Seçici ftalat tayini için kuantum noktalar içeren rasyometrik akıllı nanohidrojel sensörlerin geliştirilmesi
Development of imprinted fluorescent hydrogels containing quantum dots for phthalate analysis
Yazar: HÜMA FİLİZ YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ORHAN GÜNEY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Ftalatlar (Phthalates) esnekliği, uzayabilirliği ve dayanıklılığı arttırmak için birçok üründe plastifiyan veya polimer katkı maddesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ftalatlar plastiklere veya polimerlere kimyasal olarak bağlı olmadığından, plastik gıda ambalaj malzemelerinden, kişisel bakım ürünlerinden ve çocuk oyuncaklarından insan dokularına, yiyeceklere veya su ve toprak gibi çeşitli çevresel ortamlara karışır. Ftalatların insan sağlığına getirdiği olası riskler arasında endokrin bozulması, üreme mutasyonu ve kanserojen etkiler bulunmaktadır.
Ftalatların saptanması için çeşitli analitik teknikler literatürde bildirilmiştir. Bunlar, görünür saptamalı sıvı kromatografisi, gaz kromatografi-kütle spektrometresi ve sıvı kromatografi-kütle spektrometresidir. Bununla birlikte, bu teknikler pahalı cihazlar ve profesyonel operatörler gerektirmektedir. Bu yöntemler yerine, son yıllarda alternatif bir metot olarak moleküler imprint polimer veya hidrojel içerikli lüminesans yöntemler; yüksek hassasiyet, seçicilik, hızlı cevap verme ve düşük maliyetleri nedeniyle tercih edilen analitik bir yöntem olma durumundadır. Bu nedenle, ftalat analizlerinin yaygınlaştırılabilmesi için hızlı, güvenilir ve düşük maliyetli daha az uzmanlık gerektiren alternatif ve pratik çözümlere ihtiyaç bulunmaktadır. Bu amaçla, plastiklere esneklik verici özellik kazandıran ve çocuk oyuncaklarından yiyeceklerin saklandığı birçok ambalaj malzemesine kadar geniş bir yelpazede ticari olarak kullanılan ftalardan biri olan diizobütil ftalat (DIBP) molekülünün tayininde kullanılmak üzere, sıcaklık-duyarlı polimer hidrojel ile kaplı kuantum nokta (QDs) içeren rastometrik (ratiometric) nanokompozit sensör geliştirilmesi hedeflenmiştir.
Bu tez çalışmasında; İlk olarak fosforesans ışıma özelliğine sahip dış yüzeyi (3- merkaptopropil)trimetoksisilan (MTPS) kaplı mangan ile doplanmış çinko sülfür (Mn:ZnS) içeren kuantum noktalar, QDs (Quantum dots) sentezlendi ve daha sonra [3-(metakriloiloksi) propil]trimetoksisilan (MPTMS) ile reaksiyonu sonucunda vinil modifiye QDs (V-QDs) sentezlendi. Ayrıca, elde edilen V-QDs nanoparçacıklarının yüzeyini sarmalayan sıcaklık-duyarlı rasyometrik nanokompozit hidrojel sensör sentezi gerçekleştirildi. Bu sentez için kullanılan monomerler ve fonksiyonları sırasıyla; sıcaklık-duyarlı özelliğe sahip N-izopropilakrilamid (NIPA), floresans özellik kazandırmak için 9-vinilkarbazol (VCz), hedef şablon molekülüne bağlanma özelliği sergilemek üzere fonksiyonel monomer olarak akrilamid (AAm), çapraz bağlayıcı olarak N,N-metilenbis (akrilamid) (BIS), başlatıcı olarak azobisizobütironitril (AIBN) kullanıldı. Şablon molekül olan DIBP moleküllerinin yokluğunda sentezlenen nanokompozit hidrojeller, N-imp@QDs-VCz notasyonu ile gösterilirken; şablon molekül olan DIBP varlığında sentezlendikten sonra şablon molekülün uzaklaştırılması ile elde edilen moleküler imprint nanokompozit hidrojeller, DIBP-imp@QDs-VCz notasyonu ile gösterilmiştir.
