Polisiklik aromatik hidrokarbonların moleküler baskılanmış polimerler ile ön-deriştirilmesi ve tayini
Pre-concentration and detection of polycyclic aromatic hydrocarbons with molecularly imprinted polymers
Yazar: MEHMET EMİN ÇORMAN
Danışman: DOÇ. DR. LOKMAN UZUN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Kimya = Chemistry

Özet:
Sunulan tez kapsamında, çevre sularında eser miktarlarda bulunan benzo[a]piren (BaP)'in sulardan ön-deriştirilmesi ve tayini için moleküler baskılama yöntemiyle kompozit ön-deriştirme kartuşlarının ve yüzey plazmon rezonans (SPR) nanosensörlerin hazırlanması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında BaP baskılanmış poli(2-hidroksietil metakrilat-N-metakriloil-L-fenilalanin) monolitik polimerler, yığın polimerizasyonu yöntemi ile sentezlenmiştir. Elde edilen monolitik polimerler, öğütülerek eş boyutlu partiküller elde edilmiştir. Öğütülen polimerler elenerek 64-71 µm boyut aralığındaki partiküller ayrılmış ve daha sonraki işlemlerde kullanılmıştır. BaP baskılanmış kompozit kartuşlar ise BaP baskılanmış partiküllerin varlığında, 2-hidroksietil metakrilat (HEMA) ve metilen bisakrilamidin (MBAAm), -12°C'da 24 saatlik yarı-donmuş koşullar altında polimerizasyonu ile üretilmiştir. Kartuşlar, şişme testi, taramalı elektron mikroskobu (SEM), elementel analiz ve Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (FTIR) yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Hazırlanan kompozit kartuşlar, sulu çözeltilerden BaP ön-deriştirme işlemlerinde kullanılmış ve ön-deriştirme koşulları optimize edilmiştir. Optimizasyon çalışmaları kapsamında; BaP derişimi, pH, santrifüj hızı, sıcaklık, iyonik şiddet, monomer oranı ve partikül miktarının etkileri HPLC yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Kompozit kartuşların diğer polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) türlerine karşı seçicilikleri, benzo[b]floranten (BbF), benzo[k]floranten (BkF), indeno[1,2,3-cd]piren (IcdP) ve 1-naftol varlığında gerçekleştirilen seçicilik çalışmaları ile belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci ayağı olarak, ilk aşamada elde edilen sonuçların ışığı altında BaP tayini için sensörler geliştirilmiştir. Bu amaçla, SPR temelli nanosensörler hazırlanmış ve BaP tayininde kullanımı incelenmiştir. Bu kapsamda ilk olarak SPR çip üzerinde baskılanmış film, BaP varlığında N-Metakriloil-L-fenilalanin (MAPA) ve etilen glikol dimetakrilat (EDMA)'ın polimerizasyonu ile hazırlanmıştır. Ayrıca baskılanmamış SPR nanosensör, kontrol deneyi için kalıp molekül BaP olmadan hazırlanmıştır. Hazırlanan SPR nanosensörler, atomik kuvvet mikroskobu (AFM), elipsometre ve temas açısı ölçümleriyle karakterize edilmiştir. Kalınlık ölçümleri ve AFM görüntüleri, SPR çip yüzeyinde ince filmlerin başarılı bir biçimde oluştuğunu göstermektedir. Baskılanmış ve baskılanmamış nanosensörlerin BaP tayin duyarlılığı, BaP çözeltilerinden (pH: 7.0 fosfat tamponunda) araştırılmıştır. Baskılanmış SPR nanosensörler, baskılanmamışlara göre BaP için daha fazla duyarlılık göstermişlerdir. Farklı derişimlerdeki BaP çözeltileri adsorpsiyon kinetiklerinin belirlenmesinde kullanılmıştır. BaP baskılanmış SPR nanosensörlerin seçiciliğini göstermek için BaP, BbF, BkF, IcdP ve 1-naftol'un yarışmacı adsorpsiyonu araştırılmıştır. Çalışmanın üçüncü ve nihai amacı, ön-deriştirme ve sensör çalışmalarının birleştirilmesi olarak belirlenmiş ve araştırılmıştır. Bu amaçla, ön-deriştirme sonucunda kompozit kartuşlarla daha düşük derişimlere inilerek BaP moleküllerinin SPR nanosensörlerde tayini başarılı biçimde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, PAH'ların hem ön-deriştirme hem de optik biyosensörlerle tayini için moleküler baskılama yaklaşımlarının uygun olduğunu açıkça göstermektedir.

Abstract:
The aim of this thesis is preparation of pre-concentrating composite cartridge and surface plasmon resonance (SPR) nanosensor for the pre-concentration and detection of a trace amount of benzo[a]pyrene (BaP) in environmental waters. In the first step, BaP-imprinted poly(2-hydroxyethyl methacrylate-N-methacryloyl-(L)-phenylalanine) [MIP] monolithic polymers were synthesized by bulk polymerization. The resulting monolithic polymers grounded to obtain uniform fine particles which were in the range of 64-71 µm were used for further studies. BaP imprinted poly[2-hydroxyethyl methacrylate] composite cartridges were synthesized via polymerization of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and N,N'-methylene bisacrylamide (MBAAm) in presence of BaP imprinted microparticles under the semi-frozen conditions, at -12°C over 24 hours. Resulting cartridges were characterized by swelling test, scanning electron microscopy (SEM), elemental analysis and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy measurements. BaP imprinted composite cartridges were used to extract BaP from aqueous solutions in order to optimize the extraction conditions. In this context, the effective factors such as BaP concentration, pH, centrifugation speed, temperature, ionic strenght, monomer ratio and amount of the particle embeded into composite cartridge structure were evaluated via HPLC. The selectivity of composite cartridge according to polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) species were determined via selectivity experiments. Benzo[b]fluoranthene (BbF), benzo[k]fluoranthene (BkF), indeno[1,2,3-cd]pyrene (IcdP) and 1-naphthol were used in the competitive extraction studies for determing selectivity constant. In the light of results obtained from the first step, at the second step surface plasmon resonance (SPR) nanosensor was developed for real-time BaP detection. For this purpose, SPR based nanosensor was synthesized and investigated for use of real-time BaP detection. In this step, BaP imprinted SPR nanosensor was firstly, prepared by polymerization of N-methacryloyl-(L)-phenylalanine (MAPA) and ethylene glycol dimethacrylate (EDMA) in the presence of BaP on the surface of SPR chip. Non-imprinted SPR nanosensor was also synthesized by the same experimental procedure excluding addition of BaP molecules. Prepared SPR nanosensors were characterized with atomic force microscopy (AFM), ellipsometer and contact angle measurements. The thickness measurements and AFM observations indicated that the thin films were successfully prepared. BaP sensing ability of imprinted and non-imprinted nanosensors were investigated from BaP solutions (in pH 7.0 phosphate buffer). Imprinted nanosensors showed more sensitivity to BaP than non-imprinted ones. BaP solutions with different concentration were used to determine the detection kinetics. In order to show the BaP imprinted SPR nanosensor, competitive detection of BaP, BbF, BkF, IcdP and 1-naphthol were also investigated. At the third and final step, experiments which were aimed that the combination of pre-concentration and sensor studies were carried out. For this purpose, the lower concentration of BaP solutions, resulting from pre-concentration by composite cartridge, were successfully monitored by SPR nanosensor. The results revealed that molecular imprinting approach is quite suitable for both pre-concentration and optic biosensing of PAH molecules.