BİSFENOL A TANIMA BÖLGELERİNE SAHİP MOLEKÜLER BASKILANMIŞ POLİMERİK KARTUŞLARIN VE SENSÖR SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Bisphenol A (BPA) which is an endocrine disrupting chemical, has adverse effects on human health such as diabetes, prostate and breast cancer. Due to its widespread use, it threatens human health by contaminating water resources, soil and food. For this reason, there is a need for systems for the selective removal and determination of BPA from water, which is the easiest contamination source for people to access. In the course of the thesis, molecularly imprinted systems have been developed for selective identification and removal of BPA from water. In the first part of the study, molecularly imprinted polymeric cartridges were prepared for pre-concentration and removal of BPA from water. To prepare polymeric cartridges, N-methacryloyl-L-phenylalanine (MAPA), ethyleneglycol dimethacrylate (EDMA), ethanol (EtOH) and azobisisobutyronitrile (AIBN) were used as a functional monomer, crosslinker, porogen and initiator, respectively. The ratio of component of BPA-MAPA pre-complex used in preparation of the imprinted polymeric cartridges (BMC) was determined to be 1:3 by UV-Visible spectrophotometer. In order to determine the imprinting effect, non-imprinted polymeric cartridges (BNC) in the absence of template molecule and empty polymeric cartridges (EC) in the absence of template molecule and functional monomer were also prepared, following the same procedure as described. The structural characterization of the polymeric cartridges was determined by FTIR and elemental analysis methods, while the characterization of surface properties was determined by swelling tests, SEM and BET surface area measurements. The effect of ambient conditions (i.e. pH, flow rate, BPA concentration, temperature, salt type and concentration) on BPA adsorption capacity was also investigated. The optimum ambient conditions giving the highest capacity were determined as 200 mg/L BPA solution containing 0.75 M (NH4)2SO4 for 0.75 mL/min flow rate and at 50° C ambient temperature. The highest adsorption capacity for BMC was determined as 103.2 mg BPA/g of polymer. Hydroquinone, phenol, 8-hydroxyquinoline and β-estradiol (competitors), which are structurally similar to the target molecule, have been used in determining the selectivity of the imprinted polymeric cartridge. Reusability experiments were performed by 10 consecutive adsorption-desorption cycles. Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich adsorption isotherm models were applied to adsorption data. It has been determined that the most suitable isotherm model for the adsorption of BPA is Langmuir. Adsorption thermodynamic parameters (ΔHo, ΔSo ve ΔGo) were calculated by using thermodynamic equilibrium constant values at different temperatures (thermodynamic equilibrium constant, Ko). BPA adsorption kinetic was investigated by applying pseudo first order and pseudo second order models to the experimental data. The result is consistent with the pseudo-second order kinetic model which predicts that the BPA adsorption to the polymeric cartridge surface is chemically controlled without any diffusion restriction. Solid phase extraction performance of BMCs was also performed with BPA solutions prepared by using tap water and