MANGAN DİOKSİT DESTEKLİ İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİT ELEKTROTLA GIDALARDA VOLTAMETRİK NİTRİT TAYİNİ
Betül YILMAZ ALHAN Yüksek Lisans Tezi Kimya Anabilim Dalı
MANGAN DİOKSİT DESTEKLİ İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİT ELEKTROTLA GIDALARDA VOLTAMETRİK NİTRİT TAYİNİ
Betül YILMAZ ALHAN
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalında
YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır.
Danışman: Prof. Dr. Zafer ÜSTÜNDAĞ
MANGAN DİOKSİT DESTEKLİ İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİT ELEKTROTLA GIDALARDA VOLTAMETRİK NİTRİT TAYİNİ
Betül YILMAZ ALHAN Kimya, Yüksek Lisans Tezi, 2019 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Zafer ÜSTÜNDAĞ
ÖZET
Bu tez çalışmasında nitrit iyonu tayini için bir elektrokimyasal yöntem geliştirilmiştir. Hummer’s yöntemiyle grafen oksit (GO) sentezlenmiş, hidrazin indirgenmesiyle indirgenmiş grafen oksite (rGO) dönüştürülmüş ve mangan dioksit nanoparçacık modifikasyonu ile elektrot tamamlanmıştır (MnO2-rGO). Elde edilen elektrot malzemeleri, Raman, infrared (IR) spektroskopisi, X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS), taramalı electron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli tekniklerle karakterize edilmiştir. Camsı karbon üzerine damlatılarak IR lambası altında modifiye edilen elektrotlar (GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC) elektrokimyasal tekniklerle karakterize edilmiştir. Nitrit tayininde performansı en iyi olan MnO2-rGO süspansiyonundan hazırlanan MnO2-rGO/GC elektrot için ideal süspansiyon hacmi belirlendikten sonra nitritin kantitatif tayini için diferansiyel puls voltametrisiyle (DPV) yöntem geliştirilmiştir. 0,1-5,5 M nitrit konsantrasyon aralığında DPV tekniğiyle kalibrasyon eğrisi çizilerek geliştirilen tayin yönteminin regresyon denklemi Ip=5,1757[NO2
-]+3,3014(R2: 0,9941) olarak bulunmuştur. Yöntemin alt tayin sınırı (LOD) değeri ise 0,02 M (S/N:3) olarak hesaplanmıştır. Sensörün gün içi ve ardışık yedi gün için günler-arası kesinlik ve doğruluk değerleri belirlenmiştir. Nitrit ile girişim yapması muhtemel iyon ve bileşiklerin nitrit tayinine etkisi incelenmiştir. Gerçek numune uygulamasında çeşitli meyve suyu ve çeşme suyu numunelerinde nitrit tayini başarıyla gerçekleştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Nitrit tayini, MnO2, İndirgenmiş grafen oksit, Diferansiyel puls voltametrisi.
DETERMINATION OF NITRITE ON MANGANESE DIOXIDE SUPPORTED REDUCED GRAPHENE OXIDE ELECTRODE by VOLTAMMETRY
Betül YILMAZ ALHAN Kimya, M.S. Thesis, 2019
Thesis Supervisor: Prof. Dr. Zafer ÜSTÜNDAĞ
SUMMARY
In this study, graphene oxide (GO) was prepared with Hummer’s method. The GO was reduced with hydrazyne to reduced graphene oxide (rGO). The rGO was modified with manganese dioxide (MnO2). The last product was denoted as MnO2-rGO. The all materials were characterized with IR, Raman, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM). The all materials was modified on glassy carbon (GC) electrode. The electrodes were denotes as (GO/GC, rGO/GC and MnO2-rGO/GC and characterized with electrochemical methods such as cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The MnO2-rGO/GC electrode was used for determination of nitrite in aqueous media. The limit of detection (S/N = 3) of the method was calculated as 0.02 M for with the linear calibration curves ranged from 0.1 M to 5.5 M. The method was checked with different possible interference ions and molecules such as Na+, Ca2+, Zn2+, Cu2+, NO3−, Cl−, SO32−, SO4
2-; citric acid, ascorbic acid, catechol ve hydroquinone. The developed electrode with developed method was exhibit good reproducibility and stability and was successfully applied to measure nitrite in real samples such as beverage samples and tap water.
Keywords: Nitrite analysis, Reduced graphene oxide, Manganese dioxide, Differential puls
TEŞEKKÜR
Öncelikle okula geri dönüp bana bu tezi yazabilmem için tekrar şans veren danışman hocam sayın Prof. Dr. Zafer ÜSTÜNDAĞ’a,
Laboratuvarımızda elinden geldiğince her konuda bana destek veren bu tezi bitirebilmem için ihtiyacım olan özgüveni tekrar kazandıran canım arkadaşım Gamze ÇELİK’e,
Bütün hayatım boyunca bana güvenen ve yanımda desteğini benden hiç esirgemeyen canım annem Nermin YILMAZ’a, maddi manevi her şekilde yanımda olan canım babam Adnan YILMAZ’a ve canımın bir parçası olup bana sürekli moral veren biricik kardeşim Burak YILMAZ’a,
Ve son olarakta bu hayattaki en büyük destekçim, varlığını her zaman hissettiğim hayat
Sayfa ÖZET ... v SUMMARY ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ ... viii ÇİZELGELER DİZİNİ ... x SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... x 1. GİRİŞ ... 1 2. TEORİK TEMELLER ... 3
2.1. Nitrit Tayini ve Önemi ... 3
2.2. Grafen - Grafen Oksit ve İndirgenmiş Grafen Oksit ... 3
2.3. Voltametri ... 14
2.4. Karakterizasyon Yöntemleri ... 17
3. DENEYSEL KISIM ... 19
3.1. Kullanılan Kimyasallar ve Sarf Malzemeler ... 19
3.2. Mangandioksit Destekli İndirgenmiş Grafen Oksit Elektrotun Hazırlanması ... 19
3.3. Nitrit Tayini İçin Voltametrik Yöntem Geliştirilmesi ... 20
4. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA ... 22
4.1. Karakterizasyon Sonuçları ve Değerlendirilmesi ... 22
4.2. Nitrit Tayin Yöntemi Sonuçları ve Değerlendirilmesi ... 32
5. SONUÇ ... 42
KAYNAKLAR DİZİNİ ... 44
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
1.1. Nitritin iyonunun elektrot yüzeyindeki davranışı... 1
2.1. Griss Reaksiyonu. ... 6
2.2. Grafen oksitin Hoffman, Ruess, Scholz-Boehm, Lerf-Klinomski, Nakajima Matsuo ... 13
2.3. Voltametride kullanılan gerilim-uyarma sinyalleri (Skoog ve ark., 2007). ... 15
4.1. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)). ... 23
4.2. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki EIS ölçümleri sonucu elde edilen Nyquist eğrileri (DC potansiyel: 0,0 V; frekans aralığı: 300 kHz-0,2 Hz). ... 24
4.3. Grafit, GO, rGO ve MnO2-rGO’in Raman spektrumları. ... 25
4.4. GO, rGO ve MnO2-rGO’in IR spektrumları. ... 27
4.5. GO ve rGO’in geniş bölge (Survey) XPS spektrumu. ... 27
4.6. GO’in C1s dar bölge XPS spektrumu. ... 28
4.7. rGO’in C1s dar bölge XPS spektrumu. ... 28
4.8. MnO2-rGO’in O1s dar bölge XPS spektrumu. ... 29
4.9. MnO2-rGO’in geniş bölge (Survey) XPS spektrumu. ... 29
4.10. MnO2-rGO’in Mn2p dar bölge XPS spektrumu. ... 30
4.11. GO’nun SEM görüntüsü. ... 31
4.12. rGO’nun SEM görüntüsü. ... 31
4.13. MnO2-rGO’nun SEM görüntüsü. ... 31
4.14. GO, rGO ve MnO2-rGO’nun EDX spektrumu ve analiz sonuçları. ... 32
4.15. 0,1 mM NO2 nin GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)). .. 33
4.16. 0,1 mM NO2 nin MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde 10-150 mV/s tarama hızı aralığındaki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)). .. 34
4.17. 0,1 mM NO2 nin MnO2-rGO/GC elektrot üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarından elde edilen anodik pik akımı-tarama hızı grafiği. ... 34
4.18. Çeşitli hacimlerde süspansiyon ile hazırlanan modifiye elektrotlar üzerinde 5,0 M NO2 -nin DPV eğrileri. ... 35
ŞEKİLLER DİZİNİ(devam)
Şekil Sayfa
4.19.Çeşitli miktarlarda MnO2-rGO süspansiyon hacmine karşı 5,0 M NO2- nin DPV eğrilerinden elde edilen pik akımı grafiği 36 4.20. Çeşitli konsantrasyonlarda (0,1-5,5 M) NO2-‘in DPV kalibrasyon voltamogramı. ... 36 4.21. 0,1-5,5 M konsantrayon aralığındaki NO2
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
2.1. Türk Gıda Kodeksi 2002 yılı verilerine göre bazı gıdalara katılabilecek potasyum ... 5 4.1. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarınden elde edilen pik akımı değerleri. .. 23 4.2. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2- rGO/GC elektrotlar üzerindeki EIS ölçümleri sonucu elde edilen Nyquist eğrilerinden elde edilen yük aktarım dirençleri. ... 24 4.3. Malzemelerin Raman spektrumlarından elde edilen D ve G bandlarının pik şiddet oranları. .
