Ανάπτυξη και αναλυτικές εφαρμογές νέων βολταμμετρικών χημικών και βιοχημικών αισθητήρων όζοντος

Abstract

CHAPTER 1. In this chapter the development of a new amperometric biosensor for the determination of formaldehyde, is presented. The construction of the biosensor is based on the multi-membrane technique, which is consisted of an outer polycarbonate membrane and an inner cellulose acetate membrane. Alcohol oxidase has been immobilized onto a Nylon 66 membrane, which is placed between the two aforementioned membranes. The whole assembly is fitted onto the surface of a platinum working electrode with the aid of an elastic O-ring. The biosensor was mounted to a FI manifold and the enzymatically produced Η₂Ο₂ was monitored at +0.65 V (vs Ag/AgCl/KCl 3 M) at pH=7,0. Several types of membranes, such as HA (physical adsorption). Biodyne B (ionic affinity) and Immunodyne ABC (chemical binding), has been tested for the immobilization of the enzyme. The best results were retrieved for Biodyne B membrane. The response of the biosensor was tested against the pH, using a 0.05 M phosphate buffer solution in the pH range 5.5-8.5, revealing a maximum at pH 7.0. Methanol, ethanol, propanol and acetaldehyde were investigated as potent interferants. The results showed that only methanol and ethanol interfere at the proposed method, while propanol and acetaldehyde have no serious interference action. Under the optimum conditions, a linear calibration curve over the concentration range 0.01-1.0 mM HCHO, was constructed. Data fit the equation y = (142.1 ± 1.9) [HCHO, mM] + (1.9 ± 0.9) with a correlation coefficient r² = 0.9996 (n=5). The limit of detection (S/N 3) and the RSD of the method were calculated at 0.02 mM HCHO and 2.3% (n=9 for 0.5 mM HCHO), respectively. The stability of the biosensor is satisfactory and the system can be successfully used to measure more than 100 samples of 0.5 mM HCHO without need of intermediate recalibrations. The proposed biosensors, also, displayed very good storage ability when stored in the working buffer solution at +4 °C, if not in use. They retain their initial activity for more than 2 months. CHAPTER 2. An electrochemical method, based on the concept of a biosensor for the monitoring of ozone, is described for first time. The proposed method includes two parts: a selective sorbent for ozone, that is, eugenol and a formaldehyde amperometric biosensor, mounted to a flow-through cell. Via a 1,3-dipolar cycloaddition reaction ozone adds rapidly to the double bond of the allyl group of eugenol, which has been immobilized onto a hydrophobic C-18 reactor and the so produced formaldehyde is collected into the working buffer solution (sampler) and pumped to the detector. Ozone concentration was correlated with the peak current of the FI-curves, due to the enzymatically produced H²O², which was monitored at +0.65 V (vs Ag/AgCl/KCl 3 M) at pH 7.0. Under the optimum conditions, two calibration curves I/nA = f(μg mL⁻¹ O₃), one based on peak current signals of the FI-grams and the other based on the steady-state current outputs, over the concentration range 3-200 μg mL⁻¹ O₃, were constructed, applying the least-squares method. The equation for the FI-grams based straight line is y = (1.42 ± 0.01)(μg mL⁻¹ O₃) + (5.66 ± 0.99), with a correlation coefficient r²=0.9998 (n=8). The detection limit (S/N 3) and the RSD