Opioid analjezikler için optik ve elektrokimyasal sensör geliştirilmesi
Optical and electrochemical sensor development for opioid analgesics
Yazar: MERVE YENCE
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET GÖKHAN ÇAĞLAYAN
Ankara Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Analitik Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Eczacılık ve Farmakoloji = Pharmacy and Pharmacology ; Kimya = Chemistry

Özet:
Doktora tez çalışmasında opioid analjezik sınıfından kodein (KOD), dekstrometorfan (DM), metadon (MET) ve oksikodon (OKS) için optik sensör ve kodein için elektrokimyasal sensör geliştirilmesi amaçlanmıştır. Optik sensör sisteminde indikatör yer değiştirme mekanizması kullanılarak öncelikle reseptör ile boyanın bağlanması sonucu floresans sinyalinde kapanma sonrasında reseptör ile daha güçlü bağlanan analit varlığında boyanın açığa çıkmasıyla sinyalde açılma hedeflenmiştir. Elektrokimyasal sensör sisteminde moleküler baskılı polimer (MIP) kullanılarak, kodein analitinin düşük konstantrasyon değerinde tespit edilmesi, gerçek numune örneklerine uygulanması ve analitik validasyon parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır.

Geliştirilen optik sensör sisteminde konakçı-konuk ilişkisi kovalent olmayan bağlar ile kurulmuştur. Konakçı yapı olarak supramoleküler sınıfından kükürbitüriller CB[7] ve CB[8] kullanılmıştır. Konuk yapı olarak ise özel olarak dizayn edilmiş ilk defa sentezlenen piridin kumarin boyası (PK), akridin sarısı (AS) ve turuncusu (AT) boyaları kullanılmıştır. İndikatör yer değiştirme mekanizması başarılı bir şekilde uygulanarak dört analit için çapraz reaktif sensör dizisi geliştirilmiştir. 

Proton ve karbon NMR ile karakterize edilen PK boyasının UV-VIS ve floresans spektroskopisiyle ile optik özellikleri belirlenmiştir. PK boyası, CB[7] ve CB[8] titrasyon sonucunda CB'lerin içerisine girerek boya sönümlenmesi elde edilerek floresans sinyal kapanmıştır. 1:1 oranında etkileşen PK-CB[8] sensörü çapraz reaktivenin amacına uygun olarak dört farklı analite farklı cevaplar vermiştir. DM %33, KOD %40, OKS %33 boya amplifikasyon değerleri verirken iki adet fenil grubuna sahip ve boyutsal olarak büyük olan MET %5 değeri vermiştir. AT ve AS boyalarının agrege olmadığı konsantrasyon değeri Lambert Beer kanunu uygulanarak absorbans ve floresans grafik eğrileri sonucu 0.5 µM olarak bulunmuştur. AS boyası ve CB[8] arasında iyonik ve hidrofobik etkileşimleriyle boya sönümlenmesi absorbans ve floresans titrasyon sonucunda elde edilmiştir. 1:1 oranında oluşturulan AS-CB[8] sensöründe dört farklı analit tayini yapılmıştır. Daha fazla elektronegatif OKS %46, boyutsal olarak büyük MET %21, DM %92 ve KOD %87 amplifikasyon sonucu vermiştir. AT boyası da istenilen şekilde CB[8] ile absorbans ve floresans titrasyonu sonucunda boya sönümlenmesi elde edilmiştir. Geliştirilen AT-CB[8] sensörü DM için %84, KOD %68, OKS %28 ve MET için %0 boya amplifikasyon sonuçları vermiştir. Sensör elementleri kullanılarak gerçekleştirilen dizi sensör çalışmasında analitler LDA ile başarılı bir şekilde sınıflandırılmıştır.