... 26 4.4. 0,1 mM NO2
-‘in GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO
2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarından elde edilen anodik pik akımı değerleri. ... 33 4.5. Çeşitli hacimlerde süspansiyon ile hazırlanan modifiye MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde
5,0 M NO2
-‘nin DPV eğrilerinden elde edilen pik akımı değerleri. ... 35 4.6. Çeşitli konsantrasyonlardaki NO2
nin DPV pik akımı değerleri. ... 37 4.7. Geliştirilen analiz yöntemine ait analitik sonuçlar (S/N=3). ... 38 4.8. Literatürde nitritin tayini için geliştirilen yöntemler ile mevcut çalışmada geliştirilen yöntemin kıyaslanması. ... 39 4.9. Literatürde Yöntemin kesinlik ve doğruluk sonuçları (N=6). ... 40 - in 0.1 M PBS (pH= 7.0). ... 41 4.11. Çeşitli gerçek numunelerin mevcut sensör yöntemi ile nitritin geri kazanım değerleri (n=6). ... 41
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama µM Mikromolar pM Pikomolar mM Milimolar L Mikrolitre ˚C Santigrat derece mL Mililitre
Ag/AgCl(doy) Referans elektrot HNO3 Nitrik asit NO- Nitrik oksit NO2 Nitrit NO3 Nitrat Fe Demir NaNO2 - Sodyum nitrit KNO2 Potasyum nitrit NOC Nitrozo bileşikleri H2SO4 Sülfürik asit P2O5 Difosfor pentaoksit H2O2 Hidrojen peroksit HCl Hidrojen klorür Kısaltmalar Açıklama CNT Karbon nanotüp
XPS X ışınları foto-elektron spektroskopisi EM Elektron mikroskopisi
SPM Taramalı probmikroskopisi TEM Geçirimli e- mikroskopisi XRD X-ışınları kırınımı
DPV Diferansiyel puls voltametrisi ASV Anodik sıyırma voltametrisi CSV Katodik sıyırma voltametrisi
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Kısaltmalar Açıklama
HPLC Sıvı kramatografisi
CV Dönüşümlü voltametri
CVD Kimyasal buhar depolama DNA Deoksiribonükleik asit
EIS Elektrokimyasal impedans spektroskopisi
GC Camsı karbon
GCE Camsı karbon elektrot R1-R2 Alkil grupları
rGO-MWNT İndirgenmiş grafen oksit-çok duvarlı karbon nanotüp SEM Taramalı elektron mikroskobu
UV Morötesi
K4Fe(CN)6 Potasyum ferrosiyanür K3Fe(CN)6 Potasyum ferrisiyanür
1. GİRİŞ
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte, mikro ve nanoanaliz yöntemleri de süratle gelişmektedir. Bunda, geliştirilen karakterizasyon ve uygulama cihazlarının ve tekniklerinin etkisi vardır. Bundan bir yüzyıl öncesine hatta yarım asır önceye kadar teorik olarak varsayıma dayanan birçok iyon ve molekül günümüzde kolaylıkla kalitatif ve kantitatif olarak tayin edilebilmektedir. Özellikle kromatografik tekniklerin geliştirilmesi bu analizlere büyük katkı sağlamıştır. Kromatografi teknikleri pahalı ve zor analiz şartları ve sınırlı alt tayin sınırına sahip olsa da halen en iyi analiz sonuçlarını vermektedir. Her analiz laboratuvarı, bu sistemlere sahip değildir. Buna alternatif olarak çok daha ucuz ve pratik elektrokimyasal yöntem ile elektrokimyasal aktivitesi olan türleri tayin etmek oldukça popüler olmaya başlamıştır. Elektrokimyasal aktivitesi olmayan türler de moleküler baskılama gibi tekniklerle muamele edildikten sonra çeşitli elektrokimyasal yöntemlerle analiz edilebilmektedir.
Nitrit iyonu hakkında detaylı bilgi 2. Bölüm’de verilmiştir. Nitrit iyonunun elektrokimyasal olarak yükseltgenme özelliğinden yararlanılarak doğrudan elektrokimyasal tayin yöntemleri geliştirilmesi mümkündür (Şekil 1.1). Nitrit iyonu elektrokimyasal olarak 2 e -vererek azot dioksit bileşiğine yükseltgenir (Muthukumar ve John, 2014). Günümüzde, camsı karbon (GC), platin, bakır gibi klasik elektrotlar yerine yüzey alanı ve iletkenliği çok daha yüksek olan nanomalzemelerle modifiye edilmiş elektrotların kullanılması yaygınlaşmıştır. Bu modifiye elektrotlar, nitrit gibi elektroaktif türlerin tayininde geliştirilen yöntemlerde çok daha küçük konsantrasyonlarda alt tayin sınırına (LOD) ulaşılmasını sağlamaktadır. Özellikle ppb ve nM gibi mertebeli tayin sınırına sahip analiz yöntyemlerine kromatografik tekniklerle ulaşmak çok da kolay değildir. Elektrokimyasal teknikler bu anlamda üstün performans göstermektedirler.
2NO2- 2NO2 + 2 e
-2NO2 + H2O NO3- + NO2-+ 2 H+
Elektrot yüzeyi
Grafen ve türevleriyle hazırlanan elektrotlar günümüzde oldukça popüler elektrotlar olarak kullanılmaktadır. Bunun temel sebeplerinden en önemlisi grafen ve türevlerinin yüksek yüzey alanı ve yüksek iletkenliğe sahip olmasıdır. Özellikle mangan dioksit nanoparçacıklarla doplanmış karbon malzemelerin geniş yüzey alanı, hızlı elektrokimyasal kinetiği, mükemmel aktiviteye sahip olması, ucuz ve çevreye zararı olmaması sebebiyle tercih edilmiştir (G. Yua vd., 2013).
Bu tez çalışmasının temel amacı, elektrokimyasal olarak nitrit (NO2
-) iyonu tayini için bir elektrot geliştirmek ve bu elektrot ile uygun bir konsantrasyon aralığı içinde diferansiyel puls voltametrisiyle (DPV) kalibrasyon grafiği elde etmek ve gerekli regresyon analizi işlemlerini yapmaktır. Bunun için, mangan dioksit ile desenlenmiş indirgenmiş grafen oksit modifiye camsı karbon elektrot hazırlanmıştır. Hazırlanan elektrot ve hazırlık aşamalarındaki elektrot ve malzemeleri çeşitli tekniklerle karakterize edildikten sonra 0,1-5,5 M konsantrasyon aralığında kalibrasyon voltamogramı ve buna bağlı kalibrasyon grafiği çizilmiştir. Yöntemin alt tayin sınırı ve R2
değeri belirlendikten sonra gün içi ve günler-arası kesinlik ve doğruluk değerleri incelenmiştir. Nitrit ile muhtemel girişim yapabilecek bazı iyon ve moleküllerin analizi bozucu etkisi incelenmiş ve sonuçlar kaydedilmiştir. Tezin bir diğer önemli amacı ise hazırlanan elektrot ve geliştirilen yöntem ile gerçek numunede nitrit iyonu analizini gerçekleştirmektir. Bu amaçla ticari olarak en çok bulunan kayısı, şeftali ve portakal suları ile çeşme suyunda standart ekleme yöntemiyle nitrit analizi uygulanmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir.
2. TEORİK TEMELLER
2.1. Nitrit Tayini ve Önemi
Azot, sembolü “N” ile gösterilen ve atom numarası 7 olan elementtir. Atmosferin %78’i, renksiz ve kokusuz bir gaz olan azot gazı formundadır. Bu yüzeden, havada bulunan azot gazı, nitrik asit ve amonyağın elde edilebilmesi için en temel kaynaktır (Karakaş ve Sevinç, 2019). Ancak havadaki azot canlılar tarafından doğrudan kullanamamaktadır. Bu nedenle nitrik asit, amonyak gibi azot bileşiklerine dönüştürülmesi gerekmektedir. Havadaki azot gazı, bakteriler tarafından nitrata dönüştürülerek bitkiler ve hayvanlar tarafından kullanılabilir hale gelmektedir. Bitkilerin iyi gelişip büyüyebilmesi için yapısında nitrat iyonlarının bulunması gerekmektedir (Özdestan ve Üren, 2010a; Walters, 1991). Bitkilerde bulanan nitratın, proteinlere ve diğer azotlu bileşikleri dönüşür. Bitkiler, azotu genellikle topraktan direk veya nitratlı gübre ile alırlar. Bitkilerin kökleri yardımıyla, havada elementel halde bulunan azotu da (N2) amonyağa çevirir ve amonyağın nitrata dönüşmesi için, nitrit üzerinden iki basamaklı bir reaksiyon gerçekleştirir. Bu şekilde atmosferdeki azot döngüsü sağlanır.
Bitkiler için olduğu kadar insan ve hayvanlar için de hayati öneme sahip olan nitrit ve nitrat iyonları insan vücuduna beslenme ve solunum yoluyla alınmaktadır. Dışkı yoluyla atılamayan kısmı ise tükürük bezlerine taşınmakta veya ağızda salgılanmaktadır. Salgılanan nitratın bir kısmı dilin en arkasında bulunan bakteriler tarafından nitrite dönüştürülmektedir (Cammack R, vd., 1999). Bu bakteriler, dilin arka kısmında oksijen erişmeyen yarıklarda yaşar ve hem oksijenli hem de oksijensiz ortamda yaşamlarını sürdürebilmektedir (Xu J vd., 2001). Nitrat aktivasyonu kana göre tükürükte çok daha fazladır. Ağızda bulunan anaeorobik bakteriler sayesinde nitrat iyonu nitrit iyonuna indirgenmektedir. Nitritçe zengin olan tükürük, mide öz suyuyla karşılaştığında nitrit iyonları nitröz asit (HNO2) formuna dönüşür. HNO2ise zamanla NO ve diğer oksitlere dönüşür. Bu döngüyü önemli hale getiren şey ise nitrat ve nitritin beslenmeyle alınmasıdır. Azot oksitlerin düşük miktarlarda vücuda alınması hafıza oluşumu, kan basıncının oluşması, solunum, koku alma, denge, mide ve bağırsak işlemlerinin düzenlenmesi gibi birçok fizyolojik işlemlerde rol oynamaktadır (Li vd., 2000; Nakae vd., 2000; Rejdak vd., 2004; Jobgen vd., 2007; Ralt, 2009). Ancak gereğinden fazla sentezlenen azot oksit türevleri hücreler için zararlı etki oluşturabilmekte hatta ortaya çıkan azot türevleri kanserojen etkiye bile sebep olabilirler. (Jansen vd., 1995; Higashi vd., 2003; Isenberg vd., 2009).
