Προσδιορισμός συγκέντρωσης θαλλίου Tl(I) μέσω screen printed ηλεκτροδίων χάρτου και αναδιαλυτικής βολταμμετρίας Κουσερή Αικατερίνη Παναγιωτοπούλου Ειρήνη Τμήμα Χημείας, Σχολή Θετικών Επιστημών Υπεύθυνος καθηγητής: Α. Οικονόμου Αθήνα, 2022 1 2 Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε το ακαδημαϊκό έτος 2021-2022 στα πλαίσια της υποχρεωτικής πτυχιακής εργασίας του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών, στο εργαστήριο του καθηγητή Αναστάσιου Οικονόμου, του Τομέα Αναλυτικής Χημείας, του Τμήματος Χημείας, ΕΚΠΑ. 3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ......................................................................................................................................... 5 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ....................................................................................................................... 6 1. Ηλεκτροαναλυτικές τεχνικές: Βολταμμετρία ............................................................................. 6 1.1 Η βολταμμετρία ως αναλυτική τεχνική ................................................................................ 6 1.2 Οργανολογία βολταμμετρίας .............................................................................................. 7 1.3 Κυκλική βολταμμετρία ........................................................................................................ 8 1.4 Διαφορική παλμική βολταμμετρία ...................................................................................... 9 1.5 Αναδιαλυτική βολταμμετρία ............................................................................................. 10 1.6 Βαρέα μέταλλα και τοξικότητα .......................................................................................... 11 1.7 Ηλεκτροχημική ανίχνευση βαρέων μετάλλων ................................................................... 12 2. Αναλυτικές μικροδιατάξεις σε υπόστρωμα χάρτου ................................................................. 13 2.1 Εισαγωγή ........................................................................................................................... 13 2.2 Δομή διάταξης χάρτου PAD ............................................................................................... 14 2.3 Προέλευση χάρτου ............................................................................................................ 15 2.4 Χαρακτηριστικές ιδιότητες χάρτου .................................................................................... 15 2.5 Επιλογή χάρτου ................................................................................................................. 15 2.6 Πλεονεκτήματα και δυσκολίες της χρήσης υποστρωμάτων χάρτου σε μικροαναλυτικές συσκευές ................................................................................................................................. 16 2.7 Εφαρμογές PDAs ............................................................................................................... 17 2.8 Μέθοδοι ανίχνευσης ......................................................................................................... 18 2.9 Ηλεκτροχημική ανίχνευση ................................................................................................. 19 2.10 Μέθοδοι-τεχνικές τύπωσης των ηλεκτροδίων στο χαρτί ................................................ 19 2.11 Screen-printing ................................................................................................................ 20 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ................................................................................................................. 22 1.1 Αντιδραστήρια και Οργανολογία .......................................................................................... 22 1.2 Πειραματική πορεία .............................................................................................................. 22 1.2.1 Ρυθμιστικά διαλύματα ................................................................................................... 23 1.2.2 Χρόνος εναπόθεσης ........................................................................................................ 24 1.2.3 Δυναμικό εναπόθεσης .................................................................................................... 25 1.2.4 Συγκέντρωση Bi(III) ......................................................................................................... 26 1.2.5 Παρεμποδίσεις μετάλλων............................................................................................... 27 1.2.6 Καμπύλη αναφοράς ....................................................................................................... 28 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ............................................................................................................................. 30 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ..................................................................................................................................... 31 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ................................................................................................................................. 32 4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη παρούσα μελέτη παρουσιάζεται η αξιοποίηση ηλεκτροχημικών μικροδιατάξεων χάρτου (ePAD) για τον αναλυτικό προσδιορισμό θαλλίου ΤΙ(I). Η προσέγγιση χρήσης αισθητήρων χάρτου για αναλυτικούς προσδιορισμούς συνιστά μια φιλική περιβαλλοντικά λύση, σύντομη, φορητή και απλή που εξυπηρετεί στον έλεγχο ευρείας αναλυτικής κλίμακας /περιβαλλοντικών δειγμάτων. Παράλληλα, ο προσδιορισμός απαιτεί μόνο ένα φορητό ποτενσιοστάτη χωρίς την ανάγκη επικουρικού εξοπλισμού(π.