synthetic wastewater. Extraction recovery (ER) values from tap water ranged from 92% to 96%, while this value varied from 89% to 94% for synthetic wastewater samples. In addition, the enrichment factor (EF) values calculated by considering solution volumes used for adsorption and desorption were determined as 18.4-19.1 and 17.9-18.8 for tap water and synthetic wastewater, respectively. In the second part of the study, molecular imprinting technology based optical sensors were developed for the detection of BPA from water. Molecularly imprinted nanoparticles (BIN) were prepared by two-phase mini-emulsion polymerization method by using vinylimidazole (VIM) and ethyleneglycolmethacrylate (EDMA) as functional monomer and cross-linker, respectively. Grafene quantum dots (GODs) prepared by hydrothermal pyrolysis method have been immobilized on the surface of nanoparticles to acquire fluorescence properties to BIN. Nitrocellulose paper was used for the easy application of the prepared BPA-imprinted optical nanosensor (GBIN). FTIR, zeta-size analysis, TEM, SEM, spectrofluorimetric measurements were used to characterize the as-prepared sensor system. The GBIN nanosensor achieved 15.4 µg/L limit of detection (LOD) and 47.7 µg/L limit of quantification (LOQ) in aqueous phase applications. In the nitrocellulose application of GBIN nanosensor, LODs for tap water and sea water samples were determined as 0.5 µg/L and 1.0 µg/L, while LOQs were 1.7 µg/L and 3.4 µg/L, respectively. The selectivity and specificity of the sensor system have been investigated with sensor response in both sea water and ultrapure water samples by using BPA as well as structural analogues such as aminophenol, phenol, hydroquinone and naphthol as competitor agents. These results show that the systems based on molecular imprinting for the removal and determination of BPA from different matrices were satisfactory. ETİK I ÖZET II ABSTRACT V TEŞEKKÜRLER VIII İÇİNDEKİLER IX ÇİZELGELER DİZİNİ XII ŞEKİLLER DİZİNİ XIII SİMGELER VE KISALTMALAR XVI 1. GİRİŞ 1 2. GENEL BİLGİLER 4 2.1. Endokrin Bozucu Kimyasal Maddeler 4 2.1.1. Bisfenol A (BPA) 5 2.2. Moleküler Baskılanmış Polimerler (MIP) 9 2.2.1. MIP’lerin Sentezi ve Polimerizasyon Yöntemleri 15 2.2.2. MIP’lerin Tasarımı 20 2.2.3. Moleküler Baskılanmış Makrogözenekli Monolitik Sistemlerin Hazırlanması 21 2.2.3.1. Monomerler ve Çapraz Bağlayıcı Maddeler 22 2.2.3.2. Porojenler 24 2.2.3.3. Polimerizasyon Koşulları 26 2.2.4. Katı faz Özütleme ve Mikroözütleme 27 2.2.5. Moleküler Baskılanmış Nanopartiküllerin Hazırlanması - Polimerizasyon Yöntemleri 30 2.2.5.1. Çöktürme Polimerizasyonu 32 2.2.5.2. Emülsiyon Polimerizasyonu 34 2.2.5.3. Kalıp Kullanımı ile Sentez Yaklaşımı 36 2.2.5.4. İniferter Polimerizasyonu 36 2.2.5.5. Otomatik Reaktörler 37 2.2.6. Optik Sensörler 39 2.3. Grafen Kuantum Noktalar 42 2.3.1. Grafen Kuantum Noktaların Sentezi, Boyut Kontrolü ve Modifikasyonu 43 2.3.2. Kapalı Piroliz ile Boyut Kontrolü 45 2.4. Kağıt Temelli Sistemler 46 2.4.1. Hazırlama Yöntemleri 47 2.4.2. Kağıt Temelli Optik Sensörler 50 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 51 3.1. Kullanılan Kimyasal Maddeler 51 3.2. Kullanılan Cihazlar 51 3.3. Hazırlanan Çözeltiler 52 3.4. BPA Adsorpsiyonuna Yönelik Moleküler Baskılanmış Sistemlerin Geliştirilmesi 53 3.4.1. Moleküler Baskılanmış Polimerik Kartuşların Hazırlanması 