Besin özütleri ve serumda antioksidan kapasite ölçümü için moleküler spektroskopik sensörler geliştirilmesi
Development of molecular spectroscopic sensors for measurement of antioxidant capacity in food extracts and serum
Yazar: MUSTAFA BENER
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA REŞAT APAK ; DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZYÜREK
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Reaktif oksijen türleri (ROS) birikimi organizmada mevcut olan veya gıdayla alınan antioksidanlarla dengelenmediği taktirde; oluşan `oksidatif gerilim? koşulları altında kanser, koroner kalp rahatsızlığı, hücresel yıpranma ve yaşlanma, mutajenizm, bağışıklık sistemi hastalıkları ve lipoprotein oksidasyonu ile sonuçlanan, DNA ve hücre membranları gibi biyolojik yapıların oksidatif hasarına neden olabilen radikalik zincir reaksiyonları meydana gelmektedir. Reaktif oksijen türlerinden kaynaklanan hastalıklarla savaşmanın en iyi yolu antioksidanlarca zengin gıdalar tüketerek reaktif oksijen türleri seviyesini dengelemektir. Antioksidanlar oksidasyonu engelleyen veya geciktirebilen maddelerdir. Günümüzde reaktif oksijen türlerinin canlı organizmalardan uzaklaştırılması ve bu türleri süpürebilen antioksidanların araştırılmasına olan ilgi giderek artmaktadır. Bu tez çalışmasında yeni geliştirilen moleküler spektroskopik sensörlerde amaç; besin özütlerinde ve biyolojik örneklerde toplam antioksidan kapasite (TAC) tayini için literatürdeki mevcut yöntemlerin eksikliklerini ve kısıtlamalarını ortadan kaldırabilmektir. Bu bağlamda, çalışma grubumuzca daha önce literatüre kazandırılan ve dünyada yaygın kullanım alanına sahip CUPRAC `Bakır(II) iyonu indirgeyici antioksidan kapasite? tayin yönteminin esasına bağlı kalınarak besin özütleri ve biyolojik örneklerde TAC tayini için moleküler sensör esaslı spektroskopik yöntemler geliştirilerek CUPRAC yönteminin uygulama alanı genişletilmiştir. 

Tez çalışmasında, gıda özütlerinde ve biyolojik örneklerde toplam antioksidan tayini için düşük maliyetli ve geniş kullanım alanı bulabilecek sensör esaslı spektrofotometrik yöntemler (optik sensör esaslı CUPRAC yöntemi ve fiber-optik reflektometrik CUPRAC sensör) geliştirilmiştir. Nafyon persülfolanmış bir polimerdir. Bu polimer membran hidrofobik perfloroetilen ana iskeletine sülfolanmış perfloroeter gruplarının düzenli aralıklarla bağlanmasıyla oluşmuştur. Nafyonun CUPRAC reaktifiyle türevlendirilmesi sonucu üretilen kimyasal sensör kullanımıyla geliştirilen yöntemlerde çeşitli reaksiyonlar sonucu oluşan nihai ürünlerin absorbans veya reflektans değerleri ölçülmüş ve analitlerin antioksidan kapasiteleri ile ilişkilendirilmiştir. 

Geliştirilen optik sensör esaslı CUPRAC yönteminin temelinde, CUPRAC yönteminin kromojenik oksidasyon aracı olan bakır(II)-neokuproin (Cu(II)-Nc) kompleksi katyon değiştirici polimerik membran olan nafyon film üzerinde tutturulduktan sonra antioksidan varlığında redoks reaksiyonu sonucunda oluşan Cu(I)-Nc kelatının absorbansındaki değişimler 450 nm?de ölçülmektedir. Tez kapsamında geliştirilen diğer bir sensör esaslı antioksidan kapasite tayin yöntemi olan fiber-optik reflektometrik CUPRAC sensörüne göre ise, Cu(II)-Nc reaktifinin antioksidan ile reaksiyonu sonucu Nafyon membran üzerinde oluşan Cu(I)-Nc kelatının reflektansındaki oluşan değişmeler minyatür reflektans spektrometresi kullanılarak 530 nm dalga boyunda ölçülmektedir. Böylece geliştirilen membran sensörlerin absorbans ve reflektansları farklı dalga boylarında okunmuştur. Absorptimetrik sensörden farklı olarak reflektometrik sensör, ışık geçirgenliği olmayan opak ortamlara da uyarlanabilmektedir. 

