Search

CİVA (II) VE GÜMÜŞ (I) İYONLARININ POLİ(VİNİLFERROSENYUM) İLE MODİFİYE EDİLMİŞ PLATİN ELEKTROTTAKİ VOLTAMETRİK DAVRANIŞLARI Mutlu Sönmez Hacettepe Üniversitesi, Kimya Bölümü, Analitik Kimya Anabilim Dalı ÖZ Bu çalışmada, civa (II) ve gümüş (I) iyonlarının poli(vinilferrosenyum) klorür ile kaplanmış platin elektrottaki voltametrik davranışları incelenmiş ve bu elektrodun civa (II) ve gümüş (I) iyonlarının tayininde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Civa (II) ve gümüş (I) iyonları, polimer yapıda bulunan klorür iyonlarının metal iyonlarıyla kompleks oluşturması yoluyla modifiye elektrotta önderiştirilmiştir. Her iki metal iyonunun voltametrik davranışları dönüşümlü voltametri ve diferansiyel puis anodik sıyırma voltametrisi yöntemleri ile incelenmiştir. Metal iyonlarının tayininde kaplama kalınlığının, Cl~ iyonu derişiminin, CI` iyonunda bekletme süresinin, metal iyonlarının önderiştirilme süresinin, elektroliz potansiyelinin ve elektroliz süresinin etkileri incelenmiştir. Belirlenen optimum koşullar kullanılarak, civa (II) ve gümüş (I) iyonları için derişim- sıyırma pik akımı ilişkileri de incelenmiştir. Anahtar kelimeler: modifiye elektrot, civa (II) iyonu, gümüş (I) iyonu, dönüşümlü voltametri, diferansiyel puis anodik sıyırma voltametrisi Danışman: Prof. Dr. Haluk ÖZYÖRÜK, Hacettepe Üniversitesi, Kimya Bölümü, Analitik Kimya Anabilim Dalı n VOLTAMMETRIC BEHAVIORS OF MERCURY (II) AND SILVER (I) IONS ON POLY(VINYLFERROCENE) MODIFIED PLATINUM ELECTRODE Mutlu Sönmez Hacettepe University, Department of Chemistry, Analytical Chemistry Section ABSTRACT Voltammetric behaviors of mercury (II) and silver (I) ions on a platinum electrode coated with poly(vinylferrocenium) chloride was investigated and utility of this electrode for the determination of mercury (II) and silver (I) ions was tested. Mercury (II) and silver (I) ions were preconcentrated at the modified electrode by complex formation with the chloride ions present in the polymer matrix. Voltammetric behaviors of the two metal ions were investigated by both cyclic voltammetry and differential pulse anodic stripping voltammetry techniques. For the determination of the metal ions, the effects of polymeric film thickness, concentration of CI` ion solution, immersion time in CI` ion solution, preconcentration time of metal ions, electrolysis potential and electrolysis time were investigated. The concentration-stripping peak current relationship for mercury (II) and silver (I) ions was also studied under the optimum conditions. Key Words: modified electrode, mercury (II) ion, silver (I) ion, cyclic voltammetry, differential pulse anodic stripping voltammetry Advisor: Prof. Dr. Haluk ÖZYÖRÜK, Hacettepe University, Department of Chemistry, Analytical Chemistry Section 49

ÖZET Bu çalışmada Pt elektrot yüzeyine kaplanan poli(vinilferrosenyum), PVF+, filmine kolesterol oksidaz' ın elektrostatik olarak tutuklanmasıyla oluşturulan enzim elektroduyla kolesterolün kararlı hal amperometrik ölçümleri yapıldı. Poli(vinilferrosen), PVF,' in 0.1 M tetrabütilamonyumperklorat, TBAP, içeren metilen klorürdeki çözeltisinin Pt elektrotda DKE' a karşı 0.7 V da yapılan elektrolizi ile PVF+C104` filmi oluşturuldu. Enzimin polimer filminde tutuklanması için kolesterol oksidaz' m izoelektrik noktasının üzerindeki bir pH değeri olan pH 7.5' de 0.01 M fosfat tamponunda enzim çözeltisi hazırlandı. Bu pH değerinde negatif yüklü olan enzimin, E`, polimer film yapısındaki C104` karşıt anyonuyla yer değiştirmesiyle PVF E` enzim elektrodu oluşturuldu. PVF, PVF+C1(V ve PVF E` yapılarının belirlenmesinde FTIR spektroskopisinden, polimer yapısındaki enzimin nitel ve nicel analizinde ise UV