Göster/Aç - Pamukkale Üniversitesi Açık Erişim Arşivi

Transkript

PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FERROSENİL DİTİYOFOSFONAT İÇEREN
İLETKEN POLİMERLERİN SENTEZİ VE BİYOSENSÖR
UYGULAMALARI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Tuğba SOĞANCI
Anabilim Dalı : Kimya
Programı : Fizikokimya
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Halil CETİŞLİ
Eş Danışman: Doç.Dr. Metin AK
ARALI
v
TEŞEKKÜR
Bu tez çalışmasında desteğini her zaman hissettiğim danışman hocam Prof.Dr. Halil
CETİŞLİ’ye, tez çalışmamın başlangıcından sonuna kadar ilgi, desteklerini benden
esirgemeyen, hem maddi hem manevi olarak her zaman yanımda olan ve bilimsel
katkılarıyla yol gösteren eş danışman hocam Doç.Dr. Metin AK’a, tez kapsamında
sentezlenecek malzemelerin sentezinde bilgisini esirgemeyen hocam Doç.Dr.
Mehmet KARAKUŞ’a, tecrübeleriyle ve desteğiyle her zaman yanımda olduğunu
hissettiren hocam, manevi ablam Yrd.Doç.Dr. Gülbanu KOYUNDERELİ ÇILGI’ya,
bilgi ve desteğiyle yol gösteren hocam Dr. Mine SULAK’a, sentezlenen maddelerin
analizinde yardımını esirgemeyen ve tüm yüreğiyle yanımda olan Gülbin
KURTAY’a teşekkür ederim.
Tezin biyosensör uygulamalarında laboratuvarını bize açarak çalışmalarımıza izin
veren ve bilgisiyle katkılarda bulunan Prof.Dr. Suna TİMUR’a, Doç.Dr. Dilek
ODACI DEMİRKOL’a ve biyokimya laboratuvarında çalışan tüm arkadaşlarıma
teşekkür ederim.
111T074 nolu Tübitak Projesine ve 2011FBE073 no’lu Pamukkale Üniversitesi
Bilimsel Araştırmalar Projesine, Pamukkale Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
Kimya Bölümünde tüm tez çalışmam boyunca katkılarını gördüğüm tüm hocalarıma,
arkadaşlarıma teşekkür ederim.
Çalışmalarım boyunca maddi ve manevi desteklerini benden birgün bile esirgemeyen
arkamdaki koca çınarım babam Mehmet Ali SOĞANCI’ya, sabrı ve sevgisiyle her
an yanımda olan annem Gülten SOĞANCI’ya ve canım ablam Demet KILIÇ’a
teşekkürü borç bilirim.
ARALIK 2013
Tuğba SOĞANCI
(Kimyager)
vi
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET......................................................................................................................... xv
SUMMARY ............................................................................................................. xvi
1. GİRİŞ ...................................................................................................................... 1
2.
İLETKEN POLİMERLER ............................................................................... 2
2.1 Polimerlerde İletkenliğin Açıklanması ............................................................... 2
2.2 İletken Polimerlerde Band Teorisi ..................................................................... 3
2.3 İletken Polimer Hazırlamada Doping İşlemi ...................................................... 7
2.3.1 Soliton, polaron ve bipolaron yapıları ......................................................... 9
2.4 Atlama (hopping) olayı .................................................................................... 11
2.5 İletken Polimerlerin Polimerleşme Mekanizmaları .......................................... 12
2.6 İletken Polimerlerin Sentez Yöntemleri ........................................................... 13
2.6.1 Kimyasal Polimerizasyon ......................................................................... 13
2.6.2 Elektrokimyasal Polimerizasyon ............................................................... 14
2.7 Koordinasyon Polimerleri ................................................................................ 15
2.7.1 Polimer Metal Komplekslerinin Sınıflandırılması .................................... 16
2.7.1.1 Metal İyonu ile Polimer Ligandının Komplekleşmesi ....................... 16
2.7.1.2 Asılı Duran Metal Kompleksleri ........................................................ 17
2.7.1.3 Polimer Zinciri İçerisinde veya Polimer Zincirleri Arasında Metal
Polimer Kompleksleri .................................................................................... 17
2.8 Elektroanalitik Teknikler.................................................................................. 18
2.8.1 Voltametrik Metodlar ................................................................................ 19
2.8.1.1 Dönüşümlü Voltametri (CV) ............................................................. 21
2.8.1.2 Kronoamperometri (CA) .................................................................... 27
2.8.1.3 Kare Dalga Voltametrisi (SWV) ........................................................ 28
2.9 Elektrokromizm ................................................................................................ 30
2.9.1 Elektrokromik Materyallerin Çeşitleri ...................................................... 30
2.10 Elektrokromik Polimer Çalışmalarında Deneysel Metodlar .......................... 31
2.10.1 Spektroelektrokimya ............................................................................... 31
2.10.2 Elektrokromik Karşıtlık .......................................................................... 31
2.10.3 Switching Time (Tepkime Zamanı) ........................................................ 31
3. BİYOSENSÖRLER ............................................................................................. 32
3.1 Enzim ............................................................................................................... 32
3.1.1 Enzimlerin Yapısı ..................................................................................... 33
3.1.1.1 Aktif Merkez ...................................................................................... 34
vii
3.1.2 Enzimlerin Sınıflandırılması ..................................................................... 35
3.2 Enzim İmmobilizasyonu .................................................................................. 35
3.2.1 Enzim İmmobilizasyonu Yöntemleri ........................................................ 36
3.2.1.1 Taşıyıcı Bir Yüzeye Bağlama ............................................................ 36
3.2.1.2 Çapraz Bağlama ................................................................................. 38
3.2.1.3 Tutuklama .......................................................................................... 39
3.3 Enzim Kinetiği ................................................................................................. 40
3.3.1 Enzim Aktivitesi ....................................................................................... 40
3.3.2 Michelis ve Menten Kinetiği..................................................................... 40
3.4 Glukoz Oksidaz ................................................................................................ 43
3.4.1 Glukoz Oksidazın Genel Özellikleri ......................................................... 43
3.4.2 Glukoz Oksidazın Reaksiyon Mekanizması ............................................. 44
3.5 Enzim Elektrodu ............................................................................................... 44
3.5.1 Amperometrik Enzim Elektrodu Jenerasyonları ....................................... 45
3.5.2 Enzim Elektrodu Karakteristikleri ............................................................ 47
3.5.2.1 Kararlılık ............................................................................................ 47
3.5.2.2 Seçicilik .............................................................................................. 47
3.5.2.3 Cevap Süresi ...................................................................................... 48
3.6 Amperometrik Glukoz Elektrodu ..................................................................... 48
3.6.1 Amperometrik Glukoz Elektrodunun Kullanım Alanları ......................... 49
4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR .............................................................................. 50
4.1 Kullanılan Kimyasal Maddeler, Cihazlar ve Teknikler.................................... 50
4.1.1 Kimyasal Maddeler ................................................................................... 50
4.1.2 Kullanılan Alet ve Cihazlar....................................................................... 51
4.1.2.1 Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) ..................... 51
4.1.2.2 Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR) ........................ 51
4.1.2.3 Potensiyostat ...................................................................................... 51
4.1.2.4 UV-VIS Spektrofotometre ................................................................. 51
4.1.2.5 Biyosensör Çalışmasına Yönelik Sistemler ....................................... 51
4.2 Deneysel Prosedür ............................................................................................ 52
4.2.1 TPFc’in Sentezi (((1S)-2-((4-(1H-pirol-1yl)fenoksi)(merkapto)fosforotiyol)siklo penta-2,4-dien-1-yl)(siklo-2,4-dien-1yl)demir)) ........................................................................................................... 52
4.2.2 Biyosensör çalışmasında kopolimer oluşturmak için kullanılan TPA'nın
Sentezi .............................................................................................................. 52
4.2 Elektrokimyasal Polimerizasyon ...................................................................... 54
4.3.1 TPFc ile Pirol’ün DCM İçerisindeki Kopolimerizasyonu ........................ 54
4.3.2 TPFc ile TPA’nın DCM İçerisindeki Kopolimerizasyonu ....................... 54
4.4 İletken Polimerin Elektrokromik Özellikleri.................................................... 55
4.4.1 Spektroelektrokimya ................................................................................. 55
4.4.2 Kinetik Çalışmalar .................................................................................... 56
4.5 Enzim Elektrodu Hazırlanması......................................................................... 56
4.5.1 Enzimin Kovalent Bağlanması .................................................................. 56
4.5.2 TPFc-co-TPA/Glukoz Oksidaz Enzim Sensörünün Hazırlanması ........... 56
viii
4.5.3 P(TPFc-co-TPA/GOx) Enzim Sensörleri ile Ölçüm İlkesi ....................... 57
4.6 Elektrot Performans Çalışmaları ...................................................................... 57
4.6.1 Ferrosenin Redoks Özelliğinden Faydalanarak Amperometrik Olarak
Sensör Cevabının İzlenmesi ............................................................................... 58
4.6.2 Optimum pH ............................................................................................. 59
4.6.3 TPFc-co-TPA/Glukoz Oksidaz Enzim Sensörünün Karakterizasyonu .... 59
4.6.3.1 Doğrusal Tayin Aralığı ...................................................................... 59
4.6.3.2 Analiz Sonuçlarının Tekrarlanabilirliği ve Yeniden Üretilebilirlik ... 59
4.6.4 Örnek Uygulama ....................................................................................... 60
4.6.5 Girişimci Testi........................................................................................... 60
5.BULGULAR ve TARTIŞMA ............................................................................... 60
5.1 Monomer Karakterizasyonu ............................................................................. 60
5.1.1 TPFc Monomerine Ait 1H-NMR, 13C-NMR ve 31P-NMR Spektrumu ..... 60
5.1.2 4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin (TPA) Monomerine
Ait 1H-NMR Spektrumu .................................................................................... 63
5.2 Sentezlenen Polimerlerin Elektrokimyasal ve Elektrokromik Özellikleri ....... 64
5.2.1 P(TPFc-co-Py) ’nin DCM İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri ........ 64
5.2.2 P(TPFc-co-Py) ’nin DCM İçerisindeki Elektrokromik Özellikleri........... 67
5.2.3 P(TPFc-co-Py) ’nin CH3CN İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri .... 68
5.2.4 P(TPFc-co-Py) ’nin CH3CN İçerisindeki Elektrokromik Özellikleri ....... 70
5.2.5 P(TPFc-co-TPA) ’nın DCM İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri .... 72
5.3 Elektrot Performans Çalışmaları ...................................................................... 76
5.3.1 Elektrot Yüzeyine Kaplanan Kopolimer Oranının Optimizasyonu .......... 77
5.3.2 pH Optimizasyonu .................................................................................... 77
5.3.3 Enzim Elektrodunun Kalibrasyonu ........................................................... 78
5.3.3.1 Analiz Sonuçlarının Tekrarlanabilirliği ............................................. 79
5.3.3.2 Örnek Uygulama ................................................................................ 80
SONUÇ ...................................................................................................................... 82
Kaynakça .................................................................................................................. 85
EKLER ...................................................................................................................... 87
ix
KISALTMALAR
3-AAF
PF
CH3CN
Ag/AgCl
c.v
CA
CC
CV
DCE
DCM
ES
Fc
FT-IR
GA
Glu
GOx
HOMO
ITO
Imax
L
LUMO
M
Med
NMR
P(Py)
P(TPFc-co-Py)
Pt
Py
S.D
S
TPA
TBAPF6
TPFc
TPFc-co-TPA
P(TPFc-co-TPA/GOx)
UV
Vmax
:3-Asetamidofenol
:4-(1-H-Pirol-1-yl) fenol
:Asetonitril
:Gümüş/Gümüş Klorür elektrodu
:Varyasyon katsayıları
:Kronoamperometri
:Kronokulometri
:Dönüşümlü Voltametri
:Damlayan Civa Elektrotu
:Diklorometan
:Enzim-Substrat kompleksi
:Ferrosen
:Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi
:Glutaraldehit
:Glukoz
:Glukoz oksidaz
:En Yüksek Enerjili Molekül Orbitali
:İndiyum Kalay Oksit
:Reaksiyona Ait Maximum Akım Değeri
:Ligant
:En Düşük Enerjili Molekül Orbitali
:Metal
:Medyatör
:Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi
:Polipirol
:Poli TPFc-Pirol Kopolimeri
:Platin Elektrot
:Pirol
:Standart Sapma Değeri
:Substrat
:4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl) bütan-1-amin
:Tetrabütilamonyumhegzaflorofosfat
: (((1S)-2-((4-(1H-pirol-1-yl) fenoksi)
(merkapto)fosforotiyol) siklo penta-2,4-dien-1-yl)(siklo2,4-dien-1-yl) demir)
:TPFc ve TPA’nın Kopolimeri
:Poli TPFc-TPA Kopolimerine Ait GOx Enzim Elektrodu
:Ultra Viyolet
:Reaksiyonun Maksimum Hızı
x
TABLO LİSTESİ
Tablolar
Tablo 1 . Doping edilmiş bazı konjuge polimerlerin yapıları ve iletkenlikleri ............ 9
Tablo 2. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-Py) ve Fc’nin DCM içerisinde indirgenme
yükseltgenme potansiyelleri ............................................................................... 66
Tablo 3. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-Py) ve Fc’nin CH3CN içerisinde indirgenme
Tablo 4. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-TPA) ve Fc’nin DCM içerisinde indirgenme
Tablo 5. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü için hesaplanan standart sapma ve
varyasyon katsayısı ............................................................................................ 80
Tablo 6. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü ve spektrofotometrik yöntem
kullanılarak iki farklı örnekte glukoz analizi ..................................................... 80
Tablo 7. Etanol ve 3-asetamido fenol bileşiklerinin P(TPFc-co-TPA/GOx) ait enzim
sensör cevabına etkisi ......................................................................................... 81
xi
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekiller
Şekil 1. Pirolün polimerleşmesi ................................................................................... 1
Şekil 2. Polimer molekülünde bağ ve karşı bağ orbitallerinin oluşumu ...................... 4
Şekil 3. Yalıtkan, yarı iletken ve iletken maddelerin elektronik davranışları .............. 5
Şekil 4. π bağına sahip bileşiklerin moleküler orbital diyagramı ................................ 7
Şekil 5. Polaron ve bipolaronların oluşumu ............................................................... 10
Şekil 6. a) Doplanmamış, b) Az doplanmış ve c) Çok doplanmış iletken ................. 11
Şekil 7. a) Kristal bir yapıda zincir üzerinde, b) Kristal bir yapıda zincirden zincire,
c) Amorf bir bölgede zincirden zincire .............................................................. 12
Şekil 8. Pirol için alfa ve beta pozisyonlarından gerçekleşen polimerleşme ............. 12
Şekil 9. Pirol, tiyofen ve furan bileşiklerinin polimerleşme mekanizmalarının
başlangıç safhası ve akabinde meydana gelen dimerleşme olayı....................... 13
Şekil 10. Pirolün kimyasal ve elektrokimyasal polimerizasyonu için önerilen
mekanizma ......................................................................................................... 15
Şekil 11. Asılı duran metal iyonu kobalt kompleksine örnek .................................... 17
Şekil 12. İki polimer zinciri arasındaki polimer-metal kompleksi ............................. 18
Şekil 13. İki polimer zinciri içindeki polimer-metal kompleksi ................................ 18
Şekil 14. Polimer zinciri arasındaki polimer-metal kompleksi .................................. 18
Şekil 15. Dönüşümlü voltametride akım-potansiyel eğrisi ........................................ 23
Şekil 16. “EC” mekanizmasını gösteren çoklu tarama yapılmış dönüşümlü voltametri
grafiği örneği ...................................................................................................... 26
Şekil 17. “ECE” mekanizması gösteren çoklu tarama yapılmış dönüşümlü voltametri
örneği.................................................................................................................. 27
Şekil 18. Kronoamperometride çalışma elektrotuna uygulanan potansiyelin zamanla
değişimi .............................................................................................................. 28
Şekil 19. Kare Dalga Voltametrisi için potansiyel-zaman dalga şekli ve akım
ölçümü ............................................................................................................... 29
Şekil 20. Tersinir bir reaksiyon için uyarma sinyaline akım cevabı, i1 ileri akım, i2
ters akım, i1 – i2 akım farkı ................................................................................ 30
Şekil 21. Katalizor mekanizması. Ea, katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon
enerjisi; Ea’, katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi; ΔG, reaksiyonun
serbest enerjisindeki değişim ............................................................................. 32
Şekil 22. Taşıyıcı yüzeye bağlı enzimin şematik gösterimi ....................................... 36
Şekil 23. Çapraz bağlı enzimin şematik gösterimi ..................................................... 38
Şekil 24. Glutaraldehite ait kimyasal yapı ................................................................. 39
Şekil 25. Tutuklanmış enzimlerin şematik gösterimi ................................................. 39
Şekil 26. Michelis Menten grafiği .............................................................................. 42
Şekil 27. Lineweaver-Burk Eğrisi .............................................................................. 43
Şekil 28. GOx reaksiyonunun şematik gösterimi ....................................................... 44
Şekil 29.Bir enzim elektrodunun temel elemanları .................................................... 45
Şekil 30. Amperometrik enzim elektrodu jenerasyonları a) I. Nesil Amperometrik
elektrotlar, b) II. Nesil Amperometrik elektrotlar, c) III. Nesil Amperometrik
elektrotlar ........................................................................................................... 46
Şekil 31. TPFc sentezi ................................................................................................ 52
xii
Şekil 32. 1,4-di(tiyofen-2-yl)bütan-1,4-dion sentezi ................................................. 53
Şekil 33. 4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin (TPA) sentezi............ 53
Şekil 34. TPFc ile Py Kopolimerizasyonu ................................................................. 54
Şekil 35. TPFc ile TPA Kopolimerizasyonu .............................................................. 55
Şekil 36. Ferrosenin elektrokimyasal özelliğinin enzim biyosensörlerindeki görevine
ilişkin reaksiyonlar ............................................................................................. 58
Şekil 37. TPFc maddesinin 1H -NMR Spektrumu ..................................................... 61
Şekil 38. TPFc maddesinin 13C -NMR Spektrumu .................................................... 62
Şekil 39. TPFc maddesinin 31P -NMR Spektrumu .................................................... 63
Şekil 40. TPA maddesinin 1H -NMR Spektrumu ...................................................... 64
Şekil 41. DCM/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(Py), b)
P(TPFc), c) P(TPFc-co- Py) kopolimeri, d) Ferrosen’e ait dönüşümlü voltametri
grafikleri ............................................................................................................. 65
Şekil 42. Farklı tarama hızlarında (0,05–0,7 V/s) DCM/TBAPF6 içerisinde a)
P(TPFc-co-Py) kopolimerine ve b) P(Py)’e ait dönüşümlü voltametri grafikleri
............................................................................................................................ 66
Şekil 43. a) P(TPFc-co-Py) ve b) P(Py) ait spektroelektrokimya grafikleri .............. 67
Şekil 44. DCM/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-Py) ve c)
P(Py) ait tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-Py) akımzaman grafikleri ................................................................................................. 68
Şekil 45. CH3CN/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(Py), b)
P(TPFc), ............................................................................................................. 69
Şekil 46. Farklı tarama hızlarında (0,1- 0,7 V/s) CH3CN/TBAPF6 içerisinde a)
P(TPFc-co-Py) kopolimerine ve b) P(Py) ait dönüşümlü voltametri grafikleri . 70
Şekil 47. a) P(TPFc-co-Py)ve b) P(Py) ait spektroelektrokimya grafikleri ............... 71
Şekil 48. CH3CN/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-Py), c)
P(Py) ait tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-Py) akımzaman grafikleri ................................................................................................. 72
Şekil 49. DCM/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(TPA),
b) P(TPFc), c) P(TPFc-co-TPA) kopolimeri ve d) Ferrosen’e ait dönüşümlü
voltametri grafikleri ........................................................................................... 73
Şekil 50. Farklı tarama hızlarında (0,02 – 0,3 V/s) DCM/TBAPF6 içerisinde a)
P(TPFc-co-TPA) kopolimerine ve b) P(TPA)’e ait dönüşümlü voltametri
grafikleri ............................................................................................................. 74
Şekil 51. a) P(TPFc-co-TPA) ve b) P(TPA) ait spektroelektrokimya grafikleri........ 75
Şekil 52. DCM/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-TPA),
c) P(TPA) ait tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-TPA)
akım-zaman grafikleri ........................................................................................ 76
Şekil 53. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim elektrodunun Lineweaver-Burk eğrisi ........ 77
Şekil 54. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörüne pH’ın etkisi ................................ 78
Şekil 55. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim elektrodunun kalibrasyon eğrisi (Sodyum
Asetat Tamponu, pH 4,5) ................................................................................... 79
