Kil mineralleri yüzeyine bazı biyomoleküllerin immobilizasyonu ve elektrokinetik özellikleri

Abstract

Sunulan bu tez deneysel olarak üç bölümde incelenmiştir. İlk kısımda sepiyolit, kaolinit, genleşmiş ve genleşmemiş perlit örnekleri gibi bazı oksit minerallerinin sistematik olarak elektrokinetik özellikleri, ikinci kısımda serum albümin, kazein, katalaz ve lizozim gibi bazı biyomoleküllerin immobilizasyonları ve biyomolekül kaplanmış olan taneciklerin elektrokinetik özellikleri incelenmiş ve son kısımda ise saf ve immobilize enzimlerin aktiviteleri ve Km ve Vmax gibi kinetik parametreleri hesaplanmıştır. Oksit/su arayüzeyinin elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi oksitçe zengin gözenekli ortamlar ile oksitlerin kolloit süspansiyonlarının kararlılıklarını anlamak için çok önemlidir. Bu amaçla, sunulan bu çalışmanın ilk kısmında mikroelektroforez tekniği kullanılarak oksitlerin elektrokinetik özellikleri katı/sıvı oranı, pH, elektrolitin türü ve konsantrasyonuna bağlı olarak incelenmiştir. Kil süspansiyonlarının elektrokinetik özellikleri NaCl, KCl, LiCl, NaNO3, CH3COONa, MgCl2, CaCl2, BaCl2, Na2CO3, Na2SO4, AlCl3, FeCl3, Na3PO4 ve iki değerlikli ağır metal tuzları olan CoCl2, CuCl2 ve Pb(NO3)2. gibi tek-, iki- ve üç değerlikli tuzların sulu çözeltileri içerisinde ii belirlendi. Ayrıca oksit minerallerinin izoelektrik noktaları (iep) ve potansiyel tayin edici iyonları (pdi) belirlemek için sistematik olarak zeta potansiyel deneyleri yapıldı. Deneysel sonuçlardan (i) killerin katı konsantrasyonunun zeta potansiyellerine anlamlı bir değişiklik yapmadığı (ii) pH’nın zeta potansiyelini önemli ölçüde değiştirdiği (iii) incelenen pH aralığında kaolinit ve sepiyolitin izoelektrik noktalarının sırasıyla 2,35 ve 6,60 olduğu fakat perlit örneklerinin izoelektrik noktaya sahip olmadığı, (iv) tek değerlikli katyonlar, anyonlar ile iki ve üç değerlikli anyonların killer için zeta potansiyellerinde farklılık yaratmayan iyonlar olduğu, kaolinit, sepiyolit ve genleşmiş perlit için MgCl2, CaCl2, BaCl2, CoCl2, CuCl2, Pb(NO3)2, AlCl3 ve FeCl3 tuzlarının zeta potansiyellerini negatiften pozitife çevirdikleri, genleşmemiş perlit için ise CaCl2, BaCl2, AlCl3, ve FeCl3 metal tuzların potansiyel tayin edici iyonlar olduğu bulundu. Çalışmada serum albümin, kazein, katalaz ve lizozim biyomolekülleri seçilerek bazı oksit mineralleri yüzeyine çeşitli parametrelerde örneğin; biyomolekülün, NaCl ve fosfat iyon derişimlerinin, çözeltinin pH ve sıcaklığının bir fonksiyonu olarak adsorpsiyonu incelenmiştir. Deneysel sonuçlara göre adsorpsiyon kapasiteleri pH’ya büyük oranda bağlılık göstermektedir. qe-pH grafiklerinde biyomoleküllerin izoelektrik noktaları civarında maksimuma ulaşıldığı bulunmuştur. Maksimum adsorpsiyonun olduğu pH değerlerinde, elektrostatik etkileşmenin uygun olduğu düşünülmektedir. Elektrostatik etkilerin yanı sıra yapısal etkiler de izoelektrik noktanın her iki tarafındaki adsorbe edilen biyomolekülün miktarındaki azalmayı açıklamak için gereklidir. Yapısal etkiler pH’nın değişiminin sonucu olarak biyomoleküllerdeki farklı konformasyon durumlarıyla ilişkilidir. Çalışmanın devamında ise, biyomolekül kaplanmış taneciklerin elektrokinetik özellikleri de incelenmiştir. Taneciklerin zeta potansiyelleri de farklı biyomolekül, NaCl, fosfat iyon derişimi ve çözelti pH sında ölçülmüştür. Son bölümde ise saf ve immobilize enzimlerin aktiviteleri spektrofotometrik olarak absorbanslarındaki azalmalardan direkt olarak ölçülmüştür. Ayrıca Lineweaver–Burke doğruları yardımıyla Km ve Vmax değerleri hesaplanmıştır.