χ. αναδευτήρες), ενώ ταυτόχρονα δεν είναι απαραίτητο κανένα στάδιο προκατεργασίας του δείγματος. Η κατασκευή των υποστρωμάτων χάρτου για την συγκεκριμένη εργασία, είχε προηγηθεί μέσω σχεδίασης του μοτίβου στην επιφάνεια τους από κοινό μαρκαδόρο, καθώς και μέσω της αξιοποίησης της μεθόδου screen-printing. Προκειμένου να επιτευχθεί ο βέλτιστος δυνατός προσδιορισμός του μετάλλου TI(I), έγιναν δοκιμές σε πειραματικές συνθήκες που αφορούσαν κατά σειρά πειραματικής ακολουθίας: το τύπο του ρυθμιστικού διαλύματος(buffer), το χρόνο εναπόθεσης, το δυναμικό εναπόθεσης, τη συγκέντρωση του Bi(II), τη παρεμποδιστική δράση άλλων μετάλλων όπως Pb(II), Cd(II), Cu(II). Σε κάθε περίπτωση, διάλυμα Bi(II) αναμιγμένο με διάλυμα ρυθμιστικού διαλύματος, εφαρμοζόταν στην ζώνη εργασίας του PAD και ακολουθούσε προσδιορισμός μέσω αναδιαλυτικής βολταμετρίας διαφορικού παλμού. Θα ακολουθήσει μια σύντομη και όσο το δυνατόν πιο κατατοπιστική παρουσίαση του θεωρητικού υποβάθρου, που είναι αναγκαίο για την κατανόηση και ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων. Εν συνεχεία, θα παρουσιαστούν περιγραφικά το πειραματικό μέρος και τα διάφορα αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά την διάρκεια εκπόνησης της πτυχιακής εργασίας. Τέλος, θα γίνει σύγκριση της μεθόδου με άλλες παρόμοιου σκοπού. 5 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Ηλεκτροαναλυτικές τεχνικές: Βολταμμετρία 1.1 Η βολταμμετρία ως αναλυτική τεχνική Οι ηλεκτροχημικές τεχνικές αναλύσεως αποτελούν εφαρμογή της ηλεκτροχημείας, κλάδου της Φυσικής Χημείας, στην Αναλυτική Χημεία. Κάθε μια από τις τεχνικές αυτές βασίζεται σε ένα ιδιαίτερο φαινόμενο, που πραγματοποιείται σε ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο. Μετρώντας διάφορα ηλεκτρικά μεγέθη (πχ ένταση ρεύματος, δυναμικό, αγωγιμότητα) μόνα ή σε συνδυασμό και με βάση τις τιμές που προκύπτουν, πραγματοποιείται ποιοτική ή ποσοτική ανάλυση.1 Οι ηλεκτροαναλυτικές τεχνικές, συγκριτικά με άλλες κατηγορίες ενόργανων τεχνικών αναλύσεων, υπερτερούν σε χαρακτηριστικά, όπως το κατώτερο όριο ανίχνευσης των προσδιορισμών, το χαμηλό κόστος και η λήψη πλήθους πληροφοριών, που περιγράφουν ηλεκτροχημικώς ενεργά συστήματα. Ακόμη, οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις είναι εξειδικευμένες ως προς συγκεκριμένη οξειδωτική κατάσταση ενός στοιχείου, ενώ υστερούν σε κάποιο βαθμό, σε σύγκριση με τις οπτικές τεχνικές, σε χαρακτηριστικά όπως η ισχύς, η εφαρμοσιμότητα και η εκλεκτικότητα.1,2 Γενικό χαρακτηριστικό των ηλεκτροχημικών τεχνικών αναλύσεως είναι το ότι η αναλυτική πληροφορία προκύπτει με παρατήρηση της αλληλεπιδράσεως ενός ηλεκτροδίου με το διάλυμα που περιέχει το προσδιοριστέο συστατικό. Το προσδιοριστέο συστατικό μπορεί να βρίσκεται σε ισορροπία με το ηλεκτρόδιο και να καθορίζει το δυναμικό του σε σχέση με εκείνο του διαλύματος (το ηλεκτρόδιο είναι ένας παθητικός μάρτυρας της σύστασης του δείγματος), ενώ είναι δυνατόν να επιβάλλεται εξωτερικά ένα δυναμικό στο ηλεκτρόδιο και να παρατηρείται η αντίδραση του διαλύματος (το ηλεκτρόδιο είναι ένας ενεργητικός μάρτυρας της σύστασης του δείγματος). Οι ηλεκτροχημικές τεχνικές που χαρακτηρίζονται από αυτή, την δεύτερη, συμπεριφορά του ηλεκτροδίου εκπροσωπούνται κυρίως από τις βολταμμετρικές τεχνικές.1 Η βολταμμετρία αποτελείται από μια ομάδα ηλεκτροαναλυτικών τεχνικών, στις οποίες οι πληροφορίες για τον αναλύτη προέρχονται από την μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος ως συνάρτηση του εφαρμοζόμενου δυναμικού, σε συνθήκες που ευνοούν την πόλωση ενός ηλεκτροδίου εργασίας. Όταν παρακολουθείται ρεύμα το οποίο είναι ανάλογο της συγκέντρωσης του αναλύτη σε σταθερό δυναμικό, η τεχνική ονομάζεται αμπερομετρία.2 Οι επιμέρους βολταμμετρικές τεχνικές διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως ως προς τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται το δυναμικό με τον χρόνο και ως προς τον τύπο του χρησιμοποιούμενου ηλεκτροδίου εργασίας. Γενικά, οι μετρήσεις στις βολταμμετρικές τεχνικές γίνονται σε συνθήκες που ευνοούν την πόλωση του ηλεκτροδίου εργασίας σε ευρείες περιοχές δυναμικού του έτσι, ώστε, όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, η τιμή του να μπορεί να συσχετισθεί άμεσα με την συγκέντρωση των ηλεκτρενεργών χημικών σωματιδίων.1 Ιστορικά, το πεδίο της βολταμμετρίας ξεκίνησε από την πολαρογραφία, η οποία διαφέρει από τις υπόλοιπες βολταμμετρικές τεχνικές, κατά το ότι ως ηλεκτρόδιο εργασίας χρησιμοποιείται το σταγονικό ηλεκτρόδιο υδραργύρου. Το ενδιαφέρον για την 6 πολαρογραφία σταδιακά μειώθηκε, εξαιτίας κυρίως ανησυχιών για τις μεγάλες ποσότητες υδραργύρου στο εργαστήριο και στο περιβάλλον και λόγω της σχετικά πολύπλοκης φύσης του απαιτούμενου οργάνου. Αν και το ενδιαφέρον για την πολαρογραφία μειώθηκε, το ενδιαφέρον για τη βολταμμετρία και την αμπερομετρία σε ηλεκτρόδια εργασίας διαφορετικά από το σταγονικό ηλεκτρόδιο υδραργύρου αυξήθηκε με ταχύ ρυθμό.2 1.2 Οργανολογία βολταμμετρίας Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται ένα διάγραμμα, στο οποίο περιλαμβάνονται τα εξαρτήματα μιας συσκευής που εκτελεί βολταμμετρικές μετρήσεις γραμμικής σάρωσης. Το στοιχείο αποτελείται από τρία ηλεκτρόδια βυθισμένα σε διάλυμα, το οποίο περιέχει τον αναλύτη και μια περίσσεια ενός αδρανούς ηλεκτρολύτη (φέρων ηλεκτρολύτης) (Εικόνα 2). Ένα από τα τρία ηλεκτρόδια είναι το ηλεκτρόδιο εργασίας (working electrode), του οποίου το δυναμικό μεταβάλλεται γραμμικά με τον χρόνο.2 Τα ηλεκτρόδια αυτά έχουν διάφορες μορφές και σχήματα και συχνά είναι μικροί επίπεδοι δίσκοι ενός αγώγιμου υλικού εφαρμοσμένοι σε έναν κυλινδρίσκο αδρανούς υλικού (πχ Teflon) στον οποίο βρίσκεται ενσωματωμένο ένα σύρμα για ηλεκτρική επαφή.1 Το δεύτερο ηλεκτρόδιο είναι ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς (συνήθως κορεσμένο ηλεκτρόδιο καλομέλανα ή ηλεκτρόδιο Ag-AgCl), του οποίου το δυναμικό παραμένει σταθερό σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Το τρίτο ηλεκτρόδιο είναι ένα αντιηλεκτρόδιο ή βοηθητικό ηλεκτρόδιο (counter electrode), το οποίο συνήθως είναι ένα απλό σπείραμα σύρματος λευκοχρύσου ή μια επιφάνεια υδραργύρου, τα οποία απλά εξυπηρετούν στην αγωγή του ηλεκτρισμού, από την πηγή σήματος ,μέσω του διαλύματος, προς το ηλεκτρόδιο εργασίας, εξασφαλίζοντας την ηλεκτρική ουδετερότητα του διαλύματος παρέχοντας τα απαραίτητα φορτία.2 Η πηγή του σήματος είναι μια γεννήτρια δυναμικού γραμμικής σάρωσης.2 Στις βολταμμετρικές τεχνικές αναλύσεως, το δυναμικό του ηλεκτροδίου εργασίας σπάνια διατηρείται σταθερό, μεταβάλλεται όμως κατά έναν αυστηρά ελεγχόμενο τρόπο. Στην κλασική πολαρογραφία μεταβάλλεται γραμμικά, ενώ σε νεότερες τεχνικές μεταβάλλονται κατά παλμούς-βήματα. Όλα αυτά καθιστούν απαραίτητη τη χρήση ποτενσιοστάτη με ταχεία απόκριση, στον οποίο εισάγεται το σήμα εξόδου από