were calculated 2.1 μg mL⁻¹ O₃ and 0.74% (n=8 for 100 μg mL⁻¹ O₃), respectively. Correspondingly, the equation for the steady-state-based straight line is (2.23 ± 0.01) (μg mL⁻¹ O₃) + (0.92 ± 0.78) with a correlation coefficient r²=0.9998 (n=8). The detection limit (S/N 3) and the RSD were calculated 1.1 μg mL⁻¹ O₃ and 0.69% (n=5 for 100 μg mL⁻¹ O₃), respectively. The proposed method is interference free from other gases such as Ο₂, Ar, N₂, N₂O, NOCI, SO₂, NH₃ and CO₂, which were tested at concentrations >200-fold higher than that of 100 μg mL⁻¹ O₃, used for comparison. The analytical applicability of the proposed method was evaluated by determining the ozone concentration in synthetic gaseous samples, by using a stainless steel thermo stated chamber, being equipped with a ventilation system, fan and proper in/out-puts for enrichment, sampling or probing purposes. The results were in good agreement with those obtained by the Gastec system. CHAPTER 3. The first impedimetric sensor for ozone monitoring is described. The proposed method is based on the degradation of a lignin polymer film, due to the oxidative cleavage reaction of ozone, resulting in changes of the faradaic impedance. Glassy carbon working electrodes were modified with Lignin Organosolv (LO), by spotting 10μL of a 0.3 mg mL⁻¹ LO solution in acetone and left 12 h the solvent to evaporate in open air. Experimental conditions such as the solvent of LO, the concentration of the LO solutions, the amount of the volume spotted onto the electrode surface, the reaction medium and the reaction time were optimized by performing cyclic voltammetry and EIS experiments. The effect of 1) ozone on the electrochemical properties of bare GC electrodes, 2) oxygen (main component in the ozone stream) on the degradation of the lignin coatings and 3) sulphuric acid on the mechanical properties of the lignin films, were also investigated. CV and EIS experiments gave evidence that the obtained signals shown above are solely attributed to the ozonolysis reaction. A slight change of the electrochemical behaviour (decrease of capacitive current, increase of Rct) of the LO modified-GC electrodes was observed during the first 15 min, after the immersion of the sensors in the electrolyte solution (swelling of the polymer). To ensure a constant baseline all measurements were performed after a conditioning period of 30 min. All experiments regarding the ozonolysis reaction were carried out into 2.5 mL 0.001 M H2S04, with an O₃ flow rate of 0.25 L min⁻¹. The final concentration of ozone was achieved by adjusting the output of the ozone generator. Impedance spectra were recorded over a frequency range of mL⁻¹- 10⁵ Hz, using a single sinusoidal excitation signal, superimposed on +200 mV. Excitation amplitude of 10 mV (rms) was used throughout. All measurements were carried out in a solution of 10 mM K₃[Fe(CN)₆]/0.5 M KNO₃. Under the optimum conditions, a linear calibration curve over the range 50-250 μg O3, was constructed. Data fit the equation A = (0.36 ± 0.01) B + (-14.15 ± 1.36), where A = (ΔRct/Rci)x100 and B the amount of ozone in μg, with a correlation coefficient r²=0.9994 (n=5). The detection limit (S/N 3) and the RSD were calculated 11.3 μg Ο₃ and 2.1% (n=5 for 100 μg Ο₃), respectively. Lignin Alkali (LA) derivatives with tetraphenylphosphonium (TPP) and papaverine (PAP), were, also, tested as potent materials for the construction of impedimetric sensors for the monitoring of ozone. In addition, EIS data, has been approximated by a Randles equivalent circuit R(Q[RW]), in which the Cdi has been replaced by a constant phase element (CPE), with satisfactory results. The proposed sensor can be potentially applied for the monitoring of ozone in industrial workplaces or as a process gas in various technical and industrial applications.