Elde edilen QDs ve V-QDs nanoparçacıkları ve N-imp@QDs-VCz ve DIBP- imp@QDs-VCz sıcaklık-duyarlı rasyometrik nanokompozit hidrojeller; Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) ve Dinamik Işık Saçılımı (DLS) ölçümleri ile karakterize edildi.
Nanokompozit hidrojellerin çözelti içinde stabilitesi, zamana karşı alınan hem fosforesans hem de floresans ölçümleri ile incelendi. Sensör olarak tasarlanan nanohidrojellerin DIBP yi algılama süresini belirlemek için DIBP varlığında zamana göre rasyometrik ölçümler alındı. Analiz koşullarını belirlemek için çözelti pH sına bağlı olarak, DIBP yokluğunda ve varlığında floresans ve fosforesans ölçümleri alındı. Nanokompozit sensörün sıcaklık duyarlılığını açığa çıkartmak için farklı sıcaklıklarda rasyometrik ölçümler alındı.
DIBP tayini için nanokompozit hidrojelin şiştiği 25 0C ve büzüştüğü 40 0C sıcaklıklarda DIBP' nin farklı konsantrasyonlarında titrasyonlar gerçekleştirildi. N- imp@QDs-VCz ve DIBP-imp@QDs-VCz nanokompozit hidrojellerin çözelti içinde farklı DIBP konsantrasyonuna göre sergilemiş olduğu floresans ve fosforesans spektrumları alındı ve buradan elde edilen emisyon şiddeti değerleri kullanılarak kalibrasyon grafikleri elde edildi. Kalibrasyon eğrileri gerek floresans gerekse fosforesans şiddetine göre çizildiği gibi aynı zamanda emisyon oranlarına göre de elde edildi. Ayrıca elde edilen DIBP-imp@QDs-VCz nanohibrit sensörü kullanılarak gerçekleştirilen DIBP tayini sırasında, DIBP molekülü ile yapısal benzerlik sergileyen anolog moleküller varlığında, seçicilik üzerine etkisi incelendi.

Abstract:
Phthalates are widely used as plasticizers or polymer additives in many products to increase flexibility, extensibility and durability. Because phthalates are not chemically bound to plastics or polymers, they penetrate from plastic food packaging materials, personal care products, and children's toys into human tissues, food, or a variety of environmental media such as water and soil. Possible risks of phthalates to human health include endocrine disruption, reproductive mutation and carcinogenic effects. Diisobutyl phthalate (DIBP) and its structural analogues are commonly used as plasticizers on an industrial scale to improve the flexibility and workability of polymeric materials. Through a variety of pathways such as industrial effluent and the presence of microplastics in waterways, they invariably leak into the environment. Phthalates are classified as xenoestrogens and endocrine disruptors, and their presence in the environment is a concern to human health and aquatic life. They can affect reproductive health and physical development.
QDs are robust inorganic chromophores that combine an efficient broadband absorption with a narrowband fluorescence spectrum. Doping QDs with trace impurities enables the number of emission centres to be modified or increased. QDs have therefore become very attractive nanomaterials for bioimaging and drug detection. It has been reported that the replacement of cadmium in cadmium chalcogenide QDs with zinc as the absorption zone resolved toxicity problems while retaining the original advantages of this method. Manganese-doped ZnS (Mn:ZnS) quantum dots (QDs) have advantages of their remarkable physical, chemical, and optical properties, including high stability, short-lived autofluorescence, long decay times, and minimal light scattering interference. In addition, the application of Mn:ZnS type QDs alone has some limitations because of the aggregation and oxidation of Mn:ZnS type QDs, leading to a decrease in fluorescence efficiency and effectiveness. However, the preparation of supported QDs is expected to overcome these problems.
When using Mn:ZnS type QDs nano-fluorescent probes to detect different kinds of biomolecules, it is usually necessary to pre-configure a certain concentration of QDs standard solutions, which are prone to agglomeration in complex detection environments and cause a certain degree of autofluorescence quenching, thus affecting the final detection. As a result, the detection stability is poor. Furthermore, the integration of fluorescent QDs into hydrogel networks can not only provide protection for QDs against different harsh chemical environments, but also provide unique optoelectronic properties that can be used in optoelectronics. In addition to the advantages in terms of required flexibility and biocompatibility, hydrogel photosensors allow continuous measurements without sample contamination.
Molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic materials with recognition sites artificially designed for selectively rebinding a target molecule in preference to other related compounds. MIPs are prepared by the copolymerization of a cross-linker with a suitable monomer in the presence of a template molecule. When the polymerization has finished, the template molecule is extracted and binding sites with shape, size, and functionalities complementary to the target analyte are created within the polymeric matrix. MIPs have many advantages including good selectivity, high physical robustness, thermal stability, and inexpensive and easy preparation. Despite the use of organic polymers for the preparation of MIP-QDs sensors is a promising combination, QDs combined with organic MIPs have been less reported. MIPs based on organic polymers are mainly synthesized by chain-growth polymerization of cross-linker and functional monomer with radical initiator.
Stimuli-responsive polymers undergo changes in their physicochemical properties and structure in response to external stimuli, such as temperature, pH, light and magnetism. These "smart" polymers have been widely used in tissue engineering, shape memory, and oil/water separation. Among all stimuli, temperature-responsive systems have been the most studied over the decades, and extensive applications, including flexible temperature sensors and drug release systems, have been explored. Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPA) is awater-soluble temperature-responsive polymer that, owing to the reversible hydrogen bonding formed between hydrogen from water molecules and the PNIPA amide group, enables switchable phase transfer based on temperature changes. It is notable that the lower critical solution temperature (LCST) of PNIPA is about 32 °C, close to 37 °C which is the human body temperature.
In this thesis study; Firstly, quantum dots, QDs (Quantum dots), in which contain zinc sulfur doped with manganese (Mn:ZnS) in the inner core and is covered with (3- mercaptopropyl)trimethoxysilane (MTPS) in the outer shell, were synthesized. After that vinyl modified QDs (V-QDs) were obtained as a result of the reaction with [3- (methacryloyloxy)propyl]- trimethoxysilane (MPTMS). Then, the synthesis of a temperature-sensitive ratiometric nanocomposite hydrogel sensor, covering the surface of the V-QDs nanoparticles, was carried out. The monomers used for this synthesis are respectively; N-isopropylacrylamide (NIPA) with temperature-sensitive properties, 9-Vinylcarbazole (VCz) displaying fluorescence property, acrylamide (AAm) as a functional monomer exhibiting binding properties to the target template molecule, N,N-methylenebisacrylamide (BIS) as a cross-linker, azobisisobutyronitrile (AIBN) was used as an initiator. While the nanocomposite hydrogel synthesized in the absence of DIBP molecule, which is called a template molecule, is shown with the notation of N-imp@QDs-VCz, the molecular imprint nanocomposite hydrogel obtained by removing the template molecule after being synthesized in the presence of DIBP is denoted with the notation of DIBP- imp@QDs-VCz.
The obtained QDs and V-QDs nanoparticles, and N-imp@QDs-VCz and DIBP- imp@QDs-VCz temperature-sensitive ratiometric nanocomposite hydrogels were characterized by Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR) and Dynamic Light Scattering (DLS) measurements. The stability of nanocomposite hydrogels in solution was examined by both phosphorescence and fluorescence measurements by means of recording the data against the time. The ratiometric measurements were taken according to time in the presence of DIBP in order to determine the DIBP detection time of nanohydrogels designed as sensors. For the elucidation of analysis conditions, fluorescence and phosphorescence measurements were taken in the absence and presence of DIBP depending on the pH of the solution. Ratiometric measurements were obtained at different temperatures to reveal the temperature sensitivity of the nanocomposite sensor.
For the determination of DIBP, titrations were carried out at different concentrations of DIBP in swoolen state at 25 0C and shrunken state at 40 0C for nanocomposite hydrogel. Fluorescence and phosphorescence spectra of N-imp@QDs-VCz and DIBP-imp@QDs-VCz nanocomposite hydrogels were measured according to different DIBP concentrations in solution, and calibration graph was plotted using the emission intensity values obtained from obtained data. Calibration curves were drawn according to both fluorescence and phosphorescence intensity, as well as emission ratio. Additionally, the effect of the obtained DIBP-imp@QDs-VCz nanohybrid sensor on the selectivity in DIBP determinations in the presence of analogous molecules that have structural similarities with the DIBP molecule was examined.