την πηγή.1 Η ηλεκτρική αντίσταση του κυκλώματος ελέγχου που περιλαμβάνει το ηλεκτρόδιο αναφοράς είναι τόσο μεγάλη, ώστε ουσιαστικά το ηλεκτρόδιο αυτό δεν διαρρέεται από ρεύμα και όλο το ρεύμα από την πηγή μεταφέρεται από τον αντιηλεκτρόδιο στο ηλεκτρόδιο εργασίας. Το προκύπτουν ρεύμα μετατρέπεται σε τάση και καταγράφεται ως συνάρτηση του χρόνου από το σύστημα συλλογής δεδομένων.2 Τα τελευταία χρόνια έχει επέλθει μεγάλη πρόοδος στην τεχνολογία ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, γεγονός που οδήγησε στην ραγδαία πρόοδο της οργανολογίας της ανάλυσης. Τέτοια όργανα αποτελούνται από δύο κυκλώματα: το πρώτο παρέχει το 7 δυναμικό (ποτενσιοστάτης), ενώ το δεύτερο είναι κύκλωμα μέτρησης, το οποίο καταγράφει το ρεύμα. Τα δύο αυτά κυκλώματα συνδέονται ψηφιακά με τον υπολογιστή.3 Εικόνα 1. Διαγραμματική παράσταση βολταμμετρικής διατάξεως. Η κυψελίδα με τρία ηλεκτρόδια διαθέτει ηλεκτρόδιο αναφοράς (RE), ηλεκτρόδιο εργασίας (WE) και αντιηλεκτρόδιο (CE). Εικόνα 2. Τυπική βολταμμετρική κυψελίδα (ως ηλεκτρόδιο εργασίας δίνεται ένα σταγονικό ηλεκτρόδιο υδραργύρου). 1.3 Κυκλική βολταμμετρία Στην κυκλική βολταμμετρία (cyclic voltammetry, CV) το δυναμικό του ηλεκτροδίου εργασίας μεταβάλλεται κυκλικά μεταξύ προκαθορισμένων τιμών ως προς το ηλεκτρόδιο αναφοράς και καταγράφεται το ρεύμα το οποίο διαρρέει το στοιχείο. Στην πραγματικότητα γίνεται γραμμική ισοταχής σάρωση δυναμικού με τριγωνική κυματομορφή (Εικόνα 3) , ξεκινώντας από αρχική μορφή Ε1 και καταλήγοντας σε τελική τιμή Ε2, όπου ακολουθεί αντίστροφη πορεία σάρωσης.3 Αυτός ο κύκλος διέγερσης μπορεί να επαναλαμβάνεται πολλές φορές. Τα δυναμικά στα οποία πραγματοποιείται η αναστροφή καλούνται δυναμικά αναστροφής και η επιλεγμένη για ένα πείραμα περιοχή μεταξύ των δυναμικών αναστροφής είναι εκείνη στην οποία πραγματοποιείται οξείδωση ή αναγωγή μιας ή περισσότερων ουσιών.2 Το καταγράφημα i-E που προκύπτει, ονομάζεται κυκλικό βολταμμογράφημα. Το λαμβανόμενο κυκλικό βολταμμογράφημα μπορεί να λαμβάνει διάφορες μορφές, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την αντιστρεπτότητα της ηλεκτροδιακής ημιαντίδρασης. Τα κυκλικά βολαμμογραφήματα χαρακτηρίζονται ως φάσματα της ηλεκτροχημείας, εξαιτίας του πλήθους των πληροφοριών που μπορούν να εξαχθούν από την μελέτη τους. ‘Ένα τυπικό κυκλικό βολταμμογράφημα για μια πλήρως αντιστρεπτή ημιαντίδραση φαίνεται στην Εικόνα 4.3 8 Εικόνα 3. Κυκλικό βολταμμογράφημα για πλήρως αντιστρεπτό οξειδοαναγωγικό σύστημα. Εικόνα 4. Σήμα διέγερσης στην κυκλική βολταμμετρία. 1.4 Διαφορική παλμική βολταμμετρία Η διαφορική παλμική βολταμμετρία (Differential Pulse, DP) βρίσκει ευρεία εφαρμογή, γιατί η ικανότητα της να διακρίνει το χωρητικό ρεύμα (ρεύμα φόρτισης) επιτρέπει ουσιαστική βελτίωση των ορίων ανίχνευσης. Η κυματομορφή του δυναμικού συνίσταται από μικρής διάρκειας παλμούς που προστίθενται στην γραμμική σάρωση του δυναμικού.3 Στην Εικόνα 5 απεικονίζονται δύο από τα πλέον κοινά σήματα διέγερσης, τα οποία εφαρμόζονται σε εμπορικά όργανα για διαφορική παλμική βολταμμετρία. Το πρώτο, το οποίο χρησιμοποιείται σε αναλογικά όργανα, λαμβάνεται ως άθροισμα ενός περιοδικού τετραγωνικού παλμού και μιας γραμμικής σάρωσης, ενώ το δεύτερο, που χρησιμοποιείται συνήθως σε ψηφιακά όργανα, αποτελεί άθροισμα ενός παλμικού κι ενός κλιμακωτού σήματος.2 Η ένταση του ρεύματος μετράται αμέσως πριν την εφαρμογή του παλμού (S1) και λίγο πριν το τέλος του παλμού (S2) και η διαφορά μεταξύ των δύο εντάσεων ρεύματος καταγράφεται ως απόκριση ρεύματος. Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιείται η μη επιθυμητή συνεισφορά του ρεύματος φόρτισης.3 Εικόνα 5. Σήματα διέγερσης για την διαφορική παλμική βολταμμετρία. (a) Παλμός πάνω σε γραμμική σάρωση, (b) Παλμός πάνω σε βηματική σάρωση. Το αποτέλεσμα είναι μια « διαφορική» καμπύλη, η οποία αποτελείται από μια κορυφή, όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.2 Το ύψος της κορυφής που αντιστοιχεί στο μέγιστο ρεύμα ονομάζεται ρεύμα κορυφής (ΙΚ), ενώ το δυναμικό που αντιστοιχεί στο ρεύμα κορυφής Εικόνα 6. Βολταμμογράφημα σε πείραμα διαφορικής παλμικής βολταμμετρίας. 9 ονομάζεται δυναμικό κορυφής (ΕΚ). Το δυναμικό κορυφής είναι χαρακτηριστικό για την προσδιοριζόμενη ουσία (ποιοτική πληροφορία) και το ρεύμα κορυφής είναι συνήθως ανάλογο με την συγκέντρωση του προσδιοριζόμενου συστατικού (ποσοτική πληροφορία).3 Ένα πλεονέκτημα του βολταμμογραφήματος «τύπου παραγώγου» είναι ότι επιτυγχάνεται διάκριση κορυφών ακόμα και για ουσίες με δυναμικά μισού κύματος, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους μόλις κατά 0,04 έως 0,05 V, σε αντίθεση με την κλασική βολταμμετρία και την βολταμμετρία κανονικού παλμού, που απαιτούν διαφορά τουλάχιστον 0,2 V για ικανοποιητικό διαχωρισμό των κυμάτων. Ωστόσο το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι ότι η διαφορική παλμική βολταμμετρία παρουσιάζει βελτιωμένη ευαισθησία. Τυπικά, η διαφορική παλμική βολταμμετρία παρέχει ευδιάκριτες κορυφές σε επίπεδα συγκεντρώσεων ίσα προς το 1/500 εκείνων της κλασικής βολταμμετρίας. Γενικά, τα όρια ανίχνευσης με την διαφορική παλμική βολταμμετρία είναι δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερα από αυτά της κλασικής βολταμμετρίας.2 Σήμερα, στο εμπόριο διατίθενται αξιόπιστα όργανα για εκτέλεση της διαφορικής παλμικής βολταμμετρίας. Η τεχνική αυτή είναι πλέον η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη μορφή βολταμμετρίας και είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τον προσδιορισμό ιχνοποσοτήτων ιόντων βαρέων μετάλλων.2 1.5 Αναδιαλυτική βολταμμετρία Οι αναδιαλυτικές (stripping) τεχνικές περιλαμβάνουν μια ποικιλία ηλεκτροχημικών διαδικασιών - με αντιπροσωπευτικότερο παράδειγμα και παλαιότερη των τεχνικών να είναι η αναδιαλυτική βολταμμετρία (stripping voltammetry) - που όλες έχουν ένα κοινό, χαρακτηριστικό αρχικό βήμα. Σε όλες τις διαδικασίες ο αναλύτης πρώτα αποτίθεται σε ένα ηλεκτρόδιο εργασίας, συνήθως από αναδευόμενο διάλυμα (στάδιο απόθεσης ή προσυγκέντρωσης).2 Το δυναμικό του ηλεκτροδίου εργασίας σε αυτό το στάδιο ποτενσιοστατείται σε τιμή κατάλληλη για την αναγωγή όλων των προσδιοριζόμενων ουσιών.1 Μετά από μια επακριβώς μετρημένη χρονική περίοδο, η ηλεκτρόλυση και η ανάδευση του δείγματος διακόπτονται και ο αναλύτης, ο οποίος έχει αποτεθεί στο ηλεκτρόδιο εργασίας προσδιορίζεται με βολταμμετρική σάρωση, η οποία