1
TEKNOFEST
HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ
İNSANLIK YARARINA TEKNOLOJİ YARIŞMASI PROJE DETAY RAPORU
PROJE KATEGORİSİ: Sağlık ve İlk Yardım PROJE ADI: Et ve Balık Tazelik Sensörü
TAKIM ADI: Sensör
TAKIM ID: T3-28375-151 TAKIM SEVİYESİ: Lise
DANIŞMAN ADI: Zeynep Selime ÇÖP
2 1. Proje Özeti (Proje Tanımı)
Et ve balık ürünlerinin tazeliğinin saptanması için kimyasal sensör dizilerinden oluşan elektronik burun ve elektronik dil kullanılması konusunda çok sayıda çalışma bulunmaktadır.
Ne yazık ki, gıdaların tazeliğini belirlemek için belli bir kimyasal maddeye veya madde sınıfına seçici olarak cevap verebilecek tek bir sensör bulmak güç olduğundan farklı sınıftan kimyasallara farklı cevap veren ve çok sayıda algılayıcı eleman içeren sensör dizilerine, yazılım ve donanımlara ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu projede, et ve balık ürünlerinde bozulma nedeniyle ortaya çıkan amonyak, trimetil amin (TMA), dimetil amin (DMA) gibi uçucu bileşiklerin (Toplam uçucu amin bileşikleri olarak bilinmektedir) diğer uçucu kimyasal bileşikler yanında seçici bir şekilde algılanması için sensör geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede et ve balık ürünlerinin tüketime ve sağlığa uygun olup olmadığı tek bir sensör ile basit ve ucuz olarak belirlenebilecektir.
Deney aşamasında LCA11 sıvı kristali ve polimetil meta krilat polimeri sentezlenip katkılandırılarak çeşitli oranlarda iki ayrı sensör oluşturulmuştur. Oluşturulan sensörlerin amonyak, trimetil amin (TMA), dimetil amin (DMA) gibi kimyasallara, zamana karşı verdiği cevaplar incelenmiştir.
Elde ettiğimiz sensörlerin et ve balık ürünlerinde bozulma sonucu ortaya çıkan çok çeşitli uçucu bileşikler arasında uçucu aminlere karşı çok seçici ve duyarlı olduğunu ve bunların bu sensörlerle duyularımızla algılanamayan konsantrasyon seviyesinde olsalar bile tayin edilebileceği sonucuna ulaşılmıştır.
2. Problem/Sorun:
Gıda güvenliği insan sağlığı bakımından son yıllarda üzerinde önemle durulması gereken bir konu olmuştur. Gıda ürünlerinde insan sağlığını olumsuz yönde etkileyebilecek, ölümcül olabilecek kimyasallar ve mikrobiyal bozulma sonucu oluşan patojen mikroorganizmalar üretim aşamasından tüketilmesine kadar geçen süre içinde her an ortaya çıkabilmektedir. Bu bakımdan, gıda ürünlerinin taşıma ve depolama süreçleri de dahil olmak üzere hijyenik kalitesinin bütün bu süreçte korunması ve izlenmesi gerekmektedir.
Bakteri sayımı yöntemi, toplam uçucu organik karbon ve uçucu bazik azot bileşiklerinin gaz kromatografisi, gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi, sıvı kromatografisi, kapiler elektroforez, olfaktometri, potansiyometri gibi geleneksel analiz yöntemleriyle tayini gıda ürünlerinin kimyasal, biyokimyasal ve bakteriyolojik olarak bozulma derecesinin saptanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu yöntemler genellikle yüksek bir doğruluk ve duyarlığa sahip olmakla birlikte örnekteki kimyasalların miktarının kolay, hızlı ve ucuz bir şekilde sürekli izlenmesine izin vermezler.
Gıda güvenliğinin kontrolü bakımından basit, ucuz ve hızlı ama aynı zamanda duyarlı ve güvenilir analitik yöntemlere ve cihazlara büyük bir ihtiyaç vardır. İnsan duyularına benzetilerek “elektronik burun” ve “elektronik dil” olarak adlandırılan ve kimyasalların algılanmasında kullanılan “kimyasal sensörler” günümüzde bu ihtiyacı karşılamaktadırlar.