Polifenoller, C vitamini, azot oksit türevlerinin (nitrit vb) oluşmasına katkı sağlarlar. Seruloplazmin proteini de nitrit dönüşümünü sağlamaktadır (Brayn ve Loscalzo, 2011). Nitrit, hemoglabindeki Fe+2 iyonunu Fe+3 iyonuna yükseltger ya da amin türleriyle nitrözaminlere dönüşür. Bu azot türevleri, kalpte oluşacak hasarlara karşı koruyucu, vasküler bozuklukları önleyici özelliklere sahiptirler (Oostindjer vd., 2014).
Nitrit iyonu (NO2
-), azot atomuna bağlı iki oksijen atomundan oluşmaktadır. Suda iyi çözünen bir anyondur. Nitrit iyonları genelde nitrik asitin sodyum tuzu (NaNO2) veya potasyum tuzu (KNO2) halinde bulunur. Doğal bir mineral olan potasyum nitrit ise (KNO2) su tutucu özelliğe sahip, beyaz-krem rengi arasındadır. Nitrit anyonu, suda iyi çözünen güçlü bir oksidandır (Honikel., 2004). Sodyum nitrit (NaNO2) doğada kendiliğinden oluşan katı halde beyaz veya sarımsı renkte bir maddedir. Erime ve kaynama noktası yüksektir. Sodyum nitratın kimyasal indirgenmesiyle de üretilebilir. Sodyum nitrit, genelde gıdalarda koruyucu madde olarak E250 ve E249 simgeleriyle kullanılır. Nitrat ve nitritin çeşitli gıda ürünlerinde kullanılması ise eski zamanlara dayanmaktadır. Romalılar yiyeceklerinde kırmızı renk ve farklı lezzet istedikleri için ürünlerine nitrat iyonları içeren tuzlardan eklemişlerdir (Connolly ve Paull, 2001). Et endüstrisinde kullanılan az miktardaki nitritin ete olan faydası kabul edilmiştir. Clostridium botulinum başta olmak üzere patojen ve bozulmaya neden olan mikroorganizmalara karşı antimikrobiyal etki göstermekte ve lipid oksidasyonunu kontrol altına almaktadır (Sebranek and Bacus, 2007; Sindelar and Milkowski, 2011). Nitrit bu işlem için bazen tek başına bazende diğer tuzlarla birlikte kullanılmaktadır. (Turp ve Sucu, 2016). Nitrit ve nitrat iyonlarının antioksidan etkisiden dolayı et ve et ürünlerinde yeniden ısıtma işlemleriyle birlikte istenmeyen oksidatif tad oluşması engellenmektedir (Gökalp vd., 2015). Gıdalarda nitrit ve nitrat iyonlarının kullanılmasındaki faydalar anlaşıldıktan sonra zamanla bu iyonların kontrolsüz kullanımları ortaya çıkmaya başlamıştır (Sindelar ve Milkowski, 2011). Eklenen fazla nitrit iyonları etin yapısında bulunan sekonder aminlerle reaksiyona girerek N-nitrozo bileşenlerini oluşturmaktadır. Oluşan bu bileşikler, kolon kanser başta olmak üzere bazı kanser türlerini tetiklemektedir (Pourazrang vd., 2002; Zanardi vd., 2002; Santarelli vd., 2008; Zarringhalami vd., 2009). Norveç’te yapılan bir araştırmada ,yapısında fazla miktarda sodyum nitrit bulunan balıklardan elde edilen yemle beslenen koyunların ölmesi, bilim insanlarını tedirgin etmiştir (Çakmak vd., 2009). Gıdalarda kullanılan nitritin özellikle et ürünlerinden çıkarılması mümkün değildir. Bunun yerine çeşitli kürlerden yararlanılarak minimum miktarlarda kullanım en uygunudur (Georgantelis vd., 2007).
Gıda ürünlerinde kullanılmasına izin verilen potasyum nitrit, sodyum nitrit, sodyum nitrat ve potasyum nitrat miktarları Çizelge 2.1’de gösterilmiştir. Bu veriler Türk Gıda Kodeksi tarafından 2002 yılında verilen değerlerdir.
Çizelge 2.1. Türk Gıda Kodeksi 2002 yılı verilerine göre bazı gıdalara katılabilecek potasyum
nitrit, sodyum nitrit, sodyum nitrat ve potasyum nitrat miktarları (Özdestan ve Üren, 2010).
EC odu ve Maddenin Adı Gıda Maddesi Maksimum Doz (mg/kg)
E249 Potasyum Nitrit Isıl işlem uygulanmamış, kürlenmiş, kurutulmuş et ürünleri 50 (Satış anında, sodium nitrit cinsinden)
E250 Sodyum Nitrit Diğer kürlenmiş et ürünleri ve et konserveleri
100 (Satış anında, sodium nitrit cinsinden)
E251 Sodyum Nitrat Kürlenmiş et ürünleri ve et konserveleri
250 (Satış anında, sodium nitrat cinsinden)
E252 Potasyum Nitrat Sert ve yarı sert peynirler 50 (Satış anında, sodium nitrat cinsinden)
E252 Potasyum Nitrat Süt bazlı peynir analogları 50 (Satış anında, sodyum nitrit cinsinden)
E252 Potasyum Nitrat Tuzlanmış Balık
200 (Satış anında, sodyum nitrit cinsinden, nitrattan meydana gelen nitrit kalıntı miktarı)
Doğal sularda bulunan temel kirleticiler arasında en önemlilerinin nitrat ve nitrit iyonları olduğu söylenebilir. Sularda bulunan NO2
iyonu kimyasal kirlenmeyi göstermektedir (Tuğba vd., 2017). Bu yüzden sulardaki nitrit ve nitrat iyonları kaliteyi belirleyen temel faktörlerden birisidir. Dünya sağlık örgütü (WHO) içme suları için nitrat ve nitrit iyonları için izin verdikleri sınır 50 mg/L ve 0.1 mg/L’dir (Özdestan ve Üren, 2010a). Tarımın gelişmesiyle kullanılan nitrit kaynaklı yapay gübrelerle birlikte yeraltı kaynaklarında kirlenmeler meydana gelmektedir. Evsel atık ve yörenin litografik yapısından kaynaklı nitrit iyonu varlığı da nitrit kirlenmesine önemli katkılar sağlamaktadır.
Buradan anlaşıldığı üzere, gıdalarda ve içe sularında nitrit miktarının kontrolü hayati öneme sahiptir. Bunun için çeşitli tayin yöntemi geliştirilmiştir. Nitrit anyonunun miktarının belirlenmesi için bilinen en eski teknik Griess Yöntemidir (Muscará ve Nucci, 1996). Griss Yöntemi’nin esas alındığı reaksiyon Şekil 2.3’de verilmiştir (Muscará ve Nucci, 1996, Timoshenko vd., 2002; Tsikas 2007; Giustarini vd., 2008; Larsen vd., 2008).
Şekil 2.1.Griss Reaksiyonu.
Başka bir çalışmada, Pourreza ve arkadaşları (2012) eser miktarda nitritin spektrofotometri ile hassas olarak tayin edilmesi için bir yöntem geliştirmişlerdir. Redoks reaksiyonundan yaralanılarak yapılan çalışmalarda 8-120 ng/mL aralığında doğrusal bir kalibrasyon grafiği elde edilerek, et ürünlerinde ve su örneklerinde nitrit iyonu analiz uygulaması çalışılmıştır.
Wang ve çalışma grubu (2012) elektroforez tekniğiyle insan plazmasındaki nitritin tayini için hızlı ve hassas bir florometrik yöntem geliştirmişlerdir. Yöntem insan plazmasında nitrit tayini için başarılı sonuçlar vermiştir.
Kromatografik yöntemlerin zahmetliliği ve maliyeti, spektroskopi yöntemlerinin hassasiyet dezavantajları göz önüne alındığında elektrokimyasal yöntemlerle özellikle de voltametri teknikleriyle nitrit iyonu tayinin önemi anlaşılmaktadır. Literatürde, oldukça hassas ve güvenilir bir yöntem olan voltametri tekniği ile nitrit tayini çalışmaları mevcuttur (Molina vd., 2011) Manea ve arkadaşları (2010) Ag-dop edilmiş zeolite- grafit-epoksi kompozit elektrotu hazırlayarak su numunelerinde nitrat ve nitrit iyonlarının eş zamanlı tayini için yöntem geliştirmişlerdir. 0,1 ile 1 mM konsantrasyon aralığında geliştirilen nitrit tayin yöntemi, gerçek su numunelerinde başarıyla uygulanmıştır. Başka bir çalışmada bor doplanmış elmas elektrot ile sülfür ve nitrit iyonlarının tayini için bir yöntem geliştirilmiştir (Baciu vd., 2015). Pham ve çalışma arkadaşları (2014) Pd-nanotüp/CNTs elektrot ile voltametrik nitrit tayin yöntemi geliştirerek 2 M–0,238 mM konsantrasyon aralığında 250 nM alt tayin sınırına sahip yöntem geliştirerek gerçek numunelere başarıyla uygulamışlardır.
Başka bir voltametrik çalışmada Fe2O3/rGO elektrot ile nitrit tayin yöntemi geliştirilmiştir (Radhakrishnan vd., 2014). 0,05 M- 0,78 mM konsantrasyon aralığında geliştirilen yöntemin alt tayin sınırı 0,015 nM olarak rapor edilmiştir.
