Optimum doyum manyetizasyonlu süperparamanyetik nanoparçacıkların sentezi, karakterizasyonu ve enzim immobilizasyon uygulaması

Abstract

Bu çalışmanın amacı, optimum doyum manyetizasyonuna sahip süperparamanyetik nanoparçacıkları ortak çöktürme metoduyla sentezlemek, karakterize etmek ve biyoteknolojide potansiyel olarak uygulanabilirliğini göstermektir. Hidrojenle indirgeme yöntemi ile demir oksitten elde edilen demir nanoparçacıklar da karakterize edilmiştir. Bu amaç doğrultusunda insan karbonik anhidraz II (H CAII) enzimi, sentezlenen nanoparçacıklara immobilize edilmiştir. İlk olarak, süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar açık hava ortamında ortak çöktürme yöntemiyle sentezlenmiştir. Titreşimli numune magnetometresi ile yapılan manyetik analizler, [Fe+2]/[Fe+3] oranı 1/2'den 1/1'e arttığında, numunelerin süperparamanyetik olduğunu ve doyum manyetizasyonu, Ms'in 37.63 emu/g'dan 58.37 emu/g'a yükseldiğini göstermektedir. X-ışını kırınımı desenlerinden hesaplanan kristal boyutları, parçacık boyutları 11 nm'den daha küçük olduğunda numunelerin süperparamanyetik olduğunu ortaya koymaktadır. Toplam demir iyon konsantrasyonunun 750 mM'ın üstünde olduğu sentezlerde süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar elde edilmiş ve iyon konsantrasyonu arttıkça Ms değeri 63.71 emu/g'a yükselmiştir. Baz konsantrasyonu sentez şartlarına göre uygun bir değerin üstünde olduğunda, demir oksit nanoparçacıkların Ms değerleri baz konsantrasyonu azaldıkça artmaktadır. Karıştırma hızı ve reaksiyon sıcaklığının, demir oksit nanoparcacıkların yapısal ve manyetik özelliklerini, diğer parametrelerle karşılaştırıldığında, önemli ölçüde değiştirmediği görülmüştür. Reaksiyon süresi arttıkça nanoparçacıkların süperparamanyetik olduğu ancak Ms değerlerinin azaldığı görülmektedir. İkinci olarak, ortogonal dizayn yöntemi kullanılarak açık hava ortamında ortak çöktürme ile optimum Ms'e sahip süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar sentezlenmiştir. Elde edilen nanoparçacıkların Ms değeri 69.83 emu/g olarak ölçülmüştür. Düşük (10 K) ve yüksek (300 K) sıcaklıkta fiziksel özellikler ölçüm sistemi (PPMS) ile yapılan manyetik ölçümler, nanoparçacıkların süperparamanyetik olduğuna işaret etmektedir. Geçirmeli elektron mikroskobu analizi, optimize edilen numunenin parçacık boyutunun 7.0 ± 2.2 nm olduğunu göstermektedir. Üçüncü olarak, optimum Ms'e sahip süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar, hidrojen gazı kullanılarak, yüksek sıcaklıkta, demir nanoparçacıklara indirgenmiştir. Demir nanoparçacıkların Ms ve koersivitesi, sırasıyla 204.40 emu/g ve 12 Oe olarak ölçülmüştür. Çalışmanın son kısmında, demir oksit ve demir nanoparçacıklar, biyoteknolojideki potansiyel kullanımını göstermek için enzim (H CAII) immobilizasyonunda kullanılmıştır. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ile yapılan yapısal analize göre, H CAII'nin demir oksit nanoparçacıklara bağlandığı söylenebilir. PPMS sonuçlarına göre, H CAII bağlı demir oksit nanoparçacıkların Ms değeri demir oksit nanoparçacıklara göre yaklaşık %19 daha düşüktür ve nanoparçacıklar süperparamanyetik özelliğini korumaktadır. Optimize edilmiş nanoparçacıklar kullanılarak kontrol edilebilir nanoparçacık-enzim sistemi elde edilebileceği sonucuna varılmıştır.

The aim of this work is to synthesize and characterize the co-precipitated superparamagnetic nanoparticles with optimized saturation magnetization and to show the potential applicability of these nanoparticles in biotechnology. The iron nanoparticles obtained from iron oxide by hydrogen reduction were also characterized. For the purpose of the study, human carbonic anhydrase II (H CAII) was immobilized to the synthesized nanoparticles. Firstly, superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized by co-precipitation method in air atmosphere. Magnetic analysis made by vibrating sample magnetometer showed that the samples are superparamagnetic and their saturation magnetization, Ms increases from 37.63 emu/g to 58.37 emu/g as the [Fe+2]/[Fe+3] ratio increases from 1/2 to 1/1. The crystal sizes calculated from the x-ray diffraction patterns disclosed that the samples are superparamagnetic when their particle sizes were below 11 nm. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized at above 750 mM of total iron ion concentration and Ms increased to 63.71 emu/g as the iron ion concentration increased. If the base concentration is above a critical concentration to the synthesis conditions, Ms of the iron oxide nanoparticles increases as the base concentration decreases. It was observed that stirring rate and reaction temperature have not significantly altered the structural and magnetic properties of iron oxide nanoparticles as compared with the above parameters. It was seen that the nanoparticles were superparamagnetic but their Ms decreased as the reaction time increased. Secondly, superparamagnetic iron oxide nanoparticles with optimum Ms were co-precipitated in air atmosphere by using orthogonal design. Their Ms was measured as 69.83 emu/g. The magnetic measurements done by physical properties measurement system (PPMS) at low (10 K) and high (300 K) temperatures indicated that the nanoparticles are superparamagnetic. The transmission electron microscope analysis revealed that particle size of the optimized sample is 7.0 ± 2.2 nm. Thirdly, the optimized superparamagnetic iron oxide nanoparticles were reduced to iron nanoparticles at high temperature using hydrogen gas. The Ms and coercivity of iron nanoparticles were measured as 204.40 emu/g and 12 Oe, respectively. In the final part of the study, iron oxide and iron nanoparticles were used in enzyme (H CAII) immobilization to show its potential usage in biotechnology. According to structural analysis made by fourier transform infrared spectroscopy it can be said that H CAII was bound to the iron oxide nanoparticles. To the PPMS results, Ms of H CAII bound iron oxide is about % 19 lower than Ms of iron oxide nanoparticles and it keeps the superparamagnetic character. It can be concluded that controllable nanoparticle-enzyme system can be obtained by using optimized nanoparticles.