μπορεί να είναι οποιαδήποτε από αρκετές βολταμμετρικές τεχνικές, με την ευρύτερα χρησιμοποιούμενη να είναι η διαφορική παλμική ανοδική τεχνική. Συχνά παράγονται στενότερες κορυφές με την διαδικασία αυτή, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό, κυρίως στην περίπτωση των μειγμάτων. Κατά τη διάρκεια αυτού του δεύτερου σταδίου της μέτρησης (στάδιο αναδιάλυσης), ο αναλύτης επαναδιαλύεται και επιστρέφει από το ηλεκτρόδιο εργασίας στο διάλυμα.2 Επίσης, κατά το στάδιο αυτό, δημιουργείται το αναλυτικό σήμα, που παρέχει πληροφορία ως προς την ποιοτική και ποσοτική σύσταση του διαλύματος στο οποίο πραγματοποιήθηκε το στάδιο της προσυγκέντρωσης.1 Στις ανοδικές αναδιαλυτικές μεθόδους το ηλεκτρόδιο εργασίας συμπεριφέρεται ως κάθοδος κατά τη διάρκεια του σταδίου της απόθεσης και ως άνοδος κατά τη διάρκεια του σταδίου αναδιάλυσης, με τον αναλύτη να οξειδώνεται και να επανέρχεται στην αρχική του μορφή.2 Οι κορυφές οφείλονται σε ρεύμα οξείδωσης και χρησιμοποιείται κυρίως για προσδιορισμό μετάλλων που έχουν προσυγκεντρωθεί με ηλεκτρόλυση σε στερεά ηλεκτρόδια ή ηλεκτρόδια υδραργύρου.3 Στις καθοδικές αναδιαλυτικές μεθόδους το ηλεκτρόδιο εργασίας συμπεριφέρεται ως άνοδος κατά το στάδιο της απόθεσης και ως κάθοδος κατά την 10 αναδιάλυση, με τις κορυφές να οφείλονται σε ρεύμα αναγωγής.2 Χρησιμοποιείται για προσδιορισμό ουσιών που μπορούν να αναχθούν (συμπλοκοποιημένα μέταλλα, αναγώγιμες οργανικές ουσίες και ενώσεις που σχηματίζουν δυσδιάλυτα άλατα με υδράργυρο).3 Στο στάδιο της απόθεσης, ουσιαστικά, πραγματοποιείται μια ηλεκτροχημική προσυγκέντρωση του αναλύτη, δηλαδή δημιουργείται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εργασίας μια συγκέντρωση του αναλύτη κατά πολύ μεγαλύτερη από την συγκέντρωση της κύριας μάζας του διαλύματος. Ως αποτέλεσμα του σταδίου προσυγκέντρωσης, οι αναδιαλυτικές τεχνικές οδηγούν σε χαμηλότερα όρια ανίχνευσης από όλες τις βολταμμετρικές διαδικασίες και είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για προσδιορισμούς ιχνοποσοτήτων ουσιών με ικανοποιητική ακρίβεια. Έτσι οι αναλύσεις δειγμάτων στην περιοχή 10-6 έως 10-8 γίνονται εφικτές με μεθόδους απλές και γρήγορες.2 1.6 Βαρέα μέταλλα και τοξικότητα Βαρέα μέταλλα χρησιμοποιούνται από την ανθρωπότητα εδώ και χιλιάδες χρόνια. Από τα μέσα του 19ου αιώνα, η παραγωγή βαρέων μετάλλων αυξανόταν ραγδαία για περισσότερο από 100 χρόνια, με παράλληλες εκπομπές αυτών στο περιβάλλον. Παρά τις πολλές αρνητικές επιπτώσεις τους στην ανθρώπινη υγεία, που έχουν ήδη γίνει γνωστές, η έκθεση σε βαρέα μέταλλα συνεχίζεται, ενώ σε πολλά μέρη του κόσμου τείνει να αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα στις λιγότερο αναπτυγμένες χώρες, ενώ στις περισσότερες αναπτυγμένες χώρες οι εκπομπές έχουν μειωθεί τα τελευταία 100 χρόνια.5 Παρόλο που δεν υπάρχει ξεκάθαρος ορισμός για τα βαρέα μέταλλα, η πυκνότητα τους στις περισσότερες περιπτώσεις αποτελεί τον καθοριστικό παράγοντα. Έτσι, τα βαρέα μέταλλα κοινώς ορίζονται ως τα μέταλλα που έχουν ειδικό βάρος μεγαλύτερο από 5 g/cm3.5 Τα βαρέα μέταλλα είναι τοξικά είδη, που μπορούν να συσσωρευθούν σε ζωντανούς οργανισμούς με την κατανάλωση τροφής και νερού, με την αναπνοή, αλλά και με απορρόφηση μέσω του δέρματος.6 Η παρουσία των βαρέων μετάλλων οφείλεται κυρίως σε ανθρώπινη δραστηριότητα, π.χ. βιομηχανία, γεωργία,7 ενώ αυτά θεωρούνται και μια από τις κύριες πηγές ρύπανσης του περιβάλλοντος6. Απόβλητα των ανθρώπινων δραστηριοτήτων προκαλούν μόλυνση των υδάτων και του εδάφους, επηρεάζοντας την ανάπτυξη των φυτών και των υδρόβιων οργανισμών.8 Ένα μεγάλο μέρος αυτών των ρυπαντών, που βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές του οικοσυστήματος, μπορεί εν τέλει να βρεθεί σε ίχνη σε πολλά προϊόντα προς κατανάλωση, όπως διατροφικά, πρόσθετα, φυσικά φαρμακευτικά, καλλυντικά και ποικίλα άλλα που διατίθενται στο εμπόριο.9,10 Γενικά, εκπομπές βαρέων μετάλλων στο περιβάλλον συμβαίνουν μέσω πολλών διαδικασιών και μονοπατιών, συμπεριλαμβανομένων του αέρα, των επιφανειακών νερών και του χώματος 5, με τις ατμοσφαιρικές εκπομπές να τείνουν να αποτελούν την μεγαλύτερη απειλή για την ανθρώπινη υγεία, τόσο εξαιτίας των ποσοτήτων, όσο εξαιτίας και της ευρείας διάχυσης και πιθανότητας έκθεσης, ως επακόλουθο.5 Παρόλα τα παραπάνω, πολλά βαρέα μέταλλα είναι απαραίτητα για τις διατήρηση των φυσιολογικών λειτουργιών του ανθρώπινου σώματος, βέβαια, σε πολύ μικρές ποσότητες. Η παρουσία τους σε υψηλότερες συγκεντρώσεις είναι που τα καθιστά επικίνδυνα και τοξικά.11 Ο μηχανισμός της τοξικότητας των βαρέων μετάλλων μπορεί να εξηγηθεί από την ικανότητα 11 τους να αλληλοεπιδρούν με τις πρωτεΐνες και το DNA που βρίσκονται στον πυρήνα των κυττάρων, προκαλώντας οξειδωτική διάσπαση αυτών των βιολογικών μακρομορίων.12 1.7 Ηλεκτροχημική ανίχνευση βαρέων μετάλλων Εξαιτίας του γεγονότος ότι τα βαρέα μέταλλα συνήθως εντοπίζονται σε ιχνοποσότητες στα διάφορα δείγματα, ευαίσθητες φασματοσκοπικές τεχνικές θεωρούνται η τέλεια λύση για τον προσδιορισμό τους.6 Συγκεκριμένα, οι επικρατέστερες από αυτές τις τεχνικές είναι: η φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (AAS), η φασματομετρία ατομικής εκπομπής και φθορισμού (AES/AFS), η φασματομετρία μάζας με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-MS), η φασματομετρία οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (ICP-OES), ο φθορισμός με ακτίνες Χ κ.α.10 Εντούτοις, ηλεκτροαναλυτικές μέθοδοι, και συγκεκριμένα οι αναδιαλυτικές αναλύσεις (Stripping Analysis-SA), όπως η ανοδική αναδιαλυτική βολταμμετρία (ASV), χρησιμοποιούνται ευρέως για την ποσοτικοποίηση ιχνών μετάλλων, εξαιτίας της αξιοσημείωτης ευαισθησίας τους, που τους επιτρέπουν να ανιχνεύουν μέταλλα σε συγκεντρώσεις της τάξεως των ppb, κι αυτό εξαιτίας του σταδίου της προσυγκέντρωσης του προς ανάλυση μετάλλου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εργασίας.13 Επιπρόσθετα, η αναδιαλυτική ανάλυση παρουσιάζει πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις οπτικές τεχνικές, με μερικά να είναι ο οικονομικός και φορητός εξοπλισμός, οι χαμηλές απαιτήσεις σε ενέργεια και η γρήγορη ταχύτητα τους.6 Στις SA, το στάδιο της προσυγκέντρωσης ακολουθείται από το στάδιο ανίχνευσης, στο οποίο ο συσσωρευμένος αναλύτης ανιχνεύεται και ποσοτικοποιείται με βολταμμετρικές σαρώσεις. Στις αναδιαλυτικές αναλύσεις, το οξειδοαναγωγικό σήμα καθορίζεται από την ποσότητα του συσσωρευμένου αναλύτη. Για το λόγο αυτό, το στάδιο της συσσώρευσης είναι υπεύθυνο για την υψηλή ευαισθησία των τεχνικών αυτών.14 Παρακάτω παρουσιάζεται ένας πίνακας με όλα τα μέταλλα και τα μεταλλοειδή που μπορούν να προσδιοριστούν με αναδιαλυτικές αναλύσεις.14 (Εικόνα 7) Εικόνα 7. Μέταλλα και μεταλλοειδή που μπορούν να προσδιοριστούν με αναδιαλυτικές αναλύσεις. (italics: εκείνα που καθορίζονται με ηλεκτρολυτική συσσώρευση, υπογραμμισμένα: εκείνα που καθορίζονται με μη ηλεκτρολυτική συσσώρευση, bold: καθορίζονται τόσο με ηλεκτρολυτική όσο και με μη ηλεκτρολυτική συσσώρευση. 