xiii
SEMBOL LİSTESİ
∆Es
∆i
% ∆T
A
CA
CO
E
E
E1/2
Ea
Ea
Ea’
Eg
Epa
Epc
Esw
f
I
i1
ipa
ipc
k
Km
ks
n
N
nα
Qçift
T
V
Γ
δ
ΔG
μn
μp
π
Σ
Τ
:Kare Dalgalar Arasındaki Yükseklik Farkına Basamaklı Adım Yüksekliği
:Her Bir Kare Dalganın Net Akımı
:Optik Kontrast
:Elektrotun Yüzey Alanı (cm2)
:Analit Derişimi (mol/cm3)
:Elektroaktif Türün Başlangıçtaki Derişimi (mol/cm3)
:Potansiyel Değerleri
:Her Bir Taşıyıcının Üzerindeki Yük
:Yarı Dalga Potansiyeli
:Aktifleşme enerjisi (camsı geçiş sıcaklığına (Tg) yakın bir değerdeki
enerji)
:Katalizlenmemiş Reaksiyonun Aktivasyon Enerjisi
:Katalizlenmiş Reaksiyonun Aktivasyon Enerjisi
:Bant Aralığı
:Anodik Pik Potansiyelleri
:Katodik Pik Potansiyelleri
:Kare Dalga Genliği
:Frekans
:Akım
:Sınır Akım Değeri
:Anodik Pik Akımları
:Katodik Pik Akımları
:Boltzman sabiti (1,38x10 -23J / K)
:Michelis Menten sabiti
:Standart Heterojen Elektron Transfer Hız Sabiti
:Aktarılan Elektron Sayısı
:Birim Hacim Başına Düşen Taşıyıcı Sayısı
:Aktarılan Toplam Elektron Sayısı
:Çift Tabaka Biriken Yük Miktarı
:Mutlak sıcaklık (K)
:Tarama Hızı (V/s)
:Elektrot Yüzeyine Adsorbe Olmuş Madde Konsantrasyonu (mol/cm3)
:Sigma Bağı
:Reaksiyonun Serbest Enerjisindeki Değişim
:Negatif Yük Taşıyıcının Hareketliliği
:Pozitif Yük Taşıyıcının Hareketliliği
:Pi Bağı
:İletkenlik (S/cm)
:Periyod
xiv
ÖZET
FERROSENİL DİTİYOFOSFONAT İÇEREN
İLETKEN POLİMERLERİN SENTEZİ VE BİYOSENSÖR
UYGULAMALARI
Bu çalışmada, giderek önemi artan ve birçok araştırmaya konu olan, literatürde
benzer türevleri bulunmayan, tiyofen, pirol gibi elektrokimyasal ve kimyasal yollar
ile polimerleştirilen grup içeren ve inorganik ferrosenil ditiyofosfonat ile
fonksiyonlandırılmış hibrit monomerler ve iletken polimerler sentezlenmiş ve bu
iletken polimerlerin biyosensör olabilme kapasiteleri araştırılmıştır.
Bu amaçla, [FcP(=S)(-S)]2 (FcPF) ile 4-(1-H-Pirol-1-yl) fenol’ün (PF)
reaksiyonuna dayanarak TPFc ((((1S)-2-((4-(1H-pirol-1-yl)fenoksi) (merkapto)
fosforotiyol) siklopenta-2,4-dien-1-yl)(siklo-2,4-dien-1-yl)demir)))hibrit monomeri
elde edilmiştir. Ayrıca kopolimer oluşturmak amacıyla serbest amino gruplarına
sahip 4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin (TPA) sentezlenmiş ve FTIR, 1H-NMR, 31P-NMR analizleri ile sentezlenen maddelerin yapısı aydınlatılmıştır.
Diğer bir çalışma olarak tezin kapsamı gereği, organik çözücülerde çözünen
TPFc’nin Pirol ve TPA ile kopolimerleri (P(TPFc-co-Py)),( P(TPFc-co-TPA))
elektrokimyasal olarak elde edilmiştir ve kopolimerlerin elektrokimyasal davranışları
dönüşümlü voltametre ile araştırılmıştır. Her iki kopolimerin, dönüşümlü voltametri
(CV), FT-IR, UV-Vis spektrofotometrisi ile karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
Polimerlerin elektrokromik özellikleri spektroelektrokimya, kinetik ve renk değişim
analizleri ile tanımlanmıştır.
Biyosensör uygulamaları için, glukoz oksidaz (GOx) bazlı enzim elektrodu
oluşturulması amaçlanmıştır. Bu amaçla, mediatör olarak görev yapan ferrosen
içeren TPFc ve stabil bir enzim immobilizasyonu sağlayan serbest amino grupları
içeren TPA monomeriyle kopolimerizasyon gerçekleştirilmiştir. TPFc/TPA
kopolimeri ile modifiye edilen yüzeye glukoz oksidaz (GOx) enzimi immobilize
edilerek P(TPFc-co-TPA/GOx) enzimatik biyosensörü hazırlanmıştır. Biyosensörün
hazırlama ve çalışma koşulları optimize edilerek, analitik karakterizasyonu
gerçekleştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: İletken Polimerler, Hibrit Polimerler, Biyosensörler
xv
SUMMARY
SYNTHESIS OF CONDUCTING POLYMERS CONTAINING
FERROCENYL DITHIOPHOSPHONATE AND THEIR BIOSENSOR
APPLICATIONS
In this study, which has an increasingly important and is the subject of several
investigations in the literature, new thiophene and pyrrole containing groups which
are polymerize by electrochemical and chemical route and functionalized with
inorganic ferrocenyl dithiophosphonate hybrid monomers and conductive polymers
were synthesized and their capacities to be biosensor were investigated.
For this purpose, on the based of reaction of 4-(1-H-pyrrol-1-yl) phenol (PF) with
[FcP(=S)(-S)]2 (FcPF), TPFc (((1S)-2-((4-(1H-pyrrol-1-yl)phenoxy) (mercapto)
phosphorothioyl) cyclopenta-2,4-dien-1-yl)(cyclopenta-2,4-dien-1-yl)iron) hybrid
monomer was obtained. Furthermore, free amino groups on the copolymer to form4(2, 5-di (thiophen-2-yl)-1H-pyrrol-1-yl) butane-1-amine (TPA) was synthesized.
Structure of all substances synthesized was characterized with analysis of FT-IR, 1HNMR, 31P-NMR.
As another study by the scope of the thesis, structure of copolymer with Pyrrole and
TPA of TPFc, ((Poly(TPFc-Py) , (Poly(TPFc-TPA)), which were soluble organic
solvent, were obtained electrochemically and electrochemical behaviors of
copolymers were studied by cyclic voltametry. Both of the structure of copolymers
were characterized by various techniques including cyclic voltammetry, FT-IR, UVVis Spectrophotometer. The electrochromic properties of the polymers were
investigated via spectroelectrochemistry, kinetic and switching studies.
For applications of biosensors, the design of glucose oxidase (GOx)-based enzyme
electrode was aimed. For this purpose, ferrocene containing TPFc which used
mediator and free amino groups containing TPA which is provided stable enzym
immobilization were copolymerized. P(TPFc-co-TPA/GOx), enzymatic biosensor
was obtained by way of immobilizing glucose oxidase (GOx) on the surfacemodified with copolymer TPFc/TPA. Analytical characterization of biosensor was
carried out by optimizing preparation and working conditions.
Key Words: Conducting Polymers, Hybrid Polymers, Biosensor
xvi
1. GİRİŞ
Polimer, çok sayıda küçük molekülün kovalent bağlarla birbirlerine bağlanarak oluşturduğu
makromoleküldür. Monomer adı verilen küçük moleküller uygun koşullarda polimerizasyon
tepkimesi sonucu birbirleriyle kimyasal bağ yaparlar ve polimer moleküllerine dönüşürler.
Pirolün, polimerleşerek polipirole dönüşümü basitçe,
Şekil 1. Pirolün polimerleşmesi
şeklinde gösterilir.(1)
Bileşiklerin kaynağına göre polimerler, sentetik (yapay) ve doğal olmak üzere iki şekilde
gruplandırılır. Endüstride sentezlenen polipirol, polipropilen, poliester, poliamid gibi organik
polimerler yapaydır. Tabiatta bulunan, protein, pamuk, ipek, selüloz gibi polimerler ise
doğaldır. Kimyasal yapılarına göre polimerler organik ve anorganik olmak üzere ikiye ayrılır.
Sentetik ve doğal polimerlerin çoğu organik kökenli iken metal ve ametalleri içeren
polimerler ise anorganiktir. Yapay polimerler, kondenzasyon ve katılma polimerizasyonu
olarak iki farklı kimyasal reaksiyon ile sentezlenebilmektedir. -NH2, -OH, -COOH gibi
fonksiyonel gruplara sahip monomerlerin ester değişimi, Diels-Alder katılması, aromatik–
nükleofilik yerdeğiştirme ve üretan oluşumu gibi reaksiyonlar neticesinde, küçük
moleküllerin
ayrılması
kondenzasyon
polimerizasyonu
ile
gerçekleşir.
Katılma
polimerizasyonu ise monomerler üzerinde aktif merkezler oluşturularak gerçekleştirilir.
Ortama radikaller verebilecek azo, azoperoksidik ve peroksidik yapılar eklenir (2). Bu
polimerizasyon sadece radikaller ile değil monomerlerde de iyon aktif merkezler oluşturarak
katyonik ya da anyonik olarak gerçekleşir. Polimerlerin ısısal davranışları da kullanım
açısından önem arz etmektedir. Termoplastik olarak adlandırılan polimerler ısıtıldığı zaman
erirler ve yumuşama özelliklerinden dolayı şekillendirilebilir. Termosetler ise çapraz bağlı
polimerler olup yumuşamazlar, aşırı ısıtıldığında yanarak bozunurlar.
1
Yaşantımızın büyük bir parçasını oluşturan eşya ve aletlerin büyük kısmı polimerik
maddelerden oluşmuştur. Polimerik maddeler, fiziksel bakımdan dayanıklı olmaları,
mikroorganizmalara ve bakterilere karşı mukavemetleri, hafif, kolay işlenebilme ve ucuz
olmaları gibi özelliklerinden dolayı büyük önem taşımaktadır. Ayrıca polimer yerine
kullanılan doğal maddelerin, doğal kaynaklarının tükenme tehlikesi de bunların önemini
arttırmaktadır. Günümüzde polimer konusunda çalışan bilim adamlarının ilgi alanı, yeni
polimer madde sentezinden ziyade polimerin mekanik, termal dayanıklılığı, çözücülere karşı
direncin arttırılması ve endüstride işlenebilme kolaylığının sağlanabilmesi gibi fiziksel ve
kimyasal özelliklerinin iyileştirilmesi yönündedir. Bilim ve teknolojinin gelişmesi ile
kullanım alanlarının artması ve bu alanların bazılarında polimerin iletken olabilme özellikleri
de araştırılmış ve bunun sonucunda konjuge π bağlarına sahip olan pirol gibi az sayıda
organik maddelerden değişik koşullarda iletken polimerler sentezlenmiştir (3). İletken
polimerlerin iletkenliklerini sentez koşullarını ve sentez yöntemlerini değiştirerek kontrol
altına almak en önde gelen çalışmalardandır. Bu amaçla yapılan çalışmalarda son yirmi yılda
kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle pek çok iletken polimer sentezlenmiştir.
2. İLETKEN POLİMERLER
2.1 Polimerlerde İletkenliğin Açıklanması
Son zamanlarda, bilim ve teknolojideki gelişmeler fiziksel ve kimyasal özellikleri açısından
farklı malzemeleri ihtiyaç haline getirmiştir. Bu açıdan doğal, yalıtkan, polimerik, sentetik,
organik materyallere, metalik ya da yarı iletken özellik kazandırabilmek adına çalışmalar
artmıştır. İletken polimerlere olan ilginin büyük bir kısmı, metalik iletkenler ve anorganik yarı
iletkenler yerine kullanılabilir olmalarındandır (4).
Kendi yapısı içindeki elektronlarla elektriksel iletkenlik sağlayan, başka bir ifadeyle uygun
elektron vericiler ve alıcılarla yük transferinin sağlandığı konjuge sistemler, iletken polimer
olarak adlandırılırlar. Monomerik ya da polimerik yapıdaki bu organik malzemeler, sentetik
modifikasyona karşı duyarlı olması nedeniyle, sentetik metal ya da organik metal olarak da
tanımlanır. Konjuge sistemden dolayı bu tür polimerler birbiri ile benzerlik gösterir. Polimer
zinciri boyunca, zincirdeki atomları bir arada tutan δ bağları ile bu bağlardan daha zayıf olan
π bağları bulunur. π bağları, sistemdeki bütün atomlar üzerine delokalize olabilir. İletkenliğe
neden olan da bağlarındaki elektronlardır. Polimer sisteminde bulunan elektronlar, kimyasal
ve elektrokimyasal yükseltgenme ve indirgenme ile yer değiştirebilir.
2
Bunun sonucu olarak da n - tipi veya p - tipi iletken formunu oluştururlar (5).
p - tipi ;
Yükseltgenme [P]x + xyA- - xye-------- [Py+ A-]x
n-tipi ;
İndirgenme [P]x + xyC+ +xye-------- [Py+ C+]x
(C+ : katyon, A-: anyon, y: polimer başına düşen yük miktarı).
Polimerlerin büyük çoğunluğu esas olarak karbon atomlarından oluşur. İletken olmayan
organik polimerler, ana zincirde doymuş karbon atomlarının düzgün dört yüzlü (tetrahedral)
geometride birleşmesi ile oluşur. Karbonlar arasındaki tekli bağları uyarmak oldukça zordur.
Çünkü geniş band aralığına sahiptir ve 7-10 eV enerji gerektirmektedir. Bu sebeple, yalıtkan
olarak nitelendirilir. İletken polimerlerde, karbona ait üç değerlik elektronu 120°’lik açıyla
düzlemsel üç δ bağı yapar, dördüncü değerlik elektronu ise düzleme dik olarak yerleşir.
Temel zincirdeki karbon atomlarının düzleme dik yerleşen orbitallerin bitişik iki tanesi,
örtüşerek π bağlarını oluşturur. Bu aşamada kararlı hale geçtiğinden enerjisi azalır (6) ve π
bağı polimer segmentleri üzerinde delokalizasyona sebep olur. Böylece, değerlik ve iletkenlik
bandları arasında enerji boşluğunun azalmasını sağlar. Bu band boşluğu 1,5–3,0 eV değeriyle
yarı iletkenlerine benzerlik gösterir (7).
Diğer bir ifadeyle C-C tek bağına sahip yapıda sp3 hibritleşmesi yapan karbon atomunun,
değerlik elektronları dört hibrit orbitaline yerleşir, bu yapılar yalıtkandır. Çünkü C-C
bağındaki elektronları uyarmak oldukça yüksek enerji gerektirir ve bu bileşikler oldukça geniş
band aralığına sahiptirler. Oysa sp2 ve sp hibritleşmesinin görüldüğü C=C, C≡C bağlı
bileşiklerde, hibrit orbitallerinden başka hibritleşmeye katılmayan elektron içeren p orbitalleri
de bulunur. Uzun konjugasyona sahip polimerlerde p orbitallerinin düşey örtüşmesiyle π
bağları meydana gelir. π bağındaki π elektronları metalik iletkenliğe neden olur.
2.2 İletken Polimerlerde Band Teorisi
İletken, yalıtkan, yarıiletken ve polimerlerde iletkenlik mekanizması, “Band Kuramı” ile de
açıklanmaktadır.
Elektriksel iletkenliği, metaller ve yarı iletkenlere göre daha düşük olan organik maddeler
yalıtkandır. Bu teoriye göre, atom veya moleküller katı halde bir araya geldiklerinde, değerlik
3
elektronlarının bulunduğu dış orbitaller, bağ yapan ve bağ yapmayan orbitaller olarak ayrılır.
Bu orbitaller de birbirleriyle karışarak sıkı istiflenmiş iki enerji seviyesi oluşturur. Bunlar,
değerlik bandı ve iletkenlik bandı olarak tanımlanır (Şekil 2). Polimerlerde çok sayıda
atomlardan oluştuğu için bağ ve karşı bağ sayısı dolayısıyla oluşan molekül orbital sayısı da
fazladır. Bağ orbitallerinin kaynaşması sonucu oluşan değerlik bandı, karşı bağ orbitallerinin
kaynaşması sonucu oluşan iletkenlik bandıdır. Yani, organik polimerlerde de delokalize
elektronlar tarafından sağlanan elektriksel iletkenlik, band teorisi ile ifade edilmektedir (8).
Şekil 2. Polimer molekülünde bağ ve karşı bağ orbitallerinin oluşumu
Değerlik bandı, mevcut elektronlar ile kısmen doldurulmuş veya iki band örtüşmüş ise iki
band arasında hiçbir enerji boşluğu kalmaz. Bunlara dışarıdan bir potansiyel uygulandığında
elektronların bir kısmı boş seviyelere doğru hareket edecek, buralarda serbest hareket
edebilecek ve akım üretecektir. Bu da bize iletkenliği ifade etmiş olacaktır.
Eğer değerlik bandı dolu ve boş iletkenlik bandından bir boşluk ile ayrılmışsa dışarıdan
uygulanan potansiyel sonucu elektronların net hareketi gözlenmez. Eğer çok fazla enerji
verilirse iletkenlik bandına geçiş olur. Bu tür olaylarda, yarı iletken ya da yalıtkan
malzemelerde olur.
Değerlik ve iletkenlik bandı arasında boşluk ne kadar büyükse yalıtkanlık özelliği o kadar
fazladır. Bu nedenle çoğu polimerler yalıtkandır (Şekil 3). Bu teorinin diğer bir kabülünde,
elektronların dekolize olarak yapı içerisinde serbest olarak hareket edebildikleri söylenir.
4
E
E
E
iletkenlik
Bandı
Yasak Bölge
Değerlik
Bandı
Yalıtkan
Elektron Dağılımı
İletkenlik
Bandı
iletkenlik
Bandı
Değerlik
Bandı
Değerlik
Bandı
Yarı iletken
iletken
Şekil 3. Yalıtkan, yarı iletken ve iletken maddelerin elektronik davranışları
Yarı iletkenler ikiye ayrılır:
İntrinsik Yarı İletkenler: Değerlik ve iletkenlik bandı arasndaki enerji boşluğu az olduğundan
uygulanan ışık etkisi ve ısı artışı ile elektronlar değerlik bandından iletkenlik bandına
geçebilir. Bu tür yarı iletken polimerlerin iletkenliği,
e[ -(To / T) -1/2]
denklemine göre sıcaklıkla üssel olarak artmaktadır (9).
Sıcaklık artışı ile değerlik bandından iletkenlik bandına geçen elektronların hepsi, iletkenlik
bandına geçen elektron yani negatif taşıyıcı, değerlik bandında bu elektronun iletkenlik
bandına ulaşması ile oluşan pozitif boşluk oluşturmak üzere iki yük taşıyıcı oluşturur.
Bu iki yük taşıyıcının ortamdaki hareketliliği ve yükü, intrinsik malzemenin iletkenliğini
etkiler.
n.e.µn n.e.μp
e: Her bir taşıyıcının üzerindeki yük
n: Birim hacim başına düşen taşıyıcı sayısı
μp: Pozitif yük taşıyıcının hareketliliği
μn: Negatif yük taşıyıcının hareketliliği
Entrinsik Yarı iletkenler: Dolu değerlik orbitallerinden elektron çıkarılması ya da iletkenlik
bandına elektron eklenmesi sonucu oluşurlar. Bunu oluşturabilmek için farklı element
atomları gerekmektedir. Isıl ya da fotolik olarak elektron veren veya alan değişik atomlar ile
5
yarı iletken malzeme üzerinde pozitif veya negatif hatalar oluşturulur. Bu boşluklar nedeniyle
net akım oluşur. Bu tür malzemenin iletkenlik bandına dış kaynaktan bir elektron girerse ntipi yarı iletkenlik, değerlik bandından dış kaynağa elektron aktarılıyorsa p- tipi yarı iletkenlik
oluşturulmuş olacaktır.
Entrinsik yarı iletkenlerde iletkenlik;
n.e.µn
denklemi ile ifade edilmektedir.
Yarı iletken ve konjuge polimerler için iletkenlik, Arrhenius tipindeki eşitlikte görüldüğü gibi,
değiştirilebilen elektrik alanında zamanın bir fonksiyonu olarak, sıcaklıkla üssel olarak
değişmektedir.
exp–Ea/kT
= İletkenlik (s/cm)
= Sabit
k= Boltzman sabiti 1,38x10 -23J / K 
T= Mutlak sıcaklık (K)
Ea= Aktifleşme enerjisi (camsı geçiş sıcaklığına (Tg) yakın bir değerdeki enerji)
Metallerde ise sıcaklığın artması ile iletkenlik azalmaktadır. Bu şekilde sıcaklık ile
iletkenliğin değişimi, en önemli farklardan biridir.
İletken polimerleri, iletkenlik yönünden diğer organik maddelerden ve polimerlerden ayıran
en önemli özellik sahip oldukları delokalize olmuş elektronlardır. Konjuge polimerlerin
moleküler orbital diyagramında enerji seviyeleri birbirinden ayrılmaz (bant oluşur) ve HOMO
(En Yüksek Enerjili Molekül Orbitali) ve LUMO (En Düşük Enerjili Molekül Orbitali)
seviyeleri arasındaki fark normal π sistemlerine göre daha azdır. Küçük moleküllü π sistemli
bileşikler ile konjuge polimerlerin moleküler orbital diyagramları arasındaki fark Şekil 4’de
gözlenmektedir.
6
Şekil 4. π bağına sahip bileşiklerin moleküler orbital diyagramı
2.3 İletken Polimer Hazırlamada Doping İşlemi
Elektronik yapısı bakımından polimerler, yalıtkan ya da yarıiletken özelliğindedir. Polimerin
elektriksel iletkenlik gösterebilmesi için yapı içindeki elektronların zincir boyunca iletimini
sağlayan uygun bölgelere sahip olması gerekmektedir. Bunun için polimer zincirinde konjuge
bağları olmalıdır. Fakat yüksek iletkenlik için konjuge sistem tek başına yeterli değildir.
İletkenliği arttırmak için ‘doping’ adı verilen teknik uygulanır. Bu proseste, ortamda
kullanılan karşıt iyonlar ‘dopant’ olarak adlandırılır. Bu teknik kimyasal ve elektrokimyasal
olarak uygulanır. Yapıdan elektron koparılmasıyla örgüde pozitif yüklü boşluklar
oluşturularak yükseltgenmeye karşılık gelen p- türü doping, yapıya elektron verilerek örgüde
negatif yüklü bölgeler oluşturularak indirgenmeye karşılık, n-türü doping işlemi
gerçekleştirilir ve yarıiletkenlerdeki yaklaşımla elektron ve boşlukların hareketi neticesinde
iletkenliğin artması sağlanır. Bir başka tanım olarak, doping polimer maddeye donör (verici)
veya akseptör (alıcı) bir maddenin ilave edilmesidir. Kimyasal doping prosesinde sık
kullanılan dopantlar; AsF5, I2, SbF5, AlCl3, ZrCl4, FeCl4, FeCl3, Br2, IF5, O2,
NO2PF6,NO2SbF6, (FSO3)2, MOCl5, WCl6’dır.
Elektrokimyasal doping prosesinde ise yükseltgenme ve indirgenme için gerekli enerji dış
voltaj kaynağından sağlanırken, oluşan iyonlaşmış polimerin karşıt iyonu destek elektrolitten
sağlanır.
Yükseltgenmeyi
oluşturmak
için
uygulanan
voltaj
pozitif
potansiyeldir.
Yükseltgenmiş polimeri daha da yükseltgemek için voltaj yeterli olmazsa elektrokimyasal
7
doping işlemi devam edemez. Doping derecesinin kontrolüyle, yarıiletken bir malzeme metal
özelliğinde veya kararlı bir ara ürüne dönüştürülebilir.
Örneğin;
doplanmamış
poliasetilenin
iletkenliği
band
teorisi
ile
açıklanmaktadır.
Poliasetilenin trans durumu için enerji seviyeleri arasında 1,8 eV enerji farkı olan değerlik ve
iletkenlik bandı bulunur (10). Isı veya ışık ile uyarılma sonucu elektronların band aralığını
geçerek iletkenlik bandına yerleşmesiyle iletkenlik sağlanabilir. Bu durumda doplanmamış
poliasetilenin
iletkenliği
1x10−8 S/cm
değeriyle (11) yarı
iletkenlerin
düzeyindedir.
Poliasetilen AsF5 ile katkılandığında (kimyasal dop edildiğinde) iletkenliği 107−108 kat
arttırılarak metalik iletkenlik seviyesine çıkarılmıştır (12) ve iletkenliği 1x105 S/cm değerine
ulaştırılmıştır (13).
Doping tekniğinde, polimer örgüsünde kolaylıkla hareket edebilecek zayıf bağlarla bağlanmış
yük taşıyıcıları eklenebilmekte böylece eklenen dopant polimere arzu edilen mekanik ve
termal özellikleri yanında yüksek iletkenlik de kazandırmış olur (14).
Anorganik maddeleri yarıiletken durumuna ulaştırmak için, kütlece %10-%50 aralığında
dopant ilave etmek gerekirken, polimeri iletken hale getirmek için ppm seviyesinde dopant
ilave etmek yeterlidir. Polimer için dopant miktarını daha da arttırılırsa, yüksek iyonik yapı
oluşurken işlenebilme güçlüğü ile karşılaşılır (15).
Dopant yapısı içinde bulunduğu polimerin iletkenlik değeri yanında zincirin geometrisini
belirler. Bu aşamada şu tanımlama yapılmaktadır: π elektron konjugasyonu yanında dopant
derişimi içeren polimerlere iletken organik polimer denir (16). Tablo 1’de çeşitli kimyasal
maddelerle doping edilmiş bazı iletken polimerlerin iletkenlik değerleri verilmiştir.
8
Tablo 1 . Doping edilmiş bazı konjuge polimerlerin yapıları ve iletkenlikleri
Katkılama yoluyla iletkenlik şöyle özetlenebilir: Polimerlerde değerlik kabuğundaki
elektronlar ya yükseltgen bir reaktif ile koparılabilir ve değerlik kabuğu pozitif hale gelir ya
da indirgen bir reaktif ile boş iletkenlik bandına bir elektron verilebilir. Bu işlemler,
yükseltgenmeye karşılık olmak üzere p-türü katkılama, indirgenmeye karşılık olmak üzere ntürü katkılama olarak isimlendirilir.
2.3.1 Soliton, polaron ve bipolaron yapıları
Polimerlerin iletkenlikleri yükseltgen/indirgen sübstitüentlerle veya elektron alıcı/verici
radikallerle doping yapılarak birkaç kat arttırılabilir (17). Bir polimerin doping edilmesi,
polimerin kimyasal yöntemle uygun bir reaktif kullanılarak tuzunun hazırlanması ile veya
elektrokimyasal yöntemle potansiyel uygulayarak katyon ve anyonlarını oluşturmak suretiyle
olur. Yükseltgenme reaksiyonu genellikle şu şekilde gösterilebilir (11).
Burada Pn: Polimer zincirinin bir kısmını, Pm: polimeri gösterir. Buna göre ilk basamak,
polaron veya soliton olarak adlandırılan bir katyon veya anyon radikalinin oluşumunu, ikinci
basamak ise ikinci elektron transferinin gerçekleştiği bir dikatyon veya dianyonun
9
oluşturduğu bipolaron oluşumu gösterir. Ayrıca; ilk redoks reaksiyonundan sonra polimerin
yüklü veya nötral kısımları arasında bir yük transfer kompleksleri oluşabilir.
Polimerlerde doping sonucu değerlik veya iletkenlik tabakalarının tam dolu olması veya tam
boş olmaması sağlanarak, polimerin doping yapma yoluyla iletkenliği arttırılabilir (18).
Polimerin iskelet yapısına doping yapmak üzere verilen elektrik yükü, polimerin elektronik
durumunda bir değişme sağlar. Bu değişme ile yük boşluklarından birisi ortaya çıkar. Bunlar
tek değerlikli (polaron veya soliton), iki değerlikli (bipolaron) olarak bilinmektedir (19).
Örneğin polipirolde, yükseltgenmeye bağlı olarak yapısal değişiklikler meydana gelir.
Polipirolde polimer zinciri yükseltgendiğinde (p tipi doping), elektronun değerlik bandından
uzaklaşması ile bir radikal katyon oluşur. Polaron olarak isimlendirilen bu radikal katyon,
yapıdaki birkaç birim üzerinde kısmen delokalize olur. Polimer zincirinde ikinci polaranın
oluşmasıyla bipolaran bantları oluşur. Şekil 5’de polaron ve bipolaronların oluşumu
gösterilmiştir.
Şekil 5. Polaron ve bipolaronların oluşumu
10
Özetle; radikal katyonlar (pozitif polaron) ise yükseltgenme ile oluşur. Daha ileri
yükseltgenme ile bipolaron (pozitif bisoliton) oluşumu gerçekleşir. Bipolaronları oluşturmak
üzere polaronlar birbiri ile etkileşim içindedir. Bu etkileşim sonucu, iki radikal birleşir ve
bipolaronlar oluşur. Enerji bakımından, oluşan bağı iki radikal katyonun bağlarından daha
kararlıdır ve iletkenliğe asıl katkıda bulunan bipolaron yapıların olduğu bilinmektedir. Çünkü
bipolaronlardaki pozitif yüklerin hareketliliği daha fazladır (20).
Polimerin yükseltgenmesine devam edildiğinde bipolaron bantlarının çoğalması ile enerji
düzeyleri üst üste örtüşerek, polimerin bant boşluğu azalmaya başlayacaktır. Hem polaron
hem bipolaronlar elektrik alanda polimer zincir boyunca hareket edebilirler ve böylece
elektriksel iletkenlik sağlanmış olur.
Şekil 6. a) Doplanmamış, b) Az doplanmış ve c) Çok doplanmış iletken
2.4 Atlama (hopping) olayı
Son yıllarda, iletken polimerlerde iletkenliğin yalnızca uzun konjuge zincirler sayesinde
oluşmadığı, fakat polimer zincirinde elektronik yükün hareketini açıklayan başka bir faktörün
rol oynadığı belirlenmiştir. Buna atlama (hopping) denilmektedir (21). Polimer zincirinde
