Demir(III) iyonuna hassas, tiyofen ile modifiye edilmiş rodamin tabanlı yeni tip  sensörün sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları
Synthesis, characterization and applications of the iron(III) ion sensitive, thiophene modified rodamine-based new type of sensor
Yazar: HÜLYA ARIBUĞA
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: Anorganik kimya = Inorganic chemistry ; Demir iyonları = Iron ions ; Kimyasal sensör = Chemical sensor ; Rodamin = Rhodamine ; Sensörler = Sensors ; Tiyofen = Thiophene

Özet:
Rodamin bileşiği, ilk olarak 1905 yılında m-aminofenol ve ftalik anhidritin Lewis asidi varlığında gerçekleşen reaksiyonu sonucunda sentezlenmiş ve o günden beri pek çok alanda kullanılmıştır.
Ksanten grubunun bir üyesi olan rodamin moleküllerinin ksanten gruplarında ve ksantene bağlı benzenin üzerinde bulunan sübstitüsyonlara göre farklı türevleri bulunmaktadır. Kompleksleşme reaksiyonları benzene bağlı fonksiyonel gruplardaki heteroatomlar üzerinden gerçekleşmektedir.
Rodamin bileşiklerinin fotofiziksel ve fotokimyasal açıdan avantajlı özelliklere sahip olması, son yıllarda yapılan araştırmalara konu olmalarında önemli bir faktördür. Bu özelliklere yüksek floresan kuantum verimi, yüksek absorpsiyon katsayısı, uzun uyarma ve emisyon dalga boyları ve büyük sönümleme katsayısı örnek olarak verilebilir. Molekül üzerindeki spirolaktam halkası, ortamın pH değerine bağlı olarak ya da analit ilavesi ile açılarak, görünür bölgede şiddetli bir ışıma yapmasına neden olmaktadır. Ayrıca spirolaktam halkasının kolayca açılıp kapanabilmesi, tekrar kullanılabilirlik özelliğine sahip olduklarını göstermektedir. 
İnsan vücudunda en bol bulunan geçiş metali olan demir, enzimatik reaksiyonlar, DNA ve RNA sentezleri, kas kasılması, vücut ısısının düzenlenmesi, kanda oksijenin taşınması, kalp, böbrek, pankreas gibi organların işlevlerinin düzenlenmesi gibi hayati metabolik işlemlerde yer alır. Ayrıca dünya üzerinde doğrudan veya dolaylı yollarla demir ve türevleri ile çevrilmiş durumdayız ve bu türevler ekosistemdeki yaşamın uygun şekilde sürdürülmesinde büyük etkiye sahiptir. Demir; su yoluyla, gıdalardan veya çevresel kaynaklardan vücuda alınabilir ve vücuttaki miktarının fazla ya da eksik olması durumunda Alzheimer, Parkinson, kansızlık ve organların işlevlerinin bozulması gibi hayati hastalıklara neden olmaktadır. Bu nedenle endüstriyel, çevresel ve biyolojik numunelerde demir iyonlarının ölçümü için hem hassas ve seçici hem de hızlı tepki süresine sahip bir sensör tasarlamak önem arz etmektedir. Günümüze dek, AAS ve ICP-MS gibi analitik yöntemler Fe3+ tayini için kullanılmıştır, fakat bu yöntemler pahalı ekipman ve karmaşık numune hazırlama aşamaları gerektirdiğinden bu yöntemler yerine hem kolorimetrik hem de florometrik ölçüm sağlayabilen, kullanımı kolay ve gerçek zamanlı analiz gerçekleştiren kemosensörler son yıllarda büyük ilgi görmektedir.
