Metal organik kafes yapılarının kuvars kristal mikrobalans sensör üzerinde uygulamaları
Metal organic cage structures applications on quartz crystal microbalance sensor
Yazar: ÇAĞLA PİLAVCI
Danışman: PROF. DR. TİMUR CANEL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
İlk olarak 1990'larda geliştirilen Metal Organik Yapılar/Kafesler (MOF), moleküllerin kendiliğinden bir araya gelip bağ oluşturmasıyla hem organik hem de inorganik moleküllerden oluşan kristal hibrit malzemelerdir. MOF'lar gözenekli, yüksek yüzey alanına sahip, gözenek boyutu ve topolojisi ayarlanabilir bir grup olarak birçok alanda istenen kullanıma uygun tasarım çalışmaları olan bir yapıdır. Bu nedenle MOF'ların birçok alanda uygulaması bulunmaktadır. Bunlar; gaz ayrımı, kataliz, karbondioksit yakalama, su adsorpsiyon ve desorpsiyonu olarak sıralanabilmektedir. MOF'ların kimyasal sensörlerin performanslarının artırılmasında anahtar rol oynayan algılayıcı arayüzey malzemeler, sensör duyarlılığı ve seçiciliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. MOF'lar, gazlar ve buharlarla yüksek etkileşim yetenekleri, gaz molekülleri için kolay erişilebilir katmanlar oluşturma, yüksek kararlılık ve sağlamlık gibi birçok özelliğe sahiptir. Günümüzde Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensörler kimyasal tanı alanlarında kullanılmaktadırlar. Kimyasal sensörler Uçucu Organik Bileşikler (UOB) başta olmak üzere çeşitli toksik bileşikleri algılamada sensör olarak kullanılmaktadır. Böylelikle seçilmiş farklı MOF yapılı bileşiklerin QCM üzerinde Uçucu Organik Bileşikler'e (UOB) karşı sensör özellikleri incelenmiştir. Öncelikle, MOF'lar için uygun kaplama yönteminin geliştirilmesi, sensör kaplama ve katman karakterizasyonu, seçilmiş UOB'ler (12 adet analit) ile sensör testleri, sensör performans karakterizasyonu ve son olarak performans değerlendirmesi yapılmıştır. Yapılacak ölçümler kapsamında kimyasal sensörlerin data analizi, sensör tepkisi, duyarlılık, tepki zamanı sabiti, kararlılık, tersinirlik, tekrarlanabilirlik çalışmaları yapılmıştır. Sensörün kararlılığı, daha uzun zaman aralıklarında yapılacak olan tekrarlanan ölçümlerle test edilmiştir. Bu şekilde, test edilen tüm MOF'lar, algılama malzemeleri olarak performanslarında tam olarak karakterize edilmiştir. Ölçüm sonucunda QCM'ler kuru havada yüksek tepki verirken, nemli havada da yüksek tepki vermişlerdir. 12 adet analit içinden QCM üzerine kaplanan MOF yapıya en iyi tepkiyi veren asetonitril ve metanol analitleri olmuştur (850-1000 MHz arasında değişmektedir). İlk sonuçlar MOF yapılı maddelerin QCM sensör üzerinde kullanımı için oldukça ümit verici olmuştur. Böylelikle MOF yapıların QCM sensör üzerinde çalışmaları hakkında şimdiye kadar az veri bulunan sensörler için yeni bir arayüzey malzeme olmuştur.

Abstract:
Metal Organic Structures/Cages (MOFs), first developed in the 1990s, are crystalline hybrid materials consisting of both organic and inorganic molecules by spontaneously assembling and forming bonds. MOFs are a porous structure with high surface area, adjustable pore size and topology, and have been designed for use in many areas. For this reason, MOFs have applications in many areas. These; They can be listed as gas separation, catalysis, carbon dioxide capture, water adsorption and desorption. Sensing interface materials, where MOFs play a key role in improving the performance of chemical sensors, have a significant impact on sensor sensitivity and selectivity. MOFs have many features such as high interaction abilities with gases and vapors, creating easily accessible layers for gas molecules, high stability and durability. Today, Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensors are used in chemical diagnostic fields. Chemical sensors are used as sensors to detect various toxic compounds, especially Volatile Organic Compounds (VOCs). Thus, the sensor properties of selected compounds with different MOF structures against VOCs were examined on QCM. First of all, the development of a suitable coating method for MOFs, sensor coating and layer characterization, sensor tests with selected VOCs (12 analytes), sensor performance characterization and finally performance evaluation were carried out. Within the scope of the measurements to be made, data analysis of chemical sensors, sensor response, sensitivity, response time constant, stability, reversibility and repeatability studies were carried out. The stability of the sensor was tested by repeated measurements over longer time intervals. In this way, all tested MOFs were fully characterized in their performance as sensing materials. As a result of the measurement, QCMs showed a high response in dry air and a high response in humid air. Among the 12 analytes, acetonitrile and methanol analytes responded best to the MOF structure coated on QCM (varying between 850-1000 MHz). The first results are very promising for the use of MOF-structured materials on the QCM sensor. Thus, MOF structures have become a new interfacial material for sensors for which little data has been available so far on their operation on the QCM sensor.