İÇECEKLER İÇİN ALKOL SENSÖRÜ

Transkript

1 ÖZEL EGE LİSESİ İÇECEKLER İÇİN ALKOL SENSÖRÜ HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: Erinç MERDİVAN Yalım BENİBOL 2007 İZMİR

2 İÇİNDEKİLER PROJENİN AMACI...2 GİRİŞ...2 YÖNTEM Reaktif ve çözeltiler Alkol çözeltileri Kullanılan aletler PVC kaplama Ölçüm yöntemi Örnekler SONUÇ VE TARTIŞMA...4 PVC matriksin etanol ile floresans sönümlemesi Metanol ve iso-propil alkolün PVC matriksin floresansına etkisi Alkol sensörünün yanıtı İçeceklerin alkol yüzdelerinin belirlenmesi DEĞERLENDİRME...8 TEŞEKKÜR...8 KAYNAKLAR...9 1

3 PROJENİN AMACI Günümüzde bira, şarap, likör gibi alkollü içeceklerin üretimi gıda endüstrisinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Gıda güvenliğinde alkollü içeceklerin kimyasal analizleri, yeterli kalitede üretilmeleri, üretimlerinin sürekliliğinin sağlanması ve taklitlerinden kaçınılması açısından önemlidir. Alkollü içecek analizinde, etanol tayini en önemli analitik yöntemdir. Bu amaçla, çeşitli yaş kimyasal yöntemlerin yanı sıra günümüzde yaygın olarak gaz-sıvı kromatografisi yöntemi kullanılmaktadır. Ancak bu yöntem, iyi bir kullanıcı ve uzun önişlem gerektiren pahalı bir yöntemdir. Bizim çalışmamızdaki amacımız ise, çeşitli alkollü içeceklerdeki etanol miktarını, porfirin bazlı PVC matriks ile florimetrik olarak belirleyebilen hızlı, kolay, doğru ve geniş derişim aralığında çalışılabilen bir yöntem geliştirmek, böylece porfirinlerin etanole karşı kimyasal algılayıcı (kemosensör) olarak kullanılabilirliğini göstermektir. GİRİŞ Tıpta, biyoteknolojide ve gıda endüstrisinde, toksikolojik ve fizyolojik etkilerinden dolayı etanol analizi büyük önem taşımaktadır. Bazı endüstriyel süreçlerde, örneğin fermentasyon ve damıtmada etanol derişimleri toksik seviyelere ulaşabilir, bu da burun mukozasında iltihaplanma ve terlemeye, çok yüksek seviyelerde ise alkol zehirlenmesine neden olabilir. Ancak, şarap endüstrisinde etanol şarabın kalitesini ve tadını sağlayan parametrelerden biri olduğu için derişimi sürekli kontrol edilmelidir (Lvova ve ark., 2006). Bu nedenle, içeceklerde etanol tayini için hassas ve seçici analitik yöntemlere gereksinim duyulmaktadır. Yaygın olarak kullanılan kromatografik teknikler oldukça kompleks olup uzun analiz süresi ve pahalı cihazlar gerektirmektedirler. Bu analiz yöntemlerine alternatif olarak çeşitli tipte sensörler geliştirilmekte ve kullanılmaktadırlar. Örnek olarak floresein (Zeng ve ark., 1994), malahit yeşili (Simon ve ark., 1995), poliaromatik-sübstitiye- okazol ve tiyazoller (Orellana ve ark., 1995) ve trifloroasetofenon türevleri (Seiler ve ark., 1991) gibi bileşikler verilebilir. Aromatik yapıya sahip porfirinler halka sistemlerinden dolayı güçlü kromojenik bileşiklerdir. Porfirinlerin ve metal-porfirinlerin, oksijen (Amao ve ark., 2000), metal iyonları (Zhang ve ark., 2002) ve aminoasitlerin (Yang ve ark., 2002) tayininde floresans taşıyıcı olarak kullanımlarının yanı sıra ph a bağlı floresans spektrumları ve protonlanmaları (Papkovsky ve ark., 1997) ile ilgili çalışmalarda bulunmaktadır. Bu çalışmada, porfirin ve metal porfirinlerin PVC matriks üzerine immobilize edilmesi ve çeşitli alkollü çözeltilere karşı floresans yanıtları belirlenmeye çalışılmıştır. Geliştirilen alkol sensörü tersinir özellikte, geniş derişim aralığına sahip, seçici ve hızlı olup çeşitli alkollü içeceklere başarı ile uygulanmıştır. 2