12 Κάποια από τα βαρέα μέταλλα που έχουν δυσμενή επίδραση στους οργανισμούς και θεωρούνται τοξικά, είναι τα: Be, Cd, Pb, Hg, Ni, Co, Tl, Ag, Au, Cr, Zn, Cu.3 Ένα εξ αυτών και συγκεκριμένα το θάλλιο (Tl), μπορεί είτε μόνο του, είτε στις ενώσεις του να εμφανίζει υψηλή τοξικότητα. Στο τέλος της ομάδας του βορίου (δηλαδή στην 13η περίοδο και 6η σειρά του Περιοδικού Πίνακα) βρίκεται το Tl. Οι ενώσεις του βρίσκουν κάποιες χρήσεις, όπως για παράδειγμα σε φωτοαντιστάτες, σε οπτικά γυαλιά και σε μια κατηγορία υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας. Παρόλα αυτά, το στοιχείο 81 δεν έχει ευρεία εφαρμογή σε καταναλωτικά προϊόντα. Σε σύγκριση με τα ελαφρύτερα στοιχεία της ομάδας 13, το Tl βρίσκεται κυρίως στην οξειδωτική κατάσταση +1 και όχι στην +3. Εξαιτίας της παρόμοιας ιοντικής ακτίνας του με τα σημαντικότερα αλκαλικά μέταλλα και συγκεκριμένα με το Κ+, το Tl προσλαμβάνεται εξαιρετικά εύκολα από τους οργανισμούς, γεγονός που συχνά οδηγεί σε θάνατο, αφού παρεμποδίζει σημαντικές διαδικασίες στις οποίες συμμετέχει το Κ+. Βέβαια, οι ακριβείς μηχανισμοί δεν είναι ακόμα γνωστοί. Η πρόσληψη αλάτων θαλλίου, που είναι άχρωμα, άοσμα και άγευστα, προκαλεί νευρολογικές διαταραχές και γρήγορη αποδόμηση των ζωτικών οργάνων. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις πρόσληψης, τα συμπτώματα εμφανίζονται αργά και μπορούν να αποδοθούν σε άλλες ασθένειες.15 Πολλές ενώσεις του θαλλίου είναι διαλυτές στο νερό και απορροφώνται εύκολα από το δέρμα. Η έκθεση σε αυτές τις ενώσεις δεν πρέπει να ξεπερνά το 0,1mg/m2 δέρματος, αφού το θάλλιο είναι ύποπτο για καρκινογενέσεις.16 Μια πολύ χαρακτηριστική επίδραση του θαλλίου είναι η μαζική τριχόπτωση από διάφορα σημεία του σώματος.15 Όμως, αν το θάλλιο έχει προσληφθεί σε μεγαλύτερες ποοσότητες, τότε αυτό μπορεί να οδηγήσει σε θάνατο ακόμα και πριν την εμφάνιση συμπτωμάτων.16 Η τοξικότητα αυτού του στοιχείου έχει οδηγήσει στο να χρησιμοποιηθεί σε πολλές χώρες ως ποντικοφάρμακο και για την καταπολέμηση των μυρμηγκιών.16 2. Αναλυτικές μικροδιατάξεις σε υπόστρωμα χάρτου 2.1 Εισαγωγή Όπως έχει ήδη γίνει αντιληπτό από τα παραπάνω, πολλοί από τους ρύπους των βαρέων μετάλλων είναι εξαιρετικά επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία και, ως εκ τούτου, η ανάγκη ανάπτυξης τεχνικών ικανές να ανιχνεύουν συγκεντρώσεις αναλυόμενης ουσίας σε ποικίλες μήτρες δειγμάτων στην κλίμακα μερών ανά εκατομμύριο (ppm) καθίσταται αδήριτη τις τελευταίες δεκαετίες. Συνεπώς, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για την ανάπτυξη τεχνολογιών χαμηλού κόστους με σκοπό την άμεση και εύκολη παρακολούθηση των συγκεντρώσεων των περιβαλλοντικών ρύπων και ,ως εκ τούτου, την πρόσβαση σε έγκαιρα δεδομένα σχετικά με την έκταση και το μέγεθος της ρύπανσης. Οι αναλυτικές μικροδιατάξεις που βασίζονται σε υπόστρωμα χάρτου (μPAD, PADs = Paper-Based Analytical Devices) αποτελούν μια εναλλακτική λύση για να αντιμετωπιστεί η προκείμενη δυσκολία, αυξάνοντας τις δυνατότητες ελέγχου της διασποράς 13 των ρύπων, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται το αναλυτικό κόστος και η πολυπλοκότητα της διαδικασίας της μέτρησης.17 Οι αναλυτικές μικροδιατάξεις υποστρώματος χάρτου έχουν μακρά ιστορία, που χρονολογείται από τις αρχές του 18ου αιώνα. Πιο συγκεκριμένα, οι πρώτες εφαρμογές μικροδιατάξεων σε υπόστρωμα χάρτου με υδρόφοβα υλικά εντοπίζονται απ’τις αρχές του 19ου αιώνα όπου οι ζώνες αντίδρασης σχεδιάζονταν κυρίως με παραφίνη, ένα παραπροϊόν της παραγωγής ορυκτελαίου. Ωστόσο, μόλις το 2007 αναδείχθηκε ο τομέας των αναλυτικών μικροδιατάξεων (microfluidics) με βάση το χαρτί ως μια πολλά υποσχόμενη λύση έναντι των συμβατικών μεθόδων ανάλυσης, για τη διάγνωση ασθενειών, την ανάλυση φαρμάκων, περιβαλλοντικών δειγμάτων και τον έλεγχο της ποιότητας των τροφίμων. Ειδικά, στη διάρκεια της περασμένης δεκαετίας, έχουν δημοσιευθεί πολυάριθμες ερευνητικές εργασίες στον τομέα των μPADs και έτσι, οι αναλυτικές συσκευές με βάση το χαρτί έχουν αποσπάσει πολύ μεγάλο ενδιαφέρον, ως οι λεγόμενες POC (Point Of Care) συσκευές, δηλαδή διαγνωστικά τεστ που δεν πραγματοποιούνται αποκλειστικά στο εργαστήριο, αλλά και εκεί όπου βρίσκεται ο ασθενής.18 Η Εικόνα 8] αναπαριστά τα ορόσημα στην ιστορία της επιστήμης του χαρτιού, με έμφαση στις αναλυτικές συσκευές.19 Εικόνα 8. Τα ορόσημα στην ιστορία της επιστήμης του χαρτιού στο πεδίο της αναλυτικής χημείας. 2.2 Δομή διάταξης χάρτου PAD Τα μPADs αποτελούνται συνήθως από ένα μικρό κομμάτι χαρτιού, με σχέδια 2D ή 3D δομής, ικανό να αναλύσει αρκετές δεκάδες μικρόλιτρα υγρού δείγματος σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Συνήθως, οι συσκευές που προτείνονται περιλαμβάνουν μια διάταξη ‘’καναλιών’’ που δημιουργούνται με την εφαρμογή υδρόφοβων υλικών σε χαρτί. Η διαδικασία ελέγχου βιολογικών δειγμάτων (π.χ. δάκρυα, ούρα, αίμα, ιδρώτας, σάλιο), τροφίμων (π.χ. πρόσθετα, οργανικές ενώσεις) και περιβαλλοντικών δειγμάτων (π.χ. ιόντα βαρέων μετάλλων, οργανικές προσμείξεις, μικροοργανισμοί) βασίζεται στην μετακίνηση του δείγματος στη ζώνη ανίχνευσης υπό την επίδραση της τριχοειδούς δράσης του χαρτιού, χωρίς την ανάγκη εφαρμογής εξωτερικής δύναμης. Η αναλυτική ανίχνευση, στη συνέχεια, διευκολύνεται από μια διαδικασία χημικής αντίδρασης, η οποία προκαλεί αλλαγή στο χρώμα, μεταβολές στις ηλεκτροχημικές ιδιότητες ή/και την απορρόφηση/εκπομπή φωτός στη ζώνη ανίχνευσης.17 14 2.3 Προέλευση χάρτου Αν και οι φυτικές ύλες λαμβάνονται κυρίως υπόψη όταν αναφερόμαστε στη παραγωγή χάρτου, θα μπορούσαν επίσης να συμπεριληφθούν και άλλα υλικά για την παραγωγή του όπως π.