Buna bağlı olarak, bu tez çalışması kapsamında hem UV-Gör hem floresan yöntemiyle Fe3+ analizi yapabilen, tiyofen ile modifiye edilmiş, rodamin B tabanlı yeni bir sensör başarıyla sentezlenmiştir. Sentezlenen sensör bileşiğinin karakterizasyonu NMR, IR, MALDI-TOF ve X-Işını Kristallografisi gibi yöntemlerle gerçekleştirilerek yapısı aydınlatıldıktan sonra pH 7 tamponlu etanol/su çözücü ortamında Fe3+ analizi yapılmıştır. Spirolaktam halkasının kapalı formunda floresan aktif olmayan ve renksiz bir çözeltiye sahip olan sensör bileşiğinin Fe3+ iyonu varlığında 580 nm'de şiddetli bir floresan emisyonu ve UV-Gör spektrumunda 559 nm'de yeni bir band oluşumu görülmesinin yanında çözeltinin rengi de pembemsi kırmızıya dönmüştür. Fe3+ iyonuna karşı seçici olduğu görüldükten sonra sensöre ppm mertebesinde Fe3+ ilaveleri yapılarak titrasyon çalışması yapılmış ve hassasiyeti incelenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda UV-Gör yöntemi için tespit limiti 5,99×10-8 M ve çalışma aralıkları 33,3-55,0 µM olarak belirlenmiştir. Florometrik yöntem sonucunda ise tespit limiti 4,85×10-9 M ve çalışma aralığı 25,3-50,7 µM olarak belirlenmiştir. Bağlanma sabiti (Ka) değeri ise UV-Gör titrasyon verilerinden hesaplanarak 1,89×104 M-1 olarak bulunmuştur. Sensör bileşiğinin Fe3+'ü tayin etme süresi ise florometrik olarak incelenmiş olup 4 dakika gibi kısa bir süre olduğu belirlenmiştir. Daha sonra sensör ile Fe3+ analizi yapılmasının diğer metal iyonları tarafından girişime uğrayıp uğramadığı incelenmiş ve çinko hariç hiçbir metalin belirgin bir girişim göstermediği görülmüştür.  Ayrıca, Fe3+ varlığında alınan spektral tepkinin Na2EDTA ilavesiyle tersine çevrilebildiği ve Fe3+ ilavesi ile tekrar tepki alınabildiği görülmüş olup sensörün tersinir bir şekilde tayin sağlayabildiği belirlenmiştir. Buna ek olarak, içme suyu örneklerinde Fe3+ tespiti için yüksek geri kazanım oranına sahip bir sensör olduğu UV-Gör ve florometrik çalışmalar ile gösterilmiştir. Son olarak sensörün bir diğer pratik uygulaması olarak kâğıt testi çalışmaları yapılmış ve böylece sensör çözeltisine bağlı kalmadan sensörle yüklenmiş kâğıt şeritleri ile gerçek zamanlı Fe3+ analizi yapılabileceği görülmüştür. Böylece rodamin B tabanlı, UV-Gör ve floresan olmak üzere çift kanallı analiz gerçekleştiren seçici ve hassas bir Fe3+ sensörü literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Rhodamine compound was first synthesized in 1905 as a result of the reaction of m-aminophenol and phthalic anhydride in the presence of Lewis acid and has been used in many fields since then.
Rhodamine molecules, which are  members of the xanthene group, have different derivatives according to the substitutions on the xanthene groups and on the benzene bound to xanthene. The most commonly used rhodamine derivatives are rhodamine b, rhodamine 6g and rhodamine 123. The difference between these structures is the presence of different functional groups in the xanthene group and the benzene ring attached to the xanthene. Complexation reactions take place over heteroatoms in functional groups attached to benzene.
Photoluminescence is the process by which an atom or molecule absorbs light of a particular wavelength (excitation) and emits a light of a different, longer wavelength. It can be divided into two categories according to the nature of the excited photoluminescence, fluorescent and phosphorescent. Absorption is the process by which an electron is excited from a lower energy state to its higher energy state. After absorption of light of a certain wavelength, the molecules transition to their excited states. After excitation, the molecule undergoes a rapid relaxation called internal conversion to the lowest vibrational level of the excited electronic state, producing radiational emission in the form of fluorescence. Fluorescent emission occurs when the electron in the fluorophore molecule transitions from a single electronic excited state to an allowable vibrational level at the ground state level.
A device that detects changes in the environment and responds to this change is called a sensor. These changes can be light, heat, motion or any other environmental information. Chemosensors are molecules that detect the analyte or molecule of interest and produce a detectable response. As a mechanism, chemosensors bind to a given analyte with high selectivity. Due to this binding, some changes occur in the absorption, fluorescence spectra or redox potentials of the system. Chemosensors are powerful tools for monitoring metal ions in vivo and in vitro due to their high selectivity and sensitivity, simple preparation steps, low cost, real-time monitoring capabilities, and short response times. One of the most widely used fluorescent chemosensors is rhodamines.