2.2. Grafen, Grafen Oksit ve İndirgenmiş Grafen Oksit
Karbon malzemelerden grafen, son yirmi yılın en özel keşiflerinin şüphesiz başındadır (Ferrari, 2007). İki boyutlu yani katmanlı, farklı elektronik özelliklere sahip bir malzemedir. Nanomalzeme üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır (Li vd., 2015). Grafen ve türevlerinin pek fonksiyonel özelliklerinin (mekanik, optik, termal, elektrokimyasal) olmasıbu malzemelerin çeşitli stratejik alanlarda kullanımına olanak sağlamıştır. Bunların başında piller, yakıt pilleri, güneş pilleri, LED’ler, lazer, çeşitli sensörler, fotokatalizörler gelmektedir (Lawal, 2015). Ayrıca grafenin yapısındaki C-C bağlarının yeniden yapılanmasıyla nanomalzemenin dayanıklığı artmakta ve nanomalzeme yeni özellikler kazanmaktadır (Faccio vd., 2009). Ek olartak grafen ve türevlerinin termal iletkenliği de çok yüksektir. Ayrıca şeffaflık ve geçirgenlik özelliği de mevcuttur (Avouris ve Dimitrakopoulos, 2012).
Tek karbon tabakası olan grafeni üretebilmek için son zamanlarda birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemleri geliştirmek için yapılan araştırmalarda grafenin sahip olduğu bazı özellikler ortaya çıkmıştır. Bunlardan bazıları (Park ve Ruoff, 2009);
Young modülü (yaklaşık 1,100 GPa) Termal iletkenlik (yaklaşık 5,00 W/m. K)
Kırılma mukavemeti (yaklaşık 125 GPa) Yük taşıyıcılar hareketi (200,000 cm/V. s)
Spesifik yüzey alanı (hesaplanan değer: 2,30 m/g) olarak belirlenmiştir
Grafen ve türevleri, geniş yüzey alanı ve farklı molekülerle arasında gerçekleşen güçlü etkileşimleri sayesinde ve elverişli tabakalarının bulunmasından dolayı iyi bir adsorban olarak bilinmektedir (Stoller vd. 2008). Grafenin güçlü Van der Walls etkileşimleri sebebiyle çözücüler içinde çözünmesi oldukça zordur. Bu olay organik bileşiklere ve metal iyonlarına tutunma olayını zorlaştırır (He vd. 1998).
GO ise bunun aksine yapısında bulundurduğu, hidroksil, epoksi ve karboksil gruplarıyla fazla polar uçlar içerir. Bu yüzden polar karaktere sahiptir ve metaller, azot-oksijen-fonksiyonel grup içeren organik bileşiklerin zenginleştirilmesinde adsorban olarak kullanılmaktadır. GO, grafene göre hidrofillik özelliği daha yüksek bir malzemedir. Bu yüzden GO, kolloidal çözeltilerde kararlı halde bulunabilmektedir. Organik bileşikler ve metal iyonlarıyla etkileşime girmesi de kolaydır. Hidrojen bağları yapabilmektedir.
Grafenin tarihçesi incelendiğinde, grafen ismi o dönemlerde bilinmese de Brodie tarafından ilk kez 1859 yılında tek tabakalı düzlemsel grafen film üretimi gerçekleştirilmiştir (Brodie, 1859). İlerleyen zamanlar da grafen sentezi çalışmaları çok büyük bir başarıya ulaşamamış olsa da çeşitli yöntemler kullanılmaya devam edilmiştir. Ellili yıllarda Hummers ve Offeman’ın grafit oksit çalışmaları günümüz grafen ve türevlerinin sentezine esin kaynağı olmuştur (Staudenmaire, 1898; Hummers ve Offeman,1958; Boehm vd., 1962; Boehm ve Scholz, 1965).
Grafen sentezi çeşitli şekillerde gerçekleşir. Bunlar; kimyasal buhar depolama (CVD), plazma güçlendirilmiş kimyasal buhar depolama (PE-CVD), grafitin mekanik olarak eksfoliasyonu, yalıtkan yüzeylerde epitaksiyel büyütme, karbon nanotüplerin açılması, grafit oksidasyonuyla elde edilen grafen oksitin (GO) indirgenmesi yöntemleri kullanılarak gerçekleşmektedir (Rafiee vd., 2010).
İlk kez Geim ve Nosolev tarafından grafitin mekanik parçalanmasıyla elde edilen grafen, tek katmanlı ve sp2 bağlı karbon atomlarının iki boyutlu ince bir tabaka oluşturmak üzere bir araya gelmesiyle oluşmuştur (Novoselov vd., 2005). Ayrıca grafen, kimyasal depolama yöntemi (CVD) ile metan veya benzeri bir gazın yada etanol buharının uygun bir metal yüzeyine inert ortamda senteziyle de oluşabilmektedir (Batzil vd., 2012). Diğer bir yöntem ise elektrokimyasal parçalanma yöntemidir. Pristin grafitin elektrokimyasal yöntemlerle parçalanmasıyla GO ve onun da elektrokimyasal indirgenmesiyle indirgenmiş grafen oksit (ERGO) elde edilebilir (Kakaei ve Hasanpour, 2014). “Termal indirgenme yöntemi” ise rGO için bir diğer sentez yöntemidir (Li vd., 2012).
Sentezlenen GO, 800 °C’de 1 saat ısıtılarak rGO’e dönüştürülmektedir (Wang vd., 2014). Bu yöntemin avantajı olay gerçekleştirilirken herhangi bir metal kullanılmadığından saf ürün sentezlenmesidir. Bu farklı özelliklere sahip nanomalzeminin üretilmesiyle de çok çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
CVD ile grafen sentezinde amaç tek veya az tabakalı filmleri saflık oranları yüksek, kaliteli, ölçeği büyük üretimler için kullanılan metottur (Lee vd., 2015). CNT ve grafen türevlerini sentezlerken benzer CVD yöntemleri kullanılsada temel fark kullanılan katalizördür. Grafen sentezi, PECVD’ de normal CVD’ ye göre daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir ve maliyet olarak daha düşük maliyettedir. Tek grafen, değişik substratlarda 680 °C sıcaklıkta CH4 ve H2 karışımlarıyla birlikte 900W’ ta radyo frekans (RF) yardımıyla PECVD sisteminde üretilmiştir (Liu vd.,2014). Zhou ve arkadaşları (2007) bu yöntemi kullanarak 30 saniyeden 8 dakikaya kadar süren aralıklarla grafen sentezlemeyi başarmışlardır. Grafen tabakasında büyüme substrat yüzeyine paralel olarak gözlemlenmiştir. PECVD ile CVD’ ye göre birikme zamanı daha kısa (5 dakikadan daha az) ve büyütme sıcaklığının ise daha düşük olduğu grafen tabakalar ortaya çıkmıştır. Bunun sebebini ise karbon nanoyapılarının sentezini hızlandıran gaz atomlarının yoğunluğu ve radikal yapılara sahip olması olarak rapor edilmiştir.
Grafeni eldesinde kullanılan bir diğer yöntem olan mekanik parçalama, verimi çok düşük olduğundan biyosensör uygulamalarına elverişli değildir (Liu vd., 2014). Bunun yanında indirgenmiş GO’ in mekanik eksfoliasyonuyla grafen elde edilmesi işlemide gerçekleştirilmiştir. Ancak bu yöntemle grafen tabakasında büyük hasarlar meydana geldiği Raman spektroskopisiyle tespit edilmiştir (Stankovich vd., 2007).
Blake ve arkadaşları ise grafitin eksfoaliasyonuyla N-metil-pirolidon yardımıyla hasarsız bir şekilde grafen üretilebileceğini öne sürmüştür. Ancak bu yöntemde kullanılan çözeltinin kaynama noktasının yüksekliğinden kaynaklı kullanım zorluğu ve yüksek maliyet gibi sebepler ortaya çıkmıştır (Blake vd., 2008). Lotya ile arkadaşları çalışmalarında, sodyum dodosilbenzen sülfonat (SDBS) kullanarak sentez işlemini gerçekleştirmiştir (Lotya vd. 2009). Mikromekanik parçalanmanın diğer adı ise selobant modelidir (Scotch tape). Mikromekanik parçalanmanın diğer adı ise selobant modelidir (Scotch tape). Bu yöntemin elverişli olmasının sebebi yüksek maliyete sahip olmasının yanında basit bir yöntem olmasıdır. Grafit üzerine bir parça yapışkan bant yapıştırılıp çekilir. Banta gelen grafit tanecikleri kristal düzlem üzerinde parçalanır (Whitener ve Sheehan, 2014). Grafitin yapışık olduğu bantın üzerine bantlar yapıştırılıp çekilerek daha ince katmanlı grafit yaprakları elde edilir. En sonunda ise grafit tanecikleri SiO2 substratına bastırılarak işlem tamamlanır.
CNT’lerin kimyasal işlemler uygulanarak grafene dönüştürülmesini ise ilk kez Zhang ve arkadaşları (2009) tarafından gerçekleştirmiştir. Yaptıkları çalışmalarda çok katmanlı karbon nano tüplerin oksidasyonla açılmasıyla grafen nanoşeritleri (GNR) elde etmişlerdir. Farklı bir çalışmada ise Çok duvarlı-karbon nanotüpler (MWCNTs), plazma prosesi kullanarak grafen nano şeritleri açmışlardır (Jiao vd., 2009). Bu yöntemle, kalitesi oldukça yüksek, verimli, pürüzsüz GNR’ler elde edilmiştir.
Grafen, GO’ in çeşitli kimyasal maddeler kullanılarak 80-100° C aralıklarında indirgenmesiyle de sentezlenebilmektedir. Bu konudaki çalışmalarda indirgen olarak NaBH4 kullanılarak Li ve arkadaşları çalışmalar yapmıştır (Li vd,. 2008). Wang ve arkadaşları ise hidrazini indirgen olarak kullanıp çalışmalar gerçekleştirmiştir (Wang,. 2008). Bu yöntemler kullanılarak elde edilen grafen yapıları Raman spektroskopisiyle incelendiğinde büyük hasarlar oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu hasarların giderilmesi için Dai ve çalışma arkadaşları çeşitli çalışmalar yapmıştır. Bu çalışmalarında grafen üzerinde bulunan oksijen gruplarını azaltarak solvotermal yöntemi ilerletmişlerdir (Wang., 2009).