53 3.4.2. Moleküler Baskılanmış Polimerik Kartuşların Karakterizasyonu 56 3.4.3. Sulu Çözeltiden BPA Adsorpsiyon Çalışmaları 57 3.4.4. Baskılanmış Polimerik Kartuşun Katı faz Özütleme Performansı 59 3.5. BPA Tayinine Yönelik Sensör Sistemlerinin Geliştirilmesi 60 3.5.1. Grafen Kuantum Noktaların Hazırlanması 60 3.5.2. Grafen Kuantum Noktaların Karakterizasyonu 60 3.5.3. BPA Baskılanmış Nanopartiküllerin Hazırlanması 61 3.5.4. Nanopartiküllerin Karakterizasyonu 64 3.5.5. Grafen Kuantum Noktaların Nanopartikül Yüzeyine İmmobilizasyonu 64 3.5.6. BPA Tayini için Uygulanan Yöntem 65 3.5.7. Deniz Suyu Örneklerinin Analizi 67 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 68 4.1. BPA Adsorpsiyonuna Yönelik Moleküler Baskılanmış Sistemlerin Geliştirilmesi 68 4.1.1. Moleküler Baskılanmış Polimerik Kartuşların Karakterizasyonu 68 4.1.2. Adsorpsiyon çalışmaları 77 4.1.2.1. pH Etkisi 77 4.1.2.2. Akış Hızının Etkisi 78 4.1.2.3. Bisfenol A Başlangıç Derişiminin Etkisi 79 4.1.2.4. Tuz Tipi ve Derişiminin Etkisi 80 4.1.2.5. Ortam Sıcaklığının Etkisi 81 4.1.2.6. Etkileşim Süresinin Etkisi 83 4.1.2.7. Seçicilik Çalışmaları 84 4.1.2.8. Tekrar Kullanılabilirlik 86 4.1.3. Baskılanmış Polimerik Kartuşun Katı faz Özütleme Performansı 86 4.1.4. Denge Termodinamiği ve Adsorpsiyon İzotermleri 89 4.1.5. Adsorpsiyon Kinetiği 100 4.2. BPA Tayinine Yönelik Moleküler Baskılanmış Sensör Sisteminin Geliştirilmesi 103 4.2.1. Grafen Kuantum Noktaların Karakterizasyonu 103 4.2.2. Nanopartiküllerin Karakterizasyonu 106 4.2.3. Nanosensörün Karakterizasyonu 108 4.2.4. BPA Tayini 111 4.2.5. Nanosensörün Seçiciliği ve Özgünlüğü 115 5. YORUM 119 KAYNAKLAR 122 ÖZGEÇMİŞ 140 Endokrin bozucu kimyasal maddelerden olan Bisfenol A’nın (BPA), insan sağlığı üzerine diyabet, prostat ve meme kanserine sebep olma gibi etkileri vardır. Yaygın kullanımından kaynaklı, sulardan, yiyeceklerden ve topraktan insan sağlığını tehdit etmektedir. Bu nedenle, insanlara en kolay ulaşım yolu olan sulardan seçici olarak uzaklaştırılması ve tayinine yönelik sistemlerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Tez çalışması kapsamında sulardan seçici olarak BPA’nın uzaklaştırılması ve tayini için moleküler baskılanmış sistemler geliştirilmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında, BPA’nın sulardan uzaklaştırılması ve ön-deriştirilmesine yönelik moleküler baskılanmış polimerik kartuşlar hazırlanmıştır. Polimerik kartuşların hazırlanmasında N-metakriloil-L-fenil-alanin (MAPA) fonksiyonel monomer, etilenglikol dimetakrilat (EDMA) çapraz bağlayıcı, etanol (EtOH) porojen ve azobisizobütironitril (AIBN) başlatıcı olarak kullanılmıştır. Baskılanmış polimerik kartuşların (BMC) hazırlanmasında kullanılan BPA-MAPA ön kompleks bileşenler oranı UV-Görünür spektrofotometre ile mol olarak 1:3 olarak belirlenmiştir. Baskılama etkinliğinin belirlenebilmesi için hedef molekül içermeyen baskılanmamış polimerik kartuşlar (BNC) ile fonksiyonel monomer içermeyen polimerik kartuşlar da (EC) hazırlanmıştır. Polimerik kartuşların yapısal karakterizasyonu, FTIR ve elementel analiz yöntemleriyle, yüzey özelliklerinin karakterizasyonu ise şişme testleri, SEM ve BET yüzey alanı ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Ortam koşullarının (pH, akış hızı, BPA derişimi, sıcaklık, tuz tipi ve derişimi) BPA adsorpsiyon kapasitesi üzerine etkisi incelenmiştir. En