Değişik fonksiyonel gruplara sahip kaliksaren molekülleri kullanılarak organik uçucu gaz sensörlerinin geliştirilmesi
Developing volatile organic gas sensors by using calixarene molecules with different functional groups
Yazar: CEM BAYTÖRE
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖMER MERMER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmamızda, nanoteknoloji temelli kimyasal sensör cihazları tasarladık. Bu sensörler, değişik fonksiyonel gruplara sahip kaliksaren moleküllerinden oluşturulacaktır. Sensörler, iki elektrodun kapalı bir elektrik devresi oluşturmak için bir elektrokimyasal hücre teşkil etmesi mantığı ile çalışır. Deneylerde, Uçucu organik gaz olarak, etanol, propanol, cloroform, dicloromethane kullanılmıştır. Sensörlerin bu gazlara karşı hassasiyetleri ölçülmüştür. Arıca oluşturduğumuz sensörlerin, farklı VOG ların farklı, SCCM (standard cubic centimeter) değerlerindeki davranışları incelenmiştir. 
Uçucu organik bileşikler (Volatile Organic Compound - VOC) varlığı tüm dünyada VOC çevresel düzenlemelerin artırılması nedeniyle önemli bir sorun haline gelmiştir. Uçucu organik bileşiklerin oluşturduğu atıklar özellikle son dönemlerde insan sağlığı üzerinde hayati olumsuz etkilemektedir. Birçok organik uçucu gaz, karaciğer veya sinir sistemi sorunları, üreme güçlüğü ve kanser riski gibi ciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadır. Ayrıca bazı uçucu gazlar, bizi güneşin zararlı UV ışınlarından koruyan ozon tabakasının yok etmektedir. Bazı uçu gazlar ise ozon tabakasının stratosferin alt katmanlarında parçalamanın yanı sıra dünyanın yüzeyindeki troposfer tabakasında ozon oluşmasına neden olmaktadır. Bu durumda gerek insan sağlığı gerekse çevre bakımından çok zararlıdır.
Kaliksarenler, mükemmel adsorption kabiliyetleri, stabilitesini uzun zamanlı olarak koruyabilme, zeolit kapasite özelliklerinden ve teknolojik avantajlarından dolayı, sensör uygulamalarında hayati organik malzemelerdir. Alt ve üst kenardaki fonksiyonel grupların seçicilik özellikleri tepkime sırasında konak ve konuk etkileşimlerinde seçicilik özelliklerini ve bunların fiziksel özelliklerini belirler.  Aynı zamana da kalikserenler alt ve üst kenarlarından kolayca fonksiyonelleşebilir.
Kuartz kristal mikrobalans tekniği ile nanogram mertebesindeki kütle değişimlerini ölçebilmekteyiz. Bu sayede elektrota ince film olarak kaplanan malzemelerin gaz tutma ve bırakma özelliklerini inceleyebiliriz. Ölçüm işleminin temeli Piezoelektrik etkiye dayanır. Sauerbrey ilişkisine göre kristal elektrotundaki kütle değişimi, titreşen kristal elektrotta belirli bir frekans kaymasına neden olur. Bu değişim QCM metodu ile ve bilgisayardaki arayüz programı ile bu frekans kaymaları sayılarak ölçüm işlemi ekrana yansıtılır.
Bu tez çalışmasında, AT-kesim QCM altın elektrotlar üzerine farklı fonksiyonel gruplara sahip kaliksarenler damlatma methodu ile kaplanmıştır. Kaplanan bu malzemeler organik uçucu gazları algılayıcı malzemelerdir.  Bu elektrotlar üzerine bilgisayar kontrollü olacak şekilde farklı konsantrasyon oranlarında organik uçucu gaz gönderilmiştir. Organik uçucu gaz olarak etanol, propanol, diklorometan, kloroform kullanılmıştır. Kuartz kristal mikrobalans metodu ile de gazların algılayıcı malzemeye karşı, hassasiyetleri, karşı bağlanma ve serbest kalma kinetikleri ve tekrarlanabilir algılama performansları incelenmiştir. Ayrıca bu algılayıcı malzemelerin farklı gazlara olan seçicilik özellikleri de incelenmiştir. 

Anahtar sözcükler: Organik Uçucu gazlar, gaz sensörü, Kaliksaren, Kuartz Kristal Mikrobalans, etanol, propanol, diklorometan, kloroform.

Abstract:
In this study, we have designed a nanotechnology based chemical sensor devices. These sensors will be created by calixarene molecules that have various functional groups. Sensors are the electrochemical cells and they constitute closed electric circuits. In the experiments, as volatile organic gas, ethanol, propanol, chloroform, dichloromethane were used and sensors sensitivities against these gases were measured. In addition to these, it was also examined that the sensors behaviors against different gases which has different SCCM (standard centimeter cubic) values. It is observed that experimental results are very satisfactory.
The presence of volatile organic compounds due to increasing environmental regulations all over the world has become a major problem. Wastes of volatile organic compounds affects seriously to human health in recent years. Many organic volatile gases cause so many big problems for nervous, genital and digestive systems such as cancer risk. In addition to these, some of volatile gases destroys the ozone layer that protect us from the harmful UV rays of sun. Morover some of volatile gases cause comprising ozone gases on outer layer of world which is called troposphere layer. This circumstance is life sustaining in the case of human health and living environment.
Calixarenes are the vital organic materials in sensor applications due to having excellent adsorption ability, having zeolite capacity, preserving their stability in long-term and technological advantages. Selectivity properties of functional groups which is modified to lower and upper rims defines the selectivity and physical properties of host and guest interactions during the reaction. Calixarenes can easily become in a functional condition by modifying the structure according to their below and upper rims values.
Mass changes which are in the order of nanogram can be measured today with the help of Quartz Crystal Microbalance Technique. So that it is possible to examine gase suppression and resignation properties of materials which are covered by a thin film over an electrode. The fundementals of this measurements rely on piezoelectricity effect. According to Sauerbrey relation, the mass change in the cyristal electrode cause a significant frequency shift in the vibrating cyristal electrode. This frequency changes are counted by QCM methode and screened to the monitor.
In this study, calixarenes which have different functional groups are covered on the AT-Cut QCM electrodes by dropping method. These covering materials are the ones which sense the organic volatile gases. Those gases are sent over the electrodes in different concentration rates by the control of a computer. As organic volatile gases ethanol,propanol, dichloromethane and chloroform are used.By using Quartz Crystal Microbalance Technique; sensibility,bonding - releasing kinetics and quotable sensing performances of volatile gases are analysed.Besides, properties of these sensor materials versus different gases are analysed as well.

Keywords: Volatile organic gases, gas sensor, calixarene, Quartz Crystal Microbalance, ethanol, propanol, dichloromethane, chloroform.