Ανάπτυξη χημικών και βιολογικών αισθητήρων με εφαρμογή στην ανίχνευση φυτοφαρμάκων
Authors: Μαδιανός Λεωνίδας 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνά την δυνατότητα ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης τριών ευρέως χρησιμοποιούμενων φυτοφαρμάκων με την χρήση χημικών και βιολογικών αισθητήρων. Οι διατάξεις που αναπτύχθηκαν σε αυτή την εργασία αποτελούνται από ένα ζεύγος ενδοδιαπλεκόμενων ηλεκτροδίων σε συνδυασμό με ένα δίκτυο νανοσωματιδίων πλατίνας η σύνθεση των οποίων γίνεται μέσω ιοντοβολής.  Βασιζόμενοι σε αυτή την ευέλικτη πλατφόρμα και εκμεταλλευόμενοι την ικανότητα μεταβολής της αντίστασης του φιλμ σε σχέση με τους αγώγιμους δρόμους που αναπτύσσονται μπορούμε ανάλογα με την επιθυμητή εφαρμογή να κατασκευάσουμε δύο κλάσεων αισθητήρες. Η μεν πρώτη αφορά χημικούς αισθητήρες και πραγματοποιείται με επιπλέον εναπόθεση πολυμερών κατάλληλη για προσρόφηση ατμών ενώ η δεύτερη βιολογικούς αισθητήρες με πρόσδεση στην επιφάνεια απταμερών σχεδιασμένων κατάλληλα για να εντοπίζουν την υπό ανίχνευση ουσία. Η απόδειξη της αρχής λειτουργίας τους ανοίγει τον δρόμο για την ανίχνευση και άλλων ουσιών η παρουσία των οποίων στο περιβάλλον θεωρείται επιβλαβής τόσο για την χλωρίδα και την πανίδα, όσο και για την ανθρώπινη υγεία. Μέχρι στιγμής οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των φυτοφαρμάκων και άλλων ρυπαντικών ουσιών αν και παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια αποτελούν τεχνικές μεγάλου κόστους, χρονοβόρες και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό και εργαστηριακές εγκαταστάσεις. Τις τελευταίες δεκαετίες γίνετε μία προσπάθεια από πολλές ερευνητικές ομάδες να κατασκευασθούν εξίσου αξιόπιστες τεχνικές χαμηλού κόστους και κυρίως να επιτρέπουν την ανίχνευση στο πεδίο εφαρμογής των φυτοφαρμάκων στον τομέα της παραγωγής τροφίμων και ποτών αλλά και στο τελικό στάδιο της κατανάλωσης αυτών. Δύο από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές από αυτές που συνεχώς προτείνονται στην βιβλιογραφία αποτελούν οι χημικοί και οι βιολογικοί αισθητήρες. Αυτές οι δύο κατηγορίες αποτελούν τα δύο βασικά σκέλη αυτής της εργασίας. Αρχικά (κεφάλαιο 1) γίνετε μία προσπάθεια παρουσίασης του προβλήματος και προβάλλεται η ανάγκη εξεύρεσης μεθόδων και τεχνικών ανίχνευσης των φυτοφαρμάκων προκειμένου να διασφαλισθεί το ασφαλές εργασιακό περιβάλλον και η αποφυγή κατανάλωσης υπολειμμάτων τους μέσω των τροφών και του πόσιμου νερού. Στη συνέχεια γίνετε λόγος για τα νανοϋλικά, τις ιδιότητες και τους μηχανισμούς αγωγιμότητας που παρουσιάζουν, τα οποία σε συνδυασμό με τις καθιερωμένες τεχνικές της μικροηλεκτρονικής και την ανάπτυξη της βιοτεχνολογίας στέλνουν ελπιδοφόρα μηνύματα προς της κατεύθυνση αυτή. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνετε εκτενής αναφορά σε όλες τις κατηγορίες των χημικών αισθητήρων και κυρίως στους χημειοαντιστάτες, αφού σε αυτή την κατηγορία ανήκουν και οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν στη παρούσα εργασία για την ανίχνευση του φυτοφαρμάκου Chlorpyrifos. Αναφέρονται διεξοδικά τα πλεονεκτήματά τους αλλά κυρίως τα σημεία που μειονεκτούν έναντι των υπολοίπων μεθόδων, καθώς επίσης και οι προσπάθειες που γίνονται προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι δυσκολίες αυτές. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν όπως επίσης και όλα τα στάδια κατασκευής των χημικών αισθητήρων βήμα προς βήμα. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή των πειραματικών διαδικασιών που ακολουθήθηκαν και τα αποτελέσματα όπως αυτά προέκυψαν από την διεξαγωγή των πειραμάτων. Η επεξεργασία αυτών των αποτελεσμάτων, δικαιώνει την προσπάθειά μας αφού με την χρήση χημικών αισθητήρων νανοσωματιδίων επιτεύχθηκε όχι μόνο ο εντοπισμός του φυτοφαρμάκου Chlorpyrifos αλλά και η ποσοτικοποίηση αυτού, με κατώτατο όριο ανίχνευσης τα 0,7 ppb. Στο τελευταίο μέρος του τρίτου κεφαλαίου, χρησιμοποιούνται οι ίδιες συστοιχίες για την ανίχνευση διαφόρων αέριων αναλυτών (H2O, EtOH και MeOH), σε διάφορες συγκεντρώσεις αφού αποτελούν ουσίες οι οποίες εντοπίζονται συχνά στο ίδιο περιβάλλον με τα φυτοφάρμακα Το κεφάλαιο τέσσερα αποτελεί την έναρξη του δεύτερου μέρους της παρούσας εργασίας και περιγράφει λεπτομερώς όλο το θεωρητικό υπόβαθρο που χρειάζεται να γνωρίζει ο αναγνώστης προκειμένου να κατανοήσει σε βάθος την αρχή λειτουργίας των βιολογικών αισθητήρων με απταμερή. Για να επιτευχθεί αυτό, αρχικά γίνετε λόγος για τον τρόπο δράσης των βιολογικών υλικών και κυρίως τον απταμερών και εν συνεχεία ακολουθεί αναφορά στα βιολογικά και φυσικά φαινόμενα που εκμεταλλεύεται η ηλεκτροχημική φασματοσκοπία εμπέδησης, η οποία αποτελεί το βασικό εργαλείο για την ανίχνευση των φυτοφαρμάκων Acetamiprid και Atrazine. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρονται τα υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των βιολογικών αισθητήρων και οι μελέτες βελτιστοποίησης της δομής των διατάξεων, στη συνέχεια ακολουθεί η ανίχνευση διαφόρων συγκεντρώσεων των φυτοφαρμάκων Acetamiprid και Atrazine με κατώτατο όριο ανίχνευσης 1x10-12 M και 1x10-11M αντίστοιχα. Τέλος ακολούθησε, η μελέτη επιλεκτικότητας των απταμερών συγκρίνοντας τις αποκρίσεις των αισθητήρων παρουσία τεσσάρων διαφορετικών φυτοφαρμάκων. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύνοψη των συμπερασμάτων και των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την παρούσα έρευνα καθώς επίσης αναφέρονται προτάσεις για μελλοντικές εργασίες.