Kuartz kristal mikrobalans (QCM) sensörlerin sıvılardaki zehirli organik kirleticilerin tespitinde kullanımı

Abstract

Yapılan tez çalışması kapsamında su içerisinde bulunan düşük konsantrasyonlardaki zehirli organik bileşiklerin QCM kimyasal sensörler ile algılanması amaçlanmıştır. Bu sensörlerde algılayıcı molekül olarak özgün metal ftalosiyanin (MPc) moleküller kullanılmıştır. Ftalosiyaninlerin (Pc) merkez metal iyonlarının, sübstitüe grup türlerinin, sübstitüe grup pozisyonlarının ve sübstitüe grup sayılarının değişmesinin, molekülde ve kristal yapıda yol açtığı fiziksel ve kimyasal değişimler incelenmiştir. Bu değişimler analite karşı duyarlılık ve seçicilik açısından önemlidir. Bu nedenle Pc seçimi yapılırken farklı sübstitüsyon paternlerine ve farklı merkez atomlarına sahip moleküller seçilerek bu parametrelerin sensör cevaplarına etkisi araştırılmıştır.Algılama mekanizmasının anlaşılması ve hesaplamalı yöntemlerle de modellenmesi tezin kapsamına girmektedir. Ab initio yoğunluk fonksiyoneli teorisi kullanılarak metal ftalosiyanin algılayıcı bileşikleri üzerindeki analit moleküllerinin adsorbsiyon enerjileri ile su molekülünün adsorbsiyon enerjisi karşılaştırılmıştır ve su içerisinde bulunan QCM sensörlerin sensör cevapları modellenmiştir. Ayrıca bu sonuçlar öncül moleküler orbital teorisi ile yorumlanmıştır.Yapılan hesaplamalar sonucunda, kimyasal kompozisyon kadar sübstitüe gruplarının konfigürasyonlarının da sensör duyarlılığını etkilediği görülmüştür. Hesapsal sonuçlar deneysel sonuçları açıklamada oldukça başarılı olmuştur ve algılama mekanizması büyük ölçüde açıklığa kavuşturulmuştur.

In this thesis, QCM sensors are proposed as chemical sensors for the detection of low concentration level of organic compounds in water. Unique metal phthalocyanine (MPc) molecules are used as sensitive materials for QCM sensors. The choice of center atom, the type, position, and number of substituents are influential factors for the physical and chemical properties caused by molecule and the crystal structure of a phthalocyanine (Pc) molecule. These changes are important in terms of sensitivity and selectivity towards the analyte interaction. Therefore, when selecting a Pc, molecules with different substitution patterns and different central atoms selected and sensor responses of these parameters was investigated.Understanding the sensing mechanism of Pcs and modelling with computational methods includes the scope of the thesis. The adsorption energies of water molecule to those of the analytes by using Ab-initio Density Functional Theory was compared to model the sensitivity of MPc-based sensors in aqueous environment and sensor responses of QCM sensors in water. Besides, these results are interpreted with the frontier molecular orbital theory.As a result of the calculations, the chemical composition affects the sensitivity as well a sensor configuration. Computational results have been very successful to explain the experimental results and detection mechanism largely been clarified.