The presented thesis has been experimentally studied in three parts. The first part is a systematically investigation of the electrokinetic properties of some oxide minerals such as sepiolite, kaolinite, and expanded and unexpanded perlites. The second part is immobilization of some biomolecules such as bovine serum albumin, casein, catalase and lysozyme, and electrokinetic properties of biomolecules-covered particles finally the last part is the studying the enzymatic activity of pure and immobilized enzyme and calculation of kinetic parameters such as Km and Vmax. The study of the electrochemical properties of the oxide/water interface is important for understanding a large number of properties of oxide-rich porous media and colloid suspension stability of oxides. For this purpose, in first section of this study, the electrokinetic properties of some oxide minerals have been investigated using the microelectrophoresis technique as a function of solid/liquid ratio, pH and type and concentration of electrolyte. The electrokinetic properties of clay suspensions have been determined in aqueous solutions of mono-, di-, and trivalent salts such as NaCl, KCl, LiCl, NaNO3, NaCH3COO, MgCl2, CaCl2, BaCl2, Na2CO3, Na2SO4, AlCl3, FeCl3, Na3PO4 and divalent heavy metal salts such as CoCl2, CuCl2 and Pb(NO3)2. Furthermore, systematic zeta potential experiments have been performed to determine the isoelectric point (iep) and potential determining ions (pdi). From the experimental results, (i) the zeta potential of clays is not significantly affected by the solid concentration; (ii) pH strongly altered the zeta potential of clays; (iii) sepiolite and kaolinite have an isoelectric point at about pH 2.35 and 6.60 respectively whereas perlite samples has no iep at studied pH ranges, (iv) monovalent cations and anions, and di- and trivalent anions were indifferent electrolytes for clays whereas MgCl2, CaCl2, BaCl2, CoCl2, CuCl2, Pb(NO3)2, AlCl3 and FeCl3 changed the interface charge from negative to positive for sepiolite, kaolinite and expanded perlite but the potential determining ions for unexpanded perlite are CaCl2, BaCl2, AlCl3, and FeCl3 metal ions. The adsorption properties of biomolecules such as, bovine serum albumin, casein, catalase and lysozyme onto some oxide minerals were studied as a function of concentrations of biomolecules, sodium phosphate and NaCl concentration, pH and temperature of the solution. According to the experimental datas, adsorption capacity values showed a great dependence on pH. It was found that qe-pH curves reached a maximum at around isoelectric point (iep) of biomolecules. The pH values where the maximum adsorbed mass occurred might be considered as the conditions where electrostatic attraction is the most favourable. Both structural and electrostatic effects must be invoked to explain the diminution of adsorbed biomolecules on either side of the iep. Structural effects were related to the different conformational states that biomolecules adopted the changes with pH. Furthermore, the electrokinetic properties of biomolecules-covered oxide particles were also investigated. Zeta potentials of the minerals were also measured as a function of different biomolecules and phosphate concentrations, pH and ionic strength of solution indicated by NaCl concentration. As a last part of the study, the activities of pure and immobilized enzymes were determined spectrophotometrically by the direct measurement of the decrease of light absorption caused by the decomposition of substrates. The Km and Vmax values were calculated by means of the Lineweaver- Burke plot.