χ. γυαλί ή πολυμερή, που σχηματίζουν επίσης ίνες και μπορούν να συμπιεστούν για να σχηματίσουν φύλλα χαρτιού. Επίσης, με βάση μια πρώτη ταξινόμηση θα διακρίναμε το χαρτί, ως υλικό, σε κυτταρινικό (με βάση την κυτταρίνη, ένα πολυμερές μονάδων Dγλυκόζης) και σε μη κυτταρινικό , ανάλογα με την πηγή προέλευσής του. Τόσο το πρώτο όσο και το δεύτερο είδους χαρτιού προσελκύουν το επιστημονικό ενδιαφέρον, ωστόσο, τα κυτταρινικά, ως κατηγορία, υπερβαίνουν κατά πολύ τα υπόλοιπα υλικά χαρτιού.19 2.4 Χαρακτηριστικές ιδιότητες χάρτου Aν και η υδροφιλικότητα είναι ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά που καθορίζουν το χαρτί, δεν είναι πάντοτε επιθυμητή. Κατά τη διαδικασία κατασκευής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράγοντες «μεγέθους» για τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας, αυξάνοντας την γωνία επαφής με το νερό, μειώνοντας τα ποσοστά διείσδυσης νερού. Εναλλακτικά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σελοφάν ή προεπεξεργασμένο χαρτί με βάση την κυτταρίνη.19 Η χημική σύσταση της επιφάνειας και η πυκνότητα των πόρων επηρεάζουν τις ιδιότητες της υγρής φάσης του χαρτιού, οι οποίες είναι πολύ σημαντικές, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη συσκευών που αφορούν δοκιμασίες ροής. Σε μη πορώδες χαρτί, μόνο η μακροσκοπική εξωτερική επιφάνεια είναι προσβάσιμη. Η διαθεσιμότητα της εσωτερικής επιφάνειας και η συγκεκριμένη επιφάνεια που είναι προσβάσιμη, αυξάνεται με την πυκνότητα των πόρων.19 Το πορώδες αλλάζει ανάλογα με το είδος των δέντρων, τον τύπο πολτοποίησης και την ξήρανση μετά την πολτοποίηση, η οποία ωστόσο μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή μερικών πόρων. Επιπλέον, το πορώδες των συσκευών με βάση το χαρτί μπορεί να συντονιστεί μηχανικά, όπως συμβαίνει με πλαστικοποιημένες αναλυτικές συσκευές με βάση το χαρτί, που περικλείονται μεταξύ πλαστικών φύλλων με τη χρήση ενός πλαστικοποιητή. Εκτός από την παροχή μηχανικής αντοχής στη συσκευή χαρτιού, η συμπίεση αλλάζει τη δομή αφού η πλαστικοποίηση μειώνει το πάχος του χαρτιού και το πραγματικό μέγεθος των πόρων, και με τη σειρά του, το ρυθμό ροής.19 Μια άλλη παράμετρος που μπορεί να συσχετιστεί με την υδροφιλικότητα του χαρτιού είναι ο βαθμός κρυσταλλικότητας των κυτταρινικών ινών. Η κυτταρίνη αποτελείται από δέσμες ινιδίων που ονομάζονται μικροϊνίδια, κάθε άτομο που αποτελείται από κρυσταλλικές και άμορφες περιοχές. Οι κρυσταλλικοί τομείς δεν διογκώνονται με νερό αλλά αντίθετα, η άμορφη κυτταρίνη διογκώνεται στο νερό και είναι πιο ευαίσθητη σε χημικές αντιδράσεις. 19 2.5 Επιλογή χάρτου Διαφορετικοί τύποι χαρτιού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη κατασκευή μPADs ανάλογα το είδος της αναλυόμενης ουσίας, όπως διηθητικό χαρτί, χαρτί χρωματογραφίας, βιοενεργό χαρτί, γυαλιστερό/λείο χαρτί, χαρτί μεμβράνης νιτροκυτταρίνης ή και χαρτί γραφίτη. Μεταξύ αυτών των διαφόρων τύπων χαρτιού, το διηθητικό χαρτί και το χαρτί χρωματογραφίας είναι από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα λόγω του σχετικά ομοιόμορφου πάχους και του ανώτερου μεγέθους πόρων. Τα χαρακτηριστικά αυτά οδηγούν σε βελτιωμένες ιδιότητες 15 προσρόφησης και συγκράτησης ενώ παράλληλα και σε αποτελεσματικότερη αποστράγγιση. Επιπλέον, και τα δύο είδη χαρτιού υφίστανται πλήρη λεύκανση μετά την κατασκευή, η οποία αφαιρεί σχεδόν όλες τις ακαθαρσίες από τη μήτρα του υλικού.17 Όπως αναφέρθηκε, το γυαλιστερό χαρτί έχει προταθεί ως βιώσιμο υλικό για την κατασκευή μPADs. Το γυαλιστερό χαρτί αποτελείται από ίνες κυτταρίνης και ανόργανα υλικά πλήρωσης αναμεμειγμένα σε μήτρα χαρτιού και έχει το πλεονέκτημα ότι οι επιφανειακές του ιδιότητες μεταβάλλονται πιο εύκολα από εκείνες των κοινών/παραδοσιακών υποστρωμάτων χαρτιού.17 Ακόμη, το βιοενεργό χαρτί έχει επίσης εγκριθεί για τη δημιουργία μPADs. Στα παραδοσιακά υποστρώματα χαρτιού, μόνο κατιονικά μόρια απορροφώνται στις υγρές ίνες κυτταρίνης που συνθέτουν τη μήτρα του χαρτιού. Ωστόσο, ενώ οι πρωτεΐνες μπορούν να προσροφηθούν στις ίνες, ο ρυθμός και η έκταση αυτής της διαδικασίας προσρόφησης είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή που συμβαίνει σε άλλες υδρόφιλες επιφάνειες. Κατά συνέπεια, οι ίνες αυτές πρέπει να τροποποιηθούν με κάποιο τρόπο ώστε να μπορούν να απορροφούν πιο εύκολα ογκώδη βιομόρια, όπως πρωτεΐνες. Στο βιοενεργό χαρτί, αυτό επιτυγχάνεται με την ‘’ενεργοποίηση’’ της επιφάνειας του χαρτιού χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, αλδεΰδη ή αμίδιο και στη συνέχεια προκαλώντας την ομοιοπολική σύζευξη των βιομορίων στην ενεργοποιημένη επιφάνεια.17 Οι μεμβράνες νιτροκυτταρίνης έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί ως υποστρώματα μPADs λόγω των χημικών λειτουργικών ομάδων τους, οι οποίες επιτρέπουν εύκολα την ομοιοπολική ακινητοποίηση των βιομορίων. Η νιτροκυτταρίνη επιτρέπει επιπλέον αλληλεπιδράσεις φορτίου, ενώ διευκολύνει και το σχηματισμό ασθενών δεσμών υδρογόνου και αλληλεπιδράσεων Van der Waals. Λόγω των υψηλών τους ικανοτήτων δέσμευσης πρωτεϊνών, τέτοιες μεμβράνες είναι συνήθως προσφιλείς σε ενζυμικά συνδεδεμένες ανοσοπροσροφητικές δοκιμασίες (ELISA) και σε προσδιορισμούς με βάση νανοσωματίδια χρυσού. Παρόλα αυτά, ενώ οι μεμβράνες νιτροκυτταρίνης μπορούν εύκολα να διαμορφωθούν με εκτύπωση με κερί, η διείσδυση του τηγμένου κεριού κατά μήκος του πάχους της μεμβράνης είναι αργή σε σύγκριση με αυτή που συμβαίνει σε διηθητικό χαρτί.17 2.6 Πλεονεκτήματα και δυσκολίες της χρήσης υποστρωμάτων χάρτου σε μικροαναλυτικές συσκευές Το χαρτί, ως γνωστόν, είναι κατασκευασμένο από κυτταρίνη ή νιτροκυτταρίνη, η οποία είναι υδρόφιλη στη φύση. Η χρήση του χαρτιού ως υπόστρωμα για την κατασκευή αναλυτικών μικροσυσκευών είναι ευρέως αποδεκτή χάρις των βελτιωμένων ιδιοτήτων αποστράγγισης, του χαμηλού κόστους και της οικονομικής κατανάλωσης διαλύτη. Το εγγενές πλεονέκτημα στη χρήση του χαρτιού αποδίδεται στην τριχοειδή του δράση, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την αβίαστη ροή υγρού χωρίς την απαίτηση εξωτερικής άντλησης. Δηλαδή, η πορώδης δομή του χαρτιού διευκολύνει τη διείσδυση του ρευστού μέσω της τριχοειδούς δράσης χωρίς απαιτήσεις από εξωτερικές δυνάμεις, ενώ το ίδιο παρέχει υψηλή αποδοτικότητα, ευελιξία και προσφέρεται για διάφορες εφαρμογές για χημικές και βιοχημικές αναλύσεις. Ακόμη, είναι ελαφρύ σε βάρος, βιοαποικοδομήσιμο και βιοσυμβατό για την ακινητοποίηση των περισσότερων βιομορίων και φιλικό προς το περιβάλλον, γεγονός που το καθιστά φορητό και μίας χρήσης.20 16 Οι αισθητήρες που βασίζονται σε χαρτί αποτελούν