spektrokopisinden yararlanıldı. PVF ve PVF+C104`' ın dönüşümlü voltametrik davranışları da incelendi. Çözücü-elektrolit ortamını belirlemek amacıyla etil alkol ile NaCl ve NaCI04 tuzlarının amperometrik ölçümlere etkisi incelendi. Ayrıca ortam pH' ının, ortamda çözünmüş oksijenin ve çalışma sıcaklığının ölçülen akımlara etkisi de araştırıldı.En yüksek akım değerleri oksijenle doyurulmuş pH 7.5, 0.045 M fosfat tamponu + 0.005M NaC104 + %l(v/v) Triton X-100 çözelti ortamında 25°C de ölçüldü. Bu enzim elektrodunun duyarlığı 104 uA M`1 cm`2, doğrusal derişim aralığı 0. 1- 0.5 mM olarak bulundu. En uygun çalışma sıcaklığını belirlemek amacıyla 15 - 30° C aralığında yapılan amperometrik ölçümlerden yararlanılarak kolesterolün enzimatik tepkimesi için aktivasyon enerjisi bulundu. Polimer film yapısında bulunan kolesterol oksidaz enziminin kolesterole ne kadar uyumlu olduğunu belirlemek amacıyla en uygun çalışma koşullarında elde edilen akım - derişim verilerinden yararlanılarak Lineweaver-Burk grafiği oluşturuldu ve (apperant) Michaelis- Menten sabiti (K/ia) hesaplandı. Geliştirilen enzim elektrodu ile aynı substrat derişimi için birer gün ara ile ölçülen akım değerlerinden yararlanılarak enzim elektrodun aktif ömrü 14 gün olarak belirlendi. Elde edilen bulgulardan yararlanılarak kolesterol oksidaz enzim elektrodu için bir çalışma mekanizması önerildi. Anahtar Kelimeler : Biyosensor, Amperometri, Kolesterol, Kolesterol oksidaz ABSTRACT In this study, the steady state amperometric measurements of cholesterol were performed by enzyme electrode which was developed through electrostatic immobilization of the cholesterol oxidase in poly(vinylferrocenium), PVF+, film that coated on a Pt electrode. PVFX1CV film was made on Pt electrode at + 0.7 V through oxidation of poly(vinylferrocene), PVF, in methylene chloride which contained 0.1 M TBAP. For the immobilization of the enzyme in polymer film, a solution of this enzyme was prepared in 0.01 M phosphate buffer at pH 7.5 which is a pH value over the isoelectric point of cholesterol oxidase enzyme. Enzyme electrode, PVF^E`, was prepared by the exchange of counter anion CIO4` with the E' which is negatively charged form of the enzyme at this pH value. FTIR spectroscopy was used for the structure determination of PVF, PVF+C104`, PVF^` and UV spectroscopic studies were done for the quantitative and qualitative analyses of the enzyme in the polymeric matrix. Cyclic voltammetric behaviours of PVF and PVF`C104` were also studied. For the determination of solvent- electrolyte medium, the effect of ethyl alcohol with NaCl and NaC104 salts to the amperometric measurements were investigated. Also the effects of the pH of the medium, the oxygen that dissolved and the temperature on the measured currents were tested. To obtain the highest current value experiments were done at 25° C, solution medium which is saturated with oxygen, pH 7.5, 0.045 M phosphate buffer + 0.005 MNaC104 + %1 (v/v) Triton X- 100. It was found that the sensitivity is 104 uA M`1 cm`2 and linear concentration range is 0. 1- 0.5 mM for this enzyme electrode. Amperometric measurements were performed at the interval of 15- 30° C for the cholesterol oxidase to find out the most adequate working temperature and the activation energy of the enzymatic reaction of cholesterol was found out using this data. Lineweaver- Burk graph was plotted and apperant Michaelis- Menten constant (K/u) was calculated by using current- concentration data of cholesterol in order to delineate how sensitive is the cholesterol oxidase, which was immobilized in the polymeric film, towards cholesterol. The life-time of the developed enzyme electrode was found 14 days using the current values measured daily for the same substrate concentration. An operation mechanism was suggested for the cholesterol oxidase enzyme electrode using the findings mentioned above. Keywords : Biosensor, Amperometry, Cholesterol, Cholesterol oxidase 67