Geliştirilen elektrokimyasal sensör sisteminde kullanılan polimerik yapı sentez monomeri, temel monomer, çapraz bağlayıcı, foto başlatıcı, gözenek yapıcı malzeme ve şablon molekül kodein kullanılarak foto polimerizasyon yöntemiyle oluşturulmuştur. MIP tabanlı elektrokimyasal sensörün yüzey karakterizasyonu ve morfolojik incelenmesi dönüşümlü voltametri (DV), elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS), taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ile değerlendirilmiştir. Sensör performansını arttırabilmek için beş farklı parametre optimize edilmiştir. Geliştirilen elektrokimyasal sensörün dinamik doğrusal aralığı 0.1-1.0 pM ve tespit sınırı 0.0150 pM olarak hesaplanmıştır. Sensörün gerçek numunelere uygulanabilirliğini göstermek amacıyla idrar, ticari serum ve tablet formunda geri kazanım çalışmaları yapılmış ve sırasıyla %98.54, %101.42 ve %101.51 sonuçları elde edilmiştir. Kodeine benzer dört farklı molekülün seçicilik katsayısı hesaplanarak, oluşturulan polimerik yapının sadece kodein için seçici olduğu gösterilmiştir. Elektrokimyasal sensörün performansı bazı iyonik maddelerin varlığında test edilmiş ve %99.91-102.99 geri kazanım sonuçları elde edilmiştir. Sonuç olarak, seçici, doğru, girişim direnci gösteren, gerçek numunelere uygulanabilen yüksek analitik performansta elektrokimyasal sensör geliştirilmiştir.

Abstract:
In the doctoral thesis study, it was aimed to develop an optical sensor for codeine (COD), dextromethorphan (DM), methadone (MET), and oxycodone (OXY) from the opioid analgesic class and an electrochemical sensor for codeine. By using the indicator displacement mechanism in the optical sensor system, it is aimed to first turn off the fluorescence signal as a result of the binding of the dye with the receptor and then turn on the signal by releasing the dye in the presence of the analyte that binds more strongly with the receptor. By using molecular imprinted polymer (MIP) in the electrochemical sensor system, it aims to detect codeine analyte at low concentration values, apply it to real samples, and determine analytical validation parameters.

The developed optical sensor system establishes the host-guest relationship through non-covalent interactions. From the supramolecular class cucurbiturils (CB[n]), CB[7] and CB[8] were used as the host structure. As the guest structure, a specially designed pyridine coumarin dye (PC), acridine yellow (AY), and acridine orange (AO) were used. A cross-reactive sensor array for four analytes was developed by successfully applying the indicator displacement mechanism.

After the synthesis of PC dye, it was characterized by proton and carbon NMR, and UV-VIS and fluorescence spectroscopy were used to determine the optical properties of the PC dye. As a result of titration of PC dye with CB[7] and CB[8], dye entered the CBs, resulting in dye quenching and turning off the fluorescence signal. The PC-CB[8] sensor interacting at a 1:1 ratio gave different responses to four different analytes by the purpose of the cross-reactive agent. While DM gave dye amplification values of 33%, KOD 40%, OKS 33%, MET, which has two phenyl groups and is dimensionally larger, gave a value of 5%. The concentration value at which AT and AS dyes did not aggregate was found to be 0.5 µM with the absorbance and fluorescence graphic curves by applying Lambert Beer's law. Dye quenching through ionic and hydrophobic interactions between AS dye and CB[8] was obtained as a result of absorbance and fluorescence titrations. Four analytes were determined on the AS-CB[8] sensor created in a 1:1 ratio. More electronegative OKS gave a 46% amplification result, dimensionally larger MET at 21%, DM at 92%, and KOD at 87%. As desired, dye quenching of AT dye was achieved with absorbance and fluorescence titration with CB[8]. The developed AT-CB[8] sensor gave dye amplification results of 84% for DM, 68% for KOD, 28% for OKS, and 0% for MET. Using sensor elements, analytes were successfully classified with LDA in an array sensor study.

The polymeric structure used in the developed electrochemical sensor system was created by the photopolymerization method using synthesis monomer, basic monomer, cross-linker, photoinitiator, pore-forming material, and template molecule codeine. The MIP-based electrochemical sensor's surface characterization and morphological examination were evaluated by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. Five different parameters were optimized to improve sensor performance. The dynamic linear range of the developed electrochemical sensor was calculated as 0.1-1.0 pM, and the detection limit was 0.0150 pM. To demonstrate the applicability of the sensor to real samples, recovery studies were carried out in urine, commercial serum, and tablet form, and results of 98.54%, 101.42%, and 101.51% were obtained, respectively. By calculating the selectivity coefficients of four different molecules, it has been shown that the polymeric structure created is selective only for codeine. The performance of the electrochemical sensor was tested in the presence of some ionic substances, and recovery results of 99.91-102.99% were obtained. As a result, a selective, accurate, interference-resistant electrochemical sensor with high analytical performance that can be applied to real samples has been developed.