προσιτές πλατφόρμες για απλή, ακριβή και γρήγορη ανίχνευση ασθενειών, αξιολόγησης της ποιότητας τροφίμων και της ανίχνευσης παθογόνων παραγόντων. Ακόμη, οι ίδιοι παρέχουν μια φθηνή τεχνολογία για την κατασκευή απλών και φορητών διαγνωστικών συστημάτων που μπορεί να είναι εξαιρετικά χρήσιμα σε μέρη με περιορισμένους πόρους, όπως σε αναπτυσσόμενες χώρες ή σε αυστηρά περιβάλλοντα, όπου απουσιάζουν πλήρως εξοπλισμένες εγκαταστάσεις και άρτια εκπαιδευμένο ιατρικό προσωπικό.20 Άλλα πλεονεκτήματα του χαρτιού πέρα από την ευρεία διαθεσιμότητα σε κάθε μέρος του κόσμου σε διάφορες μορφές είναι η ευκολία κατασκευής, ενώ το ίδιο μπορεί να λειτουργήσει ή να κατασκευαστεί ειδικά ώστε να ταιριάζει σε συγκεκριμένους αναλύτες-στόχους.20 Παρά τις πολλά υποσχόμενες εφαρμογές μικροσυσκευών και αισθητήρων που βασίζονται σε χαρτί, υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί σχετικά με την ευαισθησία, την ακρίβεια και την ανίχνευση πολλαπλών αναλυτών ταυτόχρονα. Ωστόσο, πρόσφατα, αισθητήρες που βασίζονται σε χαρτί έχουν κατασκευαστεί μέσω σχεδίασης μοτίβων ‘’patterning’’ για την αντιμετώπιση αυτών των μειονεκτημάτων.20 Τα πλεονεκτήματα των αναλυτικών μικροσυσκευών χαρτιού καθώς και οι βελτιωμένες ιδιότητες τους συνοψίζονται στην Εικόνα 9.18 Εικόνα 9. Διάγραμμα των πλεονεκτημάτων και πιθανών εφαρμογών των μPADs. 2.7 Εφαρμογές PDAs Επί του παρόντος, τα 2D και 3D PADs τυγχάνουν πολλών διαφορετικών εφαρμογών που περιλαμβάνουν από βιολογικά τεστ, κλινικές διαγνώσεις μέχρι και εκπαιδευτικά εργαλεία σε αναπτυσσόμενες χώρες. Επιπλέον, τα PADs έχουν αποκτήσει ιδιαίτερη δημοφιλία στην φαρμακευτική ανάπτυξη και ανάλυση μέσω αξιολόγησης της ποιότητας της φαρμακευτικής δοσολογίας και ανίχνευσης νοθευμένων φαρμάκων. Οι αναλυτικές μικροσυσκευές με βάση το χαρτί (μPADs) έχουν γίνει πολλά υποσχόμενα εργαλεία που προσφέρουν διάφορες αναλυτικές εφαρμογές για χημικές και βιολογικές αναλύσεις «περίθαλψης» (POC=Point Of Care). Ένα κλασικό παράδειγμα POC συσκευής είναι το τεστ εγκυμοσύνης που πραγματοποιείται στο σπίτι. Ωστόσο, οι εφαρμογές τους ποικίλλουν και επεκτείνονται προς πολυάριθμα πεδία όπως μαρτυράται και στον Πίνακα 1. 17 2.8 Μέθοδοι ανίχνευσης Παρόλο που τα μPADs ως αναλυτικές μικροσυσκευές, όπως διαπιστώθηκε, παρέχουν εξαιρετικά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της απλής κατασκευής και της μαζικής χρήσης σε προσιτό κόστος, για να παρέχoυν ταυτόχρονα και υψηλή απόδοση, απαιτούνται κατάλληλοι μηχανισμοί ανίχνευσης. Οι πιο κοινές τεχνικές ανίχνευσης στο πεδίο των μPADs είναι οι χρωματομετρικές, οι ηλεκτροχημικές και οι τεχνικές ηλεκτροχημιοφωταύγειας.21 Η χρωματομετρική ανίχνευση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλά σχέδια μPADs λόγω της απλότητας, της ευκολίας λειτουργίας, της δυνατότητας χειρισμού με το χέρι και των πρακτικών εφαρμογών. Ωστόσο, η ανίχνευση αυτού του τύπου εξακολουθεί να επιφέρει βασικά μειονεκτήματα όπως αυτά της χαμηλής επιλεκτικότητας, της χαμηλής ευαισθησίας και του μεγαλύτερου χρόνου ανίχνευσης. Συνεπώς, συχνά πρέπει να χρησιμοποιηθούν πρόσθετα εργαλεία, όπως κάμερες ή σαρωτές, για την ενίσχυση του αναλυτικού σήματος, οδηγώντας σε περισσότερα λειτουργικά βήματα και προφανώς υψηλότερο κόστος ανάλυσης. Απεναντίας, οι μικροδιατάξεις χάρτου που συνδυάζονται με μεθόδους ηλεκτροχημικής ανίχνευσης έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στις ποσοτικές μετρήσεις υψηλής ευαισθησίας.21 Σε αντίθεση με τη χρωματομετρική ανίχνευση, η ηλεκτροχημική έδειξε ταχείες αποκρίσεις αισθητήρα, υψηλότερη ευαισθησία και εκλεκτικότητα, επιτρέποντας την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση των αναλυτών ουσιών ακόμη και σε νανομοριακή κλίμακα (nM). Επιπλέον, το κύριο πλεονέκτημα της ηλεκτροχημείας, σε αντίθεση με τη χρωματομετρία, είναι ότι είναι γενικά μη ευαίσθητη στις συνθήκες φωτισμού και στους ρύπους (αιωρούμενα στερεά, έγχρωμα υλικά) που υπάρχουν στα δείγματα, οδηγώντας, έτσι, σε πιο σταθερά αναλυτικά σήματα. Η υψηλή τραχύτητα και το πορώδες των υποστρωμάτων χαρτιού έχουν ως αποτέλεσμα την αυξημένη επιφάνεια των εναποτιθέμενων υλικών που βελτιώνουν, έτσι, την απόκριση του ηλεκτροχημικού αισθητήρα. Η ηλεκτροχημική ανίχνευση χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την ανίχνευση βιομορίων όπως γλυκόζη, ουρικό οξύ, γαλακτικό και χοληστερόλη, νευροδιαβιβαστές και φάρμακα, DNA και νουκλεοζίτες.22 Πίνακας 1. Εφαρμογές των PAD σε ποικίλα πεδία δειγμάτων με τη χρήση διαφορετικών μεθόδων ανάλυσης. 18 2.9 Ηλεκτροχημική ανίχνευση Όταν τα PADs ενσωματώνονται με ηλεκτροχημικές συσκευές, ονομάζονται επίσης «ηλεκτροχημικές μικροδιατάξεις με βάση το χαρτί», PED (Paper Electrochemical Devices) ή ePAD (Electrochemical PAD). Αυτά τα ηλεκτρόδια μπορούν εύκολα να εκτυπωθούν σε χαρτί χρωματογραφίας χρησιμοποιώντας μελάνι άνθρακα και μελάνι αργύρου/χλωριούχου αργύρου (Ag/AgCl). Σε πρόσφατες έρευνες, χρησιμοποιούνται μολύβια γραφίτη ως εναλλακτική πηγή για την κατασκευή ηλεκτροδίων. Εκτός από τις αμπερομετρικές συσκευές, η παρουσία και η ποσότητα των αναλυτών μπορεί επίσης να μετρηθεί ποτενσιομετρικά.20 Η ηλεκτροχημική ανίχνευση έχει γίνει μια από τις πιο εκτενώς διερευνημένες τεχνικές ανίχνευσης στο τομέα των μPADs, με πιο δημοφιλή διεργασία την ανίχνευση γλυκόζης. Οι ηλεκτροχημικοί μετρητές γλυκόζης, που διατίθενται στο εμπόριο, χρησιμοποιούν μικροσυσκευές με βάση το χαρτί με τυπωμένα ηλεκτρόδια ή ημιαγωγούς, μεταξύ άλλων, μεταλλικού οξειδίου απευθείας τυπωμένα στην επιφάνεια του χαρτιού.22 2.10 Μέθοδοι-τεχνικές τύπωσης των ηλεκτροδίων στο χαρτί Η μέθοδος κατασκευής που χρησιμοποιείται για την παραγωγή των βιοαισθητήρων χάρτου μπορεί να επηρεάσει την πολυπλοκότητα και τις εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται. Πράγματι, είναι διαθέσιμες πολυάριθμες προσεγγίσεις για την κατασκευή ePADs που είτε βασίζονται σε τεχνικές χημικής τροποποίησης είτε φυσικής εναπόθεσης με σκοπό τροποποίηση των χαρακτηριστικών του υλικού της μήτρας κυτταρίνης. Γενικά, η διαδικασία επεξεργασίας δύνανται να αλλάζει τις ιδιότητες συγκεκριμένων περιοχών του χαρτιού από υδρόφιλο σε υδρόφοβο, σχηματίζοντας παράλληλα υδρόφοβες γραμμές που παρέχουν ‘’κανάλια’’ για την καθοδήγηση της ροής του υγρού καθώς διεισδύει στο υπόστρωμα υπό την επίδραση της τριχοειδούς δράσης. Τα ePADs που προκύπτουν μπορούν να ταξινομηθούν ή ως δισδιάστατα (2D) είτε ως τρισδιάστατα (3D), ανάλογα με την κατεύθυνση (οριζόντια ή κάθετη) στην οποία ρέει το ρευστό. Έχουν προταθεί πολλές μέθοδοι για την κατασκευή των χάρτινων ηλεκτροχημικών μικροδιατάξεων, όπως εκτύπωση με κερί (wax printing), φωτολιθογραφία (photolithography), screen printing και εκτύπωση με πολυδιμεθυλσιλοξάνιο (Polydimethyl-Siloxane (PDMS) Printing). Μάλιστα, τα τελευταία χρόνια έχει αναδυθεί μια χαμηλού κόστους και αποτελεσματική μέθοδος που βασίζεται στην αναδίπλωση του χαρτιού και αποκαλείται, εξαιτίας του σχήματος του, «origami». Η ίδια μέθοδος έχει ακόμη προταθεί για την παραγωγή τρισδιάστατων μPADs, ωστόσο, η σκιαγράφηση τόσο των θετικών όσο και των αρνητικών της πτυχών παραμένει ακόμη υπό μελέτη.17 Στον παρακάτω Πίνακα 220 αναφέρονται κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ενδεικτικών μεθόδων που αναφέρθηκαν. 