Grafen yapısından uzaklaştırılan oksijen atomları sayesinde grafenin iletkenlik özelliği artırılmıştır. İndirgen olarak kullanılan NaBH4 ve hidrazin maddelerinin sahip olduğu sert ve katı özelliklerinin sonucunda oluşan grafenin yapısı kırılgan ve mekanik olarak kalitesizdir. O yüzden indirgen maddeler değiştirilip yerine hidrohalik asit kullanıldığında grafen daha dayanıklı bir hal almıştır (Pei., 2010). Bu metodun olumsuz yönü ise çevreye zararlı toksik maddelerin açığa çıkmasıdır.
Ayrıca termal indirgenme sırasında açığa çıkan ısının verilmesi, bağlı olan grupların kademeli olarak uzaklaştırılması işlemleri maliyeti yükselten adımlarıdır. Bu yüzden son yıllarda çevreye zararı minimum olacak yeni indirgenlere ihtiyaç duyulmuştur. Son zamanlarda indirgen olarak kullanılan maddeler ise; C vitamini, indirgen şeker, alüminyum tozu ve çeşitli amino asitlerdir (Liu vd., 2014). Gurunathan ve arkadaşları ise Escherichia coli biyokütlesi kullanarak basit bir methot geliştirmişlerdir. Bu yöntemin maliyeti düşük, çevreye zarar vermeyen bir yöntemdir. Bu yöntemi sulu ortamda 37°C’de ve yapısına herhangi bir toksik madde eklemesi yapmadan grafen sentezlemeyi başarmıştır (Gurunathan vd., 2013). NaBH4’ün yanında metal nano parçacıklar kullanarakta çevreye zarar vermeden indirgeme işlemini yapılabilmektedir. Bu işlemlerde kullanılan metal nano parçacıklar indirgenme işlemini hızlandırır ve bu işlemin oda sıcaklığında da gerçekleşebilmesini sağlar (Liu., 2014).
İndirgenmede genellikle kullanılan metaller Co, Au, Cu, Fe ve Ni’dir. Bu metaller katalizör olarak kullanılmaktadır. Bu yöntem diğer yöntemlere göre çevreci ve düşük maliyetlidir (Kumari vd,.2009). Forbeaux arkadaşlarıyla gerçekleştirdiği çalışmalarda grafen elde edebilmek için grafitin silisyum karbür üzerinde yüksek vakumda tavlanması gerektiğini dile getirmişlerdir. Bu yöntemde vakum altında silikon atomları süblimleşme işlemiyle grafen tabakalarından uzaklaşır. Tavlama işleminin gerçekleştiği sıcaklık ve süre oldukça önemlidir. Az tabakalı grafen elde edilebilmesi için 1200°C ve birkaç dakika yeterli olmaktadır (Forbeaux vd., 1998).
MWCNT malzemelerinin mikro bıçaklı camlarla sürtülmesiylede mekanik olarak grafen yaprakları elde edilir (Chen vd., 2012). Diğer bir yöntem ise Wang ve arkadaşları tarafından geliştirilen patlatma yoluyla grafen yaprakları sentezleme yöntemidir. Elde edilen sonuçlara göre yüksek sıcaklık ve yüksek şok dalgasıyla grafen oksitin eksfoaliasyona uğradığı belirtilmiştir (Wang., 2013).
Son zamanlarda ise yüksek sıcaklığa ve kimyasallara ihtiyaç duymadan grafen yaprakları elde edilme yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlar foto katalitik indirme, foto termal indirgenme, seçici indirgenme, direkt lazer yazımı gibi yöntemlerdir (Chang., 2012).
Grafen elde edilmesinden kullanılan yöntemlerin içinde en verimli, çevreyi koruyan ve yapımı kolay olan yöntemi GO’ in elektrokimyasal yöntemlerle indirgenmesidir (Liu vd., 2014; Bahadır ve Sezgintürk, 2016). GO için kullanılan sentez yöntemlerinden en yaygın olanı ise Hummers yöntemidir. Bu yöntemde çeşitli güncellemler gerçekleşmiştir (Hummers ve Offeman, 1958). Oksidasyonda kullanılan permanganat sebebiyle oluşan mangan kirliliğine ve tabakalarında hasarlar oluşmasına rağmen ucuz ve miktar olarak fazla şekilde ürün elde edilmektedir (Ululok vd., 2015). Bu yöntemde sülfürik asit ve potasyum permanganat birlikte kullanılmıştır. Potasyum permanganatla birleşmiş sülfürik asit dimanganheptaoksit (Mn2O7) formuna dönüşür. Dimangan heptaoksit, çok kuvvetli yükseltgen özelliğe sahip olan bir bileşiktir (Dreyer vd., 2010). KMnO4 + H2SO4 → K + + MnO3 + + H3O + + 3HSO4 – MnO3 + + MnO4 - → Mn 2O7
Bu yöntemde NaNO3, H2SO4, KMnO4 kimyasalları kullanılmaktadır. KMnO4 ısı altında CO2’e ayrışmaktadır.
4KMnO4 +3C +4HNO3 → 4MnO2 +3 CO2 +4KNO3 + 2H2O
GO’in yapısı X-ışını kırınımı (XRD) ile kapsamlı bir şekilde çalışılmış olsa da, tabaka aralarında ki verilerin zenginlikleri, kristalografik parametreler üzerindeki bilginin eksikliği ile çelişmektedir. Yapı analizi oldukça zordur. GO sentez şartlarına bağlı olarak farklı bileşimlere sahip nonstokiyometrik bir bileşiktir, Altıgen grafit yapısının ve karbon katmanlarının düzenliliğinin tm olarak korunup korunmadığını bilmek bile oldukça zordur. Halen grafen oksit ve türevlerinin yapı aydınlatılmasını çalışmak, oldukça orijinal bir konudur. Günümüze kadar çeşitli grafen oksit yapıları öne sürülmüştür. Şekil 2.2’de grafen oksit ve türevlerinin iki boyutlu şematik modellemeleri gösterilmiştir.
Şekil 2.2. Grafen oksitin Hoffman, Ruess, Scholz-Boehm, Lerf-Klinomski, Nakajima Matsuo
2.3. Voltametri
Voltametri, bir elektrokimyasal hücreye dışarıdan bir gerilim uygulayarak sistemin yeniden dengeye ulaşması esnasında bir elektrot reaksiyonu olmasıyla bir akım oluşması ve dolayısıyla elektrokimyasal türün karakterizasyonu ve tayinini esasına dayanan elektrokimyasal teknik türüdür. Diğer yöntemlere göre üstünlükleri vardır. Bunlar, organik ve inorganik bileşiklerinin varlığını kanıtlaması (Fifield ve Kealey, 2000), elektrotun tepkimeye girmesi için seçici olması (Barek vd., 2001), ayrıca geniş bir çalışma aralığına sahip olması, taşınabilir ve analizlerinin düşük maliyetli yapabilmesidir.
Elektrokimya bilimi son zamanlarda birçok bilimsel alanda önemli roller almıştır. Voltametrik teknikleri ise hayatımıza, Çekoslavak kimyacı Jaroslav Heyrovsky'nin 1959‘da Nobel ödülünü aldığı civa elektrot ile akım/potansiyelinin eğrilerini kaydettiği polarografi sistemi ile olmuştur (Heyrovsky, 2012). Günümüzde de hala önemli bir dal olan polarografi, diğer yöntemlerden farklıdır. Çalışma elektrodu olarak damlayan civa elektrotu (DME) kullanılmaktadır (Karabilgin, 2012).
Voltametrik yöntemlerin bazılarında gerilim sabit tutulur veya çeşitli yollarla gerilim miktarı değiştirilerek madde miktarına akım incelenir. Elektroda farklı gerilimlerin uygulanmasıyla değişik şekillerde gerilim-zaman grafikleri elde edilebilir. Buna ‘uyarma sinyali’ denir. Voltametride en çok kullanılan uyarma sinyallerinin dört tanesinin oluşturduğu dalga modeli aşağıdaki şekilde (Şekil 2.5) verilmiştir (Skoog ve ark., 2007).
İsim Dalga Şekli Voltametri türü a) Doğrusal taramalı E Zaman Polarografi Hidrodinamik Voltametri b) Diferansiyel Puls E Zaman Diferansiyel Puls Polarografisi c) Kare Dalga E Zaman
Kare Dalga Voltametrisi
d) Üçgen E
Zaman
Dönüşümlü Voltametri
Şekil 2.3.Voltametride kullanılan gerilim-uyarma sinyalleri (Skoog ve ark., 2007).
Voltametrik yöntemler sınıflandırılması aşağıdaki şekilde gerçekleşir. 1. Diferansiyel puls voltametrisi (DPV)
2. Kare dalga voltametrisi 3. Sıyırma voltametrisi
Anodik sıyırma voltametrisi (ASV) Katodik sıyırma voltametrisi (CSV)
Adsorpsiyonun dönüşümlü voltametri ile incelenmesi (AdSV) 4. Dönüşümlü voltametri (CV)
Tersinir sistemler
Tersinmez ve yarı-tersinir sistemler
Dönüşümlü voltametri (CV), voltametri teknikleri arasında ayrı bir öneme sahiptir. Durgun bir çözelti içerinde çalışma elektroduna uygulanan polarizasyon dalgasının değiştirilmesiyle oluşan akım/potansiyel davranışını inceleyen yönteme “dönüşümlü voltametri” denilmektedir. Elektroaktif türün karakterizasyonunda kullanılan en etkili yöntemdir (Wang vd., 2006). Difüzyon kontrollü sistemlerde elektroaktif türü karakterize etmek için vazgeçilmez bir yöntemdir. Ayrıca farklılık içeren mekanizmalarda kinetik parametrelerini belirleyebilmek adına bu yöntemlerin matematiksel tanımıda geliştirilmiştir. İlk mekanistik araştırmalarında bu yöntem tercih edilmektedir. Çünkü adsorpsiyon gibi karmaşık olaylar kolaylıkla aydınlatılabilir. (Bard ve Faulkner, 2001; Greef vd., 1985).