3 3. Çözüm
Sıvı kristal özelliği gösterdiği bilinen LCA11, polimetil meta krilat ile katkılandırılarak bozulma sonucunda ortaya çıkan amonyak ve diğer uçucu aminlere çok hızlı bir şekilde cevap veren, basit, ucuz, duyarlı ve seçici olan bir sensör elde edilmiştir. Sensör çözücü buharları arasında asetona nispeten yüksek, ama sudan daha yüksek olmayan bir cevap vermiştir.
Asetonun suya göre doygunluk buhar basıncının, dolayısıyla buhar konsantrasyonunun çok daha yüksek olduğu düşünüldüğünde, aynı düzeydeki buhar konsantrasyonlarına sahip olmaları halinde asetona karşı çok daha düşük cevaplar elde edileceği açıktır. Diğer çeşitli uçucu organik madde buharlarına karşı sensör ihmal edilebilecek düzeyde cevap vermiştir.
Bu sonuçlar, elde ettiğimiz sensörlerin et ve balık ürünlerinde bozulma sonucu ortaya çıkan çok çeşitli uçucu bileşikler arasında uçucu aminlere karşı çok seçici ve duyarlı olduğunu ve bunların bu sensörlerle duyularımızla algılanamayan konsantrasyon seviyesinde olsalar bile tayin edilebileceğini göstermektedir.
4. Yöntem
4.1. LCA11 Sentezi(Sıvı kristal sentezi) 1. 0,195 g LC11 tartıldı.
2. Üzerine 0,5 ml etanol eklendi.
3. 0.16 g NaOH tartıldı ve 0,5 ml saf suda çözüldü.
4. 8M’lık NaOH çözeltisinden 0,5 ml alınarak LC11 ve etanol içeren karışıma eklendi.
5. Elde edilen karışım reflux altında 1100C de 5 saat karıştırıldı.
6. Refluxten alınıp 1 gece boyunca oda sıcaklığına döndürüldü. Ardından saflaştırma işlemlerine başlanıldı
4.2. Saflaştırma
1. Karışım 6M HCl ile muamele edilerek pH’ı 1’e düşürüldü.
2. Örnek süzüldü.
3. Süzüntü önce saf su ile daha sonra soğuk etanol ile yıkandı.
4. %45 verimle ürün elde edildi.
4.3. Polimetil meta krilat eldesi (PMMA)
1. 1,06 mL (1 gram, 0,00995 mol) metil metakrilat bir deney tüpünde, 3 mL THF içinde çözüldü.
Daha önceden 78 ºC dereceye getirilen yağ banyosuna yerleştirilmeden önce karışıma 0,0141 gram (9,95x10-5mol) AIBN(Azobisisobutyronitrile) eklendi.
2. Tüpün içinden azot gazı geçirildi.
3. Tüp 78 ºC sabit sıcaklıktaki yağ banyosuna yerleştirildi. 3 saat boyunca karışmaya bırakıldı.
4. Tüp sürenin sonunda yağ banyosundan çıkarıldı ve polimer, dietil eter içinde çöktürülüp süzüldükten sonra elde edildi
4.4. Sensörün Hazırlanması
Çalışmanın bu aşaması Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr.
Hüsnü Cankurtaran eşliğinde gerçekleştirilmiştir.
4
1. 0.250 g PMMA 25 mL 1-metil-2-pirolidon içinde çözülerek % 1’lik (ağ/hacim) PMMA çözeltisi hazırlandı.
2. LCA11 sıvı kristalinden 0,05 g alınarak 10 mL 1-metil-2-pirolidon içinde çözülerek % 0,5’lik (ağ/hacim) LCA11 çözeltisi hazırlandı.
3. Farklı oranlarda PMMA ve LCA11 içeren filmler elde etmek üzere hazırlanan bu çözeltiler belli oranlarda karıştırıldı. Elde edilen bu homojen çözeltilerden, kaplanacak alanlar aynı olacak şekilde IDE elektrotlar üzerine belli hacimler bir mikropipet yardımıyla damlatılarak çözücünün uçması için 1 gün bekletildi.