elektronik yükün hareketi üç şekilde olmaktadır:
a) Kristal bir yapıda zincir üzerinde
b) Kristal bir yapıda zincirden zincire
c) Amorf bir bölgede zincirden zincire
11
Şekil 7. a) Kristal bir yapıda zincir üzerinde, b) Kristal bir yapıda zincirden zincire, c) Amorf
bir bölgede zincirden zincire
Buradan yola çıkılarak ve konjuge sistemlerden biraz taviz verilerek, yukarıda bahsedilen
hopping olgusunun arttırılmasına çalışılmaktadır. Bu ise, son yıllarda aşı ve karışım türü
polimerlerin ele alınmasına yol açmıştır.
2.5 İletken Polimerlerin Polimerleşme Mekanizmaları
Konjuge polimerlerdeki
(polipirol gibi) doping işlevi,
aslında
polimerin
kısmen
yükseltgenmesiyle (nadiren indirgenmesi) meydana gelen bir yük değişim reaksiyonudur.
İletken polimerlerde, delokalize band yapısıyla yüzey boyunca yük iletiminin sağlandığı
düşünülmektedir. Bununla beraber, polimer zincirleri ile çözelti içindeki türler (karşıt iyonlar,
çözücü molekülleri) arasındaki etkileşimden kaynaklanan iyonik iletkenliğinde polimerlerin
elektronik iletkenliğini arttırdığı bilinmektedir (22).
Şekil 8. Pirol için alfa ve beta pozisyonlarından gerçekleşen polimerleşme
12
Şekil 9. Pirol, tiyofen ve furan bileşiklerinin polimerleşme mekanizmalarının başlangıç
safhası ve akabinde meydana gelen dimerleşme olayı
2.6 İletken Polimerlerin Sentez Yöntemleri
İletken polimerler, π sisteminin yükseltgenmesi veya indirgenmesiyle yüksek iletkenlik
vermek üzere dop edilirler (23). Bu nedenle iletken polimerin sentezinde, monomer yapısında
yer alan π elektronları, önemli bir noktayı teşkil eder.
Monomeri, aromatik yada daha çok karbon-karbon bağ yapısında olan iletken polimerler
değişik yöntemlerle sentezlenir. İletken polimerlerin sentezinde, başlangıçta kullanılan
monomerler, sonuçta oluşan polimerin yapısında korunabilen tipik aromatik veya çoklu
konjuge bağ yapısına sahiptirler. Örneğin, asetilenin polimerizasyonu sonucu konjuge etilen
birimlerini içeren polietilen oluşmaktadır. Benzenin polimerizasyonunda ise birbirine
kovalent bağlı aromatik zincirli poli(p-fenilen) oluşur. Bu şekilde elde edilen iletken
polimerlerin yapısında π konjugasyonunun uzatılması çok önemlidir. İletken polimerler,
birçok teknik kullanılarak sentezlenebilir (24). Bu polimerizasyon metodlarından sıkça
kullanılanları kimyasal ve elektrokimyasal polimerizasyondur.
2.6.1 Kimyasal Polimerizasyon
Bu yöntemde monomer uygun bir çözücüde çözülüp, katalizör ve bir yükseltgeme veya
indirgeme aracı kullanılarak polimerleştirilir. Kimyasal polimerleşme için, yükseltgenme
olayı çözeltideki kimyasal bir tuz tarafından sağlanır. Doping yapıcı maddeler veya dopantlar
13
ya güçlü indirgen veya güçlü yükseltgen maddelerdir. Dopantların yapısı iletken polimerlerin
kararlılığında önemli bir rol oynar. Tüm sentez yöntemleri arasında, kimyasal polimerleşme
büyük miktarlarda iletken polimer sentezlemek için kullanışlı bir metottur. Bu avantajına
rağmen yükseltgenme basamağını kontrol edememek ve elde edilen ürünün safsızlıklar
içermesi gibi dezavantajları bulunmaktadır.
Kimyasal polimerleşmede, monomerlerin radikal katyonlar oluşturarak bunların birbirleri ile
birleşmeleri gerçekleşmektedir. Kimyasal polimerizasyon, çözünebilen ve kolay işlenebilir
iletken polimer sentezi bakımından elektrokimyasal polimerizasyondan daha avantajlıdır.
2.6.2 Elektrokimyasal Polimerizasyon
Elektropolimerizasyon, kısaca elektroda dışardan bir potansiyel uygulanarak, bir destek
elektrolit çözeltisi içerisinde çözünen monomerin yükseltgenmesiyle radikal katyonların
oluşumunu kapsamaktadır.
Elektrokimyasal polimerizasyon elektriksel olarak iletken konjuge polimerler hazırlamak için
standart yükseltgeme metodudur. Bu yöntemle kolaylıkla düzgün polimer filmler elde
edilebilir.
İlk yükseltgenmeden sonra polimer oluşumu iki basamakta gerçekleşmektedir. Birincisi; bir
monomer katyon radikalinin nötral monomerle birleşmesidir ve ikinci yükseltgenmeden sonra
iki proton kaybıyla bir nötral dimer oluşturmasıdır (25). İkincisi ise, nötral dimer oluşumunu
sağlayan iki proton kaybını takiben iki katyon radikalinin birleşmesini kapsamaktadır (26).
Daha sonra nötral dimerin yükseltgenmesiyle, bu proses elektroaktif polimer film elektrot
üzerinde birikene kadar tekrarlanmaktadır. Elektrokimyasal yöntemle sentezlenen polimerler
yükseltgenmiş
durumdadır.
Polimerizasyonun
etkinliği,
monomerden
elektron
uzaklaştırılabilmesiyle yakından ilgilidir. Tiyofen ve pirol gibi elektronca zengin monomerler
daha kolay bir şekilde elektron kaybetmektedir. Bu tür monomerler, benzen gibi bileşiklerden
daha iyi π elektronu rezonansına sahip olduğu için, nihai katyon radikali kolaylıkla kararlı
kılınabilir (27). Elektropolimerizasyon ile elektronca zengin heterosiklik bileşiklerden,
elektroaktif polimerler oluşturulmaktadır. İletken polimerlerin kimyasal polimerizasyonu ve
elektrokimyasal
polimerizasyonunun
aynı
morfolojisinin farklı olduğu savunulmaktadır.
14
olduğu,
ancak
sentezlenen
polimerlerin
Şekil 10. Pirolün kimyasal ve elektrokimyasal polimerizasyonu için önerilen mekanizma
2.7 Koordinasyon Polimerleri
Organometalik polimerler, karbon-metal bağları içeren polimerlerdir. Yapılarının çeşitliliği
geniş araştırma alanının olduğunu gösterir. Koordinasyon polimerleri, tekrarlayan birimde
koordine kovalent bağlara sahip polimerlerdir. Metal iyonunu tam olarak çevreleyen
koordinasyon halkası ile birlikte ikili köprüleşen ligandlar basamaklı metal koordinasyonu
sentezleri organometalik polimerlerdir. Köprüleşebilmek için kolay köprüleşebilen iyonlar
gibi, dianyon ve dialkol veya hidroksibenzoik asit çok dişli ligandlar gibi iki köprü
oluşturabilen ligandlar metalin etrafını çevirerek tam bir koordinasyon küresi oluştururlar. Bir
koordinasyon bileşiği merkezinde uygun sayıda iyon ya da molekül bulunduran ve çevresinde
molekül ve iyonların bulunduğu bir bileşik olarak tanımlanabilir. Merkez atomuna
sistematiksel bir düzende bağlı olan gruplara da ligand denir. Ligandlar, koordine veya
koordine kovalent bağla merkez atomuna bağlanırlar. Uzun zamandır, koordinasyon
bileşikleri özel bir sınıfta incelenmektedirler, fakat sonradan çok yönlü olarak ele
alınmışlardır. Koordinasyon kimyası günümüzde çok hızlı bir şekilde gelişmektedir.
Bu gelişmelerle birlikte birçok biyolojik alanda kullanımları ortaya çıkmıştır. Metal şelatları,
canlı madde kimyasında çok önemli rol oynamaktadır. Örneğin klorofil Mg(II) kompleksleri,
hemoglobin Fe(II) kompleksleri gibi. Metal proteinleri ile başka biyolojik metal kompleksleri
üzerinde önemli ve geniş çalışmalar vardır. Biyolojik alandan başka, koordinasyon bileşikleri
15
kimya endüstrisinde önemli rol oynamaktadır. Bunun için polimer metal kompleksleri
çalışmalarda öncelikli konuma gelmiştir. Birçok metal kompleksi polimer sentezinde katalizör
olarak kullanılmaktadır.
Polimer metal kompleksleri, otuz yılı aşkın araştırmalar sonucunda birçok değişik alanda
kullanılmaktadırlar. Organik sentezlerde, atık suların iyileştirilmesinde hidrometalürjide,
polimer ilaç kapsüllerinde, metal iyonların geliştirilmesinde, nükleer kimyada ve enzimlerin
modellerinde bu komplekslerin kullanımı araştırılmaktadır.
Bir polimer-metal kompleksi sentetik bir polimer ve metal iyonu içerir. Polimer ligandlar
metal iyonlarına koordine bağlarla bağlıdırlar. Bir polimer ligandı koordine kabiliyeti düşük
molekül ağırlıklı bir bileşik ile bir polimerin reaksiyonundan oluşmaktadır. İnorganik metal
fonksiyonlarla organik polimerin birleşmesiyle oluşurlar. Metal iyonları karekteristik kataliz
davranışı sergileyerek polimerlerle birleşirler. Birçok sentetik polimer-metal kompleksinin
yüksek kataliz etkisi bulunmuştur. Bunların etkin olarak yarıiletken ısıya dayanıklı ve tıbbi
biyolojide kullanımları vardır. Polimer metal kompleksleri, içerdikleri metal ve uygulanan
metodun özelliğine göre sınıflandırılırlar. Bu metodlar metal iyonu ve polimer yapılarının
fonksiyonu metal içerikli monomer polimerizasyonu ve ligand metal iyonunun çok
fonksiyonlu reaksiyonlarını içerir.
2.7.1 Polimer Metal Komplekslerinin Sınıflandırılması
2.7.1.1 Metal İyonu ile Polimer Ligandının Komplekleşmesi
Polimerin şelatlanmasının analitik kullanımda birçok faktörü vardır. Su içerisindeki bir metal
iyonunun (hidrat iyonu) veya komplekslerininde azda olsa bir polimer şelatına transfer eğilimi
vardır. Ekstraksiyon sistemlerinde bu eğilim göz önüne alınmaktadır. Genellikle metal
kompleksleri, polimerik ligand ile reaksiyona girer ve molekül köprüsü oluşturur. Bu tipte
polimer-metal kompleksleri metal iyonu ve polimerik ligandların kimyasal reaksiyonlarından
hazırlanırlar.
Genel olarak bu reaksiyonlar, polimerik ligand ve metal iyonlarının kararlı metal
kompleksleri, polimer zincirleri arasında veya polimer zinciri içinde köprüleşen polimer metal
kompleksi
ve
asılı
haldeki
farklı
grupların
sınıflandırılabilir.
16
metallerle
kompleksleşmesi
olarak
2.7.1.2 Asılı Duran Metal Kompleksleri
Bu komplekslerde, polimer ligand fonksiyonu (fonksiyonel grubu) molekül iyonuna
saldırarak kompleks oluşturur. Bu komplekslerde aralarında tek dişli ve çok dişli olarak ikiye
ayrılır. Metal kompleksi veya metal iyonu iki kararsız ligandlardan fazla ise onun uygun bir
reaksiyon koşulu seçimi ile tek dişli formda çoğunlukla oluşması mümkündür.
Polimer ana yapısında (ana zincirde) bulunan çok dişli ligandlar koordinasyon tipindeki
polimer-metal kompleksini oluştururlar. Çok dişli ligandlar çoğunlukla kararlı köprü tipinde
metal kompleksi ürünleri verirler.
Şekil 11. Asılı duran metal iyonu kobalt kompleksine örnek
2.7.1.3 Polimer Zinciri İçerisinde veya Polimer Zincirleri Arasında Metal Polimer
Kompleksleri
Bu tip polimer-metal kompleksleri, metal iyonunun veya kompleksinin polimer zinciri
içerisinde ligandlarla bağ yapması sonucunda yada ayrı polimer zinciri arasındaki metalin
zincire bağlı fonksiyonel gruplarla kompleks oluşturması ile meydana gelirler. Genellikle dört
veya altı koordine kovalent bağla oluşurlar.
17
Şekil 12. İki polimer zinciri arasındaki polimer-metal kompleksi
Şekil 13. İki polimer zinciri içindeki polimer-metal kompleksi
Şekil 14. Polimer zinciri arasındaki polimer-metal kompleksi
2.8 Elektroanalitik Teknikler
Elektroanalitik Kimya, analit çözeltisi bir elektrokimyasal hücrenin parçası olduğundan,
çözeltinin elektrokimyasal özelliklerine dayanan bir grup kantitatif analitik yöntemi kapsar.
Elektroanalitik teknikler, çok düşük tayin sınırlarına ulaşabilirler ve elektrokimyasal
yöntemlerin uygulanabilirliği sistemler hakkında, ara yüzeylerdeki yük aktarımının
stokiyometrisi ve hızı, adsorpsiyon ve kemisorpsiyonun derecesi, kimyasal reaksiyonların hız
ve denge sabitleri gibi bilgileri de içeren, çok fazla sayıda sistemi karakterize eden bilgiler
verir. Elektroanalitik tekniklerin sınıflandırılmalarında izlenen çeşitli yollar vardır.
Elektroanalitik teknikler “ara yüzeyde gerçekleşen teknikler” ve “tüm analiz ortamında
18
gerçekleşen teknikler” olmak üzere iki ana sınıfa ayrılırlar. Ara yüzey yöntemleri, elektrot
yüzeyleri ve bu yüzeylere hemen bitişik olan ince çözelti tabakası arasındaki ara yüzeyde olan
olaylara dayanmaktadır. Tüm analiz ortamı yöntemleri aksine, çözeltinin tamamında oluşan
olaylara dayalıdır ve ara yüzey etkilerinden kaçınmak için her yola başvurulur. Ara yüzey
yöntemleri, elektrokimyasal hücrelerin, akımın varlığında veya yokluğunda işleyişine göre
“statik” ve “dinamik” olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Potansiyometrik ölçmeleri içeren statik
yöntemler, hızları ve seçicilikleri sebebiyle ayrı bir öneme sahiptirler.
Elektrokimyasal hücrelerdeki akımların hayati bir rol oynadığı dinamik ara yüzey
yöntemlerinin çeşitli tipleri vardır. Bu tekniklerde, ölçme işlemleri yapılırken, hücre
potansiyelinin kontrol edilmesi esastır. Genellikle duyarlılığı fazla olan bu tekniklerde,
oldukça geniş bir çalışma aralığı vardır (10–8–10–3 M). Ayrıca bu analizlerin çoğu mikrolitre,
hatta nanolitre seviyesindeki numune miktarlarıyla gerçekleştirilebilir.
2.8.1 Voltametrik Metodlar
Voltametri, elektrot potansiyelinin değiştirilmesi ile elektrolitik hücreden geçen akımın
değişmesine dayanan elektroanalitik metotların genel adıdır. Voltametri Çekoslavak kimyacı
Jaroslav Heyrovsky tarafından 1920’lerin başında bulunan, voltametrinin özel bir tipi olan
polarografi’den geliştirilmiştir. Voltametrinin önemli bir dalı olan polarografi, diğer
voltametri tiplerinden çalışma mikroelektrodu olarak bir damlayan civa elektrotu (DCE)
kullanılması bakımından farklılık gösterir.
Voltametri, çeşitli ortamlarda meydana gelen yükseltgenme–indirgenme olaylarının,
yüzeylerdeki adsorpsiyon olaylarının ve kimyasal olarak modifiye edilmiş elektrot
yüzeylerindeki elektron aktarım mekanizmalarının temel çalışmalarını kapsayan ve çok
başvurulan duyarlı ve güvenilir bir yöntem durumuna gelmiştir. Voltametride, bir
mikroelektrot içeren elektrokimyasal hücreye değiştirilebilir bir potansiyel uyarma sinyali
uygulanır. Bu uyarma sinyali yöntemin dayandığı karakteristik bir akım cevabı oluşturur.
Klasik voltametrik uyarma sinyali, hücreye uygulanan doğru akım potansiyelinin zamanın bir
fonksiyonu olarak doğrusal olarak arttığı doğrusal bir taramadır. Bu hücre, analiti ve destek
elektrolit adı verilen reaktif olmayan elektrolitin aşırısını da içeren bir çözeltiye daldırılmış üç
elektrottan yapılmıştır. Üç elektrottan biri, zamanla potansiyeli doğrusal olarak değişen
mikroelektrot veya çalışma elektrodudur. Çok çeşitli tür ve şekilde çalışma elektrot kullanılır.
Bunlar civa, platin, altın, camsı karbon vb. elektrotlardır.
19
Genel olarak, kullanılan çalışma elektrotları, polarizasyonu arttırmak için yüzey alanları
küçük tutulur. İkinci elektrot, potansiyeli deney süresince sabit kalan bir referans elektrottur.
Referans elektrot genellikle Ag/AgCl veya doymuş kalomel elektrottur.
Üçüncü elektrot ise elektriğin, sinyal kaynağından ve çözeltinin içinden geçerek
mikroelektroda aktarılmasını sağlayan karşıt elektrottur. Karşıt elektrotta genellikle helezon
şeklinde bir platin tel veya bir civa havuzudur. Uygulanan potansiyele karşı, akım grafiği
voltamogram adını alır.
Voltametride akım, çalışma elektrotu üzerinde maddelerin indirgenmesi veya yükseltgenmesi
sonucunda oluşur. İndirgenmeden dolayı oluşan akıma katodik akım, yükseltgenmeden dolayı
oluşan akıma ise anodik akım adı verilir. Geleneksel olarak, katodik akımlar daima pozitif,
anodik akımlar ise negatif işaretlerle gösterilir. Belli bir potansiyelden sonra akımın sabit
kaldığı bir plato bölgesine ulaşılır. Bu akıma sınır akımı, il adı verilir. Elektrot üzerinde henüz
reaksiyon olmadığı zaman küçük de olsa bir akım gözlenir. Bu akıma artık akım denir. Sınır
akımı ile artık akım arasındaki yükseklik dalga yüksekliğidir. Dalga yüksekliği, elektroaktif
maddenin konsantrasyonu ile doğrusal olarak artar. Sınır akımı, analitin kütle aktarım
işlemiyle elektrot yüzeyine tanınma hızındaki sınırlamadan kaynaklanır. Sınır akımları
genellikle analitin derişimi ile doğru orantılıdır.
il= k. CA
Burada, CA analit derişimi ve k ise bir sabittir. Kantitatif doğrusal taramalı voltametri bu
ilişkiye dayanır. Akımın, sınır akımı değerinin yarısına eşit olduğu potansiyel yarı dalga
potansiyeli olarak tanımlanır. Yarı dalga potansiyeli E1/2 ile gösterilmektedir. E1/2 değeri,
genellikle elektroaktif maddenin konsantrasyonuna bağlı değildir ve standart yarı hücre
potansiyeli ile yakından ilişkilidir. Bir voltametrik çalışmada analit bir elektrot yüzeyine üç
şekilde taşınır; birincisi, elektrik alanı etkisi altında göç, ikincisi karıştırma veya titreşim
sebebiyle konveksiyon ve üçüncüsü, elektrot yüzeyindeki sıvı filmi ile ana çözelti arasındaki
derişim farkından kaynaklanan difüzyondur. Göç, voltametride elde edilen sonuçların
açıklanmasını güçleştirir, bu nedenle onun etkisini ihmal edilecek ölçüde küçültülmeye
çalışılır. Bunun için elektroliz çözeltisi içine destek elektrolit adı verilen elektrot
reaksiyonlarına girmeyen ve onları engellemeyen elektrolitten aşırı miktarda eklenir. Destek
elektroliti çoğu kez, yükseltgenme veya indirgenmesi güç olan alkali metal tuzları veya
(Et4N)+(BF4)–, (n–Bu)4N+BF4¯ , (n–Bu4N)+PF6¯ gibi anyonu ve katyonu kararlı iyonik
bileşikler kullanılır. Çözeltide bulunan bütün iyonlar elektriği taşıdıkları için, destek
elektrolitine oranla indirgenen veya yükseltgenen iyonun katkısı ihmal edilir ve reaksiyon
veren iyonun göçü ihmal edilmiş olur. Sabit potansiyeldeki voltametride elektroliz
20
hücresinden geçen akım zamanın fonksiyonu olarak ölçülür. Sürekli değişen potansiyeldeki
voltametriye potansiyel tarama yöntemi (potansiyel süpürme yöntemi) denir. Burada sistemin
potansiyeli dışarıdan kontrol edilerek değiştirilir; buna bağlı olarak da akım kaydedilir. Bu
değişme genellikle sabit hızdadır.
Potansiyel tarama yöntemi potansiyel değişme hızına göre yavaş ve hızlı tarama olarak ikiye
ayrılır:
Yavaş Tarama Yöntemi: Bu yöntem 1–100 mV/s’lik tarama hızlarını kapsayan yarı kararlı
hal yöntemi olup, tarama hızının kararlı hal kinetiğinin kurulmasına yetecek kadar yavaş,
safsızlıkların elektrot yüzeyinde toplanıp akım–potansiyel değişiminin etkisini önleyecek
kadar hızlı olduğu varsayılır. Buradan çıkarılacak sonuçlar, kinetik parametrelerin hıza bağlı
olmadığı bir tarama hızı aralığında çalışıldığında geçerlidir. Gerekli potansiyel değişme hızı
çalışılan sistemin tipine ve saflık durumuna da bağlıdır.
Hızlı Tarama Yöntemi: Potansiyel tarama hızının 100 mV/s’ den büyük olduğu bir
yöntemdir. Tarama hızı 100–200 mV/s civarında tutulursa ve belli bir potansiyelden sonra ilk
taramanın tersi yönde tarama yapılırsa buna dönüşümlü voltametri (CV) denir.
2.8.1.1 Dönüşümlü Voltametri (CV)
Dönüşümlü voltametri (CV), karıştırılmayan bir çözeltideki, küçük bir durgun elektrotun
akım cevabının, potansiyel ile uyarılmasıyla ölçülmesi esasına dayanır. Potansiyelin zamanla
değişme hızına tarama hızı adı verilir.
Potansiyel taramasının E1 ve E2 potansiyel değerleri arasında yapılması durumunda metot,
doğrusal taramalı voltametri; E2 potansiyeline ulaşıldıktan sonra, aynı tarama hızıyla, ilk
tarama yönüne göre ters yönde tarama yapılması durumunda ise, dönüşümlü voltametri (CV)
olarak adlandırılır. Ters taramada potansiyel E1’de sonuçlanabileceği gibi, farklı bir E3
potansiyeline de götürülebilir. İleri tarama esnasında oluşan ürün, ters taramada tekrar reaktife
dönüştürülebilir. İleri taramada indirgenme olmuşsa, ters taramada yükseltgenme meydana
gelir. CV’de akım, potansiyele karşı grafiğe geçirilir. Tarama hızı pratikte 10 mV/s’den birkaç
yüz V/s’ye kadar değiştirilebilir. Çok yüksek tarama hızlarında (birkaç bin V/s) çift tabaka
yüklenmesi ve IR problemleri ortaya çıkar. Ancak mikroelektrot kullanıldığı zaman bu tür
problemler minimuma indirilir. Dönüşümlü voltametri tekniğinde, tarama hızı önemli
parametrelerden biridir ve tarama hızı–pik akımı değişiminden faydalanılarak adsorpsiyon,
difüzyon ve heterojen elektrot reaksiyonunu takip eden kimyasal reaksiyonların özellikleri
incelenebilir. Ayrıca bu teknikte, tarama yönünün değiştirilmesi ile reaksiyon mekanizması ve
kinetik veriler hakkında fikir edinilebilir.
21
Tersinir
Reaksiyonlar: Elektrot–çözelti
ara
yüzeyinde
meydana
gelen
heterojen
reaksiyonunun;
şeklinde gerçekleşen tersinir indirgenme reaksiyonu olduğu ve elektrot reaksiyonu
başlamadan önce, çözelti ortamında sadece indirgenebilir “O” türünün bulunduğu kabul
edilsin. Elektrokimyasal olayın öncesinde ve sonrasında, bu olaya eşlik eden herhangi bir
kimyasal reaksiyonun da oluşmadığı düşünüldüğünde, tarama hızının çok yavaş olması
durumunda, akım–potansiyel grafiği belli bir potansiyelden sonra sınır akımına ulaşır ve akım
potansiyelden bağımsız hale gelir. Tarama hızı arttıkça, akım-potansiyel grafiği bir pik haline
gelir ve bu pik yüksekliği tarama hızı ile doğrusal olarak artar.
Elektrokimyasal sistemde, sabit şartlar altında ve tarama hızının yavaş olması durumunda,
çözeltide, elektrot yüzeyinden belli uzaklıktaki analit derişimi sabittir. Ayrıca Nernst
Difüzyon Tabakası’nda derişimde meydana gelen değişme doğrusaldır. Difüzyon tabakasında
meydana gelen tersinir bir reaksiyon için, [O]/[R] oranı Nernst eşitliği ile potansiyele bağlıdır.
Sisteme, negatif yönde potansiyel uygulandıkça, analitin elektrot yüzeyindeki konsantrasyonu
([O]) azalır ve buna bağlı olarak derişimdeki farklanma yani akım artar.
Uygulanan potansiyelin bir sonucu olarak, analitin elektrot yüzeyindeki derişimi belli bir süre
sonra sıfır olur. Analit derişiminin sıfıra düştüğü bu potansiyelden sonra “O” ve“R” türleri
için derişim farklanması ortadan kalkar ve bu durumun sonucu olarak akım sabit hale gelir.
Uygulanan potansiyelin zamanla değişme hızının yüksek olması durumunda, çözeltiden
elektrot yüzeyine kütle aktarım hızı, denge koşullarının sağlanmasına yetecek kadar yüksek
değildir. Böyle bir durumda, difüzyon tabakasındaki derişim farklanması doğrusallıktan
sapma gösterir ve uygulanan potansiyel ile [O]/[R] ilişkisi Nernst eşitliğine göre ifade
edilemez. Uygulanan potansiyel, çözeltideki “O” türünü indirgemeye yetecek büyüklüğe
eriştiğinde, elektrot yüzeyindeki analit derişimi ile çözeltideki analit derişimi birbirine eşittir.
Elektrot yüzeyinde “O” türü indirgenmeye başladığı andan itibaren, elektrot yüzeyi ile ana
çözeltideki “O” derişimi arasında bir fark oluşacaktır. Bu derişim farklılığına bağlı olarak,
elektrot yüzeyi ile bulk çözelti arasında meydana gelen derişim farklanmasının bir sonucu
olarak, elektroaktif tür elektrot yüzeyine doğru difüzlenecek ve bir akım oluşacaktır.
Potansiyel negatife doğru kaydıkça, elektrot yüzeyindeki “O” türünün derişimi, çözeltideki
“O” türü derişimine göre daha az olacaktır. Uygulanan negatif potansiyelin bir sonucu olarak,
22
belli bir süre sonunda, “O” türünün elektrot yüzeyindeki derişimi sıfır olacaktır. Hızlı
taramada, herhangi bir potansiyelde, elektrot yüzeyindeki derişim farklanması, kararlı haldeki
derişim farklanmasına göre daha büyük ve bunun sonucu olarak da, akım daha fazla olacaktır.
Elektrot yüzeyindeki “O” türü derişimi sıfır olduğunda, derişim farklanmasının azalmasıyla
birlikte akım da azalacaktır. Bu etkilerin bir sonucu olarak, akım-potansiyel grafiği pik haline
dönüşecek ve pik yüksekliğide (pik akımı) tarama hızındaki artmaya bağlı olarak artacaktır.
Potansiyel tarama yönü ters çevrildiğinde ve hızlı bir tarama yapıldığında, elektrot yüzeyinde
yeteri kadar indirgenmiş “R” türü bulunacağından, daha pozitif potansiyellerde R
yükseltgenmeye başlayacaktır. Bu yükseltgenmeye bağlı olarak, ters taramada da akım
oluşacaktır. İndirgenme mekanizmasında gerçekleşen olaylar, yükseltgenme meydana
gelirken de aynı şekilde tekrarlanacaktır. Ancak indirgenme sırasında elektrot yüzeyinde
oluşan “R” türü, çözeltiye doğru difüzleneceğinden zıt yöndeki pik akımı (anodik akım)
katodik akımdan biraz daha düşük olacaktır. Tersinir bir reaksiyonunun dönüşümlü
voltamogramı Şekil 15’deki gibidir.
Şekil 15. Dönüşümlü voltametride akım-potansiyel eğrisi
Elektrokimyasal sistemde, kütle aktarımının yalnızca difüzyonla gerçekleştiği düşünülürse
(olayın difüzyon kontrollü olması, CV tekniğinde en çok tercih edilen durumdur), “O” ve “R”
türleri için, Fick yasaları geçerlidir. Böyle koşullarda, pik akımı (Ip), Randles–Sevcik eşitliği
ile verilir.
23
Bu eşitlik, 25oC için eşitliği aşağıdaki şekle dönüşür:
Bu eşitlikte “A” elektrotun yüzey alanı (cm2), “n” aktarılan elektron sayısı, CO elektroaktif
türün başlangıçtaki derişimi (mol/cm3) ve v, tarama hızıdır (V/s). Fick yasalarından türetilen
Randles–Sevcik eşitliğinin en önemli göstergelerinden biri, pik akımının, tarama hızının
kareköküyle doğru orantılı olarak değişmesidir.
Potansiyel taraması boyunca, bir redoks sistemi dengede kalıyorsa, böyle redoks prosesleri
“tersinir” olarak adlandırılır. Söz konusu denge, “O” ve “R” türlerinin yüzey derişimlerinin
Nernst bağıntısına uyan değerlerde, sabit tutulmasını gerektirir. Bir dönüşümlü voltametri
grafiği, aşağıdaki parametre değerlerini sağlıyorsa, tersinirdir.

