Nitro- ve peroksit- tipi enerjetik malzemelerin tayini için yeni analitik yöntemlerinin geliştirilmesi
Development of new analytical methods for determination of nitro- and peroxide- TYPE energetic materials
Yazar: FURKAN BURAK ŞEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA REŞAT APAK ; DOÇ. DR. MUSTAFA BENER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Analitik Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: 2,4,6-trinitrotoluen = 2,4,6-trinitrotoluene ; Lipid peroksit = Lipid peroxide ; Nitro bileşikleri = Nitro compounds ; Optik sensörler = Optical sensors ; Patlayıcı maddeler = Explosives ; Peroksit = Peroxide ; Sensörler = Sensors ; Spektroflorometre = Spectrofluorometer ; Trinitrotoluen = Trinitrotoluene

Özet:
Nitroaromatik enerjik malzemelerin ve peroksit bazlı patlayıcıların hassas ve seçici tespiti insan sağlığı, çevre, kamu güvenliği ve askeri konular açısından önemli bir konudur. 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), sualtı patlatma ve maden sanayiinde yaygın olarak kullanılan, ayrıca askeri ve terör faaliyetlerinde kara mayınları ve bomba üretiminde de kullanılan yüksek patlayıcı özelliğe sahip en önemli nitroaromatik bileşiktir. Diğer yandan birçok endüstride, arıtma tesislerinde ve biyokimyasal ortamlarda hidrojen peroksitin (H2O2) izlenmesi ve belirlenmesi, düşük konsantrasyonlarda bile zararlı etkileri nedeniyle önemlidir. Bu tezde hem nitroaromatik enerjik bir malzeme olan TNT'nin tayini hem de hidrojen peroksitin tayini için iki farklı yöntem geliştirilmiştir. Tezin ilk aşamasında, TNT tayini için florofor probu olarak Rodamin 110 boyası kullanılan basit ve hassas bir floresans sönümleme esaslı yöntem geliştirildi. Bu hassas florometrik yöntem, Rodamin 110' un (diğer rodaminlerden farklı) TNT ile donör-akseptör etkileşimi yapabilen birincil amin grupları nedeniyle Rodamin 110'un (λex = 490 nm, λem = 521 nm) floresansındaki düşüşü ölçebilir. Ortaya çıkan TNT-amin kompleksi, uyarılmış Rodamin 110 floroforunun (donör) enerjisini ışınımlı olmayan dipol dipol etkileşimi ile TNT'ye (akseptör) aktardığı sırada meydana gelen floresans rezonans enerji transferi (FRET) ile Rodamin 110'un floresans emisyonunu güçlü bir şekilde sönümlemiştir. Floresans sönümleme, TNT konsantrasyonu ile lineer olarak değişti. LOD ve LOQ değerleri sırasıyla 0,71 mg L-1 ve 2,38 mg L-1 olarak bulundu. Benzer patlayıcılar, yaygın toprak iyonları ve olası kamuflaj malzemelerinin önerilen yönteme müdahale etmediği, kolay metodolojisi, düşük maliyeti, duyarlılığı ve analiz hızı ile önemli avantajlar sunduğu tespit edildi. Tezin ikinci aşaması, pozitif hatalara neden olduğu bilinen interferanslar olarak bilinen antioksidanların varlığında H2O2 tayini için redoks bazlı kolorimetrik sensör önermektedir. Öte yandan, yaygın olarak kullanılan peroksidaz bazlı yöntemlere enzim inhibitörleri interfere etmektedir. Geliştirilen yöntem antioksidan giderimi ve H2O2 tayini olmak üzere iki aşamadan oluşmaktadır. İlk adımda, antioksidanlar, persülfat tarafından üretilen 2,2'-azino-bis(3-etilbenzotiazolin-6-sülfonik asit (ABTS) radikali (ABTS•+) kullanılarak basitçe uzaklaştırıldı. Antioksidan eliminasyonundan sonra örneklerdeki H2O2, bakır(II) iyonu indirgeyici antioksidan kapasite (CUPRAC) kolorimetrik sensörü kullanılarak belirlendi. Bir nafyon persülfonat membranı üzerinde immobilize edilmiş sensörü hazırlamak için CUPRAC reaktifi olan bakır (II)-neocuproine (Cu(II)-Nc) kullanıldı. Açık mavi Cu(II)-Nc, sensör üzerinde H2O2 ile sarı-turuncu renkli Cu(I)-Nc kelatına indirgendi ve 450 nm'de absorbans artışı kaydedildi. H2O2 için elde edilen LOD ve LOQ değerleri sırasıyla 0,33 ve 1,10 μM bulundu. Önerilen yöntem, doğrusallık, toplamsallık, kesinlik ve geri kazanım açısından doğrulandı. Katkılı gıda ekstraktları, sentetik serum ve bazı ticari ürünlerin (gıda sterilizasyon çözeltisi, beyazlatıcı diş macunu ve saç ağartma çözeltisi) H2O2 içeriğinin, peroksidaz-ABTS ve titanil sülfat referans yöntemlerinin sonuçlarıyla karşılaştırılabilir olduğu bulundu. Ayrıca, amin tipi antioksidanların varlığında peroksit tipi patlayıcı triaseton triperoksit (TATP) başarıyla tayin edildi. Önerilen basit ve düşük maliyetli yöntem, enzimatik yöntemleri olumsuz etkileyen çevresel ajanlar (ağır metaller, pestisitler, sülfhidril ajanlar, vb.) tarafından inhibe edilmemektedir. Ayrıca karmaşık örneklerin bulanıklığına ve renkli bileşenlerine karşı duyarsızdır.