4 YÖNTEM Reaktif ve çözeltiler Yüksek molekül ağırlıklı poli vinil klorür (PVC), bis(2-etilhekzilftalat) (DOP), 5,10,15,20- tetrakis-fenil porfirin (TFP), çinko klorür, tartarik asit, HF, hidrojen peroksit, sodyum bikarbonat, tetrahidrofuran (THF), etanol, metanol, iso-propil alkol Merck veya Fluka firmasından temin edilmiştir. Tüm çözeltilerde saf su kullanılmıştır. Alkol çözeltileri Çeşitli yüzdelerde hazırlanan metanol, etanol ve iso-propil alkol çözeltilerine alkollü içecek bileşimine benzetmek için 5g/L tartarik asit eklenmiş ve çözeltilerin ph sı 3.2 ye 0,1 M NaHCO 3 kullanılarak ayarlanmıştır. Kullanılan aletler Floresans spektrofotometresi: Floresans spektrumları ve şiddet ölçümleri Varian marka Cary Eclipse model floresans spektrofotometresi ile 1,0 cm lik kuartz hücre kullanılarak yapılmıştır. UV-görünür spektrofotometresi: Absorbans ölçümleri Shimadzu marka UV-1601 model UV-görünür spektrofotometresi ile 3 cm lik cam hücreler kullanılarak yapılmıştır. ph metre: Çözeltilerin ph değerleri WTW InoLab ph metresi ile ölçülmüştür. ph metre asidik ortam ölçümleri için ph 4 ve ph 7 standart tampon çözeltileri ile ayarlanmıştır. PVC kaplama I. Serbest ligand (porfirin) içerikli: Optik sensör membran çözeltisi, 120 mg PVC mg DOP + 5x10-6 M tetrafenil porfirin çözeltisi (1 ml THF çözücüsünde), homojen oluncaya kadar karıştırıldı. Filmin iyi yapışması için, cam plakalar önce derişik nitrik asit ile 12 saat aktive edildi, daha sonra sırasıyla %3 lük hidroflorik asit ve %10 luk hidrojen peroksit çözeltisinde 30 ar dakika bekletildi ve son olarak etanol ve saf su ile yıkandılar. Temizlenmiş olan camlar hazırlanan PVC çözeltisi ile homojen olarak kaplandı ve 24 saat oda sıcaklığında havada kurutuldu. II. metal kompleksi içerikli: 1 ml THF içerinde çözünmüş 5x10-6 M tetrafenil porfirin çözeltisi ile 10 μg ml -1 Zn(II) çözeltisi 5 dakika karıştırılarak Zn-TFP kompleksi oluşturuldu. Elde edilen bu kompleks 120 mg PVC mg DOP ile karıştırılarak temizlenmiş camlar üzerine homojen olarak kaplandı. Ölçüm yöntemi Serbest porfirin ve metal-porfirin içeren PVC matrikslerinin absorbansları öncelikle ölçüldü. Daha sonra her iki matriks 570 nm dalga boyunda uyarılarak nötr (%0 alkol) halde 648 nm dalgaboyunda ve alkollü çözelti içerisinde 651 nm dalgaboyunda emisyon şiddetleri ölçüldü. Hazırlanan PVC matriksin orijinal haline dönmesi için PVC film saf su içeren bir hücrede 2 dakika bekletildi. 3