Hazırlanan elektrotlar şunlardır:
LCA11-1
120 L % 0,5’lik LCA11 ve 80 L % 1.0’lik PMMA içeren karışımdan 10 L alınarak elektroda kaplandı. Bu film % 42,9 LCA11 içermektedir.
LCA11-2
150 L % 0,5’lik LCA11 ve 50 L % 1.0’lik PMMA içeren karışımdan 11,2 L alınarak elektroda kaplandı. Bu film % 60.0 LCA11 içermektedir.
4.5. Sensör Ölçümleri
HIOKI 3522-50 LCR metre ölçüm ünitesinde impedans ölçümleri gerçekleştirilmiştir.
Hazırlanan elektrotlar bağlantı kablosu bir PP kapağa sıkıca monte edilmiş halde 250 mL hacmindeki çok boyunlu bir cam balona yerleştirildi.
Bağlantı kablosu LCR metreye bağlandı. Elektrotların azot gazı atmosferi altında impedans, resistans, kapasitif reaktans ve faz açıları değerleri 0.5 V potansiyel farkı altında 1 kHz ve 100 kHz alternatif akım frekansı için kaydedildikten sonra su ile farklı çözücü buharları ve amonyak, dimetil amin, dietil amin içeren ortamlarda bu değerlerdeki değişim zamana bağlı olarak kaydedildi.
Sensörlerin çözücü ile amonyak ve amin buharlarına karşı cevapları 10 mL su konularak nemle doygun hale getirilen ölçüm balonunda ölçülerek suyun bu maddelerin algılanmasında girişim etkisine veya tam tersi olarak hassasiyette artışa neden olup olmadığı incelendi. Bunun için 10 mL su içeren balona çözücü ve aminler bir mikro pipet yardımıyla ilave edildi.
Denge cevabına ulaşıldıktan sonra ortama azot gazı gönderilerek ölçülen elektriksel parametrelerin başlangıç değerine ulaşması sağlandı. Tüm bu çalışmalar boyunca iş sağlığı ve güvenliğine uygun koşullarda ve kimyasalların insan sağlığına zararlı olmadığı konsantrasyon seviyelerinde ve koşullarda çalışılmıştır.
Grafik 1: LCA11-2sensörünün belirtilen konsantrasyondaki sulu amonyak, dimetilamin ve dietilamin çözeltilerindeki ve doygun konsantrasyonda nem ve organik çözücü atmosferindeki empedanslarındaki değişim değerleri
5 5. Yenilikçi (İnovatif) Yönü
Geliştirdiğimiz polimer katkılı sıvı kristal, sıvı kristallerle ilgili sınırlı sayıdaki sensör çalışmalarına hem katkı sağlamış hem de gıda kontrol laboratuvarlarında kullanılmak üzere endüstriyel uygulama imkanı bulabileceğini göstermiştir. Bu sonuçlar, elde ettiğimiz sensörlerin et ve balık ürünlerinde bozulma sonucu ortaya çıkan çok çeşitli uçucu bileşikler arasında uçucu aminlere karşı çok seçici ve duyarlı olduğunu ve bunların bu sensörlerle duyularımızla algılanamayan konsantrasyon seviyesinde olsalar bile tayin edilebileceğini göstermektedir.
6. Uygulanabilirlik
Elde ettiğimiz bulguları değerlendirdiğimizde, geliştirdiğimiz polimer katkılı sıvı kristal, sıvı kristallerle ilgili sınırlı sayıdaki sensör çalışmalarına hem katkı sağlamış hem de gıda kontrol laboratuvarlarında kullanılmak üzere endüstriyel uygulama imkânı bulabileceğini göstermiştir.