The fact that rhodamine compounds have photophysical and photochemical advantageous properties as an important factor for them to be the subject of research in recent years. Examples of these properties are high fluorescence quantum efficiency, high absorption coefficient, long excitation and emission wavelengths, and large extinction coefficient. The spirolactam ring on the molecule opens with the pH of the environment or with the addition of the analyte, causing it to glow intensely in the visible region. In addition, the ability of the spirolactam ring to be easily reclosable shows that they are suitable molecules for studies where reusability is desired. Due to their high photophysical properties, rhodamines are used in areas such as laser dye, pigment, fluorescent standard in quantum yield calculations, imaging of a single molecule, imaging in living cells and chemical sensors.
Iron, the most abundant transition metal in the human body, is involved in vital metabolic processes such as enzymatic reactions, DNA and RNA synthesis, muscle contraction, regulation of body temperature, transport of oxygen in the blood, and regulation of the functions of organs such as the heart, kidney, and pancreas. In addition, we are surrounded by iron and its derivatives in the world, directly or indirectly, and these derivatives have a great impact on the proper maintenance of life in the ecosystem. Iron; It can be taken into the body through water, food or environmental sources, and in case of excess or deficiency in the body, it causes vital diseases such as Alzheimer's, Parkinson's, anemia and deterioration of the functions of the organs. Therefore, it is necessary to design a sensor that is both sensitive and selective and has a fast response time for the measurement of iron ions in industrial, environmental and biological samples. To date, analytical methods such as atomic absorption spectroscopy, voltammetry, inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS), and inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) have been used for the determination of Fe3+, but these methods have some disadvantages such as requiring expensive equipment and complex sample preparation steps. Instead of these methods, chemosensors, which can provide both colorimetric and fluorometric measurements, are easy to use and perform real-time analysis, have attracted great interest in recent years.
Accordingly, within the scope of this thesis, a sensor that can analyze Fe3+ with both UV-Vis and fluorescence method has been developed. A new rhodamine B-based sensor modified with thiophene has been successfully synthesized. The sensor compound was synthesized by the reaction of rhodamine b hydrazide and 2,5-thiophendicarboxaldehyde in ethanol medium. The characterization of the synthesized sensor compound was performed by methods such as NMR, FT-IR, MALDI-TOF MS and X-Ray Crystallography, and the structure was elucidated. After the molecular structure was determined, Fe3+ analysis was performed in pH 7 buffered ethanol/water solvent medium. In the presence of Fe3+ ion of the sensor compound, which has a fluorescently inactive and colorless solution in the closed form of the spirolactam ring, a strong fluorescent emission at 580 nm and a new band at 559 nm in the UV-Vis spectrum were observed, and the color of the solution turned pinkish red. After it was seen that it was selective against Fe3+ ion, titration study was carried out by adding ppm Fe3+ to the sensor and its sensitivity was examined. As a result of these studies, the detection limits for UV-Vis and fluorescent methods were found to be 5.99 × 10-8 M and 4.85 × 10-9 M, respectively, and working linear ranges of 33.3 - 55.0 µM and 25.3 - 50.7 µM. The binding constant Ka value were calculated from the UV-Vis titration data and found to be 1.89 × 104 M-1. The time to determine Fe3+ of the sensor compound was examined fluorometrically and it was determined to be as short as 4 minutes. Then, it was examined whether the Fe3+ analysis with the sensor was interfered with by other metal ions and it was observed that no metal except zinc showed significant interference. In addition, it was observed that the spectral response in the presence of Fe3+ could be reversed with the addition of Na2EDTA and the response could be obtained again with the addition of Fe3+, and it was determined that the sensor was able to detect in a reversible manner. In addition, it has been demonstrated by UV-Vis and fluorometric studies that it is a sensor with a high recovery rate for the detection of Fe3+ in drinking water samples. Finally, as another practical application of the sensor, paper test studies have been carried out and it has been seen that real-time Fe3+ analysis can be performed with paper strips loaded with the sensor without being connected to the sensor solution. Thus, a selective and sensitive Fe3+ sensor based on rhodamine B, which performs double-channel analysis, including UV-Vis and fluorescence, and also colorimetric analysis has been brought to the literature.