Manyetit-altın hibrit nanopartiküllerin sentezi, karakterizasyonu ve mikroyapıların eldesinde kullanılması
Synthesis and characterization of magnetite-gold hybrid nanoparticles and their usage in microstructure fabrication
Yazar: ERDEM ALP
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Son yıllarda manyetik demir oksit nanopartiküllerin sentezine olan ilgi özellikle hedefli ilaç taşınımı, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), manyetik hipertermi ve biyo algılama gibi uygulamalar nedeniyle hızla artmaktadır. Manyetik demir oksit nanopartiküller fiziksel ve kimyasal olarak kararlı olmalarının yanı sıra, üretimleri ucuz, biyouyumlu ve çevresel olarak güvenilirdir. Bu avantajlarından hareketle bu tez çalışmasında birlikte çöktürme ve ısıl bozunma yöntemleriyle demir oksit nanopartiküller sentezlenmiştir. Isıl bozunma yöntemiyle eş boyut dağılımına sahip, kararlı ve kümeleşme eğilimi göstermeyen demir oksit nanopartiküller elde edilirken; kolay, ucuz ve hızlı bir sentez yöntemi olan birlikte çöktürme yöntemiyle hidrofilik Fe3O4 nanopartiküller elde edilmiş, aynı zamanda sentez parametreleri de değiştirilerek sentez için önemli optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Böylece hem hava hem de N2 ortamında dar boyut dağılımına sahip süperparamanyetik demir oksit nanopartiküller (SPION'lar) sentezlenerek bu yönteme etki eden faktörler detaylı bir şekilde ortaya konmuştur. Son yıllarda bilim insanlarının ilgisini çeken başka bir konu da çok fonksiyonlu hibrit nano partiküllerdir. Özellikle manyetik demir oksit nanopartiküllerle birlikte plazmonik ve optik özellikleri, biyouyumlu olmaları ve kolay yüzey modifikasyonu ile ön plana çıkan altın nanopartiküllerin oluşturduğu Au-Fe3O4 dambıl nanopartiküller birçok avantaja sahiptir. İki tarafı da farklı ligandlarla kolayca modifiye edilebilen bu yapılar, optik ve manyetik özelliklerinin de avantajını kullanarak katalizör ve biyomedikal uygulamalar başta olmak üzere farklı kullanım alanları için önemli bir potansiyel taşımaktadır. Burada yapılan çalışmada ise Au-Fe3O4 dambıl nanopartiküllerin farklı boyutlardaki altın nanopartiküllerle ve farklı indirgeyici ajanlarla sentezi gerçekleştirilmiş, ayrıca yüzey modifikasyonları yapılarak söz konusu yapılar amfifilik hale getirilmiştir. Gerek manyetit nanopartiküller, gerekse Au-Fe3O4 dambıl nanopartiküller tek başlarına birçok uygulama alanı için potansiyel yapılar olsalar da, bu partiküllerin bir araya gelerek oluşturduğu kapsüller hem aktif maddelerin enkapsülasyonu, hem de bu partiküllerden ileri gelen eşsiz özellikleriyle daha da önemli hale gelmektedirler. Bu amaçla inorganik nanopartiküllerden oluşturulan kapsüller son yıllarda sıkça çalışılmıştır. Bu kapsül yapılarından biri, manyetik nanopartiküllerin su hava ara yüzeyinde kendiliğinden bir araya gelerek oluşturduğu sıvı bilyelerdir. Bu yapılar, minyatür kimyasal reaktörlerden manyetik alanla yönlendirilebilen mikro sıvı depolarına kadar bir çok uygulama alanı bulmasıyla büyük bir ilgi çekmeye başlamışlardır. Bu nedenle bu çalışmada manyetik sıvı bilyelerin elde edilmesi hedeflenmiş, tez çalışmasının ilk bölümünde sentezlenen hidrofilik manyetit nanopartiküller uygun yüzey modifikasyonu yapılarak hidrofobik hale getirilmiş ve farklı hacimlerdeki su damlaları toz halindeki hidrofobik manyetit nanopartiküller üzerinde yuvarlanarak sıvı bilyeler başarıyla elde edilmiştir. Ayrıca Janus partiküller de kapsül oluştururken tercih edilen diğer yapılardır. İki yüzü de farklı ıslanabilirliğe sahip olan Janus partiküller, su/yağ ara yüzeylerine olan ilgileri nedeniyle Pickering emülsiyon oluşturmak için dikkat çeken yapılardır. Bu şekilde oluşturulan yapılar genellikle mikron üstü kapsüller olup, mikron altı kapsüllerin oldukça az görüldüğü ve ancak son yıllarda yapılan çalışmalarda bu konunun ön plana çıktığı anlaşılmaktadır. Bu nedenle Au-Fe3O4 dambıl nanopartiküllerle bu tarz yapıların eldesi hedeflenmiş ve literatürde ilk defa bu çalışmada amfifilik Au-Fe3O4 dambıl nanopartiküllerle Pickering emülsiyonlar oluşturulup 143,91  22,20 nm'lik çapa sahip kapsüller elde edilmiştir. Bu tez çalışmasında, farklı sentez yöntemleri ve yüzey modifikasyonlarıyla çeşitli manyetit ve altın nanopartiküller sentezlenmiş, ayrıca bu nanopartiküllerin kendiliğinden kümeleşmesiyle önemli kullanım potansiyeline sahip çok yönlü kapsül yapılar başarıyla elde edilmiştir.

