compounds exhibit weak fluorescence over a broad pH range due to the presence of a closed spirolactam ring structure. This ring, however, can be opened in the presence of specific analytes or under acidic conditions, leading to a significant change in the compound's optical properties. When the spirolactam ring opens, there is an increase in both fluorescence emission and absorption wavelengths, which is attributed to the establishment of π-bond conjugation across the entire molecule. This transformation enables the quantitative analysis of various substances, making rhodamine derivatives incredibly versatile in the field of chemical sensing. In recent years, the development of Near-Infrared (NIR) chemical sensors has further expanded the utility of rhodamine derivatives, particularly in biological and environmental analyses. NIR sensors are favored in these applications because absorption and emission in the NIR region help to minimize background noise, a common issue in optical detection methods. The ability of NIR light to penetrate tissues deeply also enhances the capability for intracellular imaging, which is crucial for advanced biological studies. Moreover, NIR light is less likely to cause damage to cells, making it a safer option for long-term imaging applications. Within this context, chemical sensors based on rhodamine-cyanine or chromenilium-cyanine structures have gained prominence. These sensors operate in the NIR region and leverage the unique detection mechanisms of rhodamine derivatives, thereby offering significant advantages in terms of sensitivity, accuracy, and reliability. Mercury (Hg), a heavy metal of extreme toxicity, is one of the most concerning pollutants due to its severe impact on human health and the environment. Even at low concentrations, mercury poses life-threatening risks, particularly due to its ability to bioaccumulate in the body. The central nervous system is especially vulnerable to mercury toxicity, with exposure leading to a range of pathological effects, including neurological disorders and endocrine dysfunctions. Mercury's toxicity is compounded by its resistance to biotransformation and excretion, meaning that once it enters the body, it tends to remain there, causing progressive damage over time. 
Clinical symptoms of mercury poisoning can include cardiac arrhythmias, renal dysfunctions, and severe neurotoxic effects, making the detection and quantification of mercury in various environments a critical public health priority. The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) has highlighted the dangers of mercury, stating that daily exposure exceeding 0.1 μg per kilogram of body weight can be fatal. Given the significant health risks associated with mercury exposure, the accurate and rapid determination of mercury concentrations in environmental and biological samples is paramount. Traditional analytical techniques, such as Atomic Absorption Spectrometry (AAS) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), are commonly used for mercury detection. These methods, while highly sensitive, are not without their drawbacks. They typically require expensive equipment, involve complex sample preparation processes, and necessitate the involvement of skilled personnel. Furthermore, these techniques may not be suitable for on-site analysis or real-time monitoring, limiting their utility in certain scenarios. As a result, there has been growing interest in the development of alternative methods for mercury detection, particularly those that utilize chemical sensors. Fluorometric sensors, in particular, have garnered attention due to their high sensitivity, selectivity, low-cost equipment requirements, and the ability to conduct simple, fast, and real-time analyses. These characteristics make fluorometric sensors especially attractive for biological and environmental applications. In light of these challenges, this thesis focuses on the development of a novel sensor platform based on phenyl isothiocyanate-modified chromenilium-cyanine, designated as NIR9, for the selective and sensitive detection of Hg2+ ions. The NIR9 probe operates through both UV-Vis and fluorescence techniques, offering dual-channel detection capabilities that enhance its analytical performance. The synthesis of the NIR9 probe was meticulously carried out, followed by comprehensive molecular characterization using techniques such as Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, Infrared (IR) spectroscopy, and High-Resolution Mass Spectrometry (HRMS). These characterization methods confirmed the structure of the NIR9 compound, providing a solid foundation for subsequent analytical studies. The NIR9 probe exhibits distinctive optical properties, notably its colorimetric and fluorometric responses in the presence of Hg2+ ions. In its unbound state, the NIR9 probe is a pale-yellow solution. However, upon interaction with Hg2+ ions, the solution undergoes a dramatic color change to dark green, indicating the formation of a complex between the probe and the mercury ions. This interaction also results in strong fluorescence emission at 750 nm and a new absorption band at 715 nm in the UV-Vis spectrum. These changes in the probe's optical properties are indicative of the successful detection of Hg2+ ions, with the potential for both qualitative and quantitative analysis. Detailed titration studies were conducted to evaluate the sensitivity and selectivity of the NIR9 probe towards Hg2+ ions. The results of these studies revealed that the NIR9 probe is highly sensitive, with detection limits determined to be 3.7 × 10-8 M M for UV-Vis measurements and 2.3 × 10-8 M for fluorescence titration measurements. The response time of the NIR9 chemical sensor for Hg2+ ions was also assessed, with a rapid detection time of 20 minutes observed in UV-Vis experiments. Importantly, the probe's selectivity was tested against a range of other metal ions to assess potential interference. The studies showed that only Cu2+ ions had a significant impact on the Hg2+ response, which was thoroughly validated through both UV-Vis and fluorometric analyses.
The practical applicability of the NIR9 probe was further demonstrated through its successful use in analyzing Hg2+ ions in real-world samples, including drinking water, lake water, and tap water. These experiments underscored the effectiveness of the NIR9 probe in detecting mercury in complex matrices, highlighting its potential for environmental monitoring and public health applications. In conclusion, this thesis presents the development of a novel, selective, and sensitive Hg2+ chemical sensor based on phenyl isothiocyanate-modified rhodamine-cyanine. The NIR9 probe operates through dual-channel analysis, utilizing both UV-Vis and fluorescence techniques, and offers a robust platform for mercury detection in various settings. This work contributes significantly to the field of chemical sensing by introducing a new tool for the accurate and reliable determination of mercury, with implications for both environmental monitoring and biological analysis.