Piren modifiyeli rodamin-siyanin platformuna sahip, yeni sensör bileşiğinin sentezi, karakterizasyonu ve sensör çalışmaları
Synthesis, characterization and sensor studies of the new sensor compound with the pyrene modified rodamine-cyanine platform
Yazar: UTKU ERTUĞRAL
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Floresan = Fluorescence ; Rodamin = Rhodamine ; Sensörler = Sensors

Özet:
1905 yılında sentezlendiğinden bu zamana rodamin bileşiği, ksanten grupları üzerinden ve benzene bağlı fonksiyonel gruplar üzerinden birçok farklı türevleri elde edilebildiğinden ve bu türevlerin her biri farklı özelliklere sahip olduğundan, floresan kemosensör, biyo-işaretleyici ve benzeri pek çok alanda ilgi görmüştür. Rodamin türevleri genel olarak yüksek kuantum verimi, yüksek absorpsiyon katsayısı, uzun uyarma ve emisyon dalga boyları ve büyük sönümleme katsayısına sahiptir. Dolayısıyla, son yıllardaki araştırmalarda rodamin moleküllerinin fotofiziksel ve fotokimyasal avantajlarının üzerine durulmakta, bu avantajları gerçek örnekler üzerinde uygulama girişimlerine dönüştürülmektedir. Rodaminlerin genel sensör mekanizması, spirolaktam halkası üzerinden çalışmaktadır. Spirolaktam halkası, sensörün hassas
olduğu analit konsantrasyonunun artmasıyla birlikte açık konuma gelir bu değişim sonucu molekülde konjugasyon daha geniş bir alana yayılır ve sonuç olarak görünür bölgede güçlü bir absorpsiyon ve emisyon şiddeti oluşur. Ek olarak rodaminlerdeki bu spirolaktam halkasının açık-kapalı konum arasında geçiş yapabilme kapasitesi sayesinde, rodamin bileşikleri tekrar kullanılabilirlik açısından birçok kemosensöre göre daha avantajlıdır. Rodaminler, siyanin gibi başka moleküllerle modifiye edilerek yakın kızılötesi bölgede çalışabilen kemosensörler haline getirilebilirler. Bu bölgede çalışan bir sensör geliştirebilmek iki açıdan çok önemlidir. Birincisi bu bölgede çalışma yaparken hücreiçi analizlerde hücreye verilen zarar en aza indirilir. İkincisi ise bu bölgede otofloresan şiddeti veya cihaz gürültüsü gibi istenmeyen şiddetler daha az olduğundan çok daha hassas ölçümler yapılabilmektedir. Cıva, çok düşük miktarlarda bile hayati risklere sebep olabilen, doğada var olan zehirli bir ağır metaldir. Canlılarda merkezi sinir sistemi başta olmak üzere birçok organda ciddi sorunlara yol açabilmektedir. Çok az miktarlarda bile cıvaya maruz kalan bir insan kısa zamanda merkezi sinir sistemi hastalıkları ve salgı bozuklukları gibi semptomlar göstermeye başlar. Bunlara ek olarak kardiyak aritmiler ve böbrek hastalıkları da cıva zehirlenmesinin bir başka belirtisi olabilmektedir. Cıvanın vücutta parçalanmaması ve vücuttan uzaklaştırılmaması onu daha da tehlikeli bir metal yapmaktadır. Temizlenemediği için bir birikim sürecine girer ve bu biyobirikim sonucunda cıvanın merkezi sinir sisteminin üzerindeki etkileri artarak
nörotoksik sonuçlar doğurur. Cıvanın tehlikeleri bütün dünya tarafından kabul edilmiştir ve ABD Çevre Koruma Ajansı'na göre (EPA), vücut ağırlığından yola çıkılarak, günlük olarak maruz kalınan cıva miktarı kilogram başına 0,1 µg miktarını aşılması durumunda, vücutta biriken cıva artık ölümcül sonuçlara yol açabilmektedir. Tüm bu nedenlerle cıva miktarının doğru ve hızlı bir şekilde tayin edilmesi çok önemlidir. Günümüzde bilinen yöntemler arasında cıva tayini için AAS ve ICP-MS gibi analitik yöntemler kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemler pahalı cihaz ve ekipman gerektirmesi, karmaşık hazırlık süreci gerektirmesi, kalifiye-uzman eleman gerektirmesi bakımından dezavantajlıdır. Bu yöntemlere alternatif olarak florometrik ölçüm sağlayabilen kemosensörler, hem kullanım kolaylığı hem gerçek zamanlı analiz yapabilme yetenekleri başta olmak üzere, hassas, seçici, pahalı ekipman gerektirmeme, basit ve kolay hazırlık aşamalarına sahip olma gibi avantajlarından dolayı son zamanlarda daha çok ilgi görmektedirler. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında hem UV-Gör hem de floresan teknikleriyle Hg 2+ analizi gerçekleştirebilen, piren ile modifiye edilmiş, kromenilyum-siyanin tabanlı bir yakın kızıl ötesi bölgede ölçüm yapabilme özelliğine sahip sensör platformu (CS2P) sentezlenmiştir. Sentezlenen bu sensör bileşiğin karakterizasyonu X-Işını Kristallografisi, NMR, IR ve MALDI-TOF gibi yöntemlerle yapılarak, sensörün yapısı net bir biçimde aydınlatılmıştır. Çalışma koşullarında sensör DMF çözücüsü ile çözülerek çalışılmıştır. Normalde uçuk sarı renge sahip olan bu sensör çözeltisi Hg 2+ iyonu varlığında koyu yeşile dönerek hem kolorimetrik hem de bu dönüşüm sonucunda 750 nm'de şiddetli bir floresan emisyonu ve UV-Gör spektrumunda 723 nm'de yeni bir bant oluşumu görülmektedir. Hg 2+ iyonuna seçici ve hassas olan sensörün titrasyon çalışmaları yapılmıştır ve bu
veriler ışığında tespit limiti UV-Gör ve floresan titrasyon ölçümleri için sırasıyla 2,09 × 10 -8 M ve 1,27 × 10 -8 M olarak bulunmuştur. Bağlanma sabiti (K a ) değeri, UV-Gör titrasyon verileri üzerinden hesaplanmış ve 1,39 × 10 4 M -1 olarak tespit edilmiştir. Tasarlanan CS2P kemosensörünün, Hg 2+ iyonunu tayin etme süresi ise florometrik olarak incelenmiş olup 10 saniye gibi çok kısa bir sürede analite yanıt verebildiği belirlenmiştir. Daha sonra sensör ile Hg 2+ analizi yapılmasının diğer metal iyonları tarafından girişime uğrayıp uğramadığı incelenmiş ve çinko ve demir(II) katyonları hariç hiçbir metalin belirgin bir girişim göstermediği görülmüştür. Buna ek olarak, içme suyu örneklerinde Hg 2+ tespit potansiyeline sahip bir sensör olduğu UV-Gör ve florometrik çalışmaları ile ortaya konulmuştur. Böylelikle, piren modifiyeli rodamin- siyanin tabanlı, UV-Gör ve floresan olmak üzere çift kanallı analiz yapabilen, Hg 2+