Bütün tarama hızlarında ve 25°C’de, katodik ve anodik pik potansiyelleri arasındaki
fark ΔEp= (Epc – Epa) = (59 n) mV.

Bütün tarama hızlarında pik akımları oranı = ipa / ipc =1

Pik akım fonksiyonu (ip / v1/2), tarama hızından (v) bağımsız
Tersinmez Reaksiyonlar: Tersinir sistemleri karakterize eden en önemli özellik, bütün
potansiyel değerlerinde, elektron aktarım hızının, kütle aktarım hızından büyük ve Nernst
eşitliğinin elektrot yüzeyi için geçerli olmasıdır. Tersinirlik, Nernst eşitliğine uyan değerlerde,
“O” ve “R” türü derişimlerini sabit tutmaya yetecek hızda elektron transfer kinetiğini
gerektirir. Bu sebeple tersinirlik, standart heterojen elektron transfer hız sabiti (ks) ve
potansiyel değişme hızına (tarama hızı) bağlıdır. ks/v oranı, Nernst derişimlerini sabit
tutamayacak kadar küçükse, böyle elektrot prosesleri “yarı tersinir” olarak adlandırılır. Yarı–
tersinir prosesleri karakterize eden parametre, tarama hızı arttıkça, katodik ve anodik pik
potansiyelleri arasındaki farkın 58/n mV’tan büyük olmasıdır. Sistemin tamamen tersinmez
olduğunu gösteren parametre ise, katodik pik akımının karşılığı olan bir anodik pikin
bulunmamasıdır. Tersinmez sistemler için, 25°C’de, Fick yasalarından türetilen pik akımı
eşitliği aşağıdaki gibidir.
Ip= (2.99x105) n (α c nα )1/2 Co Do1/2 v 1/2
Bu eşitlikte nα aktarılan toplam elektron sayısıdır. Tersinmez proseslerde de pik akımı,
elektroaktif türün derişimi ve potansiyel değiştirme hızının karekökü ile doğru orantılıdır.
Dönüşümlü voltametri deneyinden elde edilen voltamogramların, tarama hızı ile değişimi,
elektrot–çözelti ara yüzeyinde meydana gelen olayın tabiatı hakkında önemli bilgiler verir.
Örnek olarak, elektrokimyasal olaya eşlik eden bir kimyasal olayın varlığı, kimyasal olayın
24
elektrokimyasal olaydan önce veya sonra olduğu veya elektrokimyasal olayı takip eden
kimyasal olaydan sonra tekrar bir elektrokimyasal olayın gerçekleşip gerçekleşmediği, farklı
tarama hızlarında alınan dönüşümlü voltametri grafiklerinden kolayca anlaşılabilir. Bir
dönüşümlü voltametri grafiğinin şekli, elektron aktarım basamağına (önce veya sonra) eşlik
eden bir kimyasal olayın varlığından önemli ölçüde etkilenir. Reaksiyonun kimyasal
yapısından kaynaklanan komplikasyonlar, tersinirliğin derecesi, elektrokimyasal prosesin hız
ve denge sabitleri, elde edilen grafiklerin son şeklinde önemli rol oynarlar ve bütün bunlar,
yapılacak bir seri deney ile tespit edilebilir. Genel olarak, elektrokimyasal olaya eşlik eden
kimyasal olay “C” harfiyle, elektrokimyasal olayın kendisi ise “E” harfi ile belirtilir.
Mekanizmada bu harflerin yazılış sırası önemlidir. Meselâ, “ECE” mekanizması ile
işaretlenen bir proseste, önce elektron aktarım basamağının gerçekleştiği, bunu bir kimyasal
olayın takip ettiği ve kimyasal olaydan sonra tekrar bir elektrokimyasal olayın oluştuğu
anlaşılır. Kimyasal basamak, sistemde bulunan çalışma elektrotuna veya çalışma
elektrotundan sisteme, elektron transferinin olmadığı basamaktır. Böyle bir basamakta,
elektroda veya elektrottan herhangi bir yük akışı meydana gelmez.
EC mekanizması: “EC” mekanizması, adından da anlaşıldığı gibi, elektron aktarım
basamağından sonra, bir kimyasal olayın gerçekleştiği proseslerdir. Olayın aşağıdaki şekilde
genelleştirildiği düşünülürse;
İlk basamakta (E), indirgenmiş tür “R”, elektrot yüzeyinde “O” türüne yükseltgenir.
Elektrokimyasal basamağın ürünü olan “O” türü kararsızdır ve elektrokimyasal basamağı
takiben başka bir “O” türüyle, komşu moleküllerle veya çözücü ile kimyasal reaksiyona
girerek (C), “A” türünü oluşturur. “A” türü, elektroaktif olmadığı gibi, sadece çalışılan
potansiyel aralığında da elektroaktif olmayabilir. Şekil 16’da “EC” mekanizmasının
bulunduğu bir proseste, pik akımlarının, çoklu tarama ile nasıl değiştiğini gösterilmektedir.
25
Şekil 16. “EC” mekanizmasını gösteren çoklu tarama yapılmış dönüşümlü voltametri
grafiği örneği
Çok hızlı gerçekleştiği kabul edilen elektrokimyasal reaksiyon, heterojen hız sabiti “khet” ile
kimyasal reaksiyon ise, homojen birinci mertebeden hız sabiti “kf” ile karakterize edilir.
ECE mekanizması: Dönüşümlü voltametri tekniğinde yaygın olarak karşılaşılan başka bir
mekanizma şekli de “ECE” mekanizmasıdır. “ECE” harfleri, mekanizmanın üç basamakta
gerçekleştiğini gösterir. İlk
basamak,
elektrot
yüzeyinde
elektron
aktarımını
içeren
elektrokimyasal prosesten oluşur. Bu basamakta oluşan ürün karasız olup, kimyasal reaksiyon
ile ikinci bir türe dönüşür ve oluşan bu yeni tür, çalışılan potansiyel aralığında elektroaktiftir.
Potansiyel tarama yönü, başlangıç değerine doğru ters çevrildiğinde, oluşan bu yeni türe ait
yeni bir pik tespit edilir.
26
Şekil 17. “ECE” mekanizması gösteren çoklu tarama yapılmış dönüşümlü voltametri
örneği
Kimyasal basamakta oluşan tür, başlangıçta çözeltide bulunan türden daha zor
yükseltgeniyorsa, ikinci elektrokimyasal reaksiyon ileri taramada da gözlenebilir. Şekil 17’de
“ECE” mekanizmasının bulunduğu bir elektrokimyasal olayda, pik akımlarının, çoklu tarama
ile değişimi görülmektedir.
2.8.1.2 Kronoamperometri (CA)
Kronoamperometride çalışma elektrodunun potansiyeli aniden değiştirilir ve durgun ortamda
akım–zaman ilişkisi gözlenir.
Bir elektrot yüzeyinde;
reaksiyonun olduğunu ve başlangıçta çözeltide yalnız O maddesinin bulunduğunu varsayalım.
Kronoamperometride çözeltiye daldırılan çalışma elektrotuna uygulanan potansiyel–zaman
grafiği Şekil 18’de gösterildiği gibidir. Önce çalışma elektrotuna herhangi bir indirgenmenin
olmadığı E1 potansiyeli uygulanır. Sonra potansiyel ani olarak E2’ye değiştirilir. E2
potansiyeli, indirgenme difüzyon kontrollü olacak şekilde seçilir.
27
Şekil 18. Kronoamperometride çalışma elektrotuna uygulanan potansiyelin zamanla
değişimi
E1 potansiyelinde reaksiyon olmaz, E2 potansiyelinde ise akım difüzyon kontrollüdür. E1 ve E2
potansiyeli seçilirken önce maddenin CV’si alınır. Akım henüz gözlenmediği artık akım
bölgesindeki potansiyel başlangıç potansiyeli (E1) olarak seçilir. CV’nin pik potansiyelinin
daha ötesinde bir potansiyelde E2 potansiyeli olarak alınır. Potansiyel E2 değerinde belirli bir
süre sabit tutulur. Bu potansiyelde oluşan akımın zamanla değişimi aşağıda Cottrell
eşitliğinde verildiği gibidir.
Bu eşitliğe göre akım, t1/2 ile ters orantılı olarak değişir. Cottrell eşitliğine göre akım, t-1/2 ye
göre grafiğe geçirildiği zaman orijinden geçen bir doğru elde edilir. Bu grafik yardımıyla bir
elektrot reaksiyonunun difüzyon kontrollü olup olmadığı test edildiği gibi elektroaktif
maddenin difüzyon katsayısı ve aktarılan elektron sayısı da bulunabilir. Ancak deneyin
güvenilir olması için, zaman aralığının geniş tutulması gerekir. 100-300 ms’lik zaman aralığı
bu deney için yeterlidir. Pratikte 1-1000 ms arasındaki zaman aralığında tarama yapılır.
2.8.1.3 Kare Dalga Voltametrisi (SWV)
Kare dalga voltametrisi ilk defa Barker tarafından geliştirilen son derece hızlı ve duyarlı bir
metottur. Kare dalga voltametrisinin sabit elektrotlarda potansiyel-zaman dalga şekli Şekil
20’de görülmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi, potansiyel-zaman dalga şekli simetrik kare
dalgalardan oluşur. Bir kare dalganın tamamlanma süresi olan periyod, τ ile gösterilir.
Birbirini takip eden kare dalgalar arasındaki yükseklik farkına basamaklı adım yüksekliği adı
28
verilir ve ∆Es ile gösterilir. Kare dalga genliği (Esw), her bir dalganın alt ve üst noktaları
arasındaki farkın yarısına eşittir. Puls genişliği (tp), τ/2’ye eşittir. Genellikle periyod yerine
1/τ’a eşit olan frekans (f) kullanılır. Frekansın artması ve buna bağlı olarak periyodun
azalması ile kare dalga pik akımı ve hassasiyet artar. Kare dalga voltametrisinde deneysel
parametreler belirli aralıklarda seçilir. Deneylerde frekans genellikle 10 ≤ f ≤ 1000 Hz veya
periyod 1≤τ≤ 100 ms aralığında olmalıdır. Basamaklı adım yüksekliği ise aktarılan elektron
sayısına (n) bağlı olarak Es=10 n/mV eşitliğinden bulunur. Esw ise genelde n, 50 mV’dur.
Şekil 19. Kare Dalga Voltametrisi için potansiyel-zaman dalga şekli ve akım
ölçümü
Kare dalga voltametrisinde akım ölçümleri, ileri ve geri pulsların sonuna doğru, bir zaman
aralığında yapılır. İleri puls için ölçülen akım i1, geri puls için ölçülen akım i2 olmak üzere,
her bir kare dalganın net akımı ∆i= i1-i2’ye eşittir ve ileri fark akımı olarak adlandırılır. ∆i
farkı potansiyele karşı grafiğe geçirildiğinde, voltametri grafiği Şekil 20’den de görüldüğü
gibi tek pik şeklinde elde edilir.
29
Şekil 20. Tersinir bir reaksiyon için uyarma sinyaline akım cevabı, i1 ileri akım, i2 ters
akım, i1 – i2 akım farkı
∆i farkı konsantrasyonla doğru orantılı olarak değiştiğinden dolayı, kare dalga voltametrisi
kantitatif tayinlerde kullanılan bir metottur. Kare dalga voltametrisinde ölçüm son derece hızlı
yapıldığından, birkaç voltametrik taramanın sinyal ortalaması alınarak analizin kesinliğini
arttırmak mümkündür. Bu metodun tayin sınırları 10-8 ile 10-7 M arasında olduğundan dolayı
bu teknik en hassas ve hızlı elektroanalitik teknikler arasındadır.
2.9 Elektrokromizm
Elekrokromizm, elektrokimyasal reaksiyonların (yükseltgenme-indirgenme) neden olduğu iki
yapı arasındaki, A ve B, absorpsiyon spektrumunun tersinir değişimidir. Bu kromizm çeşidi,
kromizmin en önemli ticari kullanım alanını oluşturur. Elektrokromik maddeler 1968 yılından
beri bilinmektedir ve üç sınıfı olduğu bulunmuştur. Bunlar, metal oksit filmleri, moleküler
boyalar ve polimer davranışında olanlardır. Bu sistemlerin bazıları tamamen çözelti halinde
iken, bazı elektrokromikler çözelti-katı halinde, bazı elektrokromiklerde ki çoğu bunu
oluşturur, tamamen katı sistemlerdir. Bu sistemlerin potansiyel kullanım alanları; akıllı
yansıtıcılarda ve pencerelerde, aktif optik filtrelerde, ışık gösterimlerinde ve bilgisayar veri
depolamalarını, içermektedir.
2.9.1 Elektrokromik Materyallerin Çeşitleri
Elektrokromik malzemenin kendi açısından elektronik olarak uygun optik üç temel tipi vardır.
Birinci tip, en az bir renkli ve bir şeffaf (ağartılmış) duruma sahip maddeleri içerir. Bu tür
malzemeler, akıllı camlar ve optik kepenklerin yapımı için kullanışlıdır. Metal oksitler,
Polietilendioksitiyofen gibi polimer malzemeler, bu türe örnek olarak verilebilir. İkinci tip
malzemelerin iki farklı renkli durumları vardır. Bu malzemelerin iletken hali yoksa da, farklı
30
redoks hali olan farklı renklerin gerekli olduğu durumdaki ekran tipi uygulamalar için
kullanılmaktadır. Politiyofenin oksidasyonu mavi-kırmızı arasında geçer ki bu tip malzemeler
için politiyofen en iyi örnektir. Üçüncü tip malzemeler, malzemenin redoks durumuna bağlı
olarak en fazla iki renkli duruma sahiptir.
2.10 Elektrokromik Polimer Çalışmalarında Deneysel Metodlar
İletken polimerler çalışma elektrodu üzerine kaplanır. Çalışma elektrodu genel olarak, cam ya
da bir esnek plastikten imal edilir, örneğin; poli(etilen tereftalat), bir optik olarak transparan
elektriksel olarak iletken film ile kaplı levha, örneğin; kalay katkılı indiyum oksit (ITO),
antimon katkılı kalayoksit veya flor katkılı kalay oksittir. Madde çalışma elektrodu üzerine
biriktirildikten sonra, monomer-free çözeltisi içine alınır ve maddenin spektroelektrokimya,
optik kontrast, tepki zamanı incelenir.
2.10.1 Spektroelektrokimya
Nötr durumda, iletken polimerler yalıtkan sistemlerdir ve valans bandı (HOMO) ile iletkenlik
bandı (LUMO) arasında enerji boşluğuna (Eg) sahiptir. Polimer oksitlendiğinde ya da
doplandığında, düşük enerjili geçiş bandı ve yük taşıyıcılar oluşur (polaran ve bipolaran) ve
böylece polimerin bant yapısı değişir. Bu değişikliğin sonucu olarak polimerin iletkenliği
artar. π-π* geçişinin belirlenmesi için, bant boşluğu enerjisi hesaplandığında, polaronik ve
bipolaronik geçişler spektroelektrokimyasal sonuçlarının yardımı ile hesaplanabilmektedir.
2.10.2 Elektrokromik Karşıtlık
Elektrokromik malzemeleri değerlendirmek için kullanılan en önemli faktör, elektrokromik
karşıtlıktır. Elektrokromik karşıtlık genellikle, elektrokromik malzemenin en yüksek
geçirgenliği olan dalga boyunda ölçülür (%∆T) .
2.10.3 Switching Time (Tepkime Zamanı)
Elektrokromik materyalin renkli hali ve geçirgen hali arasında geçen gerekli zaman tepkime
zamanıdır. Bu parametre, dinamik ekran ve değiştirilebilir ayna gibi uygulamalar için
önemlidir. Elektrokromik materyallerin tepkime hızını etkileyen birçok parametre vardır. Bu
durum elektrolitin iyonik iletkenliği, uygulanan potansiyel büyüklüğüyle, elektroaktif
alandaki iyonların erişilebilirliği (ince filmlerde iyon difüzyonu), film kalınlığı ve ince
filmlerin morfolojisi şeklinde sıralanabilir.
31
3. BİYOSENSÖRLER
3.1 Enzim
Birçok kimyasal reaksiyon kendiliğinden gerçekleşir. Diğer bazı reaksiyonların belirli bir
hızda gerçekleşebilmeleri için ise katalizlenmeye ihtiyaçları vardır. Katalizörler, substratın
kimyasal olarak başka bir maddeye dönüşümünü sağlamak için, gerekli enerji bariyerini
indirgeyen moleküllerdir. Termodinamik olarak bu enerji bariyeri, serbest enerjideki değişim
olarak da ifade edilebilir. Katalizörler, aktifleşmiş geçiş kompleksini oluşturarak ürün
oluşumunu sağlamak için gerekli enerji bariyerini azaltırlar (Şekil 21).
Katalizörler, reaksiyon sırasında harcanmazlar ya da değişime uğramazlar. Prensipte
substratın ürüne dönüşümünde sınırsız olarak kullanılırlar, ancak pratikte bu katalizörün
kararlılığıyla sınırlıdır. Katalizörlerin kararlılığı, reaksiyon koşullarına göre aktif yapılarını
muhafaza edebilme kapasiteleridir (28).
Şekil 21. Katalizor mekanizması. Ea, katalizlenmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi;
Ea’, katalizlenmiş reaksiyonun aktivasyon enerjisi; ΔG, reaksiyonun serbest enerjisindeki
değişim
Canlı organizmada meydana gelen birçok biyokimyasal reaksiyon, protein yapılı spesifik
biyokatalizörler olan enzimler tarafından katalizlenir. Metabolizmada elektron aktarımı,
hidroliz, yapım, yıkım gibi olaylardan sorumludurlar. Kimyasal katalizörlere göre spesifiklik
ve katalitik güç bakımından üstün moleküllerdir. Sadece in vivo olarak değil, belirli koşullar
sağlandığında in vitro olarak da etkin oldukları için birçok alanda kullanılmaktadırlar (29).
Enzimlerin 19. yüzyıldan sonra ortaya çıktığı bilinmektedir. 1883 yılında şekeri alt
birimlerine parçalayan aktif madde izole edilmiş ve bu maddeye diastaz, daha sonra mide
32
suyundan ekstrakte edilmiş maddeye ise pepsin adı verilmiştir. Bunlara ve diğer aktif
maddelere genel olarak fermentler denilmiştir. 1878’de Kuhne tarafından Yunanca maya
anlamına gelen “enzume” kelimesinden türeyen “enzim” teriminin kullanılması önerilmiştir.
Bucheners canlı hücrenin olmadığı ortamlarda bile, maya hücresi ekstraktının ilave edildiği
her yerde şeker fermantasyonunun gerçekleştiğini göstermiştir. 1926 yılında Sumner,
fasulyeden üreaz enzimini izole etmiş ve kristalleştirebilmiştir. Bu çalışmasıyla 1947 yılında
Nobel ödülünü almaya hak kazanmıştır (30).
3.1.1 Enzimlerin Yapısı
Enzimlerin karakteristik özellikleri, moleküler yapılarındaki farklılıklardan gelir. Enzimler
yüzlerce aminoasidin meydana getirdiği proteinlerdir. Bu aminoasitler, birbirlerine bir
aminoasidin karboksil grubundaki karbon atomu ile bir sonraki aminoasidin α-amino
grubundaki N atomunun peptid bağı oluşturması ile kovalent olarak bağlanmışlardır. Radikal
grubunun özelliğine göre aminoasitler hidrofilik ya da hidrofobik özellik gösterebilirler. Bu
aminoasitlerin protein molekülü üzerindeki dağılımları ise molekülün davranışını belirler.
Proteinlerin birincil yapısını aminoasit dizilimi belirler. Birincil yapıyı belirleyen
aminoasitlerin dizilimi ise yapıdaki deoksiribonükleotid dizilimi ile belirlenir. DNA zinciri ilk
olarak mRNA molekülüne kopyalanır ve bu bilgiye göre ribozomda aminoasit dizisi
oluşturulur. Son olarak sentezlenen polipeptid zinciri doğal yapı olarak bilinen üç boyutlu
yapıya çevrilir. Proteinin üç boyutlu yapısı, genetik olarak belirlenir fakat çevresel
faktörlerden de etkilenir. Çünkü protein molekülü ortamdaki moleküllerle de etkileşim
içindedir. Proteinin ikincil üç boyutlu yapısı ise birincil yapıdaki aminoasitlerin birbirleri ile
etkileşimleri sonucu oluşur. Bu etkileşimler genelde amid grupları arasında hidrojen bağları
oluşumudur. Tersiyer üç boyutlu yapı ise birincil yapıda yer alan aminoasitlerin etkileşimleri
ile sıkı ve sarmal bir konfigurasyon oluşturmaları sonucu oluşur. Bu yapıda çoğunlukla
yüzeyde hidrofilik aminoasitler yer alır iken iç kısımda hidrofobik aminoasitler yer
almaktadır. Proteinin biyolojik fonksiyonu için tersiyer yapı temeldir. Bazı enzimler kuaterner
üç boyutlu yapıya sahiptir. Özellikle düzenleyici proteinler bu grup içindedir. Kuaterner yapı
farklı polipeptid zincirlerinin etkileşimi sonucunda oluşur (31).
Üç boyutlu yapının oluşması için temel etkileşimler aşağıdaki gibidir;
Hidrojen bağları: Protonlanmış bir elektronegatif atom ile bir diğer elektronegatif atomun
etkileşimi sonucu oluşur. Hidrojen bağı kovalent bağda depolanan enerjinin onda birine
sahiptir. Bu da globuler proteinlerin heliks yapısının oluşumunda belirleyicidir. Ayrıca bu
özellik, tersiyer yapı oluşumu için de önemlidir.
33
Apolar etkileşimler: Hidrofobik aminoasit uçlarının su gibi polar çözücüler karşısında ortak
itme kuvvetlerinin sonucu oluşurlar. Kuvvetli kimyasal bir bağ değildir ancak proteinin üç
boyutlu yapısının stabilizasyonuna katkısı vardır.
Disülfit köprüleri: Sistein moleküllerinin oksidasyonu sonucu oluşurlar. Özellikle düşük
molekül ağırlıklı proteinlerin üç boyutlu yapısının stabilizasyonunu sağlarlar.
Yüklü aminoasit birimleri arasındaki iyonik bağlar: Aminoasitlerinin bulunduğu
ortamdaki iyonlarla etkileşimi sonucu oluşur. Proteinlerin üç boyutlu yapısının oluşumuna
katkı sağlarlar.
Diğer zayıf etkileşimler: Van der Waals gibi proteinin üç boyutlu yapısında çok önemli rolü
olmayan kuvvetlerdir.
3.1.1.1 Aktif Merkez
Enzimatik reaksiyonların gerçekleşebilmesi için substratın enzime bağlanması gerekir.
Enzimler, tek substrata spesifik olabileceği gibi birden fazla substratla da bağlanarak bir veya
daha fazla reaksiyon ürünü oluşturabilirler. Enzimatik reaksiyonlarda, substrat bir
metabolitken diğer reaktant su molekülü gibi başka bir metabolit ya da metal iyonu olabilir
ancak her durumda diğer reaktant bir koenzimdir. Substratlara ek olarak enzimler inhibitör,
aktivitör, allosterik aktivitör ya da inhibitör gibi spesifik moleküllerle de bağlanabilirler.
Metal iyonları gibi inorganik ya da organik bileşenler olabilen koenzimler, enzimlerin
reaksiyonları katalizlemesini sağladıkları için reaksiyonlarda oldukça önemli rol oynarlar.
Enzim substrat kompleksindeki stabilizasyonu sağlayan kovalent olmayan etkileşimler,
protein yapısının stabilizasyonu sağlayan etkileşimlerle aynıdır. Enzimlerin üzerinde spesifik
substratların bağlanabilmesi için “aktif merkez”de denilen bir bölüm yer alır. Enzim ve
substratı arasında boyut olarak büyük farklılık vardır. Bunun sebebi substratın, koenzimin,
metal iyonlarının ve protonların bağlanmasından sorumlu olan aktif bölgenin çok küçük
olmasıdır.
Aktif merkez, enzim yüzeyi üzerinde girinti ya da cep şeklinde bulunur. Substrat
tamamlayıcısı yapısındadır. Substrat ile enzimin protein kısmı arasında oluşan hidrojen
bağları ve substratın apolar kısmı ile proteinin apolar kısmı arasında yüklü moleküllerden
dolayı meydana gelen etkileşimler enzim substrat kompleksinin oluşumunda rol oynarlar.
Enzimler tarafından katalizlenen tüm reaksiyonlar, reaktantların enzim yüzeyi üzerindeki aktif
merkeze adsorplandığı yerde gerçekleşir. Bundan dolayı aktif bölge, enzim kinetiği ve
enzimolojideki kinetik ve mekanik kavramlar açısından çok önemlidir. Bu kavram,
34
moleküllerin çarpışmasına dayalı kimyasal reaksiyonlar ile adsorpsiyona dayalı enzimatik
reaksiyonlar arasındaki temel farkı oluşturur (31).
3.1.2 Enzimlerin Sınıflandırılması
Enzimler, Uluslararası Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Biriminin (IUBMB) İsimlendirme
Komitesi’nin
verdiği
kararla katalizledikleri reaksiyon türüne göre 6
kategoride
sınıflandırılmaktadır. IUBMB’nin Enzim Komitesi (EC) tarafından her enzime 4 haneli bir
numara verilmiştir. İlk numara sınıfı, ikinci numara alt sınıfı, üçüncü numara alt grubu,
dördüncü numara ise alt grup ile ilişkisini ifade etmektedir (30).
Uluslararası sınıflandırmaya göre enzimler altı sınıfa ayrılmıştır:
1. Oksidoredüktazlar: Elektronların hidrojen ya da oksijen atomlarının transferini kapsayan
indirgenme yükseltgenme reaksiyonlarını katalizlerler.
2. Transferazlar: Bir donörden uygun bir akseptöre fonksiyonel grup transferini katalizlerler.
3. Hidrolazlar: Kimyasal bağların su varlığında hirolizini katalizlerler.
4. Liyazlar: Kimyasal bağların hidrolitik ve oksidatif olmayan ayrılma reaksiyonlarını
katalizler.
5. İzomerazlar: Bir substratın bir izomere dönüşümü reaksiyonlarını katalizler
6. Ligazlar: İki molekülün kovalent bağlanma reaksiyonlarını katalizler
3.2 Enzim İmmobilizasyonu
Biyosensörler alanında gelişmeler arttıkça, enzim aktivitesi kaybı, enzim ömrü ve
stabilitesiyle ilgili problemler de artmaktadır. Bunlara ek olarak, enzimatik cevap süresinin
kısalığı ve tek kullanımlık cihazlara olan ihtiyacın artması da söz konusudur. Bu problemlerin
üstesinden gelebilmek için farklı immobilizasyon yöntemleri geliştirilmiştir. İletken bir yüzey
üzerine enzim immobilizasyonu yapılırken uygulanan yöntem oluşturulan elektrokimyasal
cihazın performansıyla birinci dereceden ilişkilidir (32).
Bu sebeple enzim molekülünün etkin bir şekilde yüzeyde tutunabilmesi için uygulanan
immobilizasyon yönteminin;
• Enzimin çevirici yüzey üzerine etkili ve kararlı bir şekilde tutunmasını sağlaması,
• Enzimin biyolojik özelliklerini etkilememesi,
• Biyouyumlu ve kimyasal olarak inert olması gerekmektedir.
Enzim, bir yüzey üzerine immobilize edilirken, seçilen yöntem çok önemlidir. Uygulanan
yöntem enzimin aktif merkezindeki kimyasal yapıyı ya da reaktif grupları değiştirerek enzim
aktivitesinde bir kayba sebep olmamalıdır. Bir başka deyişle enzim immobilizasyonu, enzime
35
olabildiğince az hasar vererek yapılmalıdır. Enzimin aktif merkezi hakkındaki bilgilerin fazla
olmasıyla bu hasar minimuma indirilebilir.
3.2.1 Enzim İmmobilizasyonu Yöntemleri
3.2.1.1 Taşıyıcı Bir Yüzeye Bağlama
Taşıyıcı bir yüzey üzerine bağlama bilinen en eski enzim immobilizasyon yöntemidir. Bu
yöntemde bağlanan enzim miktarı ve immobilize enzim aktivitesi taşıyıcı yüzeyin
özelliklerine bağlıdır. Şekil 22’de taşıyıcı yüzey üzerine bağlı enzim molekülünü şematize
edilmektedir.
Şekil 22. Taşıyıcı yüzeye bağlı enzimin şematik gösterimi
Taşıyıcı yüzey seçilirken enzimin bazı özellikleri dikkate alınmalıdır. Bunlar aşağıdaki gibi
sıralanabilir.
• Partikül büyüklüğü
• Yüzey alanı
• Hidrofilik ve hidrofobik grupların molar oranı
• Kimyasal bileşim
Genel olarak hidrofilik grupların oranı ve enzim miktarındaki artış, immobilize enzimin daha
yüksek aktiviteye sahip olmasıyla sonuçlanmaktadır. Enzim immobilizasyonu için yaygın
olarak kullanılan taşıyıcı yüzeyler arasında selüloz, dekstran, agaroz ve poliakrilamid jel
bulunmaktadır (33). Bağlanma şekline göre, taşıyıcı yüzey üzerine bağlama yöntemleri
çeşitlilik göstermektedir.
Fiziksel Adsorbsiyon
Bu method, enzim proteininin suda çözünmeyen bir taşıyıcı üzerine fiziksel adsorbsiyonunu
temel almaktadır. Enzim molekülünde ve aktif bölgede hemen hemen hiçbir hasara ve
konformasyonal değişime yol açmayan bir immobilizasyon yöntemidir. Eğer uygun bir
taşıyıcı yüzey bulunursa hem ucuz hem de kolay olabilmektedir. Ancak enzim ve taşıyıcı
arasında oluşan kuvvetlerin zayıflığından dolayı kullanım sırasında, adsorbe olmuş enzim
36
taşıyıcı yüzey üzerinden ayrılabilmektedir. Enzimlerin fiziksel adsorbsiyonu için uygulanan
bazı yöntemler aşağıdaki gibidir.
• Statik işlem
• Elektro-boşalım
• Reaktörde bekletme
• Çalkalama ya da karıştırma banyosunda bekletme
Genel bir immobilizasyon methodu olan adsorbsiyonun, ana avantajı bağlama için kimyasal
madde kullanılmaması ve aktivasyon için minimum basamağa ihtiyaç duyulmasıdır.
Adsorbsiyon kimyasal bağlama yöntemlerine göre enzim proteinine daha az zarar
vermektedir. Çünkü adsorbsiyonda bağlanma, hidrojen bağları, çoklu tuz köprüleri ve Van der
Waal’s kuvvetleriyle olmaktadır. Oluşan zayıf bağlardan dolayı ortam pH’sının, sıcaklığın,
iyonik kuvvetlerin değişimiyle ve substrat varlığıyla enzim proteininin taşıyıcı yüzey
üzerinden desorbsiyonu gözlenmektedir. Bir diğer dezavantaj ise, çok spesifik bir yöntem
olmamasından dolayı, diğer proteinlerin ve maddelerin immobilize edilecek enzim gibi
kullanılmasıdır. Bu durum immobilize enzimin özelliklerini değiştirmekte ve reaksiyon hızını
düşürmektedir (33).
İyonik Bağlama
İyonik bağlama yöntemi, enzim proteininin suda çözünmeyen iyon değişimini sağlayan
maddeler içeren bir taşıyıcı yüzey üzerine iyonik olarak bağlanmasına dayanmaktadır. İyon
değişim merkezleri içeren polisakkaritler ve sentetik polimerler, bu amaçla yaygın olarak
kullanılmaktadırlar. Enzimin taşıyıcı yüzey üzerine bağlanması kovalent bağlamada olduğu
gibi ortam koşullarına çok bağlı olmadığından kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca bu
yöntem konformasyonda ve enzimin aktif bölgesininde çok az değişime sebep olmaktadır. Bu
sebeple yüksek aktivite görülmektedir. Enzimin taşıyıcı yüzey üzerinden ayrılması gibi
durumlar yüksek iyonik kuvvete sahip substrat çözeltilerinde ve pH değişimlerinde
olmaktadır. Bunun sebebi, taşıyıcı yüzey ile enzim arasında oluşan bağlayıcı kuvvetlerin
kovalent bağlamada olduğu kadar kuvvetli olmamasıdır.
İyonik bağlanma ve fiziksel adsorbsiyon arasındaki ana fark iyonik bağlamada taşıyıcı yüzey
ile oluşturulan bağların daha kuvvetli olmasıdır (33).
Kovalent Bağlama
Kovalent bağlama, enzim ve taşıyıcı matriks arasında kovalent bağların oluştuğu, en sık
kullanılan immobilizasyon yöntemidir. Proteinin immobilize edileceği reaksiyon tipi
seçilirken,
37
1) Bağlanma reaksiyonunun gerçekleştiği koşullarda enzim aktivitesinin kaybolmamasına,
2) Kullanılan kimyasallardan dolayı enzimin aktif bölgesinin etkilenmemesine dikkat
edilmelidir.
Kovalent bağlama yöntemi, enzim ve suda çözünmeyen bir taşıyıcı yüzeyin, kovalent
bağlanması temeline dayanmaktadır. Bu bağlama yönteminde oluşabilecek bazı fonksiyonel
gruplar karboksil, amino, hidroksil ve sülfidril gruplarıdır.
Oluşan bağlara göre bu yöntem, diazo, peptid ve alkilasyon yöntemleri gibi alt gruplara
