Παραγωγή νανοσωματιδίων αγώγιμων υλικών με ηλεκτρική εκκένωση και ανάπτυξη εκτυπωμένων ηλεκτροχημικών αισθητήρων για χημική ανάλυση

Abstract

In the first chapter, the preparation of AuNPs through a direct metal-to-substrate electric discharge at ambient conditions at 1.2 kV between the source metal (gold) and low-cost graphite SPEs is presented. Considering that sparked nanoparticles are generated on the basis of an evaporation-condensation process, comparative experiments by using Au and a eutectic Au/Si (97/3 wt%) alloy were conducted. The so-modified sparked AuNP−SPEs and eAuNP−SPEs, respectively, were characterized by scanning electron microscopy, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy. Data revealed a 2.4-fold electro active surface of AuNPs in the case of eAuNP−SPE. Compared with the unmodified SPEs, sparked electrodes exhibited two distinct electrode/electrolyte interfaces, characterized by different time-constants. EIS data were successfully modeled to an equivalent electric circuit that considers sparked-induced morphological features of the sensing surface and concomitant alterations of the diffusion process. Both types of sparked electrodes endowed sensitivity to otherwise inactive plain SPEs to the anodic stripping voltammetric detection of arsenic. Compared with AuNP−SPE, eAuNP−SPE exhibited ca. 5-fold sensitivity and offered fast (30 s preconcentration time) measurements, linear response over the concentration range from 0.5 to 12 ppb and a limit of detection (3σ/m criterion) of 0.22 ppb. Moreover, eAuNP−SPEs were successfully applied to the determination of arsenic in drinking water. The recovery of the method was 93−107%. In the second chapter, graphite screen-printed electrodes were modified with AuNPs produced by electric spark discharge between the SPE and a gold-silicon eutectic alloy (eAu/Si) tip electrode, under atmospheric conditions at 1.2 kV using a fully automated procedure. The automation was based on a 3D positioning device, which allowed to precisely adjust the sparking distance and to achieve regular spacing of a predetermined number of sparks across the surface of SPEs by controlling the movement of the eAu/Si tip. Moreover, the effect of voltage-time characteristics of the produced discharges on the morphological and electroanalytical properties of the sparked-modified SPEs was investigated by setting the values of capacitors in the high voltage multiplier cascade, and at the power supply output. Sparked surfaces were extensively characterized by SEM and various electrochemical techniques, while the electroanalytical utility of eAuNP−SPEs was investigated with ascorbic acid as a pilot analyte. Advanced electrocatalytic activity is documented by an extreme shift of ascorbate oxidation overpotential (Ep = 89 mV at eAu/Si−SPE) with respect to both bare SPE (Ep = 503 mV) and bulk gold electrode (Ep = 358 mV). Simultaneous differential pulse voltammetric sensing of ascorbic and uric acids in human urine is also demonstrated. The third chapter refers the generation of GNMs with advanced electro catalytic properties through a direct electric discharge process between pencil leads and SPEs at ambient conditions at 1.2 kV. Various commercially available pencil leads of different degrees of hardness were examined. Sparked GNM−SPEs were characterized by Raman spectroscopy, SEM, CV, and EIS. Taking as criterion the highest response to the electro reduction of nitro group of TNT at −0.3 V at deoxygenated solutions, Castell 9000 (2B) pencil was selected as optimum. GNM−SPEs exhibited a linear response over the concentration range 1−100 μg L−1 TNT, while the LOD based on the 3σ/m criterion was calculated 0.44 μg L−1. The interference effect of other nitro-aromatic explosives and masking compounds, which are used to hinder the detection of TNT, was extensively investigated. The determination of TNT was also achieved by measuring the oxidation of the electrochemically generated hydroxylamine groups. In this format, each measurement was conducted with a new electrode polarized at −0.275 V for 2 min. At the cost of a slightly increased time of analysis, the anodic determination of TNT offered increased selectivity, applicability in non-deoxygenated solutions, linear response over the concentration range 1−50 μg L−1 TNT and a LOD of 0.25 μg L−1. GNM−SPEs were successfully applied to the determination of TNT in spiked drinking water samples. Recovery was 101−108 %. In the fourth chapter, the development of an advanced sensor for 8−hydroxy−2ˊ−deoxyguanosine, an important biomarker for DNA oxidative damage, is mentioned. The sensor was developed on a low-cost graphite screen-printed electrode by employing for the first time, an extremely fast SPE-to-graphite “linear” mode sparking process that enables the uniform modification of the whole electrode surface in less than 20 s. Graphite-sparked SPEs exhibited a linear relationship with the concentration of 8−OHdG over the range 2−50 nM, while the limit of detection (3 σ/m) was calculated 0.35 nM. The sensors showed a notable resistance to interference by 1000-fold excess of dopamine and ascorbic acid, and 100-fold excess of uric acid. A simple treatment of the samples, based on uricase, that eliminates the interference caused by uric acid under real-world conditions (>1000-fold excess) was optimized and proposed. The method was successfully applied to the determination of 8−OHdG in synthetic urine samples. Recovery was 95%.

Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζεται η παραγωγή AuNPs μέσω της άμεσης ηλεκτρικής εκκένωσης μετάλλου-υποστρώματος σε συνθήκες περιβάλλοντος στα 1.2 kV μεταξύ της πηγής του μετάλλου (χρυσός) και των χαμηλού κόστους εκτυπωμένων ηλεκτροδίων γραφίτη (SPEs). Λαμβάνοντας υπόψη ότι η παραγωγή νανοσωματιδίων με ηλεκτρική εκκένωση στηρίζεται σε μία διαδικασία εξάτμισης-συμπύκνωσης, πραγματοποιήθηκαν συγκριτικά πειράματα χρησιμοποιώντας Au και ένα ευτηκτικό κράμα Au/Si (97/3 wt%). Τα τροποποιημένα με ηλεκτρική εκκένωση ηλεκτρόδια AuNP−SPEs και eAuNP−SPEs, αντίστοιχα, χαρακτηρίστηκαν με μικροσκοπία σάρωσης ηλεκτρονίων, κυκλική βολταμμετρία και φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ηλεκτρενεργός επιφάνεια στα eAuNP−SPEs είναι 2.4 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με αυτήν στα AuNP−SPEs. Σε σύγκριση με τα μη τροποποιημένα SPEs, τα τροποποιημένα ηλεκτρόδια εμφάνισαν δύο ξεχωριστές διεπιφάνειες ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη, που χαρακτηρίζονται από διαφορετικές χρονοσταθερές. Τα δεδομένα από μετρήσεις φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS) προσομοιάστηκαν επιτυχώς με ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα δύο χρονοσταθερών. Σε σύγκριση με το μη τροποποιημένο ηλεκτρόδιο, το οποίο παρουσίασε σχεδόν μηδενική απόκριση στη μέτρηση των ιόντων As(III) με ανοδική αναδιαλυτική βολταμμετρία, τα τροποποιημένα ηλεκτρόδια έδειξαν σημαντική απόκριση. Η απόκριση του ηλεκτροδίου eAuNP−SPE ήταν πέντε φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση με αυτήν του AuNP−SPE και είχε γραμμική απόκριση στο εύρος συγκεντρώσεων από 0.5 έως 12 μg L−1 As(III). Για χρόνο προσυγκέντρωσης 30 s, το όριο ανίχνευσης, σύμφωνα με το κριτήριο 3σ/m, υπολογίστηκε 0.22 μg L−1. Επιπλέον, τα ηλεκτρόδια eAuNP−SPEs χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς για τον προσδιορισμό του αρσενικού στο πόσιμο νερό. Η ανάκτηση της μεθόδου βρέθηκε 93−107%. Στο δεύτερο κεφάλαιο, εκτυπωμένα ηλεκτρόδια γραφίτη τροποποιήθηκαν με AuNPs παραγόμενα με ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ ενός SPE και του ευτηκτικού κράματος Au/Si (eAu/Si) που αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο 1 σε ατμοσφαιρικές συνθήκες στα 1.2 kV χρησιμοποιώντας μια πλήρως αυτοματοποιημένη διάταξη. Η αυτοματοποίηση βασίστηκε σε μία τριών διαστάσεων συσκευή θέσης, η οποία επιτρέπει την ακριβή ρύθμιση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων κατά την ηλεκτρική εκκένωση καθώς και τον αριθμό και τη θέση των σημείων ηλεκτρικής εκκένωσης στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων ελέγχοντας την κίνηση του eAu/Si. Επιπλέον, ερευνήθηκε η επίδραση των χαρακτηριστικών τάσης-χρόνου των παραγόμενων εκκενώσεων στις μορφολογικές και ηλεκτροαναλυτικές ιδιότητες των τροποποιημένων SPEs, επιλέγοντας διαφορετικές τιμές χωρητικότητας στον πολλαπλασιαστή υψηλής τάσης («εσωτερικός πυκνωτής») και στην έξοδο της πηγής τάσης. Οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων μετά την ηλεκτρική εκκένωση χαρακτηρίστηκαν με SEM και διάφορες ηλεκτροχημικές τεχνικές, ενώ η ηλεκτροαναλυτική συμπεριφορά των ηλεκτροδίων eAuNP−SPEs εξετάστηκε χρησιμοποιώντας το ασκορβικό οξύ ως πιλοτικό αναλύτη. Η αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής δραστικότητας των ηλεκτροδίων eAuNP−SPEs αποδεικνύεται από τη σημαντική μετατόπιση του υπερδυναμικού οξείδωσης του ασκορβικού οξέος (Ep = 89 mV στο ηλεκτρόδιο eAu/Si−SPE) σε σχέση με το μη τροποποιημένο ηλεκτρόδιο SPE (Ep = 503 mV) και ένα συμβατικό ηλεκτρόδιο δίσκου χρυσού (Ep = 358 mV). Επίσης, παρουσιάζεται ο ταυτόχρονος προσδιορισμός ασκορβικού και ουρικού οξέος σε δείγματα ούρων με βολταμμετρία διαφορικού παλμού. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στην παραγωγή GNMs με βελτιωμένες ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες με ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ ενός μολυβιού (πηγή γραφίτη) και του ηλεκτροδίου SPE σε συνθήκες περιβάλλοντος στα 1.2 kV. Εξετάστηκαν διάφορες εμπορικά διαθέσιμες μύτες μολυβιών διαφόρων βαθμών σκληρότητας. Τα τροποποιημένα με ηλεκτρική εκκένωση GNM−SPEs χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία Raman, SEM, CV και EIS. Λαμβάνοντας ως κριτήριο τη μεγαλύτερη απόκριση στην ηλεκτροχημική αναγωγή της νιτροομάδας του TNT στα −0.3 V σε αποξυγονωμένα διαλύματα, το μολύβι Castell 9000 (2B) επιλέχθηκε ως το καλύτερο. Τα GNM−SPEs παρουσίασαν γραμμική απόκριση σε εύρος συγκεντρώσεων 1−100 μg L−1 TNT, ενώ το LOD βασιζόμενο στο κριτήριο 3σ/m υπολογίστηκε 0.44 μg L−1. Η παρεμποδιστική δράση άλλων νιτροαρωματικών εκρηκτικών και καλυπτικών ενώσεων, οι οποίες χρησιμοποιούνται για να εμποδίσουν τον προσδιορισμό του TNT, εξετάστηκαν εκτενώς. Ο προσδιορισμός του TNT, επίσης, επιτεύχθηκε μετρώντας την οξείδωση των ηλεκτροχημικά παραγόμενων ομάδων υδροξυλαμίνης. Σε αυτόν τον τρόπο προσδιορισμού, η κάθε μέτρηση πραγματοποιήθηκε με ένα καινούργιο ηλεκτρόδιο, το οποίο παρέμενε στα −0.275 V για 2 min. Με κόστος τον ελάχιστα αυξημένο χρόνο ανάλυσης, ο ανοδικός προσδιορισμός του TNT προσέφερε αυξημένη εκλεκτικότητα, εφαρμογή σε μη αποξυγονωμένα διαλύματα, γραμμική απόκριση σε εύρος συγκεντρώσεων 1−50 μg L−1 TNT και LOD 0.25 μg L−1. Τα GNM−SPEs χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς στον προσδιορισμό του TNT σε εμβολιασμένα δείγματα πόσιμου νερού. Η ανάκτηση ήταν 101−108%. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρεται η ανάπτυξη ενός αισθητήρα για τον προσδιορισμό της 8−υδροξυ−2ˊ−δεοξυγουανοσίνης, ενός σημαντικού βιοδείκτη για την οξειδωτική καταστροφή του DNA. Ο αισθητήρας αναπτύχθηκε σε ένα χαμηλού κόστους εκτυπωμένο ηλεκτρόδιο γραφίτη χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά μια εξαιρετικά γρήγορη και απλή μέθοδο για την απευθείας τροποποίηση της επιφάνειας των εκτυπωμένων ηλεκτροδίων γραφίτη με «γραμμική» ηλεκτρική εκκένωση, η οποία επιτρέπει την ομοιόμορφη τροποποίηση ολόκληρης της επιφάνειας του ηλεκτροδίου σε λιγότερο από 20 s. Τα τροποποιημένα με ηλεκτρική εκκένωση SPEs εμφάνισαν γραμμική απόκριση με τη συγκέντρωση της 8−OHdG στην περιοχή 2−50 nM, ενώ το όριο ανίχνευσης (3σ/m) υπολογίστηκε 0.35 nM. Οι αισθητήρες παρουσίασαν εξαιρετική εκλεκτικότητα παρουσία 1000-πλάσιας συγκέντρωσης ντοπαμίνης και ασκορβικού οξέος και 100-πλάσιας συγκέντρωσης ουρικού οξέος. Λόγω της τεράστιας συγκέντρωσης του ουρικού οξέος στα ούρα (0.5−5 mM), οι μελέτες μας επεκτάθηκαν στην καταστροφή του ουρικού οξέος με τη χρήση του ενζύμου ουρικάση, η οποία εξαλείφει την παρεμπόδιση που προκαλείται από το ουρικό οξύ υπό πραγματικές συνθήκες (>1000 φορές περίσσεια). Η μέθοδος εφαρμόστηκε με επιτυχία για τον προσδιορισμό της 8−OHdG σε δείγματα συνθετικών ούρων. Η ανάκτηση της μεθόδου σε συνθετικά δείγματα ούρων ήταν 95%.