Berilyum(II) iyonuna karşı seçici ve hassas yeni kimyasal sensörlerin geliştirilmesi
Development of selective and sensitive new chemical sensors for Beryllium(II) ion
Yazar: ÖZGÜR YAVUZ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Analitik kimya = Analytical chemistry ; Anorganik kimya = Inorganic chemistry ; Kimyasal sensör = Chemical sensor ; Metaloftalosiyaninler = Metallopthalocyanines ; Sübstitüe ftalosiyaninler = Substituted phtalocyanines

Özet:
Berilyum, yüksek erime noktası ve yüksek oksitlenme direncine sahip olma, düşük yoğunluk ve korozyona karşı yüksek dayanıklılığı gibi üstün özelliklerinden ötürü savunma, nükleer reaktör endüstrisi, uzay, havacılık, otomotiv, petrokimya ve telekomünikasyon gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılan metaldir. Öte yandan, berilyum metali radyoaktif olmadığı halde en toksik element olarak bilinmektedir ve belirli dozda berilyuma maruz kalmış işçilerde Kronik Berilyum Hastalığı görülme riski oldukça yüksektir. Uluslararası Kanser Araştırma Ajansı (IARC) kansere sebebiyet veren ajanlar sınıflandırmasında berilyumu 2A grubunda sınıflandırılmıştır. Dünyada ortalama maruz kalma miktarı 0,9 ppb olup bu değer ABD'nin bir kurumu olan Mesleki Güvenlik ve Sağlık İdaresinin standardı olan 2 ppb değerinin altındadır. Berilyum, kadimiyum ve kurşun gibi diğer toksik özelliğe sahip metallerle kıyaslandığında, çalışılan bölgelerde izin verilen maruziyet düzeyi 100 kat daha az olması gerektiği belirtilmiştir. Tüm bu sebeplerden ötürü, yoğun endüstrileşme bölgelerinde ultra eser miktarda berilyumun dikkatle takibi insan sağlığı ve çevrenin korunumu açısından oldukça önemlidir.
Literatürde eser miktarda Be2+ nin tayini için voltametri, potansiyometri (iyon-seçici membran elektrot olarak), spektrofotometri, florometri, atomik absorpsiyon spektrometrisi, elektron yakalama dedeksiyonlu gaz kromatografisi, induktif eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi (ICP-MS), induktif eşleşmiş plazma atomik emisyon spektrometrisi (ICP-AES) ve fotonükleer aktivasyon gibi yöntemler mevcuttur. Fakat bu yöntemlerin birçoğu, yöntemin hassasiyetinin düşük olması, matriks dayanıklılığın zayıf olması, uzun zaman alması, uygulamadaki zorluğu ve yüksek maliyet gibi sebeplerden dolayı çok kullanışlı ve pratik görülmemektedir. Özellikle eser miktarda berilyum tayininde kullanılan elektrotermal AAS veya ICP-MS gibi cihazlar oldukça pahalı ve karmaşık yapıda olup doğru ölçümler yapabilmek için iyi yetişmiş ve deneyimli operatörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenlerden ötürü özellikle son yıllarda Be2+ iyonunun tayininde seçici, ultra hassas, uzun ömürlü, kısa cevap süreli ve geniş doğrusal aralıklı gibi analitik özelliklere sahip yeni kimyasal sensörlerin geliştirilmesine ve en önemlisi pratik uygulamalarına yönelik çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır.
Buna bağlı olarak, tez çalışmaları kapsamında orjinal nitelikte kimyasal problar geliştirilmiş ve bu çalışmalar boyunca  elde edilen tüm bileşikler NMR, FTIR, kütle spektroskopisi (MALDI-TOF ve HRMS), X-ışını kırınımı analizi, dinamik ışık saçılımı gibi iyi bilinen yöntemlerle karakterize edilmiştir. 
Çalışmalarımızda tasarlanan problar için iskelet yapı olarak ftalosiyanin makrohalkası seçilmiştir. Bu yapı fotokimyasal ve fotofiziksel olarak oldukça kararlı olup, tasarlanan problara uzun ömürlü olma özelliği sağlamıştır. Ftalosiyanin molekülü sahip olduğu konjuge 18-π elektron sistemiyle görünür bölgede şiddetli absorpsiyon ve emisyon yapmaktadır. Ayrıca çevresel ve çevresel olmayan konumlardan fonksiyonlandırılabilmesi ve sayısız merkez metal seçeneği ile bu bileşikler fotofiziksel ve fotokimyasal olarak istenilen özelliklere sahip olacak şekilde sentezlenebilmektedir.