ayrılabilir. Kovalent bağlama fiziksel adsorbsiyon ve iyonik bağlama gibi yöntemlere göre
daha komplekstir ve immobilizasyon için gerekli şartlar daha fazladır. Bu sebeple kovalent
bağlama enzimin konformasyonunu değiştirebileceği gibi, enzimin aktif bölgesini de
etkileyerek aktivite kaybına sebep olabilir. Ancak enzim ve taşıyıcı yüzey arasındaki
bağlanma kuvvetleri çok güçlü olduğundan, yüksek iyonik güçteki bir çözeltide bile enzimin
taşıyıcı yüzey üzerinden desorbsiyonu gibi bir durum kovalent bağlamada söz konusu olamaz.
3.2.1.2 Çapraz Bağlama
Bu yöntemde enzim immobilizasyonu, enzim proteinlerinin diğer protein moleküllerine ya da
fonksiyonel gruplara moleküller arası çapraz bağlanmasıyla gerçekleşir. Enzim moleküllerinin
birbirlerine çapraz bağlanması, hem pahalı hem yetersiz bir yöntemdir çünkü protein
molekülleri ana destek maddesi yerine geçeceklerdir. Bu da düşük enzim aktivitesine sebep
olacaktır. Genel olarak çapraz bağlama, diğer yöntemlerle sıkça kullanılmaktadır. Özellikle
adsorbe olmuş enzimlerin kararlılığını sağlamak için ve poliakrilamid jellerden enzimin
ayrılmasını engellemek için kullanılır. Şekil 23’de çapraz bağlı enzim molekülü şematik
olarak gösterilmiştir.
Şekil 23. Çapraz bağlı enzimin şematik gösterimi
38
Çapraz bağlamada en sık kullanılan bağlayıcı ajan gluteraldehittir. Bağlanma reaksiyonları
ağır koşullarda gerçekleşir. Bu koşullar enzimin aktif bölgesinde konformasyon
değişikliklerine yol açabileceği gibi enzim aktivitesine de sebep olabilmektedir. Şekil 24’de
glutaraldehite (GA) ait kimyasal yapı gösterilmektedir.
Şekil 24. Glutaraldehite ait kimyasal yapı
3.2.1.3 Tutuklama
Enzim tutuklama yöntemi, enzim molekülünün polimer ya da membran matrisinin örgü
yapısının içerisine lokalizasyonunu temel almaktadır. Bu tutuklama işlemi, enzim substratının
difüzyonuna izin verecek şekilde yapılır. Difizyonu sağlayan bu yapı kafes (lattice) ve mikro
kapsül olmak üzere ikiye ayrılır. Şekil 25’de tutuklanmış enzim molekülleri şematik olarak
gösterilmiştir.
Şekil 25. Tutuklanmış enzimlerin şematik gösterimi
Bu yöntem, enzimin bir jel ya da membran matrisine bağlanmamasından dolayı kovalent
bağlama ve çapraz bağlamaya göre farklılık göstermektedir. Bu da geniş kullanım alanı
sağlamaktadır. Ancak kimyasal polimerizasyon reaksiyonlarında, uygulanan koşullar enzim
aktivitesini düşürebilmektedir. Bundan dolayı enzim immobilizasyonu için uygun koşulların
sağlanması çok önemlidir.
39
3.3 Enzim Kinetiği
3.3.1 Enzim Aktivitesi
Birçok enzimatik reaksiyonunun başlangıç aşamasında, enzimin meydana getirdiği değişim
sadece
substrat
konsantrasyonuyla orantılıdır. Kullanılan
yöntem,
enzim
çözeltisi
konsantrasyonundan bağımsız sonuçlar vermelidir. Enzim aktivitesi, enzimin optimum pH,
sıcaklık, subtrat konsantrasyonunda ve aktivitör maddelerin varlığında belirlenir.
Enzimin kullanıldığı uygulama alanlarında en önemli bilgi, onun aktivitesidir. Aktivite, belirli
koşullar altında enzimin reaksiyonu katalizleyebilme özelliğidir. Bu da birim zamanda
enzimin miktarı başına üretilen ürün ya da reaksiyona giren substrat miktarının bir
ölçüsüdür (34). Enzim aktivitesi birim olarak ifade edilir. Belirli koşullar altında belirli bir
miktarda substratın değişime ya da yıkıma uğradığı miktar birim aktivite olarak adlandırılır.
Birim sayısı, toplam enzim-polimer konjugatının miligramında, dakikada ürüne dönüşen
substratın mikromol cinsinden miktarı olarak tanımlanır.
3.3.2 Michelis ve Menten Kinetiği
Enzimin katalitik etkinliği, genellikle kimyasal reaksiyon hızına yaptığı etkinin ölçülmesiyle
belirlenir. Enzim katalizli reaksiyonlar ilk olarak 19. yüzyılın sonlarında çalışılmıştır. 1913
yılında Michelis ve Menten substrat konsantrasyonu değişirken, enzim konsantrasyonu, pH,
sıcaklık gibi parametreleri sabit tutarak sükrozun invertaz katalizli hidroliz reaksiyonunun
başlangıç hızını ölçmüşlerdir. Bunun sonucunda, bir enzim-substrat kompleksi oluştuğu
bulunmuş ve substrat konsantrasyonu arttıkça reaksiyon hızının da hiperbolik olarak
maksimuma ulaştığı görülmüştür. Michelis ve Menten tek substrat, tek ara ürün ve serbest
enzim-enzim substrat kompleksi arasında denge içeren enzim katalizli reaksiyonlar için bir
hız eşitliği türetmişlerdir. Aşağıdaki reaksiyon mekanizması önerilmiştir.
E, serbest enzim; S, substrat, ES enzim-substrat kompleksi ve P reaksiyon ürünüdür. ES’nin
ürüne yıkım hızının, ES’nin enzim substrat içine dağılmasından çok daha yavaş olduğu
varsayılmaktadır.
40
Michelis ve Menten, eşitliklerini bu varsayımı baz alarak oluşturmuşlardır, bundan dolayı;
k2<< k1
Ancak
Michelis
ve
Menten’in
formülasyonu,
enzim
katalizinin
ilk
basamağını
ilgilendirdiğinden, hız sabitleri açısından gereksiz ve yersiz varsayımlardır. Bu konuda Briggs
ve Haldane başlangıç reaksiyon hızı açısından daha geçerli bir önermede bulunmuşlardır.
Buna göre, reaksiyon başladıktan hemen sonra, ara ürün (enzim-substrat kompleksi)
konsantrasyonunun sabit kaldığı durgun hale ulaşılır.
d[ES]/ dt = k1 [E][S] - k-1 [ES] - k2 [ES] = 0
Toplam enzim konsantrasyonu, [E]o ; [E] ve [ES]’nin toplamı olarak yazılabilir.
d[ES]/dt=k+1[E]o[S] - (k1[S] + k-1 + k2) [ES] = 0
Eşitlik, k1’e bölünerek [ES] için çözülür,
Aşağıdaki eşitlik elde edilir.
.
Km, Michelis sabiti olarak bilinir, enzim substrat kompleksinin dağılımı için bir denge sabiti
ve tersinir olarak etkili olan enzimin substrata affinitesiyle ilgilidir. THmax, reaksiyonun
maksimum hızıdır. Tüm enzimler, enzim-substrat kompleksi formunda olduğunda elde edilir.
Görülmektedir ki bu teori ve eşitlik tüm enzim kinetik ölçümleri için standart olan deneylerin
kesinliğinden dolayı, invertazla ilgili sonuçları oldukça kesin olarak hesaplayabilmektedir.
Bugün Michelis ve Menten modern enzimolojinin kurucuları olarak bilinmektedir. Genellikle
eşitlik Michelis Menten eşitiliği olarak bilinmektedir.
41
Michelis Menten eşitliğine uyan sabit enzim konsantrasyonunda substrat konsantrasyonunun
fonksiyonu olan başlangıç reaksiyon hızı Şekil 26’da verilmiştir.
Şekil 26. Michelis Menten grafiği
Şekil 26’da da görüldüğü gibi, çok düşük substrat konsantrasyonlarında hız, [S] ile orantılıdır.
Bundan dolayı anlaşılmaktadır ki S’de reaksiyon birinci derecedendir. Çok yüksek substrat
konsantrasyonlarında ise hız THmax’a yaklaşır ve reaksiyon S’de sıfırıncı derecedendir. Bu
durumda enzimin substratla doygunluğa ulaştığı söylenebilir.
Farklı substrat konsantrasyonlarında bir dizi başlangıç hızları ölçülecekse, Michelis ve
Menten eşitliğinin grafiksel gösterimi uygundur. Bu şekilde Km ve THmax kinetik
parametreleri belirlenebilir. Ancak S’ye karşı TH grafiği çizildiğinde dikdörtgensel bir
hiperbol elde edilir ki bu hiperbolun çizim zorluğundan ve asimptotların tahmin
zorluklarından dolayı istenmez. Bu nedenle kinetik parametrelerin belirlenmesi için, enzim
katalizli reaksiyonlarda lineer bir ilişki daha yararlı olacaktır.
Lineweaver ve Burk, Michelis ve Menten’in eşitliğini düz bir doğru üzerinde işaretlemeye
imkan tanıyan bir formda tekrar yazmışlardır.
1/S’ye karşı 1/TH grafiği çizildiğinde düz bir doğru elde edilmektedir. Bu doğrunun eğimi,
Km/THmax, y eksenindeki kesim noktası ise 1/THmax’ı vermektedir (Şekil 27).
42
Şekil 27. Lineweaver-Burk Eğrisi
3.4 Glukoz Oksidaz
Glukoz Oksidaz enzimi (GOx), (EC. 1.1.3.4, β-D-glukoz:oksijen oksidoredüktaz) β-Dglukopiranoz’a (6 karbonlu glukozun hemiaketal formu) bağlanır ve şeker molekülünün
moleküler oksijen ile yükseltgenip glukono-δ-lakton (glukono-1,5-lakton) ve hidrojen
peroksidin (H2O2) oluştuğu reaksiyonun katalizlenmesini sağlar (35).
3.4.1 Glukoz Oksidazın Genel Özellikleri
Katalizledikleri reaksiyonlar aynı olsa da, değişik kaynaklardan saflaştırılan GOx molekülleri
farklı kimyasal özellikler gösterir. Örneğin, A. Niger, kaynaklı GOx molekül ağırlıkları 80 kD
olan, birbirine disülfit köprüleri ile bağlı 2 eş değer alt üniteden meydana gelmiştir. A. Niger
GOx’un her alt ünitede 1 mol FAD içermektedir. GOx molekülünde yaklaşık olarak % 74
protein, % 16 nötral şeker ve %2 amino şekeri bulunmaktadır. FAD molekülü ile apoprotein
arasında kovalent bağ bulunmadığından, enzim tamamen denatüre edilerek FAD molekülü
enzimden uzaklaştırılabilir. Enzimin yapısında bulunan karbonhidrat tamamen uzaklaştırılsa
bile, aktivite göstermeye devam eder; ancak termal stabilitesi azalır. GOx, β-D-glukoz için
oldukça spesifik olup, β-D-glukoz’u α-D-glukoza göre 157 kez daha hızlı okside eder. Ayrıca
enzim 2-deoksi-D-glukoz, D-mannoz ve D-galaktoz için çok düşük de olsa aktivite
göstermektedir. GOx’nun başlıca inhibitörleri Ag+, Hg+ ve Cu+2 olarak belirlenmiştir (35).
43
3.4.2 Glukoz Oksidazın Reaksiyon Mekanizması
GOx, β-D-glukozu elektron alıcısı olarak moleküler oksijeni kullanarak, D-glukono-δ-laktona
ve H2O2’ye oksidasyonunu katalizleyen bir flavo proteindir. Bu reaksiyon, indirgeyici ve
yükseltgeyici basamak olmak üzere 2’ye ayrılır. İndirgeyici yarı reaksiyonda, GOx,
β-D-glukozun, D-glukono-δ-laktona oksidasyonunu katalizler. Reaksiyon Şekil 28’de
gösterilmiştir. Bunun sonucunda GOx’ın FAD halkası FADH2’ye indirgenir. Yükseltgeyici
yarı reaksiyonda ise, indirgenmiş GOx oksijenle yeniden yükseltgenerek, H2O2 açığa
çıkar (36).
Şekil 28. GOx reaksiyonunun şematik gösterimi
3.5 Enzim Elektrodu
Enzim elektrodu, üzerine ince bir tabaka halinde enzim modifiye edilmiş elektrokimyasal bir
sensördür (37). Genellikle enzim tabakası ve çözelti arasına, enzim tabakası ve elektrot
arasına ya da ikisi arasına da yarı geçirgen bir membran modifiye edilmişitir. Örnek, herhangi
bir ön işleme tabi tutulmadan, direk olarak ölçüm yapılır. Prob, analit çözeltisiyle temas
ettiğinde substrat enzim tabakasının içine doğru difüzlenir. Birçok enzimatik reaksiyon
sonucunda elektrotla ölçülebilen üretilen ya da tüketilen türler olur. Enzimatik reaksiyonun
sonucu olarak, substrat ve ürün konsantrasyonu değişir ve belirli bir süre sonunda ürün
üretimi ve substrat tüketimi hızının eşit olduğu kararlı konuma ulaşılır. Elektroaktif türlerin
konsantrasyonları
potansiyometrik
ya
da
amperometrik
olarak
kontrol
edilir
ve
elektrokimyasal sinyal, substrat konsantrasyonunun ölçülmesi için ilişkilendirilebilir (28).
Enzim elektrotlarının en temel iki unsuru enzim ve elektrot materyalidir. Enzim elektrodunda,
elektrot materyali seçilirken elektriksel iletkenlik ve sertliğe önem verilmelidir. Bu sebeple,
enzim elektrotlarda kullanılan elektrotlar genelde yaprak ya da çubuk şeklinde; platin, altın
karbon gibi katı destek materyallerinden oluşturulmaktadır.
Kullanılacak enzimin seçimi ise, gerçekleşecek tepkime ve analite göre yapılır (38).
Oksidoredüktaz enzimleri, amperometrik enzim elektrodu tasarımlarında yaygın olarak
kullanılan enzimlerdir. Glukoz oksidaz, üreaz, alkol dehidrogenaz, peroksidaz, katalaz,
44
billirubin oksidaz ve laktat oksidaz bu enzimlerden bazılarıdır. Enzim modifiye edilmiş
elektrot sistemleri çok bileşenli sistemlerde hızlı analize imkan tanıdıklarından ve yüksek
hassasiyette ölçüm yapmalarından dolayı çevre, tıp, analitik kimya gibi alanlarda uygulama
alanı bulmaktadır.
Enzim bazlı bir amperometrik elektrot, kimyasal seçici tabaka olarak bir enzimden, çevirici
olarak bir elektrottan, elektrodun bağlı olduğu bir amplifikatörden ve sonuçların okunacağı bir
ekrandan oluşur (39) (Şekil 29).
Şekil 29.Bir enzim elektrodunun temel elemanları
3.5.1 Amperometrik Enzim Elektrodu Jenerasyonları
Amperometrik biyosensörlerin tasarımı için, redoks enzimi ve elektrotlar arasındaki
elektronik bağlantı; enzim substratının ya da ürünün elektroaktivitesini (I.nesil), redoks
medyatörlerinin serbest halde ya da immobilize olarak biyomolekülle kullanımını (II. nesil),
ya da enzimin redoks aktif bölgesi ile elektrot yüzeyi arasında direk elektron transferini (III.
nesil) baz alır. Şekil 30’da amperometrik elektrotların gelişimindeki farklı yaklaşımlar,
şematik olarak gösterilmektedir (40).
45
Şekil 30. Amperometrik enzim elektrodu jenerasyonları a) I. Nesil Amperometrik
elektrotlar, b) II. Nesil Amperometrik elektrotlar, c) III. Nesil Amperometrik
elektrotlar
I. Nesil biyosensörlerde çok yüksek potansiyel uygulanması, en büyük eksikliktir. Bu sorun
küçük redoks aktif moleküller olan, enzimin redoks aktif merkezi ile elektrot yüzeyi arasında
elektron transferini sağlayan medyatörlerin (ferrosen türevleri, ferrosiyanid, iletken organik
tuzlar ve kinonlar) kullanılmasıyla aşılmaktadır (II. Nesil). Birçok redoks enzimi bazlı
elektrotlar için medyatörlerin kullanımı uygulanan potansiyeli düşürür. Buna ek olarak,
medyatörler kullanıldıkları elektrotlarda lineer cevap aralığını arttırmaktadır. Ayrıca glukoz
elektrotlarında, tahmin edilen elektrot ömrünü uzatırlar çünkü enzim için zararlı olan hidrojen
peroksit medyatör kulanıldığı durumda üretilmemektedir. Ne yazık ki, medyatörler sadece
redoks enzimleri ile bağlanarak enzim ve elektrot arasında elektron transferini sağlamaz aynı
zamanda çeşitli reaksiyonlara da sebep olurlar (41).
Redoks medyatörlerinin elektrot ve enzim molekülleri arasında kullanımı için birçok yaklaşım
bulunmaktadır. Ancak, uygulanan birçok immobilizasyon yönteminin kinetik açıdan
dezavantajları bulunmaktadır. Kinetik kısıtlamaların çoğu, enzim ve medyatörün elektrot
yüzeyine asimetrik yüklenmesi ve immobilize konumda medyatörün hareketliliğinin
kısıtlanmasından kaynaklamaktadır. Tasarlanan elektrot kullanılmadan önce, enzim medyatör
oranı sabittir ancak elektrokimyasal işlem boyunca bu oran immobilize formdaki medyatörün
anyonik ve katyonik formlarının stabilitesine bağlı olarak değişmektedir. Bu değişim sebebi,
elektron medyatörlerinin çözünürlüğüdür (42).
Uygulanan immobilizasyon yaklaşımlarının tümünün hedefi, redoks medyatörlerinin
çözünürlüğünden dolayı elektrot yüzeyinden desorbe olmasını önlemektir. Bu amaçla, redoks
medyatörlerinin elektrot yüzeyine absorbe ve immobilize edilmesi de medyatörlerin
çözünürlük sorununu tamamen çözememektedir. Son yıllarda yapılan çalışmalar redoks
medyatörlerinin iletken polimerler ve iyon-değişimli membranlarla birlikte kullanılmasının bu
sorunu büyük oranda çözdüğünü göstermektedir (43).
III. Nesil biyosensörlerde elektron transferi substratın ürüne katalitik dönüşümüyle ilgilidir.
Redoks enzimi elektrot ve substrat molekülü arasında medyatör olmadan elektron transferini
arttırarak, bir elektro katalizör görevi görür. Bu tür biyosensörler, genellikle daha iyi seçicilik
gösterirler, çünkü başka reaksiyonlara sebep olmadan enzimin redoks potansiyeline yakın
potansiyelde çalışabilirler. Biyomolekül ve elektrot yüzeyi arasındaki bağlantının güçlü
olması bu tür biyosensörlerin hassaslığını arttırmaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar
46
yüksek performanslı amperometrik biyosensörler için redoks enzimi ve elektrot arasında
elektron transferinin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmıştır. Bu sistemlerin başka bir geleceği
ise, direk elektron transferine dayalı enzim bazlı amperometrik cihazlara dayanmaktadır (40).
3.5.2 Enzim Elektrodu Karakteristikleri
Bir enzim elektrodunun kullanılabilirliğine, karakteristik özelliklerinin belirlenmesinden
sonra karar verilebilir.
3.5.2.1 Kararlılık
Kararlılık, bir enzim elektrodunun pratik kullanım açısından uygunluğunu belirlediği gibi,
elektrodun raf ömrünü de belirler. Uzun ömürlü bir elektrot ile çok sayıda analiz
yapılabileceği için maliyet açısından avantajlıdır. Elektrot ömrü, çalışma ve depolama
koşulları açısından incelenmektedir. Depolama ve kullanım sürecindeki elektrot ömrü
farklılık göstermektedir.
Enzimin immobilizasyon yöntemi, saflık derecesi ve kaynağı gibi faktörler enzim ve
elektrodunun kararlılığını etkileyen önemli parametrelerdir. Örneğin, fiziksel yöntemlerle
immobilize edilen bir enzim elektrodunun ömrü kimyasal olarak immobilize edilmiş bir
enzim elektroduna göre daha kısadır (44).
3.5.2.2 Seçicilik
Kullanılan elektrodun yüksek seçiciliğe sahip olmasıi bir enzim elektrodundan beklenen en
temel özelliktir. Enzimler genel olarak antikor ve nükleik asitlerden sonra seçicilik
sıralamasında yer almalarına karşı, mutlak özgül enzimler söz konusu olduğunda bu durum
geçersizdir. Seçicilik üzerine etki eden başlıca parametreler pH, sensördeki girişimler ve
biyokatalizördeki girişimlerdir. Girişimi engellemenin en iyi yolu sadece analiz edilecek
maddeye spesifik bir biyokatalizör kullanmaktır.
Amperometrik enzim elektrotları, potansiyometrik elektrotlara göre daha seçicidirler ancak
yine de çalışma potansiyelinde girişimde bulunan elektroaktif maddeler bulunabilir.
Seçiciliği etkileyen bir diğer faktör ise, kendi içerisinde yarışmalı substratlar ve enzimi aktive
ya da inhibe eden maddeler olarak ayrılan biyokatalizördeki girişimdir. Eğer kullanılan enzim
alkol oksidaz gibi grup özgüllüğüne sahip bir enzim değil de, yalnızca bir substratla tepkime
verme özelliğine sahip bir enzim ise, yarışmalı bir başka substrat girişimi söz konusu olamaz.
Ortamdaki inhibitör ve aktivitörler de enzim aktivitesini etkilemektedir. Ag+, Hg2+, Cu2+ gibi
47
metal iyonları, tiyol bileşikleri ve organofosfatlar da birçok enzimin aktif bölgesinde yer alan
serbest tiyol gruplarını inhibe eden önemli inhibitörlerdendir.
Seçiciliği etkileyen bir diğer değişken ise, ortam pH’dır. Enzimin optimum çalıştığı pH,
immobilizasyon sonucu ve yüklü substrat varlığı gibi durumlarda kaymalar gösterebilir. Bu
nedenle elektrodun çalışacağı optimum pH, teorik zorlamalara göre değil, deneysel
çalışmalara göre belirlenmelidir. Ölçüm aralığının da seçicilik üzerine önemli etkisi
bilinmektedir. Hedef substratın dışında girişimde bulunabilecek maddelerin elenmesi için,
düşük değerlere inebilen bir ölçüm aralığına sahip elektrotta, örnekteki hedef madde
seyreltilerek girişimde bulunabilecek maddelerin konsantrasyonları ölçüm sınırları dışına
çıkarılabilir (44).
3.5.2.3 Cevap Süresi
Cevap süresi, elektrodun analizlenecek madde ortamına değmesinden, ölçme sisteminden
sonucun okunmasına kadar geçen süre anlamına gelmektedir. Cevap süresinin kısa olması, bir
enzim elektrodundan beklenen temel özelliklerden biridir. Özellikle rutin analizlerde, kısa
cevap süresi pratiklik açısından büyük önem taşır. Genellikle bir biyosensörün cevap süresi
birkaç saniye ile birkaç dakika arasında değişir.
Bir enzim elektrodunun cevap süresini etkileyen faktörler;
• Substratın zar yüzeyine difüzyon hızı
• Substratın biyokatalizörün aktif bölgesi ile verdiği tepkimenin hızı
• Oluşan ürünün elektrot yüzeyine difüzyon hızı
Bu üç faktorü de etkileyen unsurlar substrat konsantrasyonu, enzim derişimi, sıcaklık, pH,
karıştırma hızı, biyoaktif tabaka üzerinde zar kullanılıp kullanılmadığıdır. Bu etkenlerden
optimum pH ve sıcaklık, karıştırma cevap süresini kısaltırken, substrat derişimdeki artış,
biyoaktif tabaka üzerinde zar bulunması, cevap süresinin uzamasına yol açar (44).
3.6 Amperometrik Glukoz Elektrodu
Amperometrik glukoz elektrodunda, indirgeyici reaksiyonda, GOx enzimi analiti olan Dglukozun, D-glukono-δ-laktona oksidasyonunu katalizler. Bunun sonucunda GOx’ın FAD
halkası FADH2’ye indirgenir. Yükseltgeyici yarı reaksiyonda ise, indirgenmiş GOx oksijenle
yeniden yükseltgenerek, H2O2 açığa çıkar. Böylece sistemde oluşan elektron taşınımı,
elektrokimyasal
bir
çevirici
tarafından
elektrokimyasal
olarak
ölçülür.
Tercihen
elektrokimyasal çevirici ve enzim birbirine olabildiğince yakın olmalıdır. Bu sebepten dolayı
enzim çalışma elektroduna immobilize edilir (45).
48
3.6.1 Amperometrik Glukoz Elektrodunun Kullanım Alanları
Tanı
Diyabet hastalarının kan şekeri ölçümleri için daha ucuz ve basit glukoz tayini yapan cihaz
ihtiyaçlarının doğması üzerine, glukoz elektrotları üzerine yapılan araştırmalar artmıştır.
Diyabet, vücudun kan şekerini sabit tutması için insulini üretememesi ya da etkin
kullanamamasından dolayı ortaya çıkar. İki çeşit diyabet vardır. Tip 1 ya da insuline bağlı
diyabet (IDDM) olarak bilinen diyabet hastalığında, vücut insulin üretemez. Tip 2 ya da
insuline bağlı olmayan diyabette (NIDDM) ise vücut insulini yeterince kullanamaz.
Amerikan diyabet derneğine göre, Amerika’da 15,7 milyon (toplam nüfusun %5,9’u) diyabet
hastası bulunmakta ve her gün yaklaşık 2200 insana diyabet teşhisi konmaktadır. Diyabet
Amerika’da yedinci ölüm sebebidir. Körlük ve böbrek hasarlarına yol açtığı gibi kalp ve sinir
sistemi üzerinde de hasarlara sebep olduğu bilinmektedir. Araştırmalar göstermektedir ki;
IDDM hastaları yoğun bir bakımla, kandaki glukoz seviyesi normale yakın tutulduğunda,
diyabet hastalığının sebep olduğu hasarlar azaltılabilmektedir. Aynı sonuçtan, NIDDM
hastaları için de söz edilebilir. Bu sebeple, eş zamanlı olarak kandaki glukoz seviyesini ölçen
cihazların varlığı temeldir. Elektrokimyasal enzim sensörleri, yüksek hassasiyetleri, yüksek
seçicilikleri, düşük maliyet ve kullanım kolaylıklarından dolayı ilgi odağı olmuşlardır. Bu tür
enzim elektrotları, son zamanlarda ticari glukoz analizi yapan sistemlerde ya da evde
kullanılabilen “finger–stick” tipi glukoz ölçerlerde çevirici olarak kullanılmakta ve klinik
olarak kesin sonuçlar vermektedirler. Bu glukoz ölçerler, küçük bir iğne yardımıyla deriyi
delerek kan örneği alırlar. Sürekli kan örneği alınması gereken diyabet hastalarında, bu durum
deri tahrişine ve daha fazla acıya sebep olacağından, sürekli glukoz ölçen sistemler
kullanılmaktadır. Bu sistemlerin ise sadece implantasyon ve kalibrasyon periyotları acıya
sebep olurlar (46).
Proses Kontrol
Fermantasyon işleminde, glukoz konsantrasyonunun ayarlanması önemli bir noktadır. Çünkü
fazla miktardaki glukoz, laktat oluşumuna sebep olur bu da verimliliği olduğu gibi biyokütleyi
de azaltır. Glukoz izleme sistemleri, devre dışı ya da bağlantılı izleme olarak ikiye ayrılırlar.
Enzimatik glukoz elektrotları, her iki yöntemde de yüksek hassasiyet ve seçicilikte sonuç
vererek kullanılmaktadırlar. Bu elektrotların kullanımı kimyasal ya da enstrumental analiz
yöntemleriyle karşılaştırıldığında, oldukça basit ve düşük maliyetlidir. Geleneksel devre dışı
glukoz izleme yönteminde, örnek alma ve laboratuvar analizi işlemleri manuel olarak
49
gerçekleştirilir. Örnek alma ve analiz aşaması arasında geçen zaman, fermentasyon işleminin
kontrolü açısından sonuçları daha az anlamlı kılar.
Bağlantılı glukoz izleme yöntemi ise, glukoz konsantrasyonu hakkında eş zamanlı bilgi
vererek optimum reaksiyon koşulları için eş zamanlı müdaheleye olanak sağlar. Glukoz
sensörleri, bu sistemlerde direk olarak fermentasyon ortamına yerleştirilebileceği gibi,
sistemin dışında proses akışının üzerinde olan bir dış enstrumana da yerleştirilebilirler.
Kullanılan
glukoz
elektrotların
özellikle
fermentasyon
ortamında
kullanılanların,
sterilizasyonu etkilememesi ve karmaşık fermentasyon ortamında yalnızca glukoza seçici
olarak hassas ölçüm yapabilmesi gerekmektedir (46).
4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
4.1 Kullanılan Kimyasal Maddeler, Cihazlar ve Teknikler
4.1.1 Kimyasal Maddeler
Monomer sentezi için, AlCl3 (Merck), 4-(1-H-Pirol-1-yl) fenol (PF) (Sigma-Aldrich),
toluen (Sigma-Aldrich) kullanılmıştır. Pirol monomeri Alfa Aesar firmasından temin
edilmiştir. Elektrokimya deneyleri için çözücü olarak Diklorometan (DCM) (Merck),
50
Asetonitril (CH3CN) (Sigma Aldrich),
destek
elektrolit
olarak
Tetrabütilamonyum
hegzaflorofosfat (TBAPF6) (Aldrich) kullanılmıştır.
Biyosensör çalışmaları kısmında, enzimlerin kendi aralarında kovalent bağlanması için çapraz
bağlayıcı ajan olarak kullanılan glutaraldehit (GA), (%25) D-Glukoz, Glukozoksidaz
(Aspergillus niger. 200 U/mg, %36 α-D-Glukoz %64 β-D-Glukoz) Sigma (St. Louis, MO,
ABD) firmasından temin edilmiştir.
4.1.2 Kullanılan Alet ve Cihazlar
4.1.2.1 Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR)
Elde edilen polimer örneklerinin FT-IR spektrumları, KBr ile pelet yapılarak, bilgisayar
kontrollü Perkin Elmer (USA) model FT-IR cihazı kullanılarak incelenmiştir.
4.1.2.2 Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (NMR)
NMR analizleri Bruker Ultra Shield Plus ile yapılmıştır. 1H-NMR spektrumu için CDCl3
solvent olarak kullanılmış ve tetrametilsilan referansına göre kimyasal kayma (δ) değerleri
verilmiştir.
4.1.2.3 Potensiyostat
İletken
polimerin
sentezinde
ve
elektrokromik
özelliklerinin
incelenmesinde,
elektropolimerizasyon düzeneği kullanılmıştır. Düzenek Elektrokimyasal PotansiyostatGalvanostat Cihazına (Iviumstat, Hollanda) bağlı hücre ve üçlü elektrot sisteminden
oluşmaktadır. Deneylerde elektrolitik bir hücre içinde çalışma elektrodu olarak indiyum kalay
oksit ile kaplanıp bir yüzü iletken hale getirilmiş ITO cam, referans elektrodu olarak gümüş
tel ve karşıt elektrot olarak da platin tel kullanılmıştır.
4.1.2.4 UV-VIS Spektrofotometre
Spektroelektrokimyasal çalışmalarda Agilent 8453-UV Görünür Bölge Spektrofotometri
Gamry Referans 600 model potansiyostat cihazı ile birlikte kullanılmıştır.
4.1.2.5 Biyosensör Çalışmasına Yönelik Sistemler
Denemeler sırasında, Voltalab PGP 201 potansiyostat (Radiometer/Fransa), Palmsens
(Hollanda) elektrokimyasal ölçüm sistemi kullanılmıştır. Biyosensör sistemlerine ait cevaplar
akım (I, A) olarak elde edilmiştir. Amperometrik ölçümler de, glukoz oksidaz enzim sensörü
51
için, içerisinden azot gazı geçirilmiş 50 mM, pH 4,5 sodyum asetat tamponu kullanılmıştır.
Enzimin
katalizlediği
reaksiyonda
tüketilen
oksijenin
izlenmesi,
-0,7 V
çalışma
potansiyelinde gerçekleştirilmiştir. Ölçümler; çalışma elektrodu olarak grafit, karşıt elektrot
olarak platin (Metrohm) ve referans elektrot olarak Ag/AgCl (Metrohm) kullanılarak 3’lü
elektrot sistemi ile gerçekleştirilmiştir.
4.2 Deneysel Prosedür
4.2.1 TPFc’in Sentezi (((1S)-2-((4-(1H-pirol-1-yl)fenoksi)(merkapto)fosforotiyol)siklo
penta-2,4-dien-1-yl)(siklo-2,4-dien-1-yl)demir))
TPFc, [FcP(=S)(-S)]2 ile 4-(1-H-Pirol-1-yl)fenol’ün toluen içindeki reaksiyonu ile
sentezlenmiştir (Şekil 32). Detaylı sentez bilgileri şu şekildedir. 0,25 g (0,446 mmol)
[FcP(=S)(m-S)]2, 10 mL toluen içerisinde 0,142 g (0,892 mmol) 4-(1-H-Pirol-1-yl) fenol ile
(1:2 mol oranında) reaksiyona sokulmuş böylece TPFc bileşiği elde edilmiştir. Reaksiyon
karşımı tüm katı bileşenler çözülüp sarımsı bir çözelti elde edilinceye kadar ısıtılmıştır. Sarıturuncu renkli kristal süzülmüş ve kurutulmuştur. 0,40 g ürün elde edilmiştir. Verim %39,6
olarak bulunmuştur.
Şekil 31. TPFc sentezi
4.2.2 Biyosensör çalışmasında kopolimer oluşturmak için kullanılan TPA'nın Sentezi