Çeşitli antioksidan bileşiklerin (C ve E vitaminleri ve polifenolik bileşikler, tiyol tipi antioksidanlar) troloks eşdeğeri antioksidan kapasite (TEAC) değerleri geliştirilen optik sensör esaslı CUPRAC yöntemi ve fiber-optik reflektometrik CUPRAC sensörü ile belirlendikten sonra orijinal CUPRAC yöntemi bulgularıyla karşılaştırılmıştır. Geliştirilen yöntemler için güvenilirliği ve hassasiyeti tanımlayan lineerlik, toplamsallık, tekrarlanabilirlik ve geri kazanım parametreleri test edilerek yöntem validasyonu yapılmıştır. Standart antioksidan bileşikler için geliştirilen yöntem bunların sentetik karışım çözeltilerine uygulanarak bulunan TAC değerleri, standart antioksidanların bireysel TEAC değerleri kullanılarak hesaplanan beklenen TAC değerleri ile karşılaştırılmıştır. Son olarak geliştirilen yöntemler besin özütleri (meyve suları, meyve posası ve baharat özütleri) ve biyolojik örnekler (inek serumu, sıçan böbrek ve karaciğer dokusu) gibi kompleks matrikslere uygulanmıştır ve elde edilen TAC değerleri orijinal CUPRAC yöntemi ile bulunan değerlere karşı valide edilmiştir. Tez çalışmasının sonucunda geliştirilen sensör esaslı yöntemler kullanılarak besin özütleri ve biyolojik örneklerde TAC tayininin daha hızlı, basit ve düşük maliyetle yapılabilmesi orijinal CUPRAC yöntemine karşı avantaj sağlamaktadır. Ayrıca geliştirilen sensörler, yakın gelecekte kit formatına dönüştürülerek daha yaygın kullanım potansiyeline de sahip olabileceklerdir.

Abstract:
Reactive oxygen species (ROS) attack various biological macromolecules (proteins, enzymes, DNA etc.) under `oxidative stress? conditions  to give rise to a number of diseases and cancer. The best way to combat such health risks is to balance these ROS through diet by the consumption of foods rich in antioxidants. Antioxidants are substances that delay or prevent the oxidation of cellular oxidizable substrates. Recently the importance of removing excessive active oxygen species from living organisms is becoming increasingly recognized, together with a growing interest in finding antioxidants that can scavenge reactive oxygen species. The aim of the developed molecular spectroscopic sensors are to resolve shortcomings and limitations of the available methods in literature for the determination of total antioxidant capacity (TAC) of food extracts and biological samples. The widely used CUPRAC (CUPric ion Reducing Antioxidant Capacity) method was originally developed and introduced to world literature by our research group.  In this context, a CUPRAC-based molecular spectroscopic sensor was developed for the determination of TAC of food extracts and biological samples so as to extend the range of application of the CUPRAC method.

In this thesis work, low-cost and widely applicable sensor-based spectrophotometric methods (optical sensor-based CUPRAC method and fiber-optic reflectometric CUPRAC sensor) were developed for the total assay of antioxidants in food extracts and biological samples. Nafion is a perfluorosulfonate polymer in which hydrophilic perfluorinated ether side chains terminate with sulfonate groups, which are periodically attached to the hydrophobic perfluoroethylene backbone. Absorbance or reflectance values of the final products formed from the testing reactions on the derivatized Nafion chemical sensor were measured, and correlated to antioxidant capacities of the analytes. 

As the basis of the developed optical sensor-based CUPRAC method, the chromogenic oxidizing reagent of CUPRAC method, copper(II)-neocuproine (Cu(II)-Nc) complex, was immobilized onto a cation-exchanger film of Nafion, and the absorbance changes associated with the formation of the highly-coloured Cu(I)?Nc chelate as a result of reaction with antioxidants were measured at 450 nm. According to another developed sensor-based antioxidant capacity method, fiber-optic reflectometric CUPRAC sensor, the reflectance changes associated with the formation of the highly-coloured Cu(I)-Nc chelate on the Nafion as a result of reaction of Cu(II)-Nc reagent with antioxidants were measured at 530 nm using miniature reflectance spectrometer. Thus, absorbance and reflectance of the sensor membranes were measured at different wavelengths. As a district difference from absorptimetric sensor, the reflectometric sensor principle can be applied to non-transparent opaque media. 

The trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC) values of various antioxidants (vitamins C and E, polyphenolics, thiol type antioxidants) using the developed optical sensor-based CUPRAC assay and fiber-optic reflectometric CUPRAC sensor were compared to those of the original CUPRAC assay. The developed methods were validated through linearity, additivity, precision and recovery, demonstrating that the assays are reliable and robust. The tests developed for single standard compounds were applied to their synthetic mixtures, and the found TAC values were compared to those theoretically expected by calculation thorough individual TEAC values of standart antioxidants. Finally, the developed methods were applied to complex matrices such as food extracts (fruit juices, fruit pomace and spices extracts) and biological samples (bovine serum, rat kidney and liver tissues) and obtained TAC values were validated against those found by original CUPRAC method.As a result of this thesis work, the developed sensor based methods offer advantages over original CUPRAC method, including the potential of being used as a rapid, low-cost, and easily applicable screening tool for TAC of  food extracts and biological samples, and prospects of future refinements of sensor-based methods to a kit format.