ÖZET Bu çalışmada poli(vinilferrosenyum), PVF+, filminde horseradish peroksidazm, HRP, elektrostatik olarak tutuklanmasıyla geliştirilen enzim elektroduyla hidrojen peroksit, ter-bütil hidroperoksit, 2-bütanon peroksit, kümen hidroperoksit ve ter-bütil peroksiasetatın kararlı hal amperometrik ölçümleri yapıldı. 0.1 M TBAP içeren metilen klorürdeki pohvinilferrosenin, PVF, + 0.7 V da yükseltgenmesiyle Pt elektrot yüzeyinde poli(vinilferrsenyum)perklorat, PVF+C104`, filmi oluşturuldu. Peroksidaz enziminin izoelektrik noktasının üzerinde bir pH değeri olan pH 8.5' da 0.05 M fosfat tamponunda bu enzimin çözeltisi hazırlandı. Karıştırılan bu çözeltide E' yapısında olan negatif yüklü enzim, PVF+C104` yapısındaki C104` karşıt anyonuyla yer değiştirerek PVFİE` enzim-modifiye elektrodu hazırlandı. PVF, PVF+C104` ve PVF^E` yapılarının belirlenmesinde FTIR spektroskopisinden yararlanıldı. Enzimin polimer yapıya girmesi ve yapıdan desorpsiyonu UV spektroskopik çalışmalarla da izlendi. Hidrojen peroksit ve ter-bütil hidroperoksitin amperometrik ölçümleri pH 8.5, 0.05 M fosfat tamponunda yapıldı. 2-Bütanon peroksit ve kümen hidroperoksit için en uygun amperometrik ölçüm ortamı %60 fosfat tamponu : %40 etil alkol, ter-bütil peroksiasetat için ise %60 fosfat tamponu : %40 aseton olarak belirlendi. Bu peroksitlerin amperometrik ölçümleri belirtilen ortamlarda yapıldı. En uygun çalışma sıcaklığını belirlemek amacıyla hidrojen peroksit için 12.5-25 °C, organik peroksitler için 15-25 °C aralığında amperometrik ölçümler yapıldı. En yüksek akım değerleri 20 °C ' da ölçüldü. Bu verilerden yararlanarak çalışılan peroksitlerin aktivasyon enerjileri bulundu. PVF'E` filminde tutuklu bulunan peroksidazm, çalışılan peroksitlere ne kadar duyarlı olduğunu belirlemek amacıyla, peroksitlere ait akım-derişim verilerinden yararlanarak, Lineweaver-Burk grafikleri oluşturuldu ve Km değerleri hesaplandı. Km değerleriyle aktivasyon enerjilerinin birbirleriyle uyumlu olduğu belirlendi. Geliştirilen enzim elektrodunun aktif ömrü, belirlenen en uygun çalışma koşullarında her bir peroksit için ayrı ayrı izlendi. Bu süre hidrojen peroksit, ter-bütil hidroperoksit, 2-bütanon peroksit, kümen hidroperoksit, ter-bütil peroksiasetat için sırasıyla; 65, 40, 15, 15, 3 gün olarak belirlendi. Peroksitlerin PVF^` enzim elektrodu ve PVFX104` filmi kaplı elektrotla ölçülen kararlı hal amperometrik cevapları karşılaştırılarak peroksidazm katalitik etkisi saptandı. Bazı enzimatik tepkimeleri katalizleyen oksijenin etkisi bu çalışmada da incelendi ve oksijenin inhibitor etkisi gösterdiği belirlendi. Çalışılan peroksitler için duyarlık, alt tayin sınırı ve ölçülen akımların peroksit derişimi ile doğrusal olarak değiştiği derişim aralıkları saptandı. Yukarıda belirtilen bulgulardan yararlanarak peroksidaz enzim elektrodu için bir çalışma mekanizması önerildi. 11 SUMMARY In this study the steady state amperometric measurements of hydrogen peroxide, tert-butyl hydroperoxide, 2-butanone peroxide, cumene hydroperoxide and tert-butyl peroxyacetate were performed by enzyme electrode which was developed through electrostatic immobilization of the horseradish peroxidase, HRP, in poly(vinilferrocenium), PVF+, film. Poly(vinilferrocenium)perchlorate, PVF+C104`, film were made on Pt electrode at +0.7 V through oxidation of polyvynilferrocene, PVF, in methylene chloride which contained 0. 