1,4-di(tiyofen-2-yl)bütan-1,4-dionSentezi
100 mL’lik balona 16 mL DCM çözücüsü ve AlCl3 (16g, 0,12 mol) eklenmiştir. Damlatma
hunisine, tiyofen ( 9,6 mL, 0,12 mol), süksinil diklorid ( 5,6 mL, 0,5 mol) ve 10 mL DCM
çözücüsü eklenip scaklık 20oC’yi geçmeyecek şekilde 4 saat boyunca karıştırma işlemi
uygulanmıştır. Karıştırmanın sonunda, karışıma 7 mL HCl eklenmiştir ve karışım sırasıyla
DCM, 2M HCl ve %5’lik NaHCO3 çözeltileriyle ekstrakte edilmiştir. Çözücüsü uçurulan
madde, etanolde kristallendirilmiştir ve % 53 verimle Şekil 32’de gösterilen 1,4-di(tiyofen-2-
52
yl)bütan-1,4-dion başlangıç maddesi sentezlenmiştir ve erime noktası 120°C olarak
ölçülmüştür.
Şekil 32. 1,4-di(tiyofen-2-yl)bütan-1,4-dion sentezi

4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl) bütan-1-amin sentezi (TPA);
Bir balon içerisine, sentezlenen diketon (1g, 4x10-3 mol) ve toluen (20 mL, 7,5x10-3 mol)
konulup, literatürde belirtilen hesaplara göre üzerine propiyonik asit ( 0,00755 mL, 0,0077 g,
1,04x10-4 mol) ve 1,4-diaminobutan (0,593 mL, 0,528 g, 6x10-3 mol) eklenerek geri
soğutuculu düzenek altında deney başlatılmıştır. 5. günün sonunda madde oluştuğu gözlenmiş
ve deney sonlandırılmıştır.
Çözeltinin çözücüsü uzaklaştırılmak üzere, vakum destilasyonu uygulanmıştır. Tamamen
tolueni uzaklaştırılıp kuruyan madde, flash kromatografisine tabi tutulmuştur. Flash
kromatograsinden
alınan
maddelerin,
çözücüleri
uzaklaştırılmış
ve
kristallenmeye
bırakılmıştır. Buna göre tüm işlemler sonucunda %15,20 verimle Şekil 33’de gösterilen 4(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin sentezlenmiş ve erime noktası ise 163,10C
olarak ölçülmüştür.
Şekil 33. 4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin (TPA) sentezi
53
4.2 Elektrokimyasal Polimerizasyon
Sentezlenen TPFc monomeri farklı iki monomer ile (Py, TPA), destek elektrolit olarak
Tetrabütilamonyumhegzaflorofosfat (TBAPF6) ve çözücü olarak da DCM ve CH3CN
kullanılarak kopolimerleştirilmiştir.
4.3.1 TPFc ile Pirol’ün DCM İçerisindeki Kopolimerizasyonu
Karşıt elektrot olarak Pt telin, referans elektrot olarak gümüş telin ve çalışma elektrodu olarak
da ITO camın kullanıldığı hücre içinde 0,15 gram TPFc maddesi, pirol ile kopolimer
oluşturularak, destek elektrolit Tetrabütilamonyumhegzaflorofosfat (TBAPF6)’ın kullanıldığı
DCM ve CH3CN çözücüsü içerisinde polimerleştirme gerçekleştirilmiştir. Polimerleştirme
işlemi, dönüşümlü voltametri ile farklı potansiyeller arasında, farklı tarama hızlarında
yapılmış ve renk değişimleri kaydedilmiştir. Ayrıca tarama hızları değiştirilerek tarama
hızının polimerleşmeye etkisi incelenmiştir.
Şekil 34. TPFc ile Py Kopolimerizasyonu
Elektroliz hücresinde bulunan karışıma 20 saniye boyunca 1,8 V’luk sabit potansiyel
uygulanarak kopolimer sentezlenmiş ve sentezlenen kopolimer FT-IR ile karakterize
edilmiştir. Ayrıca sentezlenen kopolimer için tarama hızlarının polimerleşmeye etkisi
incelenmiştir.
4.3.2 TPFc ile TPA’nın DCM İçerisindeki Kopolimerizasyonu
Polimerleşme,
DCM
içerisinde,
TPA
ve
TBPF6
destek
elektroliti
kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. TPFc-co-TPA bileşiğinin -0,5 ile +1,8 V potansiyel aralığında, 250 mV/s
tarama
hızında
döngülü
voltametrisi
alınmış
Kopolimerizasyon reaksiyonu Şekil 35’de verilmiştir.
54
ve
renk
değişimi
kaydedilmiştir.
Şekil 35. TPFc ile TPA Kopolimerizasyonu
Tek başına TPFc ile hazırlanan elektrotta monomer serbest amino gruplarına sahip olmadığı
için, stabil bir enzim immobilizasyonu gerçekleştirilememiş, tek başına TPA ile hazırlanan
elektrotta ise biyosensör cevabını oluşturan ferrosenin bulunmadığından dolay akımda
farklanma gözlenmemiştir. Bu nedenle, stabil enzim immobilizasyonu için, serbest amino
grubuna ve ferrosen gibi katalitik redoks özelliği gösteren bir medyatöre ihtiyaç olduğundan
dolayı, TPFc ve TPA ile kopolimerizasyon gerçekleştirilmiş ve hazırlananan P(TPFc-coTPA/GOx) enzim elektrodu ile önemli parametrelerin karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
4.4 İletken Polimerin Elektrokromik Özellikleri
4.4.1 Spektroelektrokimya
Spektroelektrokimya, aynı anda çalışılabilen elektrokimyasal ve spektroskopik tekniklerin bir
arada kullanılmasıdır. Yaygın olan tekniklerle karşılaştırıldığında, bir elektrokimyasal
reaksiyonun karakteristik optik özellikleriyle birlikte, elektrokimyasal cevabı hakkında bilgi
edilnilmesini de sağlamaktadır.
Spektroelektrokimyasal çalışmalar, platin tel karşıt elektrot, Ag tel referans elektrot ve ITO
çalışma elektrotu olarak kullanılarak yapılmıştır. Potantiostat cihazı ile farklı potansiyel
uygulanan iletken polimerin uygulanan her potansiyel değeri için UV spektrumu alınmıştır.
55
4.4.2 Kinetik Çalışmalar
Kinetik çalışmalar belli bir uygulamayı gerçekleştirmek için elektrokromik malzemelerin
durumu hakkında değerli bilgiler sağlar. Bu yöntem sayesinde, optik spektroskopiyle,
absorbans değişikliklerinin izlenmesi ve kare dalga potansiyel uygulamasıyla bir malzemenin
uzun süreli absorbans değişiklikleri, tepki süresi ve kararlılığı belirlenebilir. Yüzde
geçirgenlikteki değişim (%∆T) optik kontrastın belirlenmesinde, tepki süresi ise istenen
zamanda,
maksimum
potansiyel
ile
en
düşük
potansiyel
arasındaki
absorpsiyon
değişikliklerinin belirlenmesinde kullanılır.
4.5 Enzim Elektrodu Hazırlanması
Bu çalışmada, enzim biyosensörlerinin ana bileşeni olarak GOx enzimini içeren, medyatörlü
glukoz enzim sensörü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Enzim elektrodu tasarımında, elektrot
malzemesinin elektriksel olarak iletken ve sert yapıda olması, enzim immobilizasyonu için
iletken polimer ve medyatör ile modifiye edilebilir olması istenen özelliklerdir. Literatür
araştırmasına dayanarak, bu özellikleri sağlayan karbon yapılı elektrotlar, elektrot malzemesi
olarak seçilmiş ve enzim immobilizasyonu için kullanılmıştır. Bu amaçla, ilk olarak TPFc ve
TPA
monomerlerinin,
dönüşümlü
voltametri
ile
kopolimeri
oluşturularak,
grafit
elektrotlarının yüzeyi modifiye edilmiştir. Daha sonra GOx, çapraz bağlayıcı olan GA
vasıtasıyla modifiye elektrot yüzeyine immobilize edilmiştir. Hazırlanan P(TPFc-coTPA/GOx) glukoz enzim sensörünün performansını etkileyen önemli parametrelerin
optimizasyonu sonrasında, analitik karakterizasyonu yapılmıştır.
4.5.1 Enzimin Kovalent Bağlanması
Bu yöntemde elektron aktarım medyatörü olarak kullanılan TPFc ve TPA içeren kopolimer
elektrokimyasal olarak karbon elektrodu üzerinde oluşturulmuş ve GOx enzimi iletken
polimerler ile modifiye edilen grafit elektrotların yüzeyine çapraz bağlayıcı ajan olan GA ile
çapraz (kovalent) olarak bağlanmıştır. GOx ile hazırlanan enzim elektrotların kullanımıyla
yapılan ölçümlerde, enzim substratının oksidasyonu sonrasında, medyatörün yani ferrosenin
indirgenmesinin ölçümü temel alınmıştır.
4.5.2 TPFc-co-TPA/Glukoz Oksidaz Enzim Sensörünün Hazırlanması
Enzim immobilizasyonu için fonksiyonel grup yaratmak amacıyla, elektrot yüzeylerinin
modifiye edilmesinde iletken polimerlerin oluşumu için elektrokimyasal polimerizasyon
yöntemi uygulanmıştır.
56
Glukoz Oksidaz (GOx) tabanlı enzim elektrodu hazırlanmasında izlenen yol şöyledir;
Öncelikle grafit (karbon) elektrot yüzeyi iyice temizlenmiştir. Daha sonra 0,1 M TBAPF6,
1 mg/mL TPA ve 4 mg/mL TPFc, DCM çözeltisi içinde hazırlandıktan sonra, dönüşümlü
voltammetri tekniğiyle, -0,5 ile 1,8 V arasında 0,25 V/s tarama hızında 5 döngü ile
elektropolimerizasyon işlemi uygulanarak elektrot yüzeyi modifiye edilmiştir. Son olarak
1 mg GOx enziminin 5 L pH 7,5 olan 50 mM sodyum fosfat tamponundaki çözeltisinden
2,5 µL elektrot yüzeyine damlatılmıştır, üzerine 2,5 µL %1’lik GA çözeltisi eklenmiştir.
Elektrot yüzeyi kuruması için 2 saat boyunca oda sıcaklığında bekletilmiştir. Deney boyunca
substrat olarak kullanılan glukoz çözeltisi 1 M olacak şekilde hazırlanmıştır. Fakat kullanılan
glukoz çözeltisinin 24 saat öncesinden hazırlanmış olması istenmektedir, çünkü kullanılan
GOx, β-D-Glukoza seçimli olduğu için glukozun mutorotasyonun gerçekleşmiş olması
gerekmektedir.
4.5.3 P(TPFc-co-TPA/GOx) Enzim Sensörleri ile Ölçüm İlkesi
GOx temelli enzim sensörleriyle yapılan çalışmalarda, ölçüm yapılmadan önce hazırlanan
tampon çözeltisi azot gazından geçirilerek çalışmalar oksijensiz ortamda yapılmıştır. Enzim
sensörü, 10 mL tampon bulunan reaksiyon hücresine alınmış, manyetik karıştırıcı yardımıyla
oda sıcaklığında 10 dakika boyunca bekletilmiştir. -0.7 V’da izlenen çalışmada substrat
(glukoz) ilavesi öncesinde sistemin dengeye gelmesiyle belirlenen akım değeri kaydedilmiş
ve ardından substrat (glukoz) ilavesi yapılmıştır. Oluşan enzimatik reaksiyon 70 saniyede
tamamlanmış, yeni oluşan bu denge durumuna ait akım değeri okunarak kaydedilmiştir.
Deneysel çalışmalarda, substrat eklenmeden önceki ve substrat eklendikten sonraki denge
durumunda okunan akım değerlerinin farkı alınmıştır. Söz konusu farklanma, substrat
konsantrasyonuyla orantılıdır ve µA/cm2 olarak belirlenmektedir. Yapılan çalışmalarda
öncelikle glukoz konsantrasyonu ile akım miktarındaki farklanmalar arasında grafikler
çizilmiş ve çeşitli parametrelerin sensör cevabına etkileri incelenmiştir.
4.6 Elektrot Performans Çalışmaları
Enzim elektrodunun tasarımı sırasında kullanılan ve sonrasında da performansının incelendiği
sistem, elektroliz hücresi ve elektrotları muhafaza eden hücre standından oluşmaktadır.
Deneyler üçlü elektrot sistemi ile yürütülmüştür. Karbon elektrotların modifiye edilmesiyle
oluşturulan enzim elektrodu, sisteme çalışma elektrodu olarak bağlanmış; referans elektrodu
olarak gümüş/gümüş klorür (Ag/AgCl) elektrot ve karşıt elektrot olarak da platin (Pt) elektrot
kullanılmıştır.
57
4.6.1 Ferrosenin Redoks Özelliğinden Faydalanarak Amperometrik Olarak Sensör
Cevabının İzlenmesi
Amperometrik glukoz elektrodunda, glukoz oksidaz enzimi prostetik grup olarak FAD içerir
ve glukozun, glukonik aside yükseltgenmesi sırasında, glukozdan FAD’ye elektronların
aktarımı olur. Oluşan FADH2’nin tekrar FAD’ye yükseltgenmesi elektronların oksijene
aktarımıyla gerçekleşir (I. Nesil). II. Nesil biyosensörlerde bu görevi medyatör gerçekleştirir.
Oksijen yerine başka bir elektron alıcısı (medyatör) kullanılarak reaksiyonun oksijene
bağımlılıgına son verilir. Medyatör kullanılması durumunda gerçekleşen reaksiyon aşağıdaki
şekildedir:
Tercihen elektrokimyasal çevirici ve enzim birbirine olabildiğince yakın olmalıdır.
Enzimlerin çalışma elektroduna immobilize edilmesi bu açıdan da önemlidir.
İletici sistem olarak bir amperometrik sensörün kullanılması durumunda, potansiyometrik
sensörlerden en büyük fark; ürünlerden sinyal oluşturan türün elektrot yüzeyinde
tüketilmesidir. Ferrosenin elektrokimyasal özelliğinin enzim biyosensörlerindeki görevine
ilişkin reaksiyonlar Şekil 36’ da verilmiştir.
Şekil 36. Ferrosenin elektrokimyasal özelliğinin enzim biyosensörlerindeki görevine
ilişkin reaksiyonlar
58
Ferrosenin redoks özelliğinin amperometrik olarak izlenmesi şu şekilde gerçekleştirilmiştir.
Biyosensör hazırlandıktan sonra, 10 dakika boyunca çalışma tamponunda bekletilmiş, daha
sonra tampon değiştirilip, akım değerinin sabitlenmesi için beklenmiştir. Sabitlendikten sonra
substrat (glukoz) ilave edilerek, substrat konsantrasyonu farklılaştıkça, buna bağlı olarak
değişen akım değerleri amperometrik olarak -0,7 V’da izlenmiştir ve ∆I değerleri µA olarak
kaydedilmiştir. Reaksiyon ortamındaki substratın miktarına bağlı olarak farklanan ∆I
değerleri arasında, kalibrasyon grafikleri oluşturulmuştur.
4.6.2 Optimum pH
TPFc ve TPA’nın kopolimerizasyonu ile oluşturulan matrikse GOx immobilizasyonu
sonrasında elde edilen P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim elektrotlarının, pH 4,0 – pH 6,0
aralığındaki performansları incelenmiştir. Bu amaçla, -0,5 ile 1,8 V arasında 0,25 V/s tarama
hızında 5 döngü ile elektropolimerizasyon işlemi uygulanarak, GOx ve GA eklenmesiyle,
elektrot yüzeyi modifiye edilmiştir. Analiz için farklı pH’lardaki, azot gazından geçirilmiş
0,1 M sodyum asetat tamponu hazırlanmış, 2,5 mM glukoz kullanılarak elde edilen akım
değerlerinden bağıl değerlere geçilerek, pH - % Biyosensör cevabı grafikleri elde edilmiştir.
Bu grafiklere göre de pH’ın akım yoğunluğuna etkisi incelenmiş ve en iyi biyosensör
cevabının hangi pH değeri ile alındığı belirlenmiştir ve tüm uygulamalarda, en iyi sonuç
alınan pH değerinde hazırlanan azot gazından geçirilmiş asetat tamponları kullanılmıştır.
4.6.3 TPFc-co-TPA/Glukoz Oksidaz Enzim Sensörünün Karakterizasyonu
4.6.3.1 Doğrusal Tayin Aralığı
Geliştirilen enzim sensörlerinin çalışma koşullarının optimizasyonu sonrası karakterizasyonu
amacıyla, standart grafikler çizilerek, glukoz ölçüm aralığı belirlenmiştir. Hazırlanan enzim
elektrotlarında, substrat konsantrasyonunun akım yoğunluğuna etkisi incelenmiştir. Bu
amaçla, enzim elektrotlarının 2,5-1000 µL arasında glukoz eklenmesiyle elde edilen
çözeltilerinde, glukoz kosantrasyonu-akım grafikleri elde edilmiş ve kalibrasyon grafikleri
çıkarılmıştır.
4.6.3.2 Analiz Sonuçlarının Tekrarlanabilirliği ve Yeniden Üretilebilirlik
Optimize edilmiş çalışma koşullarında hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) biyosensörü ile
doğrusal tayin aralığına giren bir glukoz konsantrasyonu seçilerek tekrarlı, 15 ölçüm
59
alınmıştır. Kalibrasyon grafikleri yardımıyla konsantrasyon değerleri saptanarak, standart
sapma (S.D) ve varyasyon katsayıları (c.v) hesaplanmıştır.
4.6.4 Örnek Uygulama
Tasarlanan biyosensörün uygulanabilirliğini test etmek amacıyla ticari olarak satılan fruko
gazoz
ve meyve suyundaki
glukoz
miktarları
belirlenmiş
ve
bulunan sonuçlar
spektrofotometrik glukoz tayin yöntemleriyle kıyaslanmıştır.
4.6.5 Girişimci Testi
Biyosensör cevabına çeşitli bileşiklerin etkisinin incelenmesi amacıyla, 3-asetamidofenol ve
etanolün girişim etkisi test edilmiştir. Bu amaçla, ilk olarak standart glukoz çözeltisi
reaksiyon ortamına eklenerek biyosensör cevabı not edilmiş ve daha sonra girişim
yapabilecek olan bileşikler ve glukoz aynı anda reaksiyon ortamına eklenerek, biyosensör
cevapları ölçülmüştür.
5.BULGULAR ve TARTIŞMA
5.1 Monomer Karakterizasyonu
5.1.1 TPFc Monomerine Ait 1H-NMR, 13C-NMR ve 31P-NMR Spektrumu
Sentezlenen açık sarı renkli monomerin yapısal karakterizasyonları 1H-NMR, spektrumu ile
karakterize edilmiştir.
Şekil 37’de verilen
1
H-NMR spektrumu için CDCl3 solvent olarak kullanılmış ve
tetrametilsilan referansına göre kimyasal kayma (δ) değerleri verilmiştir.
60
Şekil 37. TPFc maddesinin 1H -NMR Spektrumu
1
H-NMR Spektrumu (CDCl3), δH/ppm: 4,02 (yayvan, 1H, -SH, Ha), 4,39 (t, 4H, Hb), 4,52
(t, 1H, Hc), 4,71 (t, 2H, Hd), 6,36 (t, 2H, He), 7,04 (t, 2H, Hf), 7,30 (t, 2H, Hg), 7,33 (t, 2H,
Hh)
Şekil 38’de verilen
13
C-NMR spektrumu için CDCl3 solvent olarak kullanılmış ve kimyasal
kayma (δ) değerleri verilmiştir.
61
Şekil 38. TPFc maddesinin 13C -NMR Spektrumu
13
C-NMR Spektrumu (CDCl3), δc/ppm: 70,55; 77,05; 110,38; 119,47; 121,44; 123,0
62
Şekil 39. TPFc maddesinin 31P -NMR Spektrumu
Yapılan analiz sonucunda, 86.384 ppm’de gözlenen tek pik molekül yapısını doğrulamaktadır.
5.1.2 4-(2,5-di(tiyofen-2-yl)-1H-pirol-1-yl)bütan-1-amin (TPA) Monomerine Ait 1HNMR Spektrumu
Kopolimer oluşturmak için kullanılan sarı renkli TPA monomerine ait pikler ve bu piklere ait
integraller Şekil 40’da verilmiştir. Ayrıca sentezlenen monomere ait FT-IR spektrumu Ekler
bölümünde verilmiştir.
63
Şekil 40. TPA maddesinin 1H -NMR Spektrumu
1
H-NMR Spektrumu (CDCl3), δH/ppm: 7,25 ( t,2H, Ha), 7,13 (t, 2H, Hb), 7,0(t, 2H, Hc),
6,22 (t, 2H, Hd), 4,19 (t, 1H, He), 1,23 (t, 1H, Hf), 1,23 (t, 1H, Hg), 1,49 (t, H, Hh), 1,49 (t,1H,
Hi
5.2 Sentezlenen Polimerlerin Elektrokimyasal ve Elektrokromik Özellikleri
5.2.1 P(TPFc-co-Py) ’nin DCM İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri
Şekil 41’de Pirol, TPFc, TPFc-co-Py ve ferrosen’in 0,1 M TBAPF6 içeren DCM çözeltisi
içerisinde 0,25 V/s tarama hızıyla alınan dönüşümlü voltametri grafikleri verilmiştir. Bu
grafikler incelendiğinde, P(TPFc-co-Py) kopolimerine ait voltamogramda ilk döngüde
ferrosenin oksidasyonuna ait olan ve 0,84 V’ta gözlenen pik son döngüde 1,15 V’a kaymıştır.
İndirgenme piki 0,44 V’ta gözlenmiştir. Ferrosene ait grafik incelendiğinde, ferrosenin
oksidasyonuna ait pik 1,2 V’ta gözlenmiştir. Pik değerlerinin farklı olmasının sebebi,
ferrosenin
yapıya bağlanmış olduğunu ve böylece akım farklılığının oluştuğunu
göstermektedir. P(Py), P(TPFc-co-Py) kopolimerinin ve ferrosenin CV grafiklerinde gözlenen
indirgenme ve yükseltgenme pik potansiyel değerleri Tablo 2 gösterilmektedir.
64
2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,2
0,4
0,5
1,2
0,0
0,5
1,0
POTANSIYEL (V)
1,5
0,4
0,2
0,0
0,2
0,4
0,5
2,0
c)
2
AKIM YOGUNLUGU (mA/cm )
0,8
0,4
0,0
-0,4
-0,5
0,0
0,5
1,0
0,0
0,5
1,0
1,5
POTANSIYEL (V)
2
b)
a)
2
1,0
1,5
0,8
0,4
0,0
0,4
0,5
2,0
d)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
POTANSIYEL (V)
POTANSIYEL (V)
Şekil 41. DCM/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(Py), b) P(TPFc),
c) P(TPFc-co- Py) kopolimeri, d) Ferrosen’e ait dönüşümlü voltametri grafikleri
65
Tablo 2. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-Py) ve Fc’nin DCM içerisinde indirgenme
yükseltgenme potansiyelleri
Epc (V)
Epa (V)
Pirol (Py) (a)
~0.80
~0.0
TPFc (b)
0.97
0.30
TPFc-co-Py (c)
0.44
0.84
Ferrosen
1.2
-0.025
(d)
Ayrıca tarama hızına bağlı olarak pik akım değerlerinin değişimi incelenmiştir. Bunun için
P(TPFc-co-Py)’ ün 1,8 V sabit potansiyelde kopolimer filmi hazırlanarak, monomer
içermeyen DCM/TBAPF6 içerisinde farklı tarama hızlarında dönüşümlü voltametrileri
0,4
0,2
0.1 V/s
0.2 V/s
0.3 V/s
0.4 V/s
0.5 V/s
0.6 V/s
0.7 V/s
0,4
0,2
Ipa
Ipc
0,0
2,5
2
0,6
0,6
2
0,8
2
alınmıştır.
0,2
0,4
0,6
200
300
400
500
600
700
TARAMA HIZI (mV/s)
0,0
0,2
0,4
0,6
a)
0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
b)
1,5
1,0
0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
0,5
2,0
0.1 V/s
0.2 V/s
0.3 V/s
0.4 V/s
0.5 V/s
0.6 V/s
0.7 V/s
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
POTANSIYEL (V)
POTANSIYEL (V)
Şekil 42. Farklı tarama hızlarında (0,05–0,7 V/s) DCM/TBAPF6 içerisinde a) P(TPFc-co-Py)
kopolimerine ve b) P(Py)’e ait dönüşümlü voltametri grafikleri
Farklı tarama hızlarında alınan dönüşümlü voltametri grafikleri, şekil ve akım değerleri
farklılığından Py monomerinin, P(TPFc-co-Py) oluşturmak üzere kopolimerleştiğini, alınan
akım değerlerinin tarama hızlarıyla doğru orantılı olarak artması, polimer filmlerin
elektroaktif olduğunu ve elektroda iyi bağlandığını göstermektedir.
66
5.2.2 P(TPFc-co-Py) ’nin DCM İçerisindeki Elektrokromik Özellikleri
