Ανάπτυξη και αναλυτικές εφαρμογές νέων βολταμμετρικών χημικών και βιοχημικών αισθητήρων όζοντος
Authors: Στεργίου Δημήτριος 
Published: August 2021

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.