Tez çalışmasında, ftalosiyanin makrohalkası türevlendirilirken periferal konumlarına 9-taç-3 eter, ve N,N-dimetil aminofenil grupları ilave edilerek, bu tez kapsamında asimetrik yapıda ftalosiyanin molekülleri elde edilmiş (P—A3BZnPc, Q—A3BZnPc ve O—A2B2ZnPc) ve bu moleküller Be2+ iyonunun seçici ve hassas olarak tespiti için kullanılmıştır.
Tez çalışmaları kapsamında, probların iskelet yapısını oluşturan ftalosiyanin makrohalkasına doğrudan bağlı 9-taç-3 eter, ve N,N-dimetil aminofenil gruplarının seçilme sebebi şunlardır:   
(1)	9-Taç-3 eter molekülünün, sahip olduğu halka çapı büyüklüğü ve uygun konformasyonal yapısı sayesinde, Be2+ iyonunlarını seçici bir şekilde bağlama özelliği literatürde kanıtlanmıştır. Tasarlanan kimyasal sensörün Be2+ iyonuna karşı seçiciliği benzo-9-taç-3 eter yapı üzerinden sağlanmıştır. 
(2)	Makrohalkaya doğrudan bağlı 9-taç-3 eter ve N,N-dimetil aminofenil grupları, asimetrik ftalasiyanin moleküllerinin floresans kabiliyette olmasını sağlamıştır. 
(3)	Ftalosiyanin makrohalkasına bağlı taç eter sayısında ayarlamalar yaparak, ligand-metal etkileşim kuvvetinin değişimi ve buna bağlı kimyasal sensörün hassasiyetindeki değişim incelenmiştir.
(4)	Makrohalkaya bağlı N,N-dimetil aminofenil gruplarının kuaternize edilmesiyle suda çözünebilir yapıda kimyasal prob (Q—A3BZnPc) geliştirilerek sulu ortamda analiz imkanı sağlanmıştır.
Bu tez çalışmasıyla, tüm bu yaklaşımların sonucunda ftalosiyanin moleküllerine dayalı, iki farklı yöntem (UV-Vis ve floresans) kullanılarak eser miktarda Be2+ tayini gerçekleştirilebilmiştir.
Elde edilen problar, çeşitli iyonlar varlığında (Li+, Na+, K+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ ve Pb2+) herhangi bir yanıt vermezken, Be2+ varlığında ciddi değişimlere uğramış, UV-Vis ve floresans yöntemleri ile bu değişimler takip edilmiştir.
Be2+ ilavesinden sonra, UV-Vis spektrumunda P—A3BZnPc probuna ait ana Q bandında (685 nm) belirgin bir düşüş gözlemlenirken, 731 nm'de yeni bir bant oluşmuştur. Floresan spektrumunda ise, proba ait 702 nm'deki ana emisyon bandının Be2+ ilavesiyle önemli oranda azaldığı görülmüştür. Diğer metal iyonlarının varlığı probun cevabını etkilemeyerek herhangi bir girişime sebebiyet vermemiştir. P—A3BZnPc molekülünün, Be2+'nin kantitatif analizi için uygulanan UV-Vis titrasyon metoduyla birlikte, 731 nm de oluşan yeni band ve 685 nmdeki azalan Q bandının oranına karşı (A731/A685), Be2+ konsantrasyonu grafiğe dökülerek doğrusal bir kalibrasyon eğrisi elde edilmiş (3,99×10-7 M – 1,96×10-5 M (4-199 ppb)) ve tayin edilebilme sınırı (LOD= 3α/eğim) 2,85×10-7 M (2,86 ppb) olarak hesaplanmıştır. Floresans çalışmasında prob için azalan floresans şiddetine karşı, Be2+ konsantrasyonu ile doğrusal bir kalibrasyon grafiği elde edilmiş (2,0×10-7 M – 7,95×10-6 M (2-81 ppb)) ve tayin edebilme sınırı 2,54×10-7 M (2,6 ppb) olarak hesaplanmıştır. 
Q—A3BZnPc probu için ise Be2+ ilavesinden sonra 690 nmde ana Q bandında ciddi oranda düşüş ve 745 nmde yeni bir absorpsiyon bandı oluşmuştur. Floresans spektrumunda ise proba ait 706 nm'deki ana emisyon bandının Be2+ ilavesiyle ciddi oranda azaldığı görülmüştür. Q—A3BZnPc molekülünün Be2+'nin kantitatif analizi için uygulanan UV-Vis titrasyon metoduyla birlikte, 690 nmdeki azalan Q bandının şiddetine karşı (A690), Be2+ konsantrasyonu grafiğe dökülerek doğrusal bir kalibrasyon eğrisi elde edilmiş (1,6×10-6 M – 2,5×10-5 M (16-256 ppb)) ve tayin edilebilme sınırı 1,7×10-6 M (17,23 ppb) olarak hesaplanmıştır. Floresans çalışmasında ise, azalan floresans şiddetine karşı, Be2+ konsantrasyonu ile doğrusal bir kalibrasyon grafiği elde edilmiş (5,70×10-6 M – 5,98×10-5 M (58-598 ppb)) ve tayin edebilme sınırı 1,41×10-6 M (14,3 ppb) olarak hesaplanmıştır.
