Tiyazol-ferrosen ile modifiye edilmiş kromenilyum-siyanin tabanlı ve çok kanallı yeni bir cıva (II) sensörün geliştirilmesi

Abstract

Rodamin floroforları, spiro-laktam formunda kapalı ve floresanssız, halka açıldığında ise güçlü floresan özellik gösteren yapılardır. Bu yapılar, yüksek molar absorpsiyon katsayıları ve floresan kuantum verimleri sayesinde, florometrik sensör tasarımında sıkça tercih edilmektedir. Ancak rodaminler, NIR bölgesinde emisyon veremezken; siyanin boyaları NIR bölgesinde güçlü emisyona sahip olmalarına rağmen düşük kuantum verimine ve "açık-kapalı" geçiş özelliğine sahip değildir. Bu eksiklikleri tamamlamak üzere, her iki sistemin avantajlarını birleştiren hibrit yapılar geliştirilmektedir. Cıva, doğal olarak bulunan toksik bir element olup yaklaşık 3000 yıldır endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde hâlâ termometre, barometre, kozmetik ürünleri ve diş dolguları gibi çeşitli alanlarda kullanılmakla birlikte, zararlı etkileri nedeniyle önemli bir çevresel kirletici ve halk sağlığı tehdidi olarak değerlendirilmektedir. Metalik, inorganik ve organik olmak üzere farklı formlarda bulunan cıvanın toksik etkileri, biyolojik erişilebilirlik ve metabolik dönüşüm süreçlerine bağlı olarak değişmektedir. Özellikle balık ve deniz ürünlerinde biriken organik cıva (metilcıva), besin zinciri yoluyla insanlara ulaşarak nörotoksik etki başta olmak üzere çeşitli sistemik bozukluklara yol açmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, cıva maruziyetinin kanserojen, immünolojik, üreme, böbrek, kardiyovasküler ve hematopoetik sistemlerde toksisiteye neden olabileceğini, ayrıca yenidoğanlarda zeka gelişimi üzerinde olumsuz etkiler yaratabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, Hg2+ iyonlarının çevresel ve biyolojik örneklerde seçici, duyarlı ve hızlı biçimde tespit edilmesi büyük önem taşımaktadır. Infrared Spektroskopisi (IR), İndüktif Olarak Eşleşmiş Plazma Atomik Emisyon Spektroskopisi (ICP-AES), Atomik Floresans Spektroskopisi (AFS) ve Atomik Absorpsiyon Spektroskopisi (AAS) gibi geleneksel analiz yöntemleri yüksek doğruluk ve düşük tespit sınırı avantajları sunsa da; yüksek maliyet, karmaşık örnek hazırlığı ve özel teknik ve uzmanlık gereksinimi gibi sınırlamalar barındırmaktadır. Bu bağlamda, son yıllarda florometrik ve kolorimetrik problar öne çıkmıştır. Organik floroforlar arasında rodamin, BODIPY, kumarin, squaraine, kinon ve siyanin türevleri, Hg2+ iyonlarının seçici tespiti için reseptör olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Floresan problar,özellikle biyolojik görüntülemede temel bileşenler olarak kabul edilmekte olup; yüksek hassasiyet, gerçek zamanlı takip imkânı ve düşük algılama sınırı gibi avantajlar sunmaktadır. Bununla birlikte, görünür bölge ışığı ile uyarılan problar, sınırlı doku penetrasyonu, yüksek otofloresans ve saçılma sorunlarıyla karşı karşıyadır. Bu sınırlamaları aşmak üzere, yakın kızılötesi (NIR) bölgede emisyon yapan floroforlar geliştirilmiştir. NIR ışık, biyolojik dokulara daha derin nüfuz edebilmekte, daha düşük fotohasar ve otofloresans ile daha yüksek sinyal-gürültü oranı sağlamaktadır. Bu çalışmada, kromenilyum-siyanin tabanlı, floresans-açma (turn-on) özellikli ve çoklu kanal tespit kapasitesine sahip bir Hg2+ probu (NIR4) geliştirilmiştir. Prob yapısındaki kromenilyum-siyanin platformu tiyazol halkası ve ferrosenil grubu içeren reseptör ile donatılmıştır. Bu sensör tasarımda ferrosen katkısıyla moleküle elektrokimyasal özellik kazandırılmıştır. Bu sayede, NIR4 probu Hg2+ iyonlarının kolorimetrik, florimetrik ve voltametrik olarak eşzamanlı tespiti için kullanılabilmektedir. Sulu DMF (3:2, v:v, Tris, pH 7) ortamında floresan özellik göstermeyen prob, Hg2+ ilavesiyle spirolaktam halkasının açılması sonucu floresan aktif forma geçmekte ve 725 nm'de absorpsiyon, 752 nm'de ise emisyon vermektedir. Elektrokimya çalışmalarında ise 0,516 V'da orantılı şekilde akım azalması gözlenmiştir. NIR4 probunun Hg2+ iyonlarına karşı seçiciliğini ölçmek adına diğer anyon ve katyonlarla seçicilik ve girişim çalışması yapılmıştır. Katyonlar için nitrat (Li+,Na+, K+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Al3+, Pb2+ ve Hg2+) tuzları, anyonlar için sodyum (Cl-,EDTA2-) ve potasyum (AcO-, SCN-, Br-,F-, OH ve I-) tuzlarının yanı sıra tiyoüre çözeltilerinin çözeltileri 5,0 × 10-2 M çözeltileri ile çalışılmış ve Hg2+ iyonu ile karşılaştırılmıştır. Prob en yüksek cevabını Hg2+ iyonuna göstermiş ve rakip iyonlardan etkilenmemiştir. NIR4 probunun Hg2+ iyonlarına karşı duyarlılığını ve seçiciliğini değerlendirmek amacıyla ayrıntılı titrasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaların sonuçları, NIR4'ün oldukça hassas olduğunu ortaya koymuştur; UV-Gör ölçümlerinde tespit sınırı 2,44 × 10−8 M, floresan titrasyon ölçümlerinde 8,96 × 10−8 M, voltametri titrasyon ölçümlerinde ise 6,02 × 10-7 M olarak belirlenmiştir. NIR4 kimyasal sensörünün Hg2+ iyonlarına verdiği yanıt süresi de bahsi geçen her teknikle değerlendirilmiş olup, yaklaşık 30 saniye gibi hızlı bir tespit süresi gözlemlenmiştir. Böylece, prob Hg2+ iyonu ile koordinatif kovalent bağ içeren bir kompleks oluşturmaktadır. Proba ait yapısal ve spektral özellikler; NMR, HRMS, FT-IR, UVGör, floresans spektroskopisi ve voltametri teknikleriyle detaylı şekilde karakterize edilmiştir. Elde edilen bulgular doğrultusunda, Hg2+ iyonu ile prob arasındaki bağlanma mekanizması önerilmiştir. NIR4, Hg2+ iyonlarına karşı yüksek seçicilik, hızlı yanıt süresi ve çoklu kanal algılama kapasitesi ile hem çevresel analizlerde hem de biyolojik görüntüleme uygulamalarında güçlü bir aday olarak öne çıkmaktadır.