Grafit elektrot üzerinde elektropolimerizasyon ile polianilin kopolimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve amperometrik biyosensör olarak uygulaması
Synthesis, characterization, and application as an amperometric biosensor of polyaniline copolymers electropolymerized on graphite electrode
Yazar: HÜRKAN ÇATALKAYA
Danışman: PROF. DR. SELMA MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Polianilin = Polyanilines

Özet:
Sunulan çalışmada, medyatör türlerinden N,N-Dimetilaminometil ferrosenin (DMAMFc) katalitik olarak yükseltgenmesini nötral ortamda sağlayan ve enzimin kovalent immobilizasyonuna uygun primer amin fonksiyonel gruplu polianilin türevlerinin elektrokimyasal sentezi hedeflenmiştir. Tez kapsamında kopolimerlerin sentezi, karakterizasyonu ve biyosensör olarak uygulaması çalışmaları sunulmuştur.Bu amaçla, farklı oranlarda ortanilik asit (o-ASA) ve 2-aminobenzilamin (2-ABA) içeren sulu çözeltilerin elektrolit olarak perklorik asit varlığında kopolimerizasyonu, döngülü potansiyel taraması (CV) ile grafit elektrot yüzeyinde gerçekleştirilmiştir. Kopolimerlerin elektrokimyasal karakterizasyonu, alınan CV grafikleri ile değerlendirilmiştir. Nötral ortamda DMAMFc'nin redoks reaksiyonlarını katalizleme etkinlikleri de elde edilen CV voltamogramları incelenerek değerlendirilmiştir.Polianilin ile kopolimerlere ait CV voltamogramları karşılaştırıldığında, kopolimerler için birinci redoks prosesine ait pik potansiyelinde anodik, ikinci redoks prosesesine ait pik potansiyelinde ise katodik kayma görülmüştür. Ayrıca, sentez ortamında kullanılan ortanilik asit miktarının artışıyla birlikte, hem kopolimerizasyon hızında hem de elde edilen kopolimer filmlerin katalitik DMAMFc oksidasyon etkinliğinde artış görülmüştür. Ag/AgCl referans elektroda göre, kopolimer film yüzeylerinde DMAMFc'nin yükseltgenme potansiyeli 0.42 V, indirgenme potansiyeli ise 0.30 V olarak belirlenmiştir. Ayrıca elektropolimerizasyon ortamında kullanılan monomer oranlarının bu değerlerde bir değişikliğe neden olmadığı gözlenmiştir.Grafit elektrot yüzeyinde sentezlenen kopolimer filmlere, model enzim olarak glukoz oksidaz (GOx) immobilizasyonu gerçekleştirilerek, glukoz biyosensörü uygulaması yapılmıştır. Kopolimer filmlere adsorplanan DMAMFc miktarlarında, elektropolimerizasyonda kullanılan monomer oranlarının doğrudan etkili olduğu ve glukoza karşı alınan biyosensör cevabını etkilediği gözlenmiştir. Filmlere adsorplanan DMAMFc'in medyatör olarak kullanıldığı biyosensörde glukoza karşı alınan cevaplar 0.40 V potansiyel altında ölçülmüştür. Yüksek oranda ortanilik asit kullanılarak sentezlenen kopolimer film (o-ASA/2-ABA-36:1) ile 10 mM glukoza kadar doğrusal ölçüm aralığı ve 32.8 nA/mM hassasiyet elde edilmiştir. Sistematik bir biçimde 2-aminobenzilamin miktarı arttırılıp ortanilik asit azaltıldığında, doğrusal ölçüm aralığı artarken hassasiyet azalmıştır. o-ASA/2-ABA oranı 3.1:1 iken doğrusal ölçüm aralığı 15 mM glukoz, hassasiyet 8.2 nA/mM ve o-ASA/2-ABA oranı 1.18:1 iken doğrusal ölçüm aralığı 20 mM, hassasiyet 3.5 nA/mM olarak belirlenmiştir.Son olarak hazırlanan kopolimerlerin yüzeyleri AKM, SEM ve ATR/FT-IR teknikleri ile topografik ve kimyasal olarak karakterize edilmiştir.Bu çalışmada, nötral ortamda iletkenlik özelliği göstermeyen polianilinin, uygun anilin türevleri ile elde edilen kopolimerinde iletkenliğinin arttırılabileceği, ferrosen türevi medyatörlerin katalitik yükseltgeme özelliklerinin geliştirilebileceği ve biyosensörlerde kullanılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, electrochemical synthesis of polyaniline derivatives providing catalytic oxidation of N,N-Dimethylaminomethyl ferrocene (DMAMFc) among mediator derivatives in neutral medium and bearing amine functionality for covalent immobilazation of enzyme is aimed. The synthesis, characterization and application as a biosensor of copolymers are presented within the scope of this thesis.For this purpose, copolymerization of aqueous solutions consisting of different proportions of orthanilic acide (o-ASA) and 2-aminobenzylamine (2-ABA) on graphite electrode has been carried out in the presence of perchloric acid electrolyte with cyclic voltammetry. Electrochemical characterization of copolymers are evaluated using obtained CV graphs. The efficiency of copolymers to catalyze redox reactions of DMAMFc in neutral media (pH7) is investigated by the obtained CV voltammograms.Comparing CV voltammograms of polyaniline and copolymer, an anodic shift is observed for the peak potential of the first redox process and cathodic shift is observed for the peak potential of the second redox process with respect to polyaniline. Besides, along with the increase of orthanilic acid concentration in synthesis medium, there has been observed an increase both in copolymerization rate and catalytic DMAMFc oxidation efficiency of obtained copolymer films. Oxidation and reduction potentials of DMAMFc on copolymer film surfaces is determined as 0.42 V and 0.30 V versus Ag/AgCl reference electrode. It is also observed that the monomer ratios used in electropolymerization medium do not cause shift in those oxidation and reduction potentials.After the immobilization of glucose oxidase (GOx) as a model enzyme, the performance of copolymer films synthesized on graphite electrode surface is examined as an anode in a glucose biosensor. It is observed that monomer ratios used in electropolymerization is directly effective both in the amount of adsorbed DMAMFc on copolymer films and in biosensor response taken against glucose. The responses taken against glucose by biosensor utilizing adsorped DMAMFc on films as mediator are measured under 0.40 V potential. Linear measurement range up to 10 mM glucose with 32.8 nA/mM sensitivity is obtained with copolymer film synthesized using high ratios of orthanilic acid. Systematically, when 2-aminobenzylamine ratio is increased and orthanilic acid is decreased, sensitivity is decreased while linear measure range is increased. It is defined as it follows: while o-ASA/2-ABA ratio is 3.1:1, linear range of measurement is 15 mM glucose with 8.2 nA/mM sensitivity and while o-ASA/2-ABA ratio is 1.18:1, linear range of measurement is 20 mM with 3.5 nA/mM sensitivity.Ultimately, the surface of prepared copolymers are characterized topographically and chemically by AFM, SEM and ATR/FT-IR techniques.In this study, it is concluded that polyanilin which is non-conductive in neutral medium can be used in biosensors via the improved conductivity in copolymers obtained from suitable aniline derivatives and the enhancement of catalytic oxidation properties of polyaniline on ferrocene derivative mediators.