5 Örnekler Çalışmada kullanılan tüm içecekler İzmir deki yerel marketlerden sağlanmıştır. Kullanılan içecekler ve özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Tüm örnekler şişeler açıldıktan sonra herhangi bir ön işlem yapmadan hemen ölçülmüştür. Çeşitli içeceklerdeki alkol yüzdesini belirlemek için hazırlanan serbest porfirin bazlı PVC matriksinin içecek örneği içerisindeki floresans emisyon şiddeti ölçüldü. Elde edilen floresans emisyon şiddeti etanol için elde edilen kalibrasyon eşitliğinde yerine konularak içeceklerdeki alkol yüzdesi belirlendi. Tüm ölçümler üç kez tekrar edildi. Çizelge 1. Kullanılan içeceklerin özellikleri No Tür Marka Ülke Yıl % Alkol 1 Kırmızı sek şarap Kavaklıdere (Angora) Türkiye ,5 2 Beyaz sek şarap Kavaklıdere (Angora) Türkiye ,5 3 Beyaz sek şarap Sevilen (Narince) Türkiye Gazlı elma şarabı Sevilen Türkiye Sek kırmızı şarap Yazgan (Kulüp) Türkiye ,5 6 Kırmızı şarap Founders Reserve Porto Sandeman Portekiz Brendi Badel Prime Makedonya Brendi Metaxa Yunanistan İskoç viskisi Ballantines, Finest İskoçya İskoç viskisi Justerini & Brooks İskoçya SONUÇ VE TARTIŞMA PVC matriksin etanol ile floresans azalması Şekil 1 de serbest porfirin ile kaplanmış PVC matriksin nm arasında, kendi ve farklı yüzdelerde hazırlanan etanol çözeltileri ile etkileştirilmiş floresans emisyon spektrumları verilmiştir. Şekil 1.a da görüldüğü gibi 570 nm de uyarılan PVC matriksin kendisi yapısındaki konjuge çift bağ sistemi ve Π-elektronlarındaki yüksek hareketlilikten dolayı 648 nm de kuvvetli floresansa sahiptir. Etanol ile etkileştirildiğinde floresans emisyon dalgaboyu 651 nm ye kayma ve etanol yüzdeleri arttıkça PVC matriksin floresansında azalma gözlenmiştir. Bu azalmanın nedeninin daha önceki çalışmalarda açıklandığı gibi hidrojen-bağı ve dipol-dipol etkileşmelerden kaynaklandığı söylenebilir (Paolesse ve ark., 2003). 4

6 Şekil 1. TFP kaplanmış PVC matriksin etanol içerisinde floresans spektrumu. λ uyarma = 570 nm, λ emisyon = 651 nm, a) %0 (λ emisyon =648nm), b) %2,5 c) %5, d) %10, e) %20, f) %30, g) %40 Şekil 2 de ise Zn-porfirin kompleksi içeren PVC matriksin kendi ve farklı yüzdelerdeki etanol çözeltileri içerisinde alınan floresans emisyon spektrumları verilmiştir. Uyarma ve emisyon dalga boylarında herhangi bir kayma olmamıştır. Ancak, nötr ortamda (% 0 alkol) serbest porfirin içeren PVC matrikse göre emisyon şiddeti yaklaşık 1/3 oranında azalmıştır. Bunun nedeni ortamdaki Zn-porfirin kompleksinden dolayı serbest porfirin moleküllerinin az olmasıdır. Ayrıca, alkollü çözeltideki floresans şiddetindeki azalma oranı serbest porfirin içerikli PVC matrikse göre daha düşük bulunmuştur. Farklı yüzdelerdeki alkol çözeltilerine karşı ise duyarlılık göstermemiştir. Şekil 2. Zn + TFP kaplanmış PVC matriksin etanol içerisinde floresans spektrumu. λ uyarma = 570 nm, λ emisyon = 648 nm a) %0, b) %10, c) %20, d) %30 Metanol ve iso-propil alkolün PVC matriksin floresansına etkisi Şekil 3 ve 4 te serbest porfirin ile kaplanmış PVC matriksin kendi ve metanol ve isopropil alkol içerisinde alınmış floresans emisyon spektrumları verilmiştir. Metanollü ve iso-propil alkollü ortamda PVC matriksin floresans emisyon şiddetlerindeki değişim etanollü ortama göre daha az olmuştur. Bu da, metanol ve iso-propil alkolün PVC matriksteki porfirin ile yaptığı 5