O—A2B2ZnPc probu için Be2+ ilavesinden sonra 694 nmde ana Q bandında ciddi oranda düşüş ve 746 nmde yeni bir absorpsiyon bandı oluşmuştur. Floresans spektrumunda ise proba ait 712 nm'deki ana emisyon bandının Be2+ ilavesiyle ciddi oranda azaldığı görülmüştür. O—A2B2ZnPc molekülünün Be2+'nin kantitatif analizi için uygulanan UV-Vis titrasyon metoduyla birlikte, 746 nmde oluşan yeni band ve 694 nmdeki azalan Q bandının oranına karşı (A746/A694), Be2+ konsantrasyonu grafiğe dökülerek doğrusal bir kalibrasyon eğrisi elde edilmiş (8,0×10-7 M – 1,6×10-5 M (8-160 ppb)) ve tayin edilebilme sınır değeri 2,5×10-8 M (0.25 ppb) olarak tespit edilmiştir. Floresans çalışmasında ise, azalan floresans şiddetine karşı, Be2+ konsantrasyonu ile doğrusal bir kalibrasyon grafiği elde edilmiş (2,0×10-7 M - 7,95×10-6 M (2-81 ppb)) ve tayin edebilme sınırı 1,5×10-7 M (1,5 ppb) hesaplanmıştır.
Ayrıca tüm problar için gerçek örneklerde analiz, musluk suyu örneklerinde yüksek geri kazanım değerleriyle gerçekleştirilmiştir. 
Bunlara ek olarak P—A3BZnPc probunun polimerik ve O—A2B2ZnPc probunun oligomerik yapıları DFT kullanılarak Gaussian programı vasıtasıyla kuantum mekaniksel olarak incelenmiştir.

Abstract:
Beryllium is extensively utilized in many different fields such as defense, automotive, aviation, space, telecommunications, petrochemical, and nuclear reactor industries due to its superior characteristicss such as high melting point and resistance to corrosion, low density, and high oxidation resistance. Despite beryllium metal is not radioactive, it is known as the most toxic element and leads to Chronic Beryllium Disease (CBD) in workers. Beryllium is classified in group 2A in the classification of cancer-causing agents by the International Agency for Research on Cancer (IARC). The average exposure worldwide is 0.9 ppb, below the Occupational Safety and Health Administration standard of 2 ppb. In workplaces, the permissible exposure limit is 100 times lower for toxic metals like Cd and Pb. Due to these factors, sensitive monitoring of ultra-trace amounts of beryllium holds significant importance for both human health and the environment, particularly in intense industrialized regions.
In the literature, there are many different methods such as voltammetry, potentiometry, atomic absorption spectrometry, spectrophotometry, fluorometry, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and electron capture detection for the detection of trace amounts of Be2+. However, many of these methods are not considered very useful and practical due to reasons such as low sensitivity of the method, poor matrix durability, long time analysis, difficulty in application, and high cost. Devices such as AAS or ICP-MS, especially used for the determination of trace amounts of beryllium, are quite expensive and complex, and well-trained operators are needed to make accurate measurements. Given these considerations, particularly in recent times, there is a growing demand to create new chemical sensors that possess analytical characteristics such as selectivity, ultra-sensitivity, durability, rapid response times, and broad linear detection ranges for the determination of Be2+ ions. Moreover, there is a crucial emphasis on exploring their practical applications.
Accordingly, novel chemical probes were developed within the scope of the thesis research, and all compounds synthesized in the study were characterized by well-known methods such as NMR, FTIR, mass spectroscopy (MALDI-TOF and HRMS), X-ray diffraction analysis, and dynamic light scattering (DLS).
Phthalocyanine macrocycle was chosen as the skeletal structure for the designed probes. This structure demonstrates exceptional photochemical and photophysical stability, ensuring prolonged durability for the developed probes. The phthalocyanine molecule exhibits robust absorption and emission properties within the visible spectrum, owing to its conjugated 18-π electron. In addition, with the ability to be functionalized from peripheral and non-peripheral positions and with numerous center metal options, these compounds can be synthesized to have the desired photophysical and photochemical properties.
By attaching 9-crown-3 ether and N,N-dimethyl aminophenyl groups to the peripheral positions, phthalocyanine-based chemical probes with an asymmetric structure were obtained within the scope of this thesis (P—A3BZnPc, Q—A3BZnPc and O—A2B2ZnPc), and were used for the selective and sensitive determination of Be2+ ion.