Spektroelektrokimyasal özellikler Bölüm 2.10.1’de bahsedilen yöntemle incelenmiştir. Bunun
için önce DCM/TBAPF6 çözücü ortamında bulunan karışıma 20 saniye boyunca 1,8 V’luk
sabit potansiyel uygulanmış ve P(TPFc-co-Py), ITO kaplı cam elektrot üzerinde
kopolimerleştirilmiştir. Elde edilen ITO cam üzerindeki kopolimer, DCM ile muamele
edilerek kalıntı monomer ve oligomerler uzaklaştırılmıştır. Spektroelektrokimya denemeleri
için, içerisinde destek elektrolit ve DCM bulunan UV küveti içerisine kopolimer kaplanmış
ITO cam konularak, değişen potansiyel değerleri için UV spektrumları alınmıştır. -0,7 ile
0,7 V arasında potansiyel değişimleri ile alınan UV spektrumları ile oluşturulan grafik
Şekil 43’de gösterilmiştir.
0,4
a)
0,25
ABSORBANS (AU)
Absorbans (AU)
0,30
0,20
0,15
0,10
-0.2 V
0.2 V
0.6 V
1.0 V
1.4 V
0,3
0,2
0,1
0,05
b)
-0.7 V
-0.5 V
-0.2 V
0 V
0.3 V
0.5 V
0.7 V
0,0
400
600
800
1000
400
Dalga Boyu (nm)
600
800
1000
DALGA BOYU (nm)
Şekil 43. a) P(TPFc-co-Py) ve b) P(Py) ait spektroelektrokimya grafikleri
Optik kontrast, elektrokromik materyaller için önemli bir parametredir. Optik kontrast,
belirlenen dalga boyu aralığında renk değiştiren iki redoks davranışı arasındaki farka karşılık
gelir ve % ΔT olarak ifade edilir. Polimerin iki renk arasındaki dönüşüm süresi, tepki zamanı
(switching time) olarak adlandırılır. Tepki zamanı; elektrodun iyon iletkenliğine, uygulanan
potansiyele, polimer filminin kalınlığına ve morfolojisine bağlı olarak değişir. Bu çalışmada
P(Py) ve P(TPFc-co-Py) için maksimum kontrast elde edilen dalga boyu 800 nm’de ve
polimerin indirgenme ve yükseltgenme potansiyelleri olan
-0,7 ile +0,7 V arasında 5
saniyede bir potansiyel uygulanmıştır. Şekil 44’de zamana karşı çizilen absorbans ve akım
grafikleri gösterilmiştir.
Ayrıca, P(TPFc-co-Py) için, π-π* geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 336 nm ve bu
geçişlere ait bant boşluğu enerjisi (Eg değeri) 1.94 eV olarak ölçülmüştür.
67
P(TPFc-co-Py)’ün spektroelektrokimya grafiğinden yararlanarak belirlenen maksimum
kontrast gözlenen dalga boyunda (900 nm) indirgenme ve yükseltgenme potansiyelleri (-0,7 +0,7 V), 5’er saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-Py) için renk değiştirme zamanı
10
5
0
5
0,4
a)
b)
0,3
0,2
0,6
0,5
c)
0,4
2
AKIM YOGUNLUGU (mA/cm ) ABSORBANS (AU) ABSORBANS (AU) POTANSIYEL (V)
2,0 s ve geçirgenlik değeri (%∆T) 28 olarak belirlenmiştir.
0,3
1
0 d)
-1
-2
10 15
20
25
30 35 40
ZAMAN (s)
45
50
55
60
Şekil 44. DCM/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-Py) ve c) P(Py) ait
tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-Py) akım-zaman grafikleri
5.2.3 P(TPFc-co-Py) ’nin CH3CN İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri
Bu çalışmada çözücü değiştirilerek; redoks davranışlarının belirlenmesi için 0,1 M TBAPF6
içeren, CH3CN çözeltisi içerisinde 0,25 V/s tarama hızıyla Pirol, TPFc, TPFc-co-Py
kopolimeri ve ferrosene ait dönüşümlü voltametri grafikleri verilmiştir (Şekil 45). P(TPFc-coPy)’nin dönüşümlü voltametri grafiğinden görüldüğü gibi, son döngüde akım değerlerinin
artması monomerin elektroaktif olduğunu ve elektrot yüzeyine iletken bir polimerik film
olarak kaplandığını göstermektedir. Ayrıca bu voltametri grafiklerinden P(TPFc-co-Py)’ nin
indirgenme potansiyeli 0,55 V, yükseltgenme potansiyeli 0,85 V olarak ölçülmüştür.
Karşılaştırma amaçlı, P(Py), P(TPFc-co-Py) kopolimerinin ve ferrosenin dönüşümlü
voltametri grafiklerinde gözlenen indirgenme ve yükseltgenme pik potansiyel değerleri Tablo
3’ de verilmektedir.
68
a)
b)
0,20
2
2
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
0,15
0,10
0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,5
2,0
0,0
POTANSIYEL (V)
1,0
1,5
c)
2
2
2,0
0,5
POTANSIYEL (V)
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
0,8
0,4
0,0
0,4
0,5
2,0
d)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
POTANSIYEL (V)
POTANSIYEL (V)
Şekil 45. CH3CN/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(Py), b) P(TPFc),
c) P(TPFc-co- Py) kopolimeri, d) Ferrosene ait dönüşümlü voltametri grafikleri
Tablo 3. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-Py) ve Fc’nin CH3CN içerisinde indirgenme
Epc(V)
Epa(V)
Pirol(Py) (a)
~ 0.37
~ 1.63
P(TPFc) (b)
0.32
0.58
P(TPFc-co- Py) (c)
0.55
0.83
Ferrosen (d)
1.2
-0.025
69
Şekil 46’da P(TPFc-co-Py)’ün 1,8 V sabit potansiyelde kopolimer filmi hazırlanarak,
monomer içermeyen, CH3CN/TBAPF6 içerisinde farklı tarama hızlarında dönüşümlü
voltametri grafikleri alınmıştır. Polimer filminin, farklı tarama hızlarında dönüşümlü
voltametri grafiklerinden, anodik ve katodik pik yüksekliklerinin değişimi incelenmiştir.
Tarama hızının artışı ile anodik ve katodik akım pik değerleri doğrusal olarak artması
beklenildiği gibi indirgenme yükseltgenmenin difüzyon kontrollü olmadığını ve oluşan
0,5
0,8
0,4
Ipa
Ipc
0,0
0,4
0,8
100
200
300
400
500
600
TARAMA HIZI (mV/s)
0,0
0,5
1,0
a)
-0,5
1,5
0.1 V/s
0.2 V/s
0.3 V/s
0.4 V/s
0.5 V/s
0.6 V/s
0.7 V/s
b)
2
2
0.1 V/s
0.2 V/s
0.3 V/s
0.4 V/s
0.5 V/s
0.6 V/s
0.7 V/s
1,0
1,5
2
polimerin elektrot yüzeyinden ayrılmadığını göstermektedir.
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0,0
POTANSIYEL (V)
0,5
1,0
1,5
2,0
POTANSIYEL (V)
Şekil 46. Farklı tarama hızlarında (0,1- 0,7 V/s) CH3CN/TBAPF6 içerisinde a) P(TPFc-co-Py)
kopolimerine ve b) P(Py) ait dönüşümlü voltametri grafikleri
5.2.4 P(TPFc-co-Py) ’nin CH3CN İçerisindeki Elektrokromik Özellikleri
Sentezlenen P(TPFc-co-Py)’e ait spektroelektrokimya çalışmaları, monomerin bulunmadığı
çözücü-destek elektrolit (CH3CN/TBAPF6) ortamında -0,5 ile +1,0 V arasında uygulanan
potansiyellerde gerçekleştirilmiştir. CH3CN/TBAPF6 çözücü ortamında bulunan karışıma 20
saniye boyunca 1,8 V’luk sabit potansiyel uygulanmış ve P(TPFc-co-Py), ITO kaplı cam
elektrot üzerinde kopolimerleştirilmiştir. Elde edilen kopolimer, CH3CN ile muamele edilerek
kalıntı monomer ve oligomerler uzaklaştırılmıştır. Spektroelektrokimya denemeleri için,
içerisinde destek elektrolit ve CH3CN bulunan UV küvetine kopolimer ile kaplı ITO cam
konularak değişen potansiyel değerleri için UV spektrumları alınmıştır.
-0,5 ile +1,2 V arasında potansiyel değişimleri ile alınan UV spektrumları ile oluşturulan
grafik Şekil 47’de gösterilmiştir. P(TPFc-co-Py)’nin spektroelektrokimya grafiğinden,
P(TPFc-co-Py) için, π-π* geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 322 nm ve bu geçişlere
ait bant boşluğu enerjisi (Eg değeri) 2.12 eV olarak ölçülmüştür.
70
-0.5 V
-0.2 V
0 V
0.3 V
0.5 V
0.7 V
1.0 V
ABSORBANS (AU)
a)
0,2
ABSORBANS (AU)
0,2
0,1
0,0
400
600
800
-0.5 V
-0.2 V
0 V
0.3 V
0.5 V
0.7 V
1.0 V
b)
0,1
0,0
1000
400
DALGA BOYU (nm)
600
800
1000
DALGA BOYU (nm)
Şekil 47. a) P(TPFc-co-Py)ve b) P(Py) ait spektroelektrokimya grafikleri
P(TPFc-co-Py)’ün spektroelektrokimya grafiklerinden yararlanarak belirlenen maksimum
kontrastın gözlendiği dalga boyunda (900 nm), indirgenme ve yükseltgenme potansiyelleri (0,5 – 1,2 V), 5’er saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-Py) için renk değiştirme zamanı
ve yüzde geçirgenlik (%∆T) değerleri belirlenmiştir (Şekil 48). Sentezlenen P(TPFc-co-Py)
için, renk değiştirme zamanı 2,0 saniye ve %∆T geçirgenlik değeri 12 olarak hesaplanmıştır.
71
POTANSIYEL (V)
ABSORBANS (AU)
2
AKIM YOGUNLUGU (mA/cm ) ABSORBANS (AU)
15
10
5
0
5
10
0,25
a)
b)
0,20
0,15
1,0
0,8
c)
0,6
0,4
2
0
2
4
d)
20
25
30
35
40
45
50
55
60
ZAMAN (s)
Şekil 48. CH3CN/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-Py), c) P(Py) ait
tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-Py) akım-zaman grafikleri
5.2.5 P(TPFc-co-TPA) ’nın DCM İçerisindeki Elektrokimyasal Özellikleri
Şekil 49’da TPA, TPFc, TPFc-co-TPA ve ferrosen’in 0,1 M TBAPF6 içeren DCM çözeltisi
içerisinde, 0,25 V/s tarama hızıyla alınan dönüşümlü voltametri grafikleri verilmiştir. Bu
grafikler incelendiğinde, TPFc’nin ferrosenin redoks pikine benzer özellik taşıyan bir redoks
pik içermesi, yapısında ferrosen olduğunu ve bu piklerin ferrosenin redoks pik değerlerinden
farklı olması sebebiyle de ferrosenin yapıya bağlanmış olduğunu göstermektedir. Grafikler
incelendiğinde, P(TPFc-co-TPA) kopolimerine ait voltametri grafiğinde, ilk döngüde
ferrosenin oksidasyonuna ait olan ve 1,08 V’ta gözlenen pik son döngüde 1,28 V’a kaymıştır.
İndirgenme piki 0,37 V’ta gözlenmiştir. P(TPA), P(TPFc), P(TPFc-co-TPA) kopolimeri ve
ferrosenin CV grafiklerinde gözlenen indirgenme ve yükseltgenme pik potansiyel değerleri
Tablo 4 gösterilmektedir.
72
2
a)
0,5
b)
2
0,6
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,2
0,0
0,2
0,4
0,4
0,5
0,0
0,5
1,0
0,5
1,5
0,0
c)
2
2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,5
0,0
0,5
1,0
0,5
1,0
1,5
POTANSIYEL (V)
POTANSIYEL (V)
0,8
d)
0,4
0,0
0,4
0,5
1,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
POTANSIYEL (V)
POTANSIYEL (V)
Şekil 49. DCM/TBAPF6 içerisinde 250 mV/s tarama hızıyla alınan a) P(TPA), b) P(TPFc),
c) P(TPFc-co-TPA) kopolimeri ve d) Ferrosen’e ait dönüşümlü voltametri grafikleri
Tablo 4. P(Py), P(TPFc), P(TPFc-co-TPA) ve Fc’nin DCM içerisinde indirgenme
Epc (V)
Epa (V)
~ 0.056
1.10
P(TPFc) (b)
0.30
0.97
P(TPFc-co- TPA) (c)
0.27
1.28
Ferrosen (d)
1.2
-0.025
TPA (a)
73
Şekil 50’de P(TPFc-co-TPA)’ nın 1,8 V sabit potansiyelde kopolimer filmi hazırlanarak,
monomer içermeyen DCM/TBAPF6 içerisinde farklı tarama hızlarında dönüşümlü voltametri
grafikleri alınmıştır. Polimer filminin, farklı tarama hızlarında dönüşümlü voltametri
grafikleri alınarak, anodik ve katodik pik yüksekliklerinin değişimi incelenmiştir. Tarama
hızının artışı ile anodik ve katodik akım pik değerleri doğrusal olarak artması beklenildiği
gibi, indirgenme yükseltgenmenin difüzyon kontrollü olmadığını ve oluşan polimerin elektrot
yüzeyinden ayrılmadığını göstermektedir.
0,6
0,4
0,2
1,2
1,0
Ipa
Ipc
0,0
0,5
20
60
100
140
TARAMA HIZI (mV/s)
180
0,0
0,2
20 mV/s
50 mV/s
100 mV/s
200 mV/s
300 mV/s
0,4
0,6
0,8
b)
0,5
2
0,8
Current Density (mA/cm )
2
2
Current Density (mA/cm )
1,0
a)
0,5
0,0
0,5
1,0
0,8
0,4
0,0
20 mV/s
50 mV/s
100 mV/s
200 mV/s
300 mV/s
0,4
0,8
1,5
0,0
Potential (V)
0,4
0,8
Potential (V)
1,2
Şekil 50. Farklı tarama hızlarında (0,02 – 0,3 V/s) DCM/TBAPF6 içerisinde a) P(TPFc-co-TPA)
kopolimerine ve b) P(TPA)’e ait dönüşümlü voltametri grafikleri
5.2.6 P(TPFc-co-TPA) ’nın DCM İçerisindeki Elektrokromik Özellikleri
Bunun çalışma için ilk olarak, monomer içeren DCM/TBAPF6 çözücü ortamında bulunan
karışıma 60 saniye boyunca 1,5 V’luk sabit potansiyel uygulanmış ve P(TPFc-co-TPA), ITO
kaplı cam elektrot üzerinde kopolimerleştirilmiştir. Elde edilen ITO cam üzerindeki
kopolimer, DCM ile muamele edilerek kalıntı monomer ve oligomerler uzaklaştırılmıştır.
Spektroelektrokimya denemeleri için, içerisinde destek elektrolit ve DCM bulunan UV
küvetine, kopolimer kaplı ITO cam konularak değişen potansiyel değerleri için UV
spektrumları alınmıştır. Burada her biri 1,5 V sabit potansiyel ile kaplanan P(TPFc-co-TPA),
P(TPA)’nın monomersiz 0,1 M TBAPF6/DCM çözücü sisteminde, -0,3 ile 1,5 V arasındaki
potansiyellerde UV-spektrumları alınmış, π-π* geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax)
ölçülmüştür.
74
Absorbans (AU)
a)
0,2
0,10
Absorbans (AU)
-0.5 V
0.2 V
0.5 V
0.8 V
1.2 V
0,3
-0.3 V
0.3 V
0.5 V
0.7 V
1.0 V
1.5 V
b)
0,05
0,00
0,1
0,05
0,0
400
400
600
800
1000
600
800
1000
Dalga Boyu (nm)
Dalga Boyu (nm)
Şekil 51. a) P(TPFc-co-TPA) ve b) P(TPA) ait spektroelektrokimya grafikleri
Şekil 51’de gösterilen P(TPFc-co-TPA)’nın spektroelektrokimya grafiğinden, P(TPFc-coTPA) için, π-π* geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 297 nm ve bu geçişlere ait bant
boşluğu enerjisi (Eg değeri) 2.43 eV olarak ölçülmüştür.
P(TPFc-co-TPA)’ün spektroelektrokimya grafiğinden yararlanarak belirlenen maksimum
kontrastın gözlendiği dalga boyunda (900 nm) indirgenme ve yükseltgenme potansiyelleri (0,3 – 1,2 V), 10’ar saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-TPA) için renk değiştirme
zamanı 7 saniye ve geçirgenlik (%∆T) değeri 27 olarak belirlenmiştir (Şekil 52).
75
POTANSIYEL (V)
ABSORBANS (AU)
2
AKIM YOGUNLUGU (mA/cm ) ABSORBANS (AU)
10 a)
5
0
5
0,2 b)
0,1
0,0
0,04 c)
0,02
0,00
0,02
2
1
0 d)
1
2
3
10
20
30
40
50
60
ZAMAN(s)
Şekil 52. DCM/TBAPF6 içerisinde, a) Potansiyel-Zaman, b) P(TPFc-co-TPA), c)
P(TPA) ait tepki süresinin izlendiği absorbans-zaman ve d) P(TPFc-co-TPA) akımzaman grafikleri
5.3 Elektrot Performans Çalışmaları
Elektrokimyasal immobilizasyon yöntemiyle hazırlanmış enzim elektrodunda, çalışma
ortamının pH’sı belirlenmiştir. Kalibrasyon grafikleri elde edilen enzim elektrodunun kinetik
parametreleri (Km, Imax) hesaplanmıştır.
Lineweaver ve Burk, Michelis ve Menten’in eşitliğini düz bir doğru üzerinde işaretlemeye
imkan tanıyan bir formda yazmışlardır. Bu forma göre;
1/S’ye karşı 1/I grafiği çizildiğinde düz bir doğru elde edilmektedir. Bu doğrunun eğimi
Km/Imax, y eksenindeki kesim noktası ise 1/Imax’ı vermektedir (Şekil 53).
76
Şekil 53. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim elektrodunun Lineweaver-Burk eğrisi
Buna göre deneysel verilerle çizilen grafik sonucu; Km/Imax değeri 11,33, 1/Imax değeri 0,171
bulunmuş ve bu veriler kullanılarak -1/Km hesaplanmış ve 66.108 bulunmuştur.
5.3.1 Elektrot Yüzeyine Kaplanan Kopolimer Oranının Optimizasyonu
P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörlerinde kopolimer oluşturulmasında 1 mg TPA/4 mg
TPFc ile çalışmalar gerçekleşitirilmiştir. Bu değerler daha önce yapılan çalışmalarda optimize
edildiği için tekrar bir optimizasyon işlemi gerçekleştirilmemiştir.
5.3.2 pH Optimizasyonu
Elektrokimyasal polimerizasyon sonrasında, enzimin kovalent immobilizasyonu yöntemlerine
göre hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü ile yapılan deneyler sonunda
0,450 V’da elde edilen amperometrik cevapların bağıl değerleri, pH’ya karşı grafiğe
geçirilerek elde edilen pH grafiği Şekil 54’de verilmiştir.
77
% Biyosensör cevabı
100
80
60
40
20
0
3,5
4
4,5
5
pH
5,5
6
6,5
Şekil 54. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörüne pH’ın etkisi
Şekil 54 incelendiğinde maksimum cevap akımı pH 4,5’ta gözlenmiştir. Enzim ve substrat
moleküllerinde asidik ve bazik grupların iyonlaşma durumu, Enzim-Substrat (E-S) aktifleşmiş
kompleksinin oluşum hızını belirlemektedir. E-S kompleks oluşumunun maksimum olduğu
koşuldaki iyonlaşma durumunun sağlandığı pH değeri (4,5), çalışma pH değeri olarak
seçilmiştir. Bu koşul dışındaki iyonlaşma seviyelerinde (E-S) kompleksinin oluşumu
zorlaşacak ve tepkime hızı düşeceğinden, akımlardaki azalma beklenen bir durumdur.
5.3.3 Enzim Elektrodunun Kalibrasyonu
P(TPFc-co-TPA/GOx) ile hazırlanan enzim elektrodu için, substrat konsantrasyonunun akım
yoğunluğuna etkisi incelenerek, kalibrasyon eğrileri çıkarılmıştır. Bu amaçla Şekil 55’te
hazırlanan enzim elektrotlarının amperometrik cevapları, kronoamperometri yönteminde
0,45 V’da ölçülerek grafiğe geçirilmiştir.
78
Şekil 55. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim elektrodunun kalibrasyon eğrisi (Sodyum Asetat
Tamponu, pH 4,5)
Şekil 55 incelendiğinde, akım yoğunluğunun 1-100 mM glukoz derişimi aralığında doğrusal
olarak arttığı, 100 mM glukoz derişiminden sonra ise sabit kaldığı görülmüştür. 2,5-75 mM
glukoz konsantrasyonu aralığının doğrusal bölge olduğu bulunmuştur. Doğrusal olduğu
belirlenen bölgede, orta değer seçilerek (50 mM) analiz sonuçlarının tekrarlanabilirliği için bu
değer kullanılmıştır.
5.3.3.1 Analiz Sonuçlarının Tekrarlanabilirliği
Optimize edilmiş çalışma koşullarında hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü için,
doğrusal tayin aralığına giren bir glukoz konsantrasyonu (50 mM) kullanılarak, 15 ölçüm
alınmıştır. Alınan değerlere bağlı çizilen kalibrasyon grafikleri yardımıyla, standart sapma
(S.S) ±0,036 mM (n=15) ve varyasyon katsayısı (cv) %6,092 (n:15) olarak hesaplanmıştır.
Tablo 5’de deneysel veriler ve bu verilerle hesaplanan standart sapma ve varyasyon katsayısı
gösterilmiştir.
79
Tablo 5. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü için hesaplanan standart sapma ve varyasyon
katsayısı
5.3.3.2 Örnek Uygulama
Hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü kullanılarak iki farklı ticari örnekte glukoz
analizi gerçekleştirilmiştir. GOx bazlı enzim sensörleri için, ticari örneklere ön hazırlama
işlemi uygulanması gerekli olmadığından, örnek substrat olarak kullanılmak, üzere direk
olarak içerisinde azot gazı geçirilmiş sodyum asetat tamponu içeren hücre içerisinde
uygulanmıştır (pH:4,5 50 mM). Tablo 6’da GOx enzim sensörü ve spektrofotometrik yöntem
kullanılarak, iki farklı ticari örnekte glukoz analizine ait veriler gösterilmektedir.
Tablo 6. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü ve spektrofotometrik yöntem kullanılarak iki
farklı örnekte glukoz analizi
Glukoz (g/l)*
Örnek
Spektrofotometrik
metod
P(TPFc-co-TPA/GOx)
% Geri Kazanım
Fruko
5,141±0,122
5,433±1,017
95
Meyve Suyu
5,810±0,388
6,332±0,037
92
*Sonuçlar ortalama±standart sapma olarak verilmiştir (n:3).
80
5.3.3.3 Girişimci Testi
Enzim sensörlerinin farklı örneklerde uygulanabilirliği kısıtlayan en önemli etmenlerden bir
tanesi de, girişim yapabilecek bileşiklerin ortamda varlığıdır. Alkollü içeceklerde glukoz
tayini için etanol ve meyve sularında glukoz tayini için fenolikler potansiyel girişimci
bileşiklerdir. P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörünün çeşitli örneklerdeki uygulanabilirliğini
test etmeden önce etanol ve fenolik bir bileşiğin biyosensör cevabına etkisi test edilmiştir.
Tablo 7. Etanol ve 3-asetamido fenol bileşiklerinin P(TPFc-co-TPA/GOx) ait enzim sensör
cevabına etkisi
Tablo 7’de
Bileşik
Biyosensör cevabı
% Girişim
Glukoz
0,512±0,018
-
3-AAF
-
-
Glukoz+3-AAF
0,5515±0,015
107
Etanol
-
-
Glukoz+Etanol
0,6312±0,019
123
görüldüğü
gibi
glukoz
tayininde
potansiyel
girişimci
olabilecek
3-
asetamidofenolün P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörüne herhangi bir girişim etkisi
görülmemiştir. Etanol ise yüksek konsantrasyonda bulunduğunda, düşük de olsa girişim
etkisine sahiptir.
81
SONUÇ
Literatürde benzer türevi bulunmayan ferrosenilditiyofosfanat içeren monomer TPFc
sentezlenmiş, 1H-NMR,
13
C-NMR ve
31
P-NMR spektrumu ile karakterize edilmiştir. Ayrıca,
kopolimer oluşturmak amacıyla, serbest amino gruplarına sahip TPA sentezlenmiş ve FT-IR,
1
H-NMR ile sentezlenen maddenin yapısı aydınlatılmıştır. Tezin kapsamı gereği, organik
çözücülerde çözünen TPFc’nin Pirol ve TPA ile kopolimerleri (P(TPFc-co-Py)),( P(TPFc-coTPA)) farklı çözücü ortamlarında (DCM, CH3CN), elektrokimyasal olarak elde edilmiştir ve