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1°. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η ανάπτυξη και μελέτη ενός νέου αμπερομετρικού βιοαισθητήρα φορμαλδεΰδης. Η κατασκευή του αισθητήρα βασίζεται σε μία πολυμεμβρανική συστοιχία, η οποία αποτελείται από μία εξωτερική (προς το διάλυμα) πολυανθρακική μεμβράνη και μία εσωτερική (προς το ηλεκτρόδιο) μεμβράνη οξικής κυτταρίνης. Μεταξύ των παραπάνω μεμβρανών τοποθετείται μία μεμβράνη Nylon 66 επί της οποίας έχει ακινητοποιηθεί το ένζυμο της αλκοολικής οξειδάσης. Η όλη συστοιχία τοποθετείται πάνω στην επιφάνεια ενός ηλεκτροδίου Pt με τη βοήθεια ενός ελαστικού δακτυλίου (O-ring). Ο βιοαισθητήρας συνδυάστηκε με μία διάταξη συνεχούς ροής (FIA) και μετρήθηκε αμπερομετρικά η συγκέντρωση της φορμαλδεΰδης σε δυναμικό +0,65 V (ως προς ηλεκτρόδιο αναφοράς Ag/AgCl/3M KCl) σε pH=7,0 καταγράφοντας το αναπτυσσόμενο ρεύμα, που προέρχεται από την οξείδωση του ενζυμικά παραγόμενου Η₂Ο₂. Η απόδοση του βιοαισθητήρα μελετήθηκε σε διάφορους τύπους μεμβρανών ακινητοποίησης και για διαφορετικές τιμές pH. Μελετήθηκε, επίσης, η παρεμποδιστική δράση διαφόρων καρβονυλικών ενώσεων. Ο προτεινόμενος βιοαισθητήρας παρουσίασε γραμμική απόκριση στην περιοχή συγκεντρώσεων 0,01-1,0 mM φορμαλδεΰδης. Η εξίσωση συμμεταβολής υπολογίστηκε y = (142,1 ± 1,9) [HCHO, mM] + (1,9 ± 0,9) και ο συντελεστής γραμμικής συσχέτισης είναι r²=0,9996 (n=5). Το όριο ανίχνευσης υπολογίστηκε σε 0,02 mM HCHO (για λόγο σήματος προς θόρυβο 3, S/N=3) η δε σχετική τυπική απόκλιση (RSD) της μεθόδου σε 2,3% (n=9, για 0,5 mM HCHO). Τέλος τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του βιοαισθητήρα κρίθηκαν πολύ ικανοποιητικά, καθώς παρουσίασε εξαιρετική σταθερότητα τόσο κατά τη διάρκεια των μετρήσεων για περισσότερα από 100 συνεχόμενα δείγματα φορμαλδεΰδης αλλά και κατά την παραμονή του σε θερμοκρασία +4°C, διατηρώντας την αρχική του δραστικότητα σχεδόν για 2 μήνες. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2°. Για πρώτη φορά παρουσιάζεται μία ηλεκτροχημική μέθοδος για τον προσδιορισμό του όζοντος, η οποία βασίζεται στη φιλοσοφία των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Η προτεινόμενη μέθοδος περιλαμβάνει δύο σκέλη, ένα αντιδραστήριο - προσροφητή (sorbent) για το όζον και ένα αμπερομετρικό βιοαισθητήρα φορμαλδεΰδης. Το όζον επιδρά μέσω μίας αντίδρασης 1,3-κυκλοπροσθήκης επί του διπλού δεσμού C=C της αλλυλικής αλυσίδας της ευγενόλης, η οποία βρίσκεται ακινητοποιημένη σε ένα αντιδραστήρα με υδρόφοβο υπόστρωμα C-18. Η παραγόμενη φορμαλδεΰδη συλλέγεται εντός του ρυθμιστικού διαλύματος εργασίας το οποίο με τη βοήθεια της αντλίας προωθείται προς τον ανιχνευτή, όπου υπάρχει ο βιοαισθητήρας φορμαλδεΰδης. Ο βιοαισθητήρας συνδυάστηκε με μία διάταξη συνεχούς ροής (FIA) και μετρήθηκε αμπερομετρικά η συγκέντρωση του όζοντος καταγράφοντας το αναπτυσσόμενο ρεύμα, που προέρχεται από την οξείδωση του ενζυμικά παραγόμενου Η₂Ο₂ σε δυναμικό +0,65 V (ως