In the thesis study, the reasons for choosing the 9-crown-3 ether and the N,N-dimethyl aminophenyl groups directly attached to the phthalocyanine macrocycle, are as follows:
(1) The ability of the crown-3 ether molecule to selectively bind Be2+ ion with its ring diameter size and appropriate conformation has been proven in the literature. The chemical sensors were rendered selective to the Be2+ ion through the incorporation of the 9-crown-3 ether structure.
(2) The 9-crown-3 ether and the N,N-dimethyl aminophenyl units were directly attached to the macrocycle which provided the asymmetric phthalocyanines with fluorescence capability. 
(3) By adjusting the number of crown ethers attached to the phthalocyanine macrocycle, the change in the ligand-metal interaction force and the resulting change in the sensitivity of the chemical sensor were investigated.
(4) By quaternizing the N,N-dimethyl aminophenyl groups attached to the macrocycle, a water-soluble chemical probe (Q—A3BZnPc) was developed and provided the opportunity for analysis in the aqueous environment.
With this thesis study, as a result of all these approaches, it was possible to determine trace amounts of Be2+ using two different methods (UV-Vis and fluorescence) based on the phthalocyanine molecules.
The designed probes did not give any response in the presence of various metal ions. In the presence of Be2+, significant alterations were observed in the UV-Vis and fluorescence spectra of the probes.
After the addition of Be2+, a significant decrease was observed in the main Q band (685 nm) of the P—A3BZnPc probe in the UV-Vis spectrum, while a new band occurred at 731 nm. In the fluorescence spectrum, it was observed that the main emission band of the probe at 702 nm decreased significantly with the addition of Be2+. The probe response was not affected or interfered with by the presence of other metal ions. The UV-Vis titration method was applied for the quantitative analysis of Be2+ using the P—A3BZnPc probe, and a linear calibration curve was obtained by plotting the Be2+ concentration versus the ratio of the new band formed at 731 nm to the declining Q band at 685 nm (A731/A685) (linear range: 3.99×10-7 M – 1.96×10-5 M (4-199 ppb)) and the limit of detection (LOD= 3α/slope) was calculated as 2.85×10-7 M (2.86 ppb). In the fluorescence study, a linear calibration graph was obtained with Be2+ concentration versus decreasing fluorescence intensity for the probe (linear range: 2.0×10-7 M – 7.95×10-6 M (2-81 ppb)), and the LOD was calculated as 2.54×10-7 M (2.6 ppb). 
For the Q—A3BZnPc probe, after the addition of Be2+, there was a significant decrease in the main Q band at 690 nm and a new absorption band was formed at 745 nm. In the fluorescence spectrum, it was seen that the main emission band of the probe at 706 nm decreased significantly with the addition of Be2+. The UV-Vis titration method was applied for the quantitative analysis of Be2+ using the Q-A3BZnPc probe, and a linear calibration curve was obtained by plotting the Be2+ concentration versus the decreasing Q band at 690 nm (linear range: 1.6×10-6 M – 2.5×10-5 M (16-256 ppb)) and the detection limit was calculated as 1.7×10-6 M (17.23 ppb). In the fluorescence study, a linear calibration graph was obtained with Be2+ concentration against decreasing fluorescence intensity (linear range: 5.70×10-6 M – 5.98×10-5 M (58-598 ppb)), and the detection limit was calculated as 1.41×10-6 M (14.3 ppb).
For the O—A2B2ZnPc probe, after the addition of Be2+, there was a significant decrease in the main Q band at 694 nm and a new absorption band was formed at 746 nm. In the fluorescence spectrum, it was observed that the main emission band of the probe at 712 nm decreased significantly with the addition of Be2+. The UV-Vis titration method was applied for the quantitative analysis of Be2+ using the O—A2B2ZnPc molecule, and a linear calibration curve was obtained by plotting the Be2+ concentration versus the ratio of the new band formed at 746 nm to the decreasing Q band at 694 nm (A746/A694) (linear range: 8.0×10-7 M – 1.6×10-5 M (8-160 ppb)) and the detection limit was calculated as 2.5×10-8 M (0,25 ppb). In the fluorescence study, a linear calibration graph was obtained with Be2+ concentration against decreasing fluorescence intensity (linear range: 2.0×10-7 M – 7.95×10-6 M (2-81 ppb)) and the detection limit was calculated as 1.5×10-7 M (1.5 ppb).  
In addition, all probes were used with high recoveries in tap water samples for analyzing Be2+ in real samples.
In addition, the polymeric structures of the P—A3BZnPc probe and the oligomeric structures of the O—A2B2ZnPc probe were examined quantum mechanically via the Gaussian program using DFT.