1 M TBAP. A solution of this enzyme were prepared in 0.05 M phosphate buffer at pH 8.5 which is a pH value over the isoelectric point of peroxidase enzyme. Enzyme modified electrode PVF^` were prepared in this solution while stirring through exchange of PVF+C104` which has a structure like E`, by counter anion C104`. FTIR spectroscopy was used for the structure determination of PVF, PVF+C104`, and PVF^E'. The immobilization of the enzyme into the polymeric structure and desorption from there were followed up also by UV spectroscopic studies. The amperometric measurements of hydrogen peroxide and tert-butyl hydroperoxide were executed in 0.05 M phosphate buffer at pH 8.5. The most suitable amperometric measurement media were found for 2-butanone peroxide and cumene hydroperoxide as 60% phosphate buffer : 40% ethyl alcohol, and for tert-butylperoxyacetate as 60% phosphate buffer : 40% aceton. The amperometric measurements of these peroxides were done in said media. Amperometric measurements were performed at the interval of 12.5-25°C for hydrogen peroxide and at 15-25°C for organic peroxides with the purpose to find out the most adequate working temperature. The activation energies of the peroxides of concern were found out using these data. Lineweaver-Burk graphics were generated and Km values were calculated using cuixent- contentration data of peroxides in order to delineate how sensitive is the peroxidase which was immobilized at PVF^` film towards operative peroxides. It was exhibited that Km values and the activation energies are compilable with each other. The life-time of the developed enzyme electrode was followed up separetaly for each peroxide at the most suitable working conditions. This period was observed for hyrdogen peroxide, tert- butyl hydroperoxide, 2-butanone peroxide, cumenehydroperoxide and tert-butyl peroxyacetate as 65, 40, 15, 15, 3 days respectively. The catalytic effect of peroxidase was assayed by comparison of the steady-state amperometric responds of peroxides which were measured with the PVFİE* enzyme electrode and the electrode coated with PVF+C104`. The effect of oxygen which catalyses some enzymatic reactions was examined also in this study and it's inhibitory effect was exhibited. The concentration intervals of the measured currents which vary linearly with the peroxide contentration, the lower detection limit and the sensitivity of the peroxides of concern were determined. An operation mechanism was suggested for the enzyme electrode using the findings mentioned above. 110

ÖZET Bu çalışmada polivinilferrosen (PVF) modifiye elektrodunun hazırlanması ve bu elektrodun sulu ve susuz ortamlardaki elektrokimyasal davranışı incelendi. Metilen klorûrdekl PVF çözeltisinin anodik elektrolizi ile Pt elektrot üzerinde PVF+C104` fîlmi oluşturmanın bu çalışmanın amacına en uygun kaplama yöntemi olduğu belirlendi. Sulu ortamda yapılan çalışmalarda iyodür, tiyosiyanat, siyanür ve kobalt(in)hekzanitril anyonlarının temiz Pt elektrot ve modifiye Pt elektrotdaki dönüşümlü voltametrik davranışları karşılaştırmalı olarak incelendi. Bu modifiye elektrotda siyanür dışındaki anyonların temiz Pt elektrotdaki ile aynı gerilimde yükseltgendikleri, siyanür anyonunun yükseltgenme pik geriliminin ise temiz Pt elektrotdakinden 380mV daha düşük olduğu görüldü. Ayrıca PVF+C104` polimer filminin anyonlar için bir önderiştirme ortamı olarak davrandığı belirlendi. Bu modifiye yüzeyde önderiştirme ile biriktirilen anyonların diferansiyel puis anodik sıyırma voltametrisi yöntemi ile elde edilen pik akımlarının anyon çözeltilerinin derişimi ile orantılı olduğu bulundu ve her anyona ait kalibrasyon grafiği çizildi. Susuz ortamda yapılan çalışmalarda ise antrasen ile bazı 9-substitue antrasenler, 