Abstract:
In recent years, there has been growing interest to the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles due to their potential use in several application areas such as targeted drug delivery, magnetic resonance imaging (MRI), magnetic hyperthermia and biosensing. Along with their physical and chemical stability, magnetic iron oxide nanoparticles are biocompatible, environmentally safe and inexpensive to produce. In this study, magnetic iron oxide nanoparticles are synthesized with co-precipitation and thermal decomposition methods by taking into consideration of these advantages. Thermal decomposition method has provided monodisperse particles with high stability whereas, with co-precipitation method, relatively hydrophilic Fe3O4 nanoparticles can be synthesized, which may give rise particles that have tendency to agglomerate. For that reason, parameters that control the synthesis of nanoparticles needs to be optimized for the co-precipitation method. Thus, as a result of the optimization of this method, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) with narrow size distribution are obtained in both air and N2 atmosphere. In addition to SPIONs, multi functional hybrid nanoparticles also have drawn attention of scientists. Especially Au-Fe3O4 dumbbell nanoparticles consisting of biocompatible iron oxide and gold nanoparticles together possess many advantages such as giving possibility to modify the surface of both sides by using different ligands or using the advantages of optical and magnetic properties of particles all together. These structures will have big potential for different usage areas such as biomedical or catalysis applications. In this study, Au-Fe3O4 dumbbell nanoparticles are synthesized by utilizing Au nanoparticles with different sizes and different reducing agents. Furthermore, by modifying the surfaces of these structures with a hydrophilic ligand, amphiphilic dumbbell nanoparticles are obtained. Although both magnetite and dumbbell nanoparticles have large potential in different applications, self-assembled structures of them as in the form of capsules draw more attention. One example for these capsules is liquid marbles, which are composed via self assembly of magnetic nanoparticles at air/water interface. Marbles hold a very important place since they can be used in a wide range of applications from miniature reactors to magnetically manipulable micro liquid storages. In this study, hydrophilic magnetite nanoparticles, which are synthesized at the first part of the study, are turned into hydrophobic nanoparticles by the modification of their surfaces with appropriate ligands and by rolling the water droplets over these particles, liquid marbles are successfully obtained. Amphiphilic dumbbell nanoparticles synthesized in this study hold another advantage for the capsule formation. Both sides of these particles possess different wettability and they can be used for formation of Pickering emulsions since they can adsorb to water/oil interface, easily. However, capsules formed by these structures are micron-sized and it is understood that there is lack of submicron sized capsules in the literature. For this reason, it is aimed to obtain these type of capsules by the self assembly of amphiphilic Au-Fe3O4 dumbbell nanoparticles and for the first time in the literature 143,91  22,20 nm sized capsules are obtained by using Pickering emulsion method. Overall, in this study, different magnetite and gold nanoparticles are synthesized by different methods. Their surfaces are decorated to help the formation of different self-assembled structures which can find their use in different applications.