7 elektrostatik etkileşimlerin daha az olmasından kaynaklanmaktadır. Farklı yüzdelerdeki metanol ve iso-propil alkol çözeltilerindeki PVC matriksin floresans emisyon şiddetinin azalma oranı da düşük bulunmuştur. Çalışılan alkol çözeltilerinde PVC matriksin duyarlılığı verilen sırada artış gözlenmiştir: iso-propil alkol< metanol<< etanol. Şekil 3. TFP kaplanmış PVC matriksin metanol içerisinde floresans spektrumu. λ uyarma = 570 nm, λ emisyon = 651 nm, a) %0 (λ emisyon =648nm), b) %5, c) %10, d) %20, e) %30, f) %40 Şekil 4. TFP kaplanmış PVC matriksin isopropil alkol içerisinde floresans spektrumu. λ uyarma = 570 nm, λ emisyon = 651 nm, a) %0 (λ emisyon =648nm), b) %5, c) %10, d) %20, e) %30, f) %40 Alkol sensörünün yanıtı Alkol sensörü olarak geliştirilen PVC matriksinin çalışılan üç alkol için yanıt verdiği doğrusal derişim aralığı % 2,5 40 olarak belirlenmiştir. Çalışılan alkoller için kalibrasyon eşitlikleri ve regrasyon katsayıları Çizelge 2 de verilmiştir. Elde edilen kalibrasyon doğrularının eğimi incelendiğinde en yüksek duyarlılık etanol, daha sonra metanol ve iso-propil alkol için elde edilmiştir. Alkol sensorü PVC matriksinin gözlenebilme sınırı %2,5 etanol olarak bulunmuştur. %5 ve %20 etanol çözeltileri için yapılan 10 paralel çalışma sonucunda bağıl standart sapma değeri sırasıyla %1,56 ve %1,95 olarak belirlenmiştir. 6

8 PVC matrikslerinin alkollü çözeltilere yanıt süresi 60 saniyeden kısadır ve 30 dakikaya kadar ölçümlerde floresans emisyon şiddetinde bir değişiklik olmamıştır. Alkol sensörü olarak kullanılan PVC matrikslerinin %2,5 - %40 alkol içeren örnek hücrelerinde kullanılmaları sonrası orijinal haline dönmeleri için saf su içeren cam hücrede 2 dakika bekletilmesi yeterli olmuştur. Aynı PVC matriks arka arkaya 10 kez kullanıldığında performansında önemli bir kayıp olmadığı gözlenmiştir. PVC matrikslerin ömrünün karanlıkta ve oda sıcaklığında saklandıklarında 30 günü aştığı gözlenmiştir. Çizelge 2. Çalışılan alkoller için PVC matriksinin kalibrasyon eşitlikleri Alkol Kalibrasyon eşitliği Regrasyon katsayısı R 2 Floresans şiddet değişimi Doğrusal aralık % Etanol y = -8,0404x + 513,91 0, ,5-40 Metanol y = -5,0063x + 568,28 0, İso-propil alkol y = -3,1432x + 610,17 0, Çizelge 3. İçeceklerdeki alkol yüzdeleri Örnek no Eklenen alkol yüzdesi (v/v) Bulunan Alkol yüzdesi (v/v) 1-11,93 ± 0,15 12,5 Verilen alkol yüzdesi (v/v) Geri Kazanım (%) 2,5 14,48±0,12 100,3 2-11,93 ± 0,15 12,5 2,5 14,52±0,14 100,6 3-11,55 ± 0, ,5 13,89±0,12 98,9 4-4,59 ± 0,10 5 2,5 7,01±0,12 98,9 5-11,05 ± 0,14 11,5 2,5 13,62±0,18 100,5 6-19,52 ± 0, ,5 22,05±0,05 100,1 7-37,05 ± 0, ,5 39,64±0,28 100,2 8* 39,51±0, * 42,06±0, * 42,15±0,19 43 *örnekler ½ oranında seyreltilmiştir 7