iyonuna seçici ve hassas bir kemosensör literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
The reaction of phthalic anhydride and m-aminophenol in the presence of a Lewis acid produced the first rhodamine compound in 1905. Since then, rhodamine compounds have been widely used in many fields such as chemosensors, biomarkers, etc. Rhodamine molecules have significant photophysical and photochemical advantages, which is making rhodamines an important subject of research in many areas, in the recent years. Rhodamines have high fluorescence quatum efficiency, long excitation and emission wavelengths, high absorption coefficient, and large extinction coefficient. Therefore,
rhodamines are studied mainly in the chemosensor field. As rhodamine compounds can be modified both on the xanthene groups and on the benzene groups, there are many different rhodamine derivatives have been reported in the literature. Every new desing has its own unique properties. With the pH of the environment or the addition of the analyte, the spirolactam ring on the molecule opens, causing it to shine brightly in the visible region. Furthermore, the spirolactam ring's propensity to be easily reclosable indicates that they are appropriate compounds for research requiring reusability. Rhodamine compounds can be derivated by cyanines to shift their absorbance and emission values closer to the near infrared region. The reason for that is near infrared chemosensors can be used in biological studies because reduce the risk of damaging the cell in this wavelength. Also, for a better and more sensitive imaging in the cell can be done with near infrared chemosensors since the device background noise is very low in the near infrared region.
Mercury is an incredibly toxic heavy metal in nature that can cause life-threatening risks even in very low amounts. It can cause serious problems in many organs, especially in the central nervous system. A person exposed to even small amounts of mercury soon begins to show symptoms such as central nervous system diseases and secretion disorders. In addition, cardiac arrhythmias and kidney diseases can be another symptoms of mercury poisoning. The fact that mercury is not broken down and removed from the body makes it an even more dangerous metal. Since it cannot be cleaned, it enters a process of accumulation, and as a result of this bioaccumulation, the effects of mercury on the central nervous system increase, resulting in neurotoxic consequences. The dangers of mercury have been recognized by the whole world, and according to the US Environmental Protection Agency (EPA), if the daily exposure to mercury, based on body weight, exceeds 0,1 µg per kilogram, the mercury accumulated in the body can now lead to fatal results. For all these reasons, it is very important to determine the amount of mercury accurately and quickly. Among the known methods today, analytical methods such as AAS and ICP-MS are used for the determination of mercury. However, these methods are
disadvantageous in that they require expensive devices and equipment, require complex preparation processes, and require qualified-expert personnel. As an alternative to these methods, chemosensors that can provide fluorometric measurements have recently attracted more attention due to their advantages such as being sensitive, selective, not requiring expensive equipment, and having simple and easy preparation steps, especially their ease of use and their ability to perform real-time analysis. In this thesis, a pyrene-modified, chromenylium-cyanine-based sensor platform (CS2P)
capable of performing Hg 2+ analysis with both UV-Vis and fluorescence techniques has been synthesized. The characterization of this synthesized sensor compound was performed with some methods such as X-Ray Crystallography, NMR, IR and MALDI-TOF, and the structure of the sensor was clearly elucidated. The sensor was studied by dissolving it with a DMF solvent. This sensor solution, which normally has a pale yellow color, turns dark green in the presence of Hg 2+ ion, and as a result of this conversion, a strong fluorescent emission at 750 nm and a new band formation at 723 nm in the UV-Vis spectrum are observed. Titration studies of the sensor, which is selective and sensitive to Hg 2+ ion, were carried out, and in the light of these data, the detection limit was found to be 2,09 × 10 -8 M and 1,27 × 10 -8 M for UV-Visible and fluorescence titration measurements, respectively. Response time of the CS2P chemosensor for Hg 2+ is found as short as 10 seconds by fluorometric experiments. After that, the interference of other metal ions are
investigated by both UV-Vis and fuorometric studies, it was observed that zing and iron(II) showed an interference with Hg 2+ . In addition, the CS2P compound is tested to analyze Hg 2+ ions in drinking water samples, and it was observed that CS2P can successfuly analyze Hg 2+ ions in real samples such as drinking water. Thus, a selective and sensitive Hg 2+ chemosensor, which is pyrene modified rhodamine-cyanine-based, able to perform dual-channel analysis by UV-Vis and fluorescence techniques, has been added to the literature.