yüksek kapasitenin elde edildiği optimum ortam koşulları, 0,75 mL/dk akış hızında, 50 oC ortam sıcaklığında, 0,75 M (NH4)2SO4 içeren 200 mg/L BPA çözeltisinde elde edilmiştir. BMC için en yüksek adsorpsiyon kapasitesi 103,2 mg BPA/g polimer olarak belirlenmiştir. Baskılanmış polimerik kartuşun seçiciliğinin belirlenmesinde, hedef moleküle yapısal olarak benzeyen, (yarışmacı maddeler olarak) hidrokinon, fenol, 8-hidroksikinolin ve β-estradiol kullanılmıştır. BMC’a 10 adsorpsiyon-desorpsiyon döngüsü uygulanarak tekrar kullanılabilirlik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon verilerine Langmuir, Freundlich, Temkin ve Dubinin-Radushkevich adsorpsiyon izoterm modelleri uygulanmıştır. BPA’nın adsorpsiyonu için en uygun izoterm modelinin Langmuir olduğu belirlenmiştir. Sıcaklıkla değişen termodinamik denge sabiti (termodinamik denge sabiti, Ko) değerleri kullanılarak adsorpsiyon termodinamik parametreleri (ΔHo, ΔSo ve ΔGo) hesaplanmıştır. BPA adsorpsiyon kinetiği, deneysel verilere yalancı birinci dereceden ve yalancı ikinci dereceden modeller uygulanarak incelenmiştir. BPA adsorpsiyonunun polimerik kartuş yüzeyine herhangi bir difüzyon kısıtlaması olmaksızın kimyasal kontrollü gerçekleştiğini öngören yalancı-ikinci dereceden kinetik modele uyduğu sonucuna varılmıştır. BMC’larının katı faz özütleme performansı, musluk suyu ve sentetik atık su kullanılarak hazırlanan BPA çözeltileriyle gerçekleştirilmiştir. Musluk suyundan özütleme geri kazanım (ER) değerleri %92-96 arasında değişirken, sentetik atık su örnekleri için bu değerin %89-94 arasında değiştiği bulunmuştur. Ayrıca, adsorpsiyon ve desorpsiyon için kullanılan çözelti hacimleri göz önüne alınarak hesaplanan zenginleştirme faktörü (EF) değerleri musluk suyu için 18,4-19,1 ve sentetik atık su için ise 17,9-18,8 olarak belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, sulardan BPA’nın tayini için, moleküler baskılama temelli optik sensörler geliştirilmiştir. Vinilimidazol (VIM) fonksiyonel monomer olarak, etilenglikoldimetakrilat (EDMA) çapraz bağlayıcı olarak kullanılmış ve mini-emülsiyon polimerizasyon yöntemiyle baskılanmış nanopartiküller (BIN) hazırlanmıştır. BIN’e floresans özellik kazandırılması için hidrotermal piroliz yöntemle hazırlanan grafen kuantum noktalar (GOD’lar) nanopartikül yüzeyine immobilize edilmiştir. Hazırlanan BPA baskılanmış optik nanosensörün (GBIN) BPA tayininde kolay uygulanabilmesi için nitroselüloz kâğıtlar kullanılmıştır. FTIR, zeta-boyut analizi, TEM, SEM, spektroflorofotometrik ölçümler kullanılarak sensör sistemi karakterize edilmiştir. GBIN sensörün sulu faz uygulamalarında 15,4 µg/L gözlenebilme sınırı (LOD) ve 47,7 µg/L tayin sınırı (LOQ)’ya ulaşılmıştır. GBIN nanosensörün nitroselüloz uygulamasında musluk suyu ve deniz suyu örneklerinde LOD sırasıyla 0,5 µg/L ve 1,0 µg/L olarak, LOQ ise sırasıyla 1,7 µg/L ve 3,4 µg/L olarak belirlenmiştir. Sensör sisteminin seçiciliği ve özgünlüğü BPA’nın yanı sıra aminofenol, fenol, hidrokinon ve naftol gibi yapısal analoglar kullanılarak hem ultra saf su içerisinde hem de deniz suyu içerisinde hazırlanan çözeltilere sensör sisteminin verdiği cevap incelenerek belirlenmiştir. Bu sonuçlar, farklı matrislerden BPA uzaklaştırılması ve tayinine yönelik geliştirilen moleküler baskılama temelli sistemlerin başarılı bir şekilde hazırlandığını göstermektedir.