προς ηλεκτρόδιο αναφοράς Ag/AgCl/3 Μ KC1) σε pH=7,0. Υπό τις βέλτιστες πειραματικές συνθήκες κατασκευάστηκε καμπύλη αναφοράς όζοντος με γραμμική περιοχή συγκεντρώσεως 3-200 μg mL⁻¹. Το όριο ανίχνευσής της μεθόδου υπολογίστηκε 1,1 μg mL⁻¹ Ο₃ (S/N=3). Επίσης, μελετήθηκε η πιθανή παρεμποδιστική δράση άλλων αερίων όπως Ο₂, Ar, Ν₂, Ν₂Ο, NOCI, SO₂, ΝΗ₃ και CO₂, σε συγκεντρώσεις 200 φορές μεγαλύτερες από εκείνη των 100 mg mL⁻¹ Ο₃, που χρησιμοποιήθηκε για τη σύγκριση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κανένα αέριο δεν παρεμποδίζει. Εκτός από την εκλεκτικότητα της μεθόδου ικανοποιητικές κρίθηκαν τόσο η λειτουργική σταθερότητα του βιοαισθητήρα όσο και η επαναληψιμότητα των μετρήσεων. Τέλος, γίνεται αναφορά στην εφαρμογή του βιοαισθητήρα για τον προσδιορισμό του όζοντος σε συνθετικά αέρια δείγματα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3°. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη και μελέτη ενός νέου εμπεδησιομετρικού αισθητήρα για τον προσδιορισμό του όζοντος. Η λειτουργία του αισθητήρα στηρίζεται στη μεταβολή της εμπέδησης, τροποποιημένων με λιγνίνη ηλεκτροδίων υαλώδη άνθρακα, ως αποτέλεσμα της αποικοδόμησης του υμενίου λιγνίνης μετά την εμβάπτιση των ηλεκτροδίων σε διάλυμα όζοντος. Το ηλεκτρόδιο εργασίας αποτελείται από υαλώδη άνθρακα τροποποιημένο με ένα υμένιο λιγνίνης (Lignin Organosolv, LO). Η τροποποίηση των ηλεκτροδίων γίνεται με απόθεση επί της επιφάνειας του ηλεκτροδίου ποσότητας 10 μL διαλύματος 0,3 mg mL⁻¹ LO σε ακετόνη και εξάτμιση του διαλύτη για 12 h. Διάφορες πειραματικές συνθήκες, όπως ο διαλύτης της απόθεσης, η συγκέντρωση της LO, ο όγκος του διαλύματος απόθεσης, το μέσο και ο χρόνος αντίδρασης βελτιστοποιήθηκαν με πειράματα κυκλικής βολταμμετρίας και φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης. Επίσης, μελετήθηκε η παρεμποδιστική δράση του οξυγόνου, το οποίο χρησιμοποιείται ως φέρον αέριο του όζοντος. Η αντίδραση διεξάγεται σε 2,5 mL διαλύματος 0,005 Μ H₂SO₄ και οι μετρήσεις εμπέδησης έγιναν σε διάλυμα 10 mM K₃[Fe(CN)₆]/0,5 Μ ΚΝΟ₃, στην περιοχή συχνοτήτων 10⁻¹ - 10⁵ Hz, χρησιμοποιώντας ένα απλό ημιτονικό σήμα τάσης, πλάτους 10 mV (rms) σε συνεχές δυναμικό +200 mV. Υπό τις βέλτιστες πειραματικές συνθήκες κατασκευάστηκε καμπύλη αναφοράς με χρήση προτύπων διαλυμάτων όζοντος, η οποία είναι γραμμική στην περιοχή 50 - 250 μg Ο₃ και ο αντίστοιχος συντελεστής γραμμικής συσχέτισης είναι r²=0,9994 (n=5). Η εξίσωση συμμεταβολής της καμπύλης αναφοράς είναι A = (0,36 ± 0,01) Β + (-14,15 ± 1,36), όπου A = (ARct/Rct)x100 και Β η ποσότητα του όζοντος σε μg. Η % σχετική τυπική απόκλιση της μεθόδου για πρότυπο δείγμα όζοντος ποσότητας 100,0 μg υπολογίστηκε RSD = 2,1 % (n = 5), το δε όριο ανίχνευσης υπολογίστηκε LOD = 11,3 μg Ο₃ για λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N) 3. Επίσης, μελετήθηκαν τα παράγωγα του διαλυτού σε αλκάλια κλάσματος της λιγνίνης (Lignin Alkali, LA) με τα οργανικά κατιόντα τετραφαινυλοφωσφόνιο (Tetraphenylphosphonium, ΤΡΡ) και παπαβερίνη (Papaverine, PAP), ως εν δυνάμει υλικά τροποποίησης της επιφάνειας των ηλεκτροδίων για την ανάπτυξη αισθητήρων προσδιορισμού του όζοντος και κατασκευάστηκαν οι αντίστοιχες καμπύλες αναφοράς. Τέλος, έγιναν μελέτες προσομοίωσης του υπό μελέτη ηλεκτροχημικού συστήματος με ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα Randles, R(Q[RW]), χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Boukamp.