Ανάπτυξη νέων φασματοσκοπικών και ηλεκτροχημικών αναλυτικών μεθόδων βασισμένων σε νανοδομημένα σωματίδια ροδίου

Abstract

The main goal of the doctoral thesis is the exploitation of Rhodium nanoparticles (RhNPs) for the development of new analytical methods based on molecular absorption spectrometry and electrochemical techniques. Rh-NP nanoparticles were used for the first time for the development of an electrochemical sensor for the determination of H2O2 in complex samples in the presence of dissolved oxygen. The sensors were modified by a simple drop-casting deposition of Rh-NP on the surface of graphite screen printed electrodes. Immobilization was accomplished by electrostatic attraction between the negative surface charge of Rh-NP and positively charged polyethyleneimine (PEI) previously functionalized on the surface of the electrodes. A remarkable electrocatalytic response for the reduction of hydrogen peroxide was recorded, even in the presence of oxygen, thus alleviating the need for sample deaeration.The functionalized sensors, polarized at 0.0 V vs. Ag/AgCl/3 M KCl, exhibited a linear response to H2O2 over the concentration range from 5 to 600 μmol L−1 H2O2 in the presence of oxygen. The 3σ limit of detection was 2 μmol L−1 H2O2, while the reproducibility of the method at the concentration level of 10 μmol L−1 H2O2 (n=10) and between different sensors (n=4) was lower than 3 and 5%, respectively. Most importantly, the sensors showed an excellent working and storage stability at ambient conditions and they were successfully applied to the determination of H2O2 produced by autooxidation of polylphenols in tea extracts with ageing. Recovery rates ranged between 97 and 104%. Rhodium nanoparticles were then used for the development of a new analytical method for the determination of total phenolic content and total catechin content in tea extracts. Phenolic compounds (i.e., catechins, gallates, cinnamates, and dihydroxybenzoic acids) were found to cause changes in the size and localized surface plasmon resonance of rhodium nanoparticles, and therefore, give rise to analyte-specific spectral and color transitions in the rhodium nanoparticle suspensions. Upon reaction with phenolic compounds (mainly dithydroxybenzoate derivatives, and trihydroxybenzoate derivatives), new absorbance peaks at 350 nm and 450 nm were observed. Upon reaction with trihydroxybenzoate derivatives, however, an additional absorbance peak at 580 nm was observed facilitating the speciation of phenolic compounds in the sample. Both absorbance peaks at 450 nm and 580 nm increased with increasing concentration of phenolic compounds over a linear range of 0–500 μM. Detection limits at the mid-micromolar levels were achieved, depending on the phenolic compound involved, and with satisfactory reproducibility (<7.3%). On the basis of these findings, two rhodium nanoparticles-based assays for the determination of the total phenolic content and total catechin content were developed and applied in tea samples. The obtained results correlated favorably with commonly used methods (i.e., Folin-Ciocalteu and aluminum complexation assay). Last but not least, Rhodium nanoparticles were used as peroxidase mimetics for the development of a new analytical method for the determination of hydrogen peroxide and glucose in pharmaceutical formulations, blood plasma and soft drinks.RhNPsςερεφοθνδτοcatalyze the oxidation of the peroxidase substrate 3,3,5,5-tetramethylbenzidine (TMB) in the presence of H2O2 to produce a blue reaction product with a maximum absorbance at 652 nm. Kinetic studies show high affinity of RhNPs for both the substrate TMB and H2O2. In fact, they are better than other peroxidase mimicking nanomaterials and even the natural enzyme horseradish peroxidase. Based on these findings, a sensitive and selective colorimetric method was worked out for the determination of H2O2 in real samples with a linear response in the 1 - 100 μM concentration range. By employing glucose oxidase, the glucose assay has a linear range that covers the 5 to 125 μM glucose concentration range. The detection limits are <0.75 μM for both species. Figures of merit include (a) good accuracy (with errors of <6%), (b) high recoveries (96.5-103.7%), and (c) satisfactory reproducibility (<6.3%).

Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η αξιοποίηση των νανοσωματιδίων ροδίου για την ανάπτυξη νέων αναλυτικών μεθόδων βασισμένων σε φασματοσκοπικές και ηλεκτροχημικές τεχνικές ανίχνευσης. Η χρήση των νανοσωματιδίων ροδίου για την ανάπτυξη νέων ηλεκτροχημικών μεθόδων ανάλυσης επικεντρώθηκε στον ηλεκτροχημικό προσδιορισμό του υπεροξειδίου του υδρογόνου χρησιμοποιώντας νανοδομημένες καταλυτικές επιφάνειες ροδίου ακινητοποιημένες σε εκτυπωμένα ηλεκτρόδια γραφίτη μέσω ελκτικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων με ένα λεπτό υμένιο θετικά φορτισμένης πολυαιθυλενιμίνης. Οι αισθητήρες χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό του υπεροξειδίου του υδρογόνου που παράγεται, με την πάροδο του χρόνου, σε εκχυλίσματα από λευκό, πράσινο και μαύρο τσάι, μέσω της αυτοοξείδωσης των πολυφαινολών. Οι αισθητήρες παρουσίασαν γραμμική απόκριση μεταξύ ρεύματος και συγκέντρωσης υπεροξειδίου του υδρογόνου για περιοχή συγκεντρώσεων από 5 έως 600 μmoLL-1, και όριο ανίχνευσης τα 2,0 μΜ σε 0,0 V vs. Ag/AgCl/3M KCl ενώ η επαναληψιμότητα της βρέθηκε μικρότερη από 3%. Τα ποσοστά ανάκτησης κυμαίνονταν μεταξύ 97 και 104%. Στη συνέχεια τα νανοσωματίδια ροδίου χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μιας νέας αναλυτικής μεθόδου για τον προσδιορισμό της ολικής περιεκτικότητας φαινολικών ενώσεων και της ολικής περιεκτικότητας σε κατεχίνες σε εκχυλίσματα τσαγιού. Η μέθοδος που αναπτύχτηκε βασίζεται στην παρατήρηση ότι οι φαινολικές ενώσεις (π.χ. κατεχίνες, γαλλικό οξύ, κιναμμωμικό και διυδροβενζοϊκό οξύ) προκαλούν αλλαγές στο μέγεθος των νανοσωματιδίων ροδίου μεταβάλλοντας τον τοπικό συντονισμό επιφανειακών πλασμονίων, και ως εκ τούτου προκαλούν φασματικές και χρωματικές μεταβολές των εναιωρημάτων των νανοσωματιδίων του ροδίου. Πιο συγκεκριμένα, η αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων του ροδίου με παράγωγα του διυδροξυβενζοϊκού και τριυδροβενζοϊκού οξέος προκαλούν νέες κορυφές απορρόφησης στα 350 nm και 450 nm ενώ η αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων του ροδίου με τα παράγωγα του τριυδροξυβενζοϊκού οξέος έχουν σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας νέας κορυφής απορρόφησης στα 580 nm. Και οι δύο κορυφές απορρόφησης (στα 450 nm και 580 nm) αυξάνονται γραμμικά με την αύξηση της συγκέντρωσης των φαινολικών ενώσεων για περιοχή συγκεντρώσεων 0-500 μM ενώ τα όρια ανίχνευσης κυμαίνονταν σε επίπεδα μερικών μΜ, ανάλογα με την φαινολική ένωση, και με ικανοποιητική επαναληψιμότητα (<7,3%).Τέλος, τα νανοσωματίδια ροδίου χρησιμοποιήθηκαν ως μιμητικά της υπεροξειδάσης για την ανάπτυξη μιας νέας αναλυτικής μεθόδου για τον προσδιορισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου και της γλυκόζης σε φαρμακευτικά σκευάσματα, βιολογικά υγρά καθώς και αναψυκτικά. Η μέθοδος που αναπτύχτηκε βασίζεται στην ιδιότητα των νανοσωματιδίων ροδίου να καταλύουν την οξείδωση του υποστρώματος υπεροξειδάσης 3,3',5,5' τετραμεθυλβενζιδίνης (ΤΜΒ) παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου, παράγοντας ένα προϊόν κυανού χρώματος με μέγιστη απορρόφηση στα 652 nm. Κινητικές μελέτες της καταλυτικής δράσης των νανοσωματιδίων ροδίου έδειξαν ότι τα νανοσωματίδια ροδίου εμφανίζουν ισχυρή συγγένεια τόσο για το υπόστρωμα υπεροξειδάσης ΤΜΒ όσο και για το υπεροξειδίο του υδρογόνου, τα οποία ήταν καλύτερα από άλλα νανοϋλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί ως μιμητικά της υπεροξειδάσης καθώς και από το φυσικό ένζυμο της υπεροξειδάσης των αγριοραφανίδων. Βάσει αυτών των δεδομένων, τα νανοσωματίδια ροδίου χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μιας ευαίσθητης και εκλεκτικής χρωματομετρικής μεθόδου για τον προσδιορισμό του υπεροξειδίου του υδρογόνου και της γλυκόζης στη γραμμική περιοχή από 1-100 μΜ και 5-125 μΜ, αντίστοιχα. Τα όρια ανίχνευσης ήταν μικρότερα από 0,75 μΜ, το σφάλμα των αποτελεσμάτων της μεθόδου <6%, οι ανακτήσεις από 96,5 έως 103,7% και η επαναληψιμότητα μικρότερη από 6,3%.