9,10-disübstitue antrasenler ve kinonlann temiz Pt elektrot ve PVF+C104` kaplı Pt elektrotdaki dönüşümlü voltametrik davranışları karşılaştırmalı olarak incelendi. Bu bileşiklerin modifiye Pt elektrotdaki indirgenme pik akımlarının temiz Pt elektrotdakine göre çok daha büyük olduğu belirlendi. Bu bileşiklerin elektro indirgenmelerine PVF+C104` kaplı yüzeyin katalitik etkisi olduğu bulundu ve bu kataliz olayı için bir mekanizma önerildi. Aynca.yükseltgenme gerilimi PVF+C104` kaplı elektrodun çalışma sınırlan içinde olan antrasen ve 9,10- difenilantrasen bileşiklerinin elektro yükseltgenme davranışları da incelendi. Bu bileşiklerin yükseltgenme ve indirgenme piklerini kapsayan gerilim aralığında, PVF+C104` kaplı elektrotla yapılan dönüşümlü voltametrik incelemelerde, yükseltgenme ve indirgenme pik akımlarının temiz Pt elektroda göre oldukça büyük olduğu ve bu modifiye yüzeyin hem anodik hem de katodik bölgede katalitik etki gösterdiği bulundu. Gözlenen bu kataliz olayı için de bir mekanizma önerildi. Polimer filmlerinin yapısı çalışmanın belirli aşamalarında UV spektroskopisi, İR spektroskopisi ve DSC yöntemleri ile incelendi. Polimer yapıdaki değişikliklerin önerilen mekanizmayı desteklediği belirlendi. IV SUMMARY The preparation of poly(viniylferrocene) (PVF) modified electrode and the electrochemical behaviour of this electrode in aqueous and nonaqueous medium was investigated. It was established that the most convenient coating method for the aim of this study was the preparation of PVF+C104' film on Pt electrode by the electrolysis of PVF solution in methylene chloride. The cyclic voltammetric behaviour of iodide, thiocyanate, cyanide and cobalt(nrjhexanitryl on the modified Pt electrode was examined and the results were compared with that of on uncoated Pt surface. The oxidation peak potential of the cyanide ion on this modified electrode shifted to lower values by about 380mV that measured with uncoated Pt electrode. The other anions were oxidized at the same potential both on modified and uncoated Pt electrode. PVF+C104~ polymer film acted as a preconcentration medium for the anions. The differential pulse anodic stripping peak currents of preconcentrated anions at this modified surface were found to be proportional to anion concentration of the solution. The calibration curves for each anion were drown. The cyclic voltammetric behaviour of anthracene, some of its 9-substituted and 9,10-disubstituted derivatives and quinones on PVF+C104` coated Pt electrode was also investigated and results were compared with that of on uncoated Pt electrode in nonaqueous medium. It was defined that the reduction peak currents of this compounds on modified Pt electrode were much greater than the currents on uncoated Pt electrode. Catalytic effect of PVF+C104` coated surface for electroreduction of this compounds was investigated and a mechanism was proposed for this catalytic process. Besides that, the electrooxidation behaviour of anthracene and 9,10-diphenylanthracene was also examined. Cyclic voltammetric studies showed that the oxidation and reduction peak currents of this compounds at PVF+CKXj` coated electrode were much greater than the currents at uncoated Pt electrode within the potential range including oxidation and reduction peaks of this compounds. It was found that this modified surface both in anodic and cathodic region catalyzed the electrode reactions and a mechanism related to the catalytic process was proposed. The structure of polymer film at the certain steps of the study was examined by UV spectroscopy, IR spectroscopy and DSC methods. The proposed mechanism was supported with the changes occuring in the structure of the film. 115