Dönüşümlü voltametride, potansiyel önce bir yönde sonra tam tersi yönde uygulanır ve akım bu şekilde ölçülür. Bu yöntemin kullanıldığı deneylerde, tek bir tam çevrim, bir yarım çevrim veya birden fazla çevrim kullanılabilir. Taramanın yön değiştirip tam tersi olduğu potansiyellere “dönüş potansiyeli” denir.
İlk taramanın yönü numunenin bileşimine bağlıdır. Negatif yönde veya pozitif yönde gerçekleşebilir. Negatif potansiyellere doğru ilerleyerek tarama yapılacaksa buna “ileri tarama” (katodik tarama) denir. Ters yöndekine ise “geri tarama” (anaodik tarama) denir (Selçuk, 2015; Nurcan, 2017). Voltametrik yöntemler kimya başta olmak üzere birçok alanda kullanılmıştır. Voltametrinin kullanıldığı alanlar;
Nitel ve nicel analizlerde
Elektrot tepkimelerinin mekanizmalarının belirlenmesinde İnorganiklerin ve organiklerin üretilmesinde
Toksik atıkların iyileştirmesinde İlaç teknolojisinde
Gıda Analizlerinde Adli Tıp Analizleri ‘dir.
Diferansiyel puls voltametrisi (DPV), elektrokimyasal çalışmalarda faradayik akımın kapasitif akımdan ayrılması için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemlerde ise faradayik akım oranı kapasitif akıma oranla oldukça yüksektir. Oranın yüksekliği ise uygulamada kullanılan pulsun ve uygulama akımının ölçülme şeklinden kaynaklanmaktadır. Her puls için iki ölçüm alınmaktadır. İlk ölçüm puls uygulamadan önce alınırken, ikinci ölçüm ise puls bitmeden alınmaktadır. Net akımın hesaplanabilmesi için son akımdan ilk akımın çıkartılması gerekir. Burada uygulanan fark alma işlemi ise kapasitif akımın ortadan kaldırılması için yapılmaktadır (Bard ve Faulkner, 2001). CV tekniği karakterizasyonda önemli rol oynarken, DPV tekniği, kantitaif tayinlerde hatırı sayılır bir öneme sahiptir.
2.4. Karakterizasyon Yöntemleri
Nanomalzemeler çeşitli karakterizasyon teknikleriyle karakterize edilmektedir. Bunlar; Elektrokimyasal karakterizasyon yöntemleri
Spektroskopik karakterizasyon yöntemleri Mikroskobik karakterizasyon yöntemleri Optik karakterizasyon yöntemleri
Elektrokimyasal teknikler arasında en çok kullanılan yöntemler dönüşümlü voltametri (CV), elektrokimyasal impedans (EIS), kronoamperometri (CA), kronokulometri (CC)’dir (Erkal vd., 2014). Bu yöntemlerde; modifiye edilmiş bir elektrot yüzeyi ile modifiye edilmemiş bir yüzey arasındaki fark, yardımcı bir redoks prob kullanılarak, mevcut redoks probun elekton aktarımın takip edilmesiyle anlaşılır.
Spektroskopik karakterizasyon yöntemlerinde ise en çok kullanılan tekniklerin başında titreşim (Infrared ve Raman) spektroskopisi gelmektedir. (İ.-Turan, 2009). X-ışınları foto-elektron spektroskopi (XPS) yöntemide diğer tercih edilen spektroskopik karakterizasyon yöntemlerindendir (Turan vd., 2009; Güzel vd., 2010). Nanoparçacıklar ve ince yüzeylerin karakterizasyonu için de genellikle en basit teknik olan mor ötesi-görünür bölge spektroskopisi kullanılmaktadır (Swarnavalli vd., 2015).
Mikroskopi karakterizasyon tekniklerinin başında elektron mikroskopisi (EM) (Han vd., 1998) ve taramalı prob mikroskopisi (SPM) (Chen vd., 2007) gelmektedir. Optik karakterizasyon yöntemi ise elipsometri ve X-ışınları kırınımı (XRD) gibi tekniklerden oluşur. Elipsometri tekniği film kalınlığı ölçülürken XRD ile kristal ve amorf katıların karakterizasyonunu, kristallerin Miller indisi dizilimleri rahatlıkla aydınlatılabilir (Üstündağ vd., 2011; Gomes vd., 2011).
Literatürde; GO ile nitrit tayininde sıkça rastlanan karakterizasyon yöntemleri SEM, XPS, XRD, EIS ve CV’dir. Hu ve rGO ve çok MWCNT kompozit malzemeleri (rGO-MWNT'ler) hazırlamış ve modifiye edilmiş bir elektrot ile nitrit tayini için yöntem önermişlerdir (Hu vd., 2012). Hazırlanan modifiye elektrot SEM, AFM ve XPS ile karakterize edilmiştir. Shankar ve arkadaşları (2018) yapmış oldukları çalışmada, nitrit iyonu tayini için suda çözünebilen serum albumin/altın nanopartiküllerini (BSA-AuNP) doğrudan camsı karbon (GC) elektrota modifiye etmişlerdir. Sentezlenen malzeme SEM, EDS, XPS, DRS ve CV ile karakterize e edilmiştir.
Bir tez çalışmasında Ömür (2017); çok duvarlı karbon nanotüpü elektrotu UV, TEM, EDX, taramalı tünelleme mikreskopu (STM), XRD, Raman spektroskopisi, CV ve kronoamperometri (CA) teknikleri ile karakterize etmiştir. Pan ve ekibi (2018) nitrit tayini için altın nanoparcacık/L-sistein ile fonksiyonelleştirilmiş grafen oksit sentezlemiş ve elektrotun optimum şartlarını belirlemiştir. Hazırlanan nanokompozitler, geçirimli elektron mikroskobu (TEM), XRD ve Raman spektroskopisi kullanılarak karakterize edilmiştir. Chen ve arkadaşları (2016) ise azot doplanmış RGO hazırlayarak malzemeyi, UV, TEM, SEM, XRD, XPS ve Raman teknikleri ile karakterize etmişlerdir (Chen vd., 2016).
3. DENEYSEL KISIM
3.1. Kullanılan Kimyasallar ve Sarf Malzemeler
Bütün kimyasallar analitik saflıkta olup Merck, Fluka, Sigma –Aldrich ve Ridel gibifirmalardan temin edilmiştir. Oksijenin uzaklaştırılmasında ve elektrokimyasal ölçümlerde kullanılan argon gazı HPLC saflıkta olup (%99,9999) Habaş firmasından temin edilmiştir. Elekrokimyasal ölçümlerde üçlü elektrosistemi kullanılmış olup bütün deneyler oda sıcaklığında 24,5 ±1 °C yapılmıştır. Referans elektrot olarak Ag/AgCl (doy.), yardımcı elektrot olarak Pt tel ve çalışma elektrotu olarak hazırlanan nanomalzemenin damlatıldığı MF-2012 (Bas marka) camsı karbon elektrot kullanılmıştır.
3.2. Mangandioksit Destekli İndirgenmiş Grafen Oksit Elektrotun Hazırlanması
Modifiye Hummers yöntemiyle grafen oksit (GO) sentezlenmiştir. Bunun için 5 g grafit; 25 mL H2SO4/5 g P2O5 karışımına ilave edilmiştir. Süspansiyon, altı saat boyunca 85°C de tutularak oda sıcaklığına kadar soğuması sağlandıktan sonra 1 L saf su ile seyreltilerek bir gece magnetik karıştırıcı üzerinde karıştırılarak bekletilmiştir. Karışım, süzüldükten sonra elde edilen katı kısım saf su ile yıkanmıştır. Kısmen yükseltgenmiş grafit üzerine 0°C de 250 mL H2SO4 eklenmiştir. Sıcaklığın 20°C’nin altında tutulmasına dikkat edilmiştir. Sonra çözelti 50°C ‘de dört saat karıştırılmıştır. Soğutulan çözelti, 500 mL saf su içine ilave edilerek seyreltilmiştir. Bu işlem sıcaklığın 50°C’nin altında olması için buz banyosu içerisinde yapılmıştır. Dört saat karıştırılan çözeltiye 1,5 L saf su eklenmiştir. Son olarak çözelti üzerine 40 mL %30’luk H2O2 eklenerek işlem tamamlanmıştır. Çözelti köpürerek parlak sarı renge dönüşmüştür. Santrifüj (Hermle z36HK, Almanya)) edilen GO; içindeki metal iyonlarını uzaklaştırmak için birkaç defa 0,1 M HCl ile yıkanarak tekrar santrifüj edilmiştir. Asit kalıntısını uzaklaştırmak için çökelek 1L lik saf su ile yıkanarak yeniden santrifüj edilmiştir. Santrifüj işlemleri 15000 dev/dk (rpm)’da 10 dk olarak yapılmıştır. Elde edilen katı grafen oksit 55°C’de vakumlu etüvde 1 gece bekletilerek kurutulmuştur (Hummer ve Offeman, 1959).
3,0 g GO, 1 L saf su içerisinde bir sonikatör yardımıyla kolloidal çözeltiye dönüştürüldükten sonra bir cam balon içerisine alınarak üzerine 1mL hidrazin ilave edilerek geri soğutucu altında 80°C’de 12 saat karıştırılmıştır. Oluşan koloidal siyah çözelti santrifüj edilerek rGO elde edilmiştir. RGO üzerine sırasıyla aseton ve saf su ilave edilerek birkaç defa santrifüj edilmesi sağlanarak yıkanmıştır. Elde edilen çökelek 55°de vakumlu etüvde 1 gece kurutulmuştur (Park vd., 2011).
26,4 mg rGO ve 1,08 g MnCl2.H2O 50 mL’lik izopropil alkol (İPA) içerisinde süspansiyon haline getirilerek bir saat ultrasonik banyoda homojen dağılım sağlanmıştır. 0,6 g KMnO4, 20 mL su içerisinde çözülerek süspansiyon üzerine ilave edilmiştir. Son karışım 85 °C’de 30 dk magnetik karıştırıcı ile karıştırılmıştır. MnO2 ile modifiye edilmiş rGO, 5000 rpm’de ultra santrifüjle 10 dk santrifüj edilmiştir. Elde edilen katı kısım üç defa saf su ile yıkanarak aynı şartlarda santrifüj edilmiş ve 55°C’de vakumlu etüvde bir gece bekletilerek kurutulmuştur (Liu vd., 2013; Rusi ve Majid, 2015).