9 İçeceklerin alkol yüzdelerinin belirlenmesi Alkol sensörü olarak geliştirilen serbest porfirin içerikli PVC matriksi ile çeşitli alkollü içeceklerin alkol yüzdeleri belirlenmiş ve elde edilen sonuçlar Çizelge 3 te verilmiştir. Bazı alkollü içecek örneklerine belli miktarda etanol eklenerek (spike edilen) geliştirilen alkol sensörü ile etanol yüzdeleri belirlendi. Elde edilen sonuçlar, PVC matriks bazlı alkol sensörü ile spike edilen alkol yüzdesi belirlenmesinin geri kazanımının yüksek olduğunu göstermiştir. DEĞERLENDİRME Porfirin bazlı PVC matriksinin metanol, etanol ve iso-propoil alkollerine karşı florimetrik yanıtları değerlendirilmiştir. Serbest porfirin bazlı PVC matriksinin çalışılan alkollerle karşı duyarlılığı verilen sırada artmıştır: iso-propil alkol<metanol<<etanol. Geliştirilen porfirin bazlı alkol sensörünün kullanılabilirliği çeşitli alkollü içecekler ile belirlenmiştir. İçeceklerin alkol derecesi etanol derişimi cinsinden verilmiştir ve geliştirilen alkol sensörünün çalışma aralığı içinde içeceklerin alkol yüzdeleri başarı ile belirlenmiştir. TEŞEKKÜR Çalışmamız sırasında gereksinim duyduğumuz cihaz ve laboratuar malzemelerinin kullanımına izin veren Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Edebiyat fakültesi, Kimya Bölümü ne ve ayrıca çalışmamız süresince bize danışmanlık yapan Sayın Araştırma Görevlisi Serap Seyhan a teşekkür ederiz. 8

10 KAYNAKLAR Amao, Y., Miyashita, T., Okura, I., (2000), Optical oxygen sensing based on the luminescence change of metalloporphyrins immobilized in styrene-pentafluorostyrene copolymer film, Analyst 125, sayfa Lvova, L., Paolesse, R., Natale C., D amico, A., (2006), Detection of alcohols in beverages: An application of porphyrin-based electronic tongue, Sensors and Actuators B 118, sayfa Orellana, G., Gomez-Carneros, A.M., de Dios, C., Garcia-Martinez, A.A., Moreno-Bondi, M.C., (1995), Reversible fiber-optic fluoresensing of lower alcohols, Analytical Chemistry 67, sayfa Paolesse, R., Natale C., Burgio, M., Martinelli, E., Mazzone, E., Palleschi, G., D amico, A., (2003), Porphyrin-based array of cross-selective electrodes for analysis of liquid samples, Sensors and Actuators B 95, sayfa Papkovsky, D.B., Ponomarev, G.V., Wolfbeis, O.S., (1997), Protonation of porphyrins in liquid PVC membranes: effects of anionic additives and application to ph sensing, Journal of Photochemistry and Photobiology 104, sayfa Seiler, K., Wang, K., Kuratli, M., Simon, W., (1991), Development of an ethanol-selective optode membrane based on a reversible chemical recognition process, Analytica Chemica Acta 244, sayfa Simon, D.N., Czolk, R., Ache, H.J., (1995), Doped sol-gel films fort he development of optochemical ethanol sensors, Thin Solid Films 260, sayfa Yang, R.H., Wang, K.M., Long, L.P., Xiao, D., Yang, X.H., Tan, W.H., (2002), A selective optode membrane for histidine based on fluorescence enhancement of meso-meso-linked porphyrin dimer, Analytical Chemistry 74, sayfa Zang, X.B., Guo, C.C., Li, Z.Z., Shen, G.L., Yu, R.Q., (2002), An optical fiber chemical sensor for Hg ions based on a porphyrin dimer, Analytical Chemistry 74, sayfa Zeng, H.-H., Wang, K.-M., Li, D., Yu, R.-Q, (1994), Development of an alcohol optode membrane based on fluorescence enhancement of fluorescein derivatives, Talanta 41, sayfa