Abstract:
Sensitive and selective detection of nitroaromatic energetic materials and peroxide-based explosives are an important issue in regard to human health, environmental, public security and military issues. 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) is the most important nitroaromatic compound with high explosive feature, which is widely used in underwater blasting and mining industry, as well as in the production of land mines and bombs in military and terrorist activities. On the other hand monitoring and determining hydrogen peroxide (H2O2) in many industries, treatment plants and biochemical media is important because of its harmful effects even at low concentrations. In this thesis, two different methods have been developed for both the determination of TNT, and the determination of H2O2. In the first stage of the thesis, a simple and sensitive fluorescence quenching-based assay utilizing Rhodamine 110 as fluorophore probe was developed for the determination of TNT. This sensitive fluorometric method could measure the decrease in fluorescence of Rhodamine 110 (λex = 490 nm, λem = 521 nm) owing to the primary amine groups of Rhodamine 110 (different from other rhodamines) capable of donor-acceptor interaction with TNT. The resulting TNT-amine complex can strongly quench the fluorescence emission of Rhodamine 110 by fluorescence resonance energy transfer (FRET) which occurs as the excited Rhodamine 110 fluorophore (donor) transfers its energy to TNT (acceptor) by non-radiative dipole dipole interaction. Fluorescence quenching varied linearly with TNT concentration. LOD and LOQ values were found to be 0.71 and 2.38 mg L-1, respectively. Similar explosives, common soil ions, and possible camouflage materials were found not to interfere with the proposed method, offering significant advantages with its easy methodology, low-cost, sensitivity, and rapidity of analysis. The second stage of the thesis is proposes a redox-based colorimetric sensor for the determination of hydrogen peroxide in the presence of antioxidants which are known interferents causing positive errors. On the other hand, the widely used peroxidase-based methods are interfered by enzyme inhibitors. The developed method consists of two stages, namely antioxidant removal and H2O2 determination. In the first step, antioxidants were removed simply using 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid (ABTS) radical (ABTS•+) produced by persulfate. After antioxidant elimination, H2O2 in samples was determined by using the CUPRAC (CUPric ion Reducing Antioxidant Capacity) colorimetric sensor. The CUPRAC reagent, copper(II)-neocuproine (Cu(II)-Nc), was used to prepare the sensor immobilized on a nafion persulfonate membrane. The light blue Cu (II)-Nc was reduced by H2O2 to the yellow-orange colored Cu(I)-Nc chelate on the sensor, and the absorbance increase at 450 nm was recorded. The LOD and the LOQ values obtained for H2O2 were 0.33 and 1.10 μM, respectively. The proposed assay was validated in terms of linearity, additivity, precision and recovery. The H2O2 contents of spiked food extracts, synthetic serum and certain commercial products (i.e. food sterilization solution, whitening toothpaste and hair bleaching solution) were found to be comparable to the results of peroxidase-ABTS and titanyl sulfate reference assays. In addition, peroxide-type explosive triacetone triperoxide (TATP) was successfully determined in the presence of amine-type antioxidants. The proposed simple and low-cost assay is not inhibited by environmental agents (most heavy metals, pesticides, sulfhydryl agents, etc.) adversely affecting enzymatic methods. It is additionally insensitive to turbidity and colored components of complex samples.