kopolimerlerin elektrokimyasal davranışları dönüşümlü voltametri ile araştırılmıştır. Her iki
kopolimerin, dönüşümlü voltametri grafiklerinin şekilsel ve potansiyel değerleri farklılıkları,
TPFc’nin Py ve TPA ile farklı özelliklere sahip kopolimer oluşturduğunu doğrulamaktadır.
TPFc, Py, TPA’nın ve kopolimerinin ( P(TPFc), P(Py), P(TPA) ve P(TPFc-co-Py), P(TPFcco-TPA)) sabit potansiyelde filmleri hazırlanarak farklı tarama hızlarında dönüşümlü
voltametrileri alınmıştır. Alınan akım değerlerinin tarama hızlarıyla doğru orantılı olması,
polimer filmlerin elektroaktif olduğunu ve elektroda iyi bağlandığını göstermektedir. Tarama
hızının artışı ile anodik ve katodik akım pik değerleri doğrusal olarak artması, beklenildiği
gibi indirgenme yükseltgenmenin difüzyon kontrollü olmadığını ve oluşan polimerin elektrot
yüzeyinden ayrılmadığını göstermektedir.
TPFc, Py, TPA ve kopolimerler ( P(TPFc), P(Py), P(TPA) ve P(TPFc-co-Py), P(TPFc-coTPA)) ayrı ayrı çalışma elektroduna sabit potansiyellerde kaplanmış ve renk değişimleri
kaydedilmiştir. Karşılaştırma yapabilmek için her maddenin farklı çözücüler kullanılarak
(DCM, CH3CN) spektroelektrokimya deneyleri yapılmıştır. Elde edilen kopolimerlerin ise ππ* geçişleri ve Eg değerleri hesaplanmıştır.
P(TPFc-co-Py)/DCM için, π-π* geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 336 nm ve bu
geçişlere ait bant boşluğu enerjisi (Eg değeri) 1.94 eV olarak ölçülmüştür.
P(TPFc-co-Py)/DCM’in spektroelektrokimya grafiğinden yararlanarak belirlenen maksimum
kontrastın gözlendiği dalga boyunda (900 nm) indirgenme ve yükseltgenme potansiyelleri (0,7 - +0,7 V), 5’er saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-Py) için renk değiştirme zamanı
2,0 s ve geçirgenlik değeri %∆T 28 olarak belirlenmiştir.
P(TPFc-co-Py)/CH3CN’in spektroelektrokimya grafiğinden, P(TPFc-co-Py) için, π-π*
geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 322 nm ve bu geçişlere ait bant boşluğu enerjisi
(Eg değeri) 2.12 eV olarak ölçülmüştür.
82
P(TPFc-co-Py)/CH3CN’in
spektroelektrokimya
grafiklerinden
yararlanarak
belirlenen
maksimum kontrastın gözlendiği dalga boyunda (900 nm), indirgenme ve yükseltgenme
potansiyelleri (-0,5 – 1,2 V), 5’er saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-Py) için renk
değiştirme zamanı 2,0 saniye ve %∆T geçirgenlik değeri 12 olarak hesaplanmıştır.
P(TPFc-co-TPA)/DCM’in spektroelektrokimya grafiğinden, P(TPFc-co-TPA) için, π-π*
geçişlerine ait maksimum dalga boyu (λmax) 297 nm ve bu geçişlere ait bant boşluğu enerjisi
(Eg değeri) 2.43 eV olarak ölçülmüştür.
P(TPFc-co-TPA)/DCM’in
spektroelektrokimya
grafiğinden
yararlanarak
belirlenen
maksimum kontrastın gözlendiği dalga boyunda (900 nm) indirgenme ve yükseltgenme
potansiyelleri (-0,3 – 1,2 V), 5’er saniye aralıklarla uygulanarak, P(TPFc-co-TPA) için renk
değiştirme zamanı 4 saniye ve geçirgenlik %∆T değeri 27 olarak belirlenmiştir.
Biyosensör uygulamaları için, glukoz oksidaz (GOx) bazlı enzim elektrodu oluşturulması
amaçlanmıştır. TPFc’nin ferrosen gibi katalitik redoks özelliği gösteren bir medyatör içeriyor
olması biyosensör uygulaması için avantaj teşkil etmiş olsada, biyoreseptörün elektrot
yüzeyine kovalent immobilizasyonu için primer amin (-NH2) fonksiyonelliğine sahip grup
içermiyor olması dezavantaj oluşturmuştur. Bu sebeple, stabil bir enzim immobilizasyonu
sağlayan serbest amino grupları içeren TPA monomeriyle, grafit elektrot yüzeyinde
kopolimerizasyon
gerçekleştirilmiş
ve
dezavantaj
ortadan
kaldırılmıştır. TPFc/TPA
kopolimeri ile modifiye edilen yüzeye glukoz oksidaz (GOx) enzimi immobilize edilerek
P(TPFc-co-TPA/GOx) enzimatik sensör hazırlanmıştır. Biyosensörün hazırlama ve çalışma
koşulları optimize edilerek, analitik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
Hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü ile 0,450 V’da elde edilen amperometrik
cevapların bağıl değerleri, pH’ya karşı grafiğe geçirilerek maksimum cevap akımı pH 4,5’ta
gözlenmiştir.
P(TPFc-co-TPA/GOx) ile hazırlanan enzim sensörü için, substrat konsantrasyonunun akım
yoğunluğuna etkisi incelenerek, kalibrasyon eğrileri çıkarılmıştır. Bu amaçla, hazırlanan
enzim elektrotlarının amperometrik cevapları, kronoamperometri yönteminde 0,45 V’da
ölçülerek grafiğe geçirilmiştir.
Akım yoğunluğunun 1-100 mM glukoz derişimi aralığında doğrusal olarak arttığı, 100 mM
glukoz derişiminden sonra ise sabit kaldığı görülmüştür. 2,5-75 mM glukoz konsantrasyonu
aralığının doğrusal bölge olduğu bulunmuştur. Doğrusal olduğu belirlenen bölgede, orta değer
seçilerek (50 mM) analiz sonuçlarının tekrarlanabilirliği için bu değer kullanılmıştır.
83
Optimize edilmiş çalışma koşullarında hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzimatik sensör
için, doğrusal tayin aralığına giren bir glukoz konsantrasyonu (50 mM) kullanılarak, 15 ölçüm
alınmıştır. Alınan değerlere bağlı çizilen kalibrasyon grafikleri yardımıyla, standart sapma
(S.S) ±0,036 mM (n=15) ve varyasyon katsayısı (cv) %6,092 (n:15) olarak hesaplanmıştır.
Ayrıca kalibrasyon grafikleri elde edilen enzim elektrodunun kinetik parametreleri (Km, Imax)
hesaplanmıştır. Deneysel verilerle çizilen grafik sonucu; Km/Imax değeri 11,33, 1/Imax değeri
0,171 bulunmuş ve bu veriler kullanılarak -1/Km hesaplanarak 66.108 bulunmuştur.
Hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörü kullanılarak, iki farklı ticari örnekte (Fruko,
Meyve suyu) glukoz analizi gerçekleştirilmiştir. Spektrofotometrik yöntem kullanılarak, iki
farklı ticari örnekte glukoz analizine ait değerler hesaplanmıştır. Fruko için, spektrofotometrik
metod kullanılarak yapılan analizde değer 5,141±0,122, hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx)
enzim sensörüyle yapılan analizde değer 5,433±1,017 bulunmuş ve % geri kazanım 95 olarak
hesaplanmıştır. Meyve suyu için ise, spektrofotometrik metod kullanılarak yapılan analizde
değer 5,810±0,388, hazırlanan P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörüyle yapılan analizde
değer ise 6,332±0,037 bulunmuş, % geri kazanım 92 olarak hesaplanmıştır.
Biyosensörlerin farklı örneklerde uygulanabilirliği kısıtlayan en önemli etmenlerden bir tanesi
de, girişim yapabilecek bileşiklerin ortamda varlığıdır. Alkollü içeceklerde glukoz tayini için
etanol, meyve sularında glukoz tayini için ise fenolikler, potansiyel girişimci bileşiklerdir.
P(TPFc-co-TPA/GOx) enzim sensörüyle, etanol ve fenolik bir bileşiğin sensör cevabına etkisi
test edilmiştir. Glukoz tayininde potansiyel girişimci olabilecek 3-asetamidofenolün P(TPFcco-TPA/GOx) enzim sensörüne herhangi bir girişim etkisi görülmemiştir. Etanolün ise yüksek
konsantrasyonda bulunduğunda, düşük de olsa girişim etkisine sahip olduğu belirlenmiştir.
84
Kaynakça
1. Saçak, M. Polimer Kimyası. Gazi Büro Kitabevi. ISBN No: 975-8640-27-5. 2006.
2. Hazer A. ve Kurt B., Polymerization Kinetics of Styrene by Oligododocandioyl Peroxide
and Its Use in the Preparation of Graft Copolymers. 1995, s. 499-503.
3. Ak, M., Synthesis of polythiophene and polypyrrole derivatives and their application in
electrochromic devices. Doktora Tezi, Ortadoğu Teknik Üniversitesi . Ankara, 2006.
4. Kang E. T., Lim V.W.L., Neoh K.G., Ma Z.H. and Tan K.L. Determination of pyrrole
aniline copolymer composition by X-ray photoelectron spectroscopy. 2001, Applied Surface
Science 181, s. 317-326.
5. Dubois M., Ghanbaja J. and Billaud D. Electrochemical Intercalation of Sodium Ions
into Poly (para-phenylene)in Carbonate. 1997, Synthetic Metals, s. 127-134.
6. R., Schrieffer J. Novel Qantum Numbers in Condensed Matter Physic. 2004, Current
Applied Physic 4, s. 465-472.
7. Fahlman M and Salaneck W.R. Surfaces and Interfaces in Polymer- BasedElectronics.
2002, Surface Science,. 904-922.
8. Kittel A. Polarons, Introduction of Solid State Physics. 1986, 6.Ed.John Wiley&Sons Inc.,
193-214.
9. Javadi H.H.S, Angelopoulos M, MacDiarmid A.G and Epstein A.J. Conduction
mechanism of polyaniline: Effect of moisture. 1988, Synthetic Metals, s. 1-8.
10. R., Bredas J.L and Silbey. Conjugated Polymers. 1991. Kluver Academic Publishers 31,
Netherlands
11. Sarı M. and Talu B. Electrochemical copolymerization of pyrrole and aniline. 1998.
SyntheticMetals 94, 221-227.
12. Chiang C.K, Fincher C.R, Park Y.W, Heeger A.J, Shirakawa H, Louis E.J, Gau S.C
and MacDiarmid A.G. 1977, Phys. Rev. Lett. 39, , s. 1098.
13. B., Kaiser A. 1991. Synthetic Metals. 45, 183.
14. Matveeva E.S., Could the acid doping of polyaniline represet the charge transfer
interection. 1996. Synthetic Metals, 83, 89-96.
15. Syed A.A. and Dinesan M.K. Polyaniline A Novel Polymeric Material. Talanta, 1991.
38:8 815-837.
16. Abd-Elwahed A. and Holze R,. Ion Size and Ion Size Memory Effects with
Electropolymerized Polyaniline. 2002, Synthetic Metals,. 61-70.
17. Cataldo F., Maltese P. Synthesis of alkyl and N-alkyl-substituted polyanilines, A study on
their spectral properties and thermal stability. 2002, European Polymer Journal, 38, 17911803.
18. Khanna P.K., Singh N., Charan S., Viswanath A.K., Synthesis of Ag/polyaniline
nanocomposite via an in situ photo-redox mechanism. 2005, Materials Chemistry and
Physics, 92, s. 214-219.
19. Rajapakse R.M.G., Krishantha D.M.M., Tennakoon D.T.B., Dias H.V.R., Mixedconducting polyaniline-Fuller’s Earth nanocomposites prepared by stepwise intercalation..
24 Ağustos 2005, Electrochimica Acta.
20. Kulikov A.V, Bogatyrenko V.R., Belenogova L.S, Fokeeva L.S , Lebedev A.V ,
Echmaheva T.A and Shunina I.G. ESR Study Polyaniline Conductivity. 2002, Russian
Chem.Bulletin,Int. Ed., s. 2216-2223.
21. Wang T., Tan Y., Understanding electrodeposition of polyaniline coatings for corrosion
prevention applications using the wire beam electrode method. 2005, Corrosion Science, s. 25
October 2005.
22. Hüseyin Ç., Polipirol ile modifiye edilmis karbon elektrot kullanılarak ASV yöntemiyle
Pb ve Cu tayini. 2001, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Ensitüsü,.
Ankara
85
23. Gorman C.B. and Grubbs H.R., The interplay betwenn synthesis structure and
properties. 1991, Conjugated Polymers, s. 1-48.
24. Cao Y., Andreatta, A., Heeger, A.J. and Smith P., Influence of chemical polymerization
on the properties of polyaniline. 1989, Polymer, s. 2305-2311.
25. Asavapiriyonont S., Chandler G.K., Gunawardana G.A., Pletcher D. 1984, J.
Electroanal. Chem., s. 177-229.
26. Genies, W.M., Bidan, G., Diaz, A. 1983, J. Electroanal. Chem. , s. 101.
27. Arimoto, F. S., Haven, A. C., Derivatives of Dicyclopentadienyliron. 1955, J. AmChem.
Soc., 6295-6297.
28. llanes A., Enzyme Biocatalysis Principles and Applications. 2008, Springer, s. 38.
29. Kuzu, S.B., Kitinaz Ureten Bacillus İzolasyonu, Enzimin Kısmi Saflaştırılması Ve
Karakterizasyonu. 2008, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
30. Narlı I., Activity Analysis Of Immobilized Tyrosinase Enzyme In The Presence Of
Different Inhibitors. 2006, The Degree of Master of Science, The Graduate School of Natural
and Applied Sciences Of Middle EastTechnical University.
31. Bugg T.D.H., Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry. 2004, Blackwell
Publishing, 8-24.
32. Ahuja T., Mir I. A., Kumar D., Biomolecular immobilization onconducting polymers for
biosensing applications. 2007, Biomaterials, s. 791-805.
33. Goel M.K., Immobilized Enzymes. 1994, Renssealer Polytechnic Institute.
34. Mutlu S., Alp B., Ozmelles R. S., Mutlu M., Amperometric Determination of Enzymatic
Activity by Multienzyme Biosensors. 1997, Journal of food Engineering, 81-86.
35. Ozyılmaz G., Glukoz Oksidaz ve Katalazın Ayrı Ayrı ve Birlikteİmmobilizasyonu ve
Karakterizasyonu. 2005, Doktora Tezi, Cukurova Universitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
Adana
36. Bankar, S. B., Glucoseoxidase. 2009, Biotechnology Advances, s. 489-50.
37. Updike S. J., Hicks G. P., The Enzyme Electrode. 1967, Nature, s. 986-988.
38. S., Liang. Microbial biosensors. 2011, Biosensors and Bioelectronics, 1788–1799.
39. Sarma A. K., Vatsyayan P., Goswami P., Minteer S. D., Recentadvances in material
science for developing enzyme electrodes. 2009, Biosensors and Bioelectronics, s. 2313-2322.
40. Freire, R. S., Pessoa, C. A., Mello, L. D. and Kubota, L. T., Direct ElectronTransfer:
An Approach for Electrochemical Biosensors with Higher Selectivity and Sensitivity. 2003, J.
Braz. Chem. Soc. 230-243. .
41. Jusoh N., Aziz A. A., Immobilization of Glucose Oxidase and FerroceneRedox Polymer
in Cross-Linked Poly (Vinyl Alcohol) with Bovine Serum Albumin as Protein Stabilizer. 26 27 July 2006. Regional Postgraduate Conference On Engineering and Science (RPCES), .
42. Pandey P. C., Upadhyay S., Upadhyay B., Peroxide Biosensors and Mediated
Electrochemical Regeneration of Redox Enzymes. 1997, Analytical Biochemistry, s. 136–142.
43. Vaillancourt M., Chen, J. W., Fortier, G., Be´langer, D., Electrochemical and
Enzymatic Studies of Electron Transfer Mediation by FerroceneDerivatives with NafionGlucose Oxidase Electrodes. 1998, Electroanalysis, s. 23-31.
44. Suelter C. H., Kricka, L. J., Methods of Biochemica lAnalysis, Bioanalytical
Applications of Enzymes. 1992, John Wiley & Sons, Inc., s. 268
45. M.M. Korf, J., Venema, K., Urban, G., Vadgama, P., Rhemrev-Boom, Aversatile
biosensor device for continuous biomedical monitoring. 2001, Biosensors & Bioelectronics, s.
839-847.
46. Chen, T. The Development and Application of Glucose Electrodes Based on “Wired”
Glucose Oxidase. 2001, Doctor of Philiosophy, the Faculty of the Graduate School of The
University of Texas. Austin
86
EKLER
EK 1. TPFc Polimerine Ait FT-IR Spekturumu
79.3
75
70
547.25
1653.03
1330.90
481.35
3445.86
65
3126.66
765.86
841.97
832.40
2924.93
1540.76
1023.90
492.74
1069.06
60
2343.55
939.78
893.91
729.97
679.56
2361.18
55
%T
50
1190.13
908.08
45
40
1510.92
35
29.6
4400.0
4000
3000
2000
1500
cm-1
87
1000
500 400.0
EK 2. Py Polimerine (DCM) Ait FT-IR Spekturumu
88
EK 3. Py Polimerine (CH3CN) Ait FT-IR Spekturumu
Date: 8/3/2012
py rol-acn
61.6
60
58
56
54
52
668.17 556.68
%T 50
1545.00
1644.44
2924.93
2362.82
963.46
48
1276.83
3431.75
46
868.24
1171.37
1040.73
44
42
40.0
4400.0
4000
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
89
1600
1400
1200
1000
800
600
400.0
Date: 8/3/2012
EK 4. P(TPFc-co-Py) Polimerine (DCM) Ait FT-IR Spekturumu
PYROLE-DCM -TP1
68.0
67
66
65
64
63
62
61
1400.37
1637.76
2858.43
60
561.46
59
2924.93
%T
58
57
56
2345.08
55
2362.73
868.63
54
53
1040.57
52
3432.92
51
50.0
4400.0
4000
3000
2000
1500
cm-1
90
1000
400.0
Date: 8/3/2012
EK 5. P(TPFc-co-Py) Polimerine (CH3CN) Ait FT-IR Spekturumu
PYROLE-ACN-TP1
51.8
50
48
46
44
2374.81
625.98
582.37469.30
2930.98
42
1635.40
791.71
40
%T
38
36
3435.36
34
32
30
28
26
1041.77
25.0
4400.0
4000
3000
2000
1500
cm-1
91
1000
400.0
EK 6. TPA Polimerine Ait FT-IR Spekturumu
98
95
884.34cm-1
90
964.21cm-1
2162.39cm-1
479.24cm-1
936.72cm-1
85
914.28cm-1
843.20cm-1
520.93cm-1
80
1010.41cm-1
2560.6
2758.6
744.21cm-1
2659.6
75
1189.74cm-1
2935.07cm-1
3323.84cm-1
606.89cm-1
1048.23cm-1
1470.96cm-1
2856.48cm-1
594.49cm-1
821.81cm-1
1634.30cm-1
70
1156.14cm-1
1239.99cm-1
65
1262.92cm-1
688.62cm-1
60
1366.53cm-1
1428.32cm-1
1396.51cm-1
1454.85cm-1
1556.61cm-1 1532.08cm-1
55
1319.16cm-1
53
4000
3500
3000
2500
2000
1500
cm-1
Name
tpa
Description
Sample 006 By Administrator Date Tuesday, May 07 2013
EK 7. P(TPFc-co-TPA) Polimerine Ait FT-IR Spekturumu
92
1000
500 450
ame
pa)8120014
1063.57cm-1
1109.91cm-1
1386.53cm-1
2939.3
930.62cm-1
1165.06cm-1
2880.32cm-1
1035.21cm-1
2967.28cm-1
1473.24cm-1
738.52cm-1
880.07cm-1
556.10cm-1
830.43cm-1
3500
3000
2500
2000
1500
cm-1
Description
Sample 007 By Administrator Date Tuesday, May 07 2013
93
1000
500 450
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad: Tuğba SOĞANCI
Doğum Yeri ve Tarihi: Urla 12.10.1987
Yabancı Dili: İngilizce
İletişim Adresi: [email protected]
Eğitim Durumu
Lisans : Adnan Menderes Üniversitesi (2006-2010)
Yüksek Lisans : Pamukkale Üniversitesi (2010-2013)
Ulusal ve Uluslararası Kongerlerde Poster Sunumları:
1- Tuğba SOĞANCI, Emrah TAVŞAN, Gülbanu KOYUNDERELİ ÇILGI, Ramazan
DONAT ve Halil CETİŞLİ “Emülsiyon Sıvı Membran Tekniğiyle Dikromat İyonu
Ekstraksiyonunda Taşıyıcı Tür Etkisinin Araştırılması” 25. Ulusal Kimya Kongresi 27
Haziran-2 Temmuz 2011 Erzurum
2- Emrah TAVŞAN, Tuğba SOĞANCI, Gülbanu KOYUNDERELİ ÇILGI, Ramazan
DONAT; Halil CETİŞLİ “Tribütil fosfat (TBP) Taşıyıcısı İle Dikromat İyonu
Ekstraksiyonu Optimum Koşullarının Araştırılması” 25. Ulusal Kimya Kongresi 27
Haziran-2 Temmuz 2011 Erzurum
3- Tuğba SOĞANCI, Mine SULAK, Mehmet KARAKUŞ, Metin AK “Ferrosenil
Ditiyofosfonat İçeren İletken Polimerlerin Sentezi ve Elektrokromik Özellikleri” III.
Fiziksel Kimya Günleri 12-15 Temmuz 2012 Balıkesir
4- Metin AK, Rukiye Ayranci, Tugba Soganci, Mehmet Karakus “Electrochromic
Proporties of The Ferrocenyl Dithiophosphonate Functionalized Organic-Inorganic
Hybrid Carbazole Polymer” 10th International Electrochemistry Meeting in Turkey 4-8
September 2013 Konya
5- Tuğba SOĞANCI, Metin AK “Ferrosenil Ditiyofosfonat İçeren İletken Polimerlerin
Sentezi ve Elektrokromik Özellikleri” 3.AR-GE Proje Pazarı 1-3 Kasım 2013 İstanbul
94
6- Tuğba SOĞANCI, Metin AK “Ferrosenil Ditiyofosfonat İçeren İletken Polimerlerin
Sentezi ve Elektrokromik Özellikleri” İnnovasyon Haftası 28-30 Kasım 2013 İstanbul
Yüksek Lisans Boyunca Yapılan Diğer Çalışmalar:
1- Litvanya Vilnius Üniversitesi Nanoteknoloji Laboratuarında “Biyosensörler ve
Biyoyakıt Hücre” konusunda 20.07.2011-20.10.2011 tarihleri arasında bulunarak
biyosensör araştırmaları üzerine çalışmalarda bulundum. (LLP Erasmus Staj
Hareketliliği)
2- Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Biyokimya Bölümünde “Glukoz Biyosensörü”
konusunda 03.09.2012-23.09.2012 tarihleri arasında bulunarak, sentezlediğim
maddelerin biyosensör olabilme özelliği üzerine çalışmalarda bulundum. (PAÜBAP
tarafından desteklenmiştir.)
Projeler
Tübitak 111T074 Numaralı Projede 01 Şubat – 01 Ekim 2013 tarihleri arasında Proje
Asistanlığı Bursu.
95

Göster/Aç - Pamukkale Üniversitesi Açık Erişim Arşivi

Transkript

Benzer belgeler

laktat dehidrogenaz (serum)

SIG SP2022 Black Nitron Diamon Plate 9mm Broşür

Siemens Miyabi sistemini kullanarak hepatoselüler karsinomanın

Fizik-1 Uygulama-5

çeşitli yöntemlerle kurutulmuş hünnaptan bisküvi ve kurabiyeler için

İNTERNET ÜZERİNDEN EĞİTİM`DE EĞİTİM PLATFORMU

DR181 Holter için Bağlama Kılavuzu

POLİ[(METOKSİETOKSİ)ETOKSİ-ko-3

TIG Argon gaz tungsten ark kaynağıkısa illüstrasyonlar. Ayrıca