Hazırlanan MnO2-rGO’nun 10mg’ı 1 mL asetonitril içinde süspansiyon haline getirilerek GC elektrot yüzeylerine sırasıyla 5, 10, 15, 20 ve 25 L olarak damlatılmıştır. Nitrit tayinin için ideal elektrot, 15 L süspansiyon ile hazırlanan elektrot olarak tespit edilmiştir. Aksi belirtilmedikçe çalışmalarda kullanılan MnO2-rGO/GC elektrot, MnO2-rGO süspansiyonundan 15 L kullanılarak hazırlanmıştır.
3.3. Nitrit Tayini İçin Voltametrik Yöntem Geliştirilmesi
Kalibrasyon çalışması öncesinde, 0,1 mM NO2
nin GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2 -rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları (Tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)) alınarak en yüksek pik akımı sağlayan elektrotun (elektrokatalitik etkisi en fazla olan) MnO2-GO/GC olduğu anlaşılmıştır. MnO2-rGO/GC hazırlanırken 10 mg MnO2-rGO alınarak 1 mL asetonitril içinde süspansiyon haline getirilmiş ve GC elektrot yüzeylerine sırasıyla 5, 10, 15, 20 ve 25 L olarak damlatılmıştır. Hazırlanan modifiye elektrotların nitrit performanslarını karşılaştırmak için pH’sı 7 olan fosfat tampon çözeltisi içinde 5 M KNO2 hazırlanarak DPV ölçümleri alınmıştır (Santos vd., 2009). (DPV puls süresi 0,1 s; puls potansiyel yüksekliği 25 mV; puls adımı 10 mV, tarama hızı: 20 mV/s).
Kalibrasyon çalışmaları, 15 L süspansiyon (10 mg MnO2-rGO alınarak 1 mL asetonitril içinde) ile hazırlanan MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde DPV tekniği ile yapılmıştır. Nitrit iyonları elektrot üzerinde azot dioksite yükseltgenmiştir (Eşitlik 4.1)
2 NO2
2 NO2 + 2e
(4.1)
0,1 – 5,5 M konsantrasyon aralığında nitrit iyonları için elde edilen pik akımı değerleri kalibrasyon grafiği haline getirilerek regresyon çalışması yapılmıştır.
Geliştirilen yöntemin performansı, gün içi ve yedi ardışık günler-arası olarak kesinlik (% RSD) ve doğruluk değerleri bulunarak kontrol edilmiştir. Girişim yapabilecek muhtemel iyonlar ve moleküller nitritli ilave edilerek muhtemel girişim miktarları belirlenmiştir. Gerçek numune olarak Kayısı suyu, portakal suyu, şeftali suyu ve çeşme suyu kullanılarak nitrit standardı eklenmesi suretiyle geliştirilen analiz yönteminin geri kazanım değerleri hesaplanmıştır.
4. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA
4.1. Karakterizasyon Sonuçları ve Değerlendirilmesi
Bu kısımda, deneysel çalışmalardan elde edilen elektrot malzemesinin karakterizasyonu, elektrot performanslarının belirlenmesi, nitrit tayini için yöntem geliştirilmesi, geliştirilen yöntemin regresyon analiz bulgularından elde edilen sonuçlar tartışılmıştır.
Grafen oksit (GO) sentezlenmiş olup indirgenmiş grafen oksite (rGO) dönüştürülmüştür. Elde edilen indirgenmiş grafen oksitten elektrot olarak kullanılacak olan MnO2 ile modifiye edilmiş indirgenmiş grafen oksit (MnO2-rGO) hazırlanmış ve karakterize edilmiştir.
10’ar mg GO, rGO ve MnO2-rGO’ten 1 mL asetonitril içerisinde koloidal çözelti hazırlanmıştır. Sonra her biri camsı karbon (GC) elektrot üzerine 15 µL koloidal çözelti damlatılmak suretiyle IR lambası altında kurutulmuş olup elektrot kullanımına hazır hale getirilmiştir. GO, rGO ve MnO2-rGO modifiye edilen GC elektrotların ismi sırasıyla GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC olarak kısaltılmıştır.
GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotların elektrokimyasal karakterizasyonları için dönüşümlü voltametri (CV) ve elektrokimyasal impedans spektroskopi (EIS) yöntemleri kullanılmıştır. Her iki yöntemde de 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks prob karışımı çözeltisi (0,1 M KCl içinde) kullanılmıştır. Şekil 4.1’de 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları verilmiştir. Çizelge 4.1’de pik akımı değerleri verilmiştir.
Şekil 4.1. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2 -rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)).
Çizelge 4.1. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2 -rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarınden elde edilen pik akımı değerleri.
Elektrot Pik akımı, A
GC 4,07 0,03 GO/GC 13,93 0,07 rGO/GC 16,41 0,08 MnO2 -rGO/GC 29,56 0,08
Redoks probun voltamogramlarından (Şekil 4.1 ve Çizelge 4.1) anlaşıldığına göre MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde redoks probun oksidasyon pik akımı 29,56 mA olarak en fazladır dolayısıyla elektron aktarımının da en hızlı olduğu anlaşılmıştır.
Aynı elektrotlar üzerinde 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun EIS çalışması yapılarak Şekil 4.2’de Nyquist eğrileri elde edilmiştir. Çizelge 4.2’de Nyquist eğrilerinin fit edilmesiyle elde edilen eşdeğer elektriksel devre modeli ve Rct değerleri verilmiştir.
Şekil 4.2.2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki EIS ölçümleri sonucu elde edilen Nyquist eğrileri (DC potansiyel: 0,0 V; frekans aralığı: 300 kHz-0,2 Hz).
Çizelge 4.2. 2 mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 redoks probun GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2- rGO/GC elektrotlar üzerindeki EIS ölçümleri sonucu elde edilen Nyquist eğrilerinden elde edilen yük aktarım dirençleri.
Elektrot Rct, k Elektriksel eşdeğer devre
GC 8.56 0,11
GO/GC 5.02 0,07
rGO/GC 3,36 0,05
MnO2-rGO/GC 0,91 0,03
Şekil 4.2 ve Çizelge 4.2’den anlaşıldığı üzere, GC ile tamamlanan elektrokimyasal sistemin eşdeğer elektriksel devresi bir Randless hücresi şeklinde fit edilmiştir.
Elektrokatalitik etki arttıkça Warburg etkisi artarak kütle aktarımının difüzyon kontrollü olduğu anlaşılmıştır. Nyquist eğrilerinde MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde redoks prob çiftinin yük atlarım direnci azalmış 0,91 k ’a kadar düşmüştür. Bu da, redoks probun elektron aktarımının elektrokatalitik olarak hızlandığı anlamına gelmektedir. İmpedans sonuçları, CV sonuçlarıyla uyumludur.
Grafit, GO, rGO ve MnO2-rGO’in Raman spektrumları Şekil 4.3’de verilmiştir. Çizelge 4.3’de ise Raman spektrumlarındaki D ve G bandlarının pik şiddet oranları verilmiştir.
Şekil 4.3. Grafit, GO, rGO ve MnO2-rGO’in Raman spektrumları.
Karbon malzemelerin Raman spektrumlarına bakıldığında 1354 ve 1601 cm-1
Raman kaymalarında sırasıyla D ve G bandları görülmektedir (Das vd., 2014). D bandı grafit katmanlarındaki boşluklar, kenar kusurları ve düzensiz karbonlardan kaynaklanmaktadır (A1g simetrisinin esneme modu). Grafitte D bandı Raman pik şiddeti oldukça küçüktür. G bandı ise sp2 hibritleşmiş C-C bağlarının iki boyutlu altıgen kafesteki titreşiminden kaynaklanmaktadır (sp2 karbon atomlarının E2g simetrisi). Grafitteki düzenli sp
2 hibritli yapının G bandı şiddeti oldukça fazladır. Çizelge 4.3’den de anlaşıldığı üzere grafit için D ve G bandı pik şiddeti oranları (ID/IG) oranı 0,06 olacak kadar düşüktür.
Grafitin oksidayonuyla elde edilen GO yapısının ID/IG oranı 0,94 olarak elde edildiğine göre GO yapıda sp2
hibritli C’ların azaldığı anlaşılmaktadır. rGO’nun ID/IG oranı ise daha da artmış ve 1,10 olarak hesaplanmıştır. MnO2 katkılanmış rGO’nun (MnO2/rGO) ID/IG oranı ise 1,02 olarak bulunmuştur. MnO2/rGO’in Raman spektrumunda diğer karbon malzemelerden farklı olarak 625 cm-1’deki pik Mn-O gerilmesine karşılık gelmektedir. Raman sonuçları literatürle uyumludur (Han vd., 2015; Li vd., 2015).
Çizelge 4.3. Malzemelerin Raman spektrumlarından elde edilen D ve G bandlarının pik şiddet
oranları. Karbon malzeme ID/IG Grafit 0,06 GO 0,94 rGO 1,10 MnO2/rGO 1,02 *RSC Adv., 2014,4, 9898-9904
GO, rGO ve MnO2-rGO, infrared spektroskopisiyle de karakterize edilmiştir. IR spektrumları Şekil 4.4’de verilmiştir. GO’in IR spektrumundaki 3000-3700 cm-1
arasındaki geniş pik COOH grubundaki -OH gerilmesine aittir. 1740 cm-1
da ki pik C=O gruplarına ve 1280 cm-1deki pik ise C-O-C gruplarına ait titreşim pikleridir (Das vd., 2014). rGO’nin infrared spektrumunda ise, bu piklerin şiddetleri oldukça azalmış bazıları yok olmuştur. Bunun yerine 1550 cm-1 civarında sp2 hibritleşmiş C=C düzlem içi gerilme titreşimleri ortaya çıkmıştır (Das vd., 2014). MnO2-rGO’in IR spektrumunda ise, rGO’dan farklı olarak 1280 cm
-1’de C-N pikleri ortaya çıkmıştır (Li vd., 2015).