7.Tahmini Maliyet ve Proje Zaman Planlaması
Projede Kullanılan Kimyasal ve Malzemeler:
1L Etanol: 39.90 TL 1kg NaOH: 31 TL 1kg HCl: 30 TL
1L Metimetakrilat: 100 TL
1 L THF: 200 TL
1L dietil eter: 93 TL LCR metre: 1200 TL 1L Amonyak: 25 TL Di etil amin: 100 TL 1L prolidon: 70 TL Reflux cihazı: 1800 TL
Bilgisayar: 2800 TL FTIR spektrumu:84000 TL
Altın elektrotlar: 246 TL (bir adet)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
50 ppm 50 ppm 63 ppm su (doygun)
toluen (doygun)
etanol (doygun)
kloroform (doygun)
aseton (doygun)
Sensör Cevabı (Z0/Zdoygunluk)
NH3
DMA DEA
6
Tahmini proje maliyeti: 100000 TL (Maliyet sıfırdan laboratuvar kurulacağı düşünülerek belirlenmiştir)
Biz projemizde maliyeti düşürmek adına sıvı kristali satın almak yerine kendimiz sentezledik ve böylece maliyeti yarı yarıya düşürdük. Altın elektrotlar tekrar kullanılabilir özellikte olduğu için minimum elektrot kullandık. LCR Metre, reflux cihazı, bilgisayar ve FTIR spektrumu alınmamış İstanbul Teknik Üniversitesi laboratuarlarının imkanlarıyla gerçekleştirilmiştir. Yine çalışmada kullanılan kimyasallar İstanbul Teknik Üniversitesi laboratuarlarından temin edilmiştir.
8. Proje Fikrinin Hedef Kitlesi (Kullanıcılar):
Projede üretilen sensör gıda kontrol laboratuvarlarında kullanılabilir.
9. Riskler
Risk Açıklaması Ortaya Çıkma
Olasılığı Projeye Etkisi Risk Nasıl Azaltılabilir?
Hazırlanan elektrotlardaki LCA11 yüzdesinin
yeterli olmaması
Orta Yüksek Farklı yüzdelerde LCA11 içeren elektrotlar hazırlanmalıdır Sentezlenen LCA 11
in amin gruplarıyla etkileşime girmemesi
Düşük Yüksek PMMA ile katkılamak
İnsan sağlığı Düşük Orta Düşük konsantrasyonda çalışmak
Sensör hassasiyeti Düşük Yüksek
Azot gazı kullanılarak parametrelerin başlangıç seviyesine gelmesi sağlanmalı 10. Proje Ekibi
Takım Lideri: Kübra Nur Güleryüz
Adı Soyadı Projedeki Görevi Okul Projeyle veya problemle ilgili tecrübesi Kübra Nur
Güleryüz
Proje fikrinin bulunması, proje takvimi ve iş planı
oluşturulması
İstanbul Özel Güneşli Okyanus
Anadolu Lisesi
Projenin fikir aşamasından, geliştirilip deney süreçlerine kadar
her aşamada aktif rol oynamıştır.
Sümeyye Aras
Proje ile ilgili araştırma yapılması, deneylerin
İstanbul Özel Güneşli Okyanus
Projenin fikir aşamasından, geliştirilip deney süreçlerine kadar AYLAR
İşin Tanımı Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran
Literatür Taraması X X X
Deneylerin Yapılması X X X X
Verilerin Toplanması ve Analizi X X X
Proje Raporu Yazımı X
7
gerçekleştirilmesi Anadolu Lisesi her aşamada aktif rol oynamıştır.
İrem Suci
Proje ile ilgili araştırma yapılması, proje takvimi ve iş planı oluşturulması
İstanbul Özel Okyanus Fen Ve
Proje Lisesi
Projenin fikir aşamasından, geliştirilip deney süreçlerine kadar
her aşamada aktif rol oynamıştır.
Gökçe Alıcı
Proje deneylerinin tasarlanması ve gerçekleştirilmesi
İstanbul Özel Okyanus Fen Ve
Proje Lisesi
Projenin fikir aşamasından, geliştirilip deney süreçlerine kadar
her aşamada aktif rol oynamıştır.
Efe Kaan Berberoğlu
Proje deneylerinin tasarlanması ve gerçekleştirilmesi
İstanbul Özel Okyanus Fen Ve
Proje Lisesi
Projenin fikir aşamasından, geliştirilip deney süreçlerine kadar
her aşamada aktif rol oynamıştır.