Şekil 4.4. GO, rGO ve MnO2-rGO’in IR spektrumları.
GO ve rGO’in genel (Survey) bölge XPS spektrumları Şekil 4.5’de verilmiştir. GO ve rGO’in dar bölge spektrumları incelendiğinde, C1s pik şiddetinin O1s pik şiddetine oranları, GO için 2,864, rGO için ise 5.117 olarak hesaplanmıştır. Yani GO’in indirgenmesiyle birlikte oksijen atomlarının konsantrasyonunun azaldığı anlaşılmıştır.
GO ve rGO’in C1s dar bölge XPS spektrumları sırasıyla Şekil 4.6 ve Şekil 4.7’de verilmiştir. Şekil 4.6’da, GO’in C1s piki 4 farklı C bağlanma enerjisine karşılık gelecek şekilde fit edilmiştir. 284,5 eV; 286,5 eV; 287,5 eV ve 289,3 eV’daki C’lar sırasıyla C–C+C–H; C–OH (hidroksil)+C–O–C (epoksi); C=O ve COOH gruplarına karşılık gelmektedir (Das vd., 2014).
Şekil 4.7’de rGO’in C1s dar bölge C1s XPS spektrumunda GO’deki C1s’de olduğu gibi aynı karbon türleri bulunmaktadır ancak pik şiddetleri oksitli karbonlar için çok düşmüştür. rGO bünyesindeki çoğu karbonlu yapının indirgendiği anlaşılmaktadır (Das vd., 2014).
Şekil 4.6.GO’in C1s dar bölge XPS spektrumu.
MnO2-rGO’in genel bölge XPS spektrumu Şekil 4.8’de verilmiştir. Mn3s, Mn3p, C1s, O1s ve Mn2p spektrumları şekilden görülmektedir. Şekil 4.9’da MnO2-rGO’in O1s dar bölge XPD spektrumu görülmektedir. Bu pik 4 farklı oksijen bağlanmasına karşılık gelmektedir. 528,9 eV’daki Mn-O, 531,4 eV’daki Mn-OH+C-OH (Zhang vd., 2016)532,2 eV’da OH, 530,8 eV’da ise C=O’ya ait pikler mevcuttur (Yu vd. 2013).
Şekil 4.8.MnO2-rGO’in O1s dar bölge XPS spektrumu.
MnO2-rGO’ye ait Mn2p dar bölge XPS spektrumları Şekil 4.10’da verilmiştir. Şekil 4.10’a göre 653,6 eV’da Mn2p
1/2
ve 642,0 eV’da ise Mn2p
3/2’ye ait bağlanma spektrumları görülmektedir. Buna göre yapıda MnO2’nin olduğunu söylememiz mümkündür (Yang vd., 2011).
Şekil 4.10.MnO2-rGO’in Mn2p dar bölge XPS spektrumu.
GO, rGO ve MnO2-rGO’nun SEM görüntüleri sırasıyla Şekil 4.11, Şekil 4.12 ve Şekil 4.13’de verilmiştir. Grafen oksitin SEM görüntüsü 15000X olup GO tabaka kıvrımları (pulsu/flake yapıda) net bir şekilde görülmektedir. Özellikle tek tabakalı GO’lerin oluştuğunu bu kıvrımlı yapılardan anlayabilmekteyiz. Çok katmanlı grafit oksit bu şekilde kıvrımlı yapılar oluşturamaz (Sobon vd., 2012). RGO’nun SEM görüntüsünde kısmen de olsa tabakaların açıldığı görülmektedir. GO’in Sem görüntüsünden çok fazla ayırt edilememektedir. MnO2 -rGO’in SEM görüntüsünde ise koyulukların MnO2 kümeleri olduğu anlaşılmaktadır. Yapılan EDX analizinde Mn varlığı anlaşılmıştır (Şekil 4.14).
Şekil 4.11. GO’nun SEM görüntüsü.
Şekil 4.12. rGO’nun SEM görüntüsü.
MnO2-rGO’nun EDX analizi sonucundan elde edilen EDX spektrumunda yapının büyük çoğunluğunun karbon (ağırlık olarak % 68,5) ve % 3 civarında ise Mn olduğu anlaşılmıştır. Spektrumdaki K’un nanomalzeme içine hapsolan eser miktarda KMnO4 safsızlğından ileri geldiği düşünülmektedir.
Şekil 4.14.GO, rGO ve MnO2-rGO’nun EDX spektrumu ve analiz sonuçları.
4.2. Nitrit Tayin Yöntemi Sonuçları ve Değerlendirilmesi
Nitrit tayin yöntemi geliştirmeden uygun elektrot seçimi yapılabilmesi için GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar hazırlanmıştır (10’ar mg GO, rGO ve MnO2 -rGO’ten 1 mL asetonitril içerisinde koloidal çözelti hazırlanmıştır. Sonra her bir çözeltiden 15 µL koloidal çözelti camsı karbon (GC) elektrot üzerine damlatılmak suretiyle IR lambası altında kurutulmuş olup elektrotlar kullanıma hazır hale getirilmiştir). 0,1 mM NO2
çözeltisinin PBS (pH:7) tamponunda çözeltisi hazırlanarak GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlarla dönüşümlü voltamogramları alınmıştır (Şekil 4.15).
Şekil 4.15. 0,1 mM NO2
nin GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)).
0,1 mM NO2
’nin GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarından (CV) elde edilen anodik pik akımı değerleri Çizelge 4.4’de verilmiştir. Ferrisiyanür/ferrosiyanür redoks probda olduğu gibi nitrit iyonlarının oksidasyonunda MnO2-GO/GC elektrot, elektrokatalitik etki göstermiştir.
Çizelge 4.4. 0,1 mM NO2-‘in GC, GO/GC, rGO/GC ve MnO2-rGO/GC elektrotlar üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarından elde edilen anodik pik akımı değerleri.
Elektrot Pik akımı, A
GC 18,1 2,1
GO/GC 37,4 1,7
rGO/GC 41,2 1,2
MnO2-rGO/GC 48,2 0,8
Nitritin MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde difüzyon kontrollü olarak kantitatif tayinin yapılabilirliğini anlamak amacıyla 0,1 mM NO2
-‘in MnO
2-rGO/GC elektrot üzerinde çeşitli tarama hızlarında (10-150 mV/s) dönüşümlü voltamogramları alınmıştır (Şekil 4.16).
Şekil 4.16. 0,1 mM NO2
nin MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde 10-150 mV/s tarama hızı aralığındaki dönüşümlü voltamogramları (tarama hızı: 200 mV/s; referans elektrot: Ag/AgCl(doy)).
0,1 mM NO2
-‘in MnO
2-rGO/GC elektrot üzerinde 10-150 mV/s tarama hızı aralığındaki dönüşümlü voltamogramlarından elde edilen katodik pik akımı değerlerine karşılık tarama hızı grafiği Şekil 4.17’de verilmiştir. Grafikten elde edilen pik akımı-tarama hızı eğrisinin eğimi doğrusal olduğu için nitritin MnO2-rGO/GC elektrot üzerindeki yükseltgenmesinin difüzyon kontrollü olduğu anlaşılmıştır. Dolayısıyla difüzyon kontrollü elektrokimyasal reaksiyonların, Randles-Sevcik Eşitliğine uygunluğundan dolayı, voltametrik kantitatif analiz uygulamaları yapılabilmektedir (Bard ve Faulkner, 2000).
Şekil 4.17. 0,1 mM NO2
-nin MnO2-rGO/GC elektrot üzerindeki dönüşümlü voltamogramlarından elde edilen anodik pik akımı-tarama hızı grafiği.
Kantitatif tayin edilebileceği anlaşılan nitrit iyonları için tayin yöntemi geliştirilmesi amacıyla ideal hazırlanacak MnO2-rGO/GC elektrot için GC yüzeyine damlatılacak MnO2-rGO’nin miktarının belirlenmesi sağlanmıştır. Öncelikle 10 mg MnO2-rGO alınarak 1 mL asetonitril içinde süspansiyon haline getirilmiş ve GC elektrot yüzeylerine sırasıyla 5, 10, 15, 20 ve 25 L olarak damlatılmış ve IR lambası altında elektrotlar kurutularak modifiye edişmiştir. Her bir elektrot üzerinde 5,0 M NO2
içeren PBS (pH: 7) çözeltisinin DPV voltamogramları alınmıştır. Anodik tarama sonucu elde edilen her bir voltamogram Şekil 4.18’de verilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre 15 L’ye kadar pik akımında artış gözlenirken daha fazla hacimde süspansiyon eklendiğinde elektrotun elektrokatalitik etkisinin azaldığı gözlenmiştir (Çizelge 4.5). Bu nedenle optimum süspansiyon hacmi 15 L olarak alınmıştır.
Şekil 4.18.Çeşitli hacimlerde süspansiyon ile hazırlanan modifiye elektrotlar üzerinde 5,0 M NO2-‘in DPV eğrileri.
Çizelge 4.5. Çeşitli hacimlerde süspansiyon ile hazırlanan modifiye MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde 5,0 M NO2
-‘nin DPV eğrilerinden elde edilen pik akımı değerleri.
Süspansiyon hacmi, L Pik akımı, A
5 22,77
10 25,35
15 29,18
20 26,46
Şekil 4.19. Çeşitli miktarlarda MnO2-rGO süspansiyon hacmine karşı 5,0 M NO2
-‘in DPV eğrilerinden elde edilen pik akımı grafiği.
Kalibrasyon çalışması, 0,1 - 5,5 NO2
(pBs tamponunda, pH:7)’in MnO2-rGO/GC elektrot üzerinde optimum şartlarda DPV voltamogramları alınmak suretiyle elde edilmiştir. Her bir konsantrasyon için voltamogramlardan elde edilen anodik pik akımı değerleri Çizelge 4.6’da verilmiştir.