11. Kaynaklar
[1] Olafsdottir, G., Fleurence, J. (1998). Evaluation of fish freshness using volatile compounds- Classification of volatile compounds in fish. In Methods to Determine the Freshness of Fish in Research and Industry, Proceedings of the Final meeting of the Concerted Actions “Evaluation of Fish Freshness”. AIR3 CT94 2283. Nantes Nov 12-14, 1997. International Institute of Refrigeration, 55-69.
[2] Goodby, J. W., Bruce, D. W., Hird, M., Imrie, C. Ve Neal, M. (2001). An Introduction to Materials Discussion No.4: Molecular Topology in Liquid Crystals. J. Matter. Chem., 11, 2631-2636.
[3] Korkmaz, B. (2015). Synthesis And Investigation Of A New Chalcone Based Liquid Crystaline Polymer, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul.
[4].Shah R. R., Abbott N. L. (2003). Orientational Transitions of Liquid Crystals Driven by Binding of Organoamines to Carboxylic Acids Presented at Surfaces with Nanometer-Scale Topography. Langmuir, 19, 275-284.
[5] Sutarlie L., Qin H., Yang K. L. (2010). Polymer stabilized cholesteric liquid crystal arrays for detecting vaporous amines. Analyst, 135, 1691–1696.
[6] Aksuner, N. (2008). Development Of New Optıcal Sensors For Metal Ion Sensıng, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, İzmir.
[7] Cadwell, K. D., Lockwood, N. A., Nellis, B. A., Alf, M. E., Willis, C. R., Abbott N. L.
(2007). Detection of organophosphorous nerve agents using liquid crystals supported on chemically functionalized surfaces. Sensors and Actuators B, 128, 91–98.
[8] Shah, R. R., Abbott, N.L. (2001). Coupling of the orientations of liquid crystals to electrical double layers formed by the association of surface-immobilized salts. J. Phys.
Chem. B 105, 4936–4950.
[9] Shah, R. R., Abbott, N. L. (1999). Using liquid crystals to image reactants and products of acid–base reactions on surfaces with micrometer resolution, J. Am. Chem. Soc. 121, 11300–
11310.
[10] Shah, R. R., Abbott, N. L. (2001). Principles for measurement of chemical exposure based on recognition-driven anchoring transitions in liquid crystals, Science 293, 1296–1299.
[11] Yang, K. L., Cadwell, K., Abbott, N. L. Use of self-assembled monolayers, metal ions and smectic liquid crystals to detect organophosphonates, Sens. Actuators B B104 (2005) 50–
56.
8
[12] Yang, K. L., Cadwell, K., Abbott, N. L. (2004). Mechanistic study of the anchoring behavior of liquid crystals supported on metal salts and their orientational responses to dimethyl methylphosphonate, J. Phys. Chem. B 108, 20180–20186.
[13] Cadwell, K., Alf, M. E., Abbott, N. L. (2006). Infrared spectroscopy of competitive interactions between liquid crystals, metal salts and dimethyl methylphosphonate at surfaces, J. Phys. Chem. B 110, 26081–26088.
[14] Shibaev, P. V., Wenzlick, M., Murray, J., Tantillo, A., Howard-Jennings J. (2015).
Rebirth of Liquid Crystals for Sensoric Applications: Environmental and Gas Sensors.
Advances in Condensed Matter Physics, Article ID 729186, 8 pages İnternet Kaynakları
1. http://documents.tips/documents/kimyasal-sensoerler-ve-kullanim-alanlari.html. [15]
2. http://www.polimerler.com/sivi%20kristaller/sivi%20kristaller.htm. [16]
3. http://dx.doi.org/10.1155/2015/729186. [17]
9
EK GÖRSELLER
Resim 1: Sıvı kristalin saflaştırılması (1), Sensörde kullanılan elektrod (2), Sensör ölçümünde kullanılan düzenek(3)
Resim 4: LCA11 FTIR spektrumu
PMMA/LCA11 kompozitin farklı sıcaklıklardaki Polarize Optik Mikroskop görüntüleri
203,9 0C 190,3 0C
1 2 3
10
179,9 0C 164,6 0C
154,5 0C 145,8 0C
138,8 0C 122,2 0C
94,1 0C 78,9 0C