19 Τεχνική Wax printing Photolithography Πλεονεκτήματα Χαμηλό κόστος, εύκολη κατασκευή, σύντομος χρόνος κατασκευής Υψηλή ανάλυση, κατάλληλο για παραγωγή μεγάλης κλίμακας PDMS printing Χαμηλό κόστος, ευέλικτη Origami Πρωτοποριακά σχέδια, απλή κατασκευή Μειονεκτήματα Χαμηλή ανάλυση, ασταθής κατά τη θέρμανση Πανάκριβος και εξελιγμένος εξοπλισμός, αστάθεια Χαμηλή ανάλυση, εξελιγμένο εξοπλισμός για την κατασκευή καλουπιών -- Πίνακας 2. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μεθόδων τεχνικών τύπωσης στο χαρτί. 2.11 Screen-printing Ωστόσο, αξίζει να εστιάσουμε την προσοχή μας στη τεχνική του screen-printing, αφού είναι αυτή που ακολουθήσαμε και στο πλαίσιο της πτυχιακής μας εργασίας για την κατασκευή των μικροδιατάξεων χαρτιού. Το screen-printing αποτελεί μια τεχνική βασισμένη σε πρότυπα που χρησιμοποιούν stencil για να οριοθετήσουν τις περιοχές όπου θα τυπωθεί το υδρόφοβο υλικό.23 Υδρόφοβα υλικά, όπως συνήθως, το κερί και το πολυστυρένιο, χρησιμοποιούνται ως μελάνι για τη δημιουργία φραγμών/ορίων πάνω στην επιφάνεια των ePADs.18 Η κατασκευή ηλεκτροδίων με screen-printing (SPEs= Screen-Printed Electrodes) περιλαμβάνει τη συμπίεση του υλικού εκτύπωσης (μια πάστα μελανιού) μέσω ενός πλέγματος οθόνης (που ορίζει το γεωμετρικό σχέδιο του ηλεκτροδίου) σε ένα ηλεκτρικά μονωτικό υπόστρωμα. Τα πλεονεκτήματα του screen-printing, ως μέθοδος για την κατασκευή ηλεκτροδίων βασίζονται στο χαμηλό κόστος (όσον αφορά το βασικό κόστος της συσκευής εκτύπωσης και το κόστος των αναλωσίμων), στην ευελιξία, στην επιλογή και την τροποποίηση του υλικού του ηλεκτροδίου και, τέλος, στη δυνατότητα μαζικής παραγωγής. Τα SPEs έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στο πεδίο των αναδιαλυτικών αναλύσεων μετάλλων, ενώ η κατασκευή και οι εφαρμογές τους έχουν απασχολήσει τους επιστήμονες και έχουν αναφερθεί σε εκτενείς ανασκοπήσεις. Το υλικό εκτύπωσης είναι συνήθως κάποιος τύπος μελανιού που περιέχει γραφίτη, ωστόσο άλλα SPEs από στοιχεία, όπως χρυσό, πλατίνα και ασήμι μπορούν να παραχθούν χρησιμοποιώντας μελάνι πληρωμένο με αυτά τα μέταλλα.14 Επιπλέον, αυτά τα τυπωμένα μικροηλεκτρόδια ή οι συστοιχίες μικροηλεκτροδίων σε διάφορες διαμορφώσεις και μοτίβα, μπορούν να παρασκευαστούν μέσω διαφορετικών τεχνολογιών. Τα SPEs που καλύπτονται με μεμβράνες υδραργύρου και, πιο πρόσφατα, με μεμβράνες βισμούθιου και αντιμονίου είναι οι πιο δημοφιλείς αισθητήρες αυτού του τύπου, σε συνδυασμό με την ASV (Anodic Scan Voltammetry). Τα SPEs που κατασκευάζονται με μελάνι που περιέχει χρυσό ή είναι επικαλυμμένο με χρυσό, βρίσκουν εφαρμογές συχνά για τον προσδιορισμό υδραργύρου και αρσενικού, ενώ κατά καιρούς έχουν χρησιμοποιηθεί SPEs από ασήμι και πλατίνα για τον ίδιο σκοπό. Έχουν αναφερθεί πολυάριθμες εφαρμογές που χρησιμοποιούν χημικά τροποποιημένα SPEs για μη ηλεκτρολυτική συσσώρευση μετάλλων. Ένας χηλικός υποκαταστάτης μπορεί να ενσωματωθεί στην επιφάνεια του SPE με 20 την επίστρωση μιας σταγόνας ή στο μεγαλύτερο μέρος του, μέσω ανάμειξης με το μελάνι άνθρακα πριν την εκτύπωση.14 21 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 Αντιδραστήρια και Οργανολογία Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν, κατά την διάρκεια των πειραμάτων, ήταν: οξικό οξύ, νιτρικό οξύ, θειικό οξύ, υδροχλωρικό οξύ, καθώς και stock διαλύματα Bi(III), Tl(Ι), Cd(II), Pb(II), Cu(II), σε συγκεκριμένες συγκεντρώσεις το καθένα. Όλα τα χημικά αντιδραστήρια ήταν αναλυτικής κλίμακας και αγορασμένα από Merck (Darmstadt, Germany). Επίσης, χρησιμοποιήθηκε διπλά απεσταγμένο νερό. Η διαδικασία της εκτύπωσης ηλεκτροδίων στο υπόστρωμα χάρτου πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων με την συμβολή του καθηγητή Αναλυτικής Χημείας Μάμαντου Προδρομίδη με τη χρήση πάστας άνθρακα (Carbon Paste). Το υπόστρωμα χάρτου είναι τύπου Whatman® cellulose chromatography paper. Ο ποτενσιοστάτης που χρησιμοποιήθηκε είναι o Metrohm / Eco Chemie Autolab PGSTAT12 Potentiostat/Galvanostat Electrochemical System ενώ το λογισμικό της εταιρίας είναι το GPES. Εικόνα 10. Οργανολογία ανάλυσης αποτελούμενη από: Ποτενσιοστάτη Metrohm/ EcoChemieAutolab PGSTAT12 Potentiostat/GalvanostatElectrochemicalSystem και από PAD συνδεδεμένο μέσω ηλεκτροδίων τύπου crocodile. 1.2 Πειραματική πορεία Στην παρούσα εργασία, έγινε χρήση μιας ηλεκτροχημικής μικροσυσκευής βασισμένη σε υπόστρωμα χάρτου (ePAD), η οποία κατασκευάστηκε με συνδυασμό της μεθόδου screen printing και απλής σχεδίασης του μοτίβου με κοινό μαρκαδόρο, με σκοπό τον προσδιορισμό συγκέντρωσης Tl(Ι). Τα ηλεκτρόδια του ePAD συνδέονταν στον ποτενσιοστάτη με την χρήση συνδέσμων τύπου crocodile και στη συνέχεια με τη χρήση αυτόματων, μηχανικών πιπετών μεταφερόταν στο ηλεκτρόδιο καθορισμένος όγκος (σε μL) του εκάστοτε διαλύματος. Οι πειραματικές δοκιμασίες με σκοπό την βέλτιστη λειτουργία του ηλεκτροδίου περιλάμβαναν: (i) την επιλογή του κατάλληλου ρυθμιστικού διαλύματος (Buffer), (ii) τον καθορισμό του βέλτιστου χρόνου εναπόθεσης (Deposition time), (iii) δυναμικού εναπόθεσης (Deposition potential) καθώς και (iv) της πιο αποδοτικής συγκέντρωσης Bi(III). Τέλος, μελετήθηκε (v) η επίδραση συγκεκριμένων μετάλλων (Cd (II), Pb(II), Cu(II)), που θα 22 μπορούσαν να δράσουν παρεμποδιστικά στον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του Tl(Ι), ενώ ακολούθησε βαθμονόμηση της μεθόδου με την κατασκευή καμπύλης αναφοράς. 1.2.1 Ρυθμιστικά διαλύματα 4,50E-05 4,00E-05 3,50E-05 i (A) 3,00E-05 2,50E-05 2,00E-05 1,50E-05 1,00E-05 5,00E-06 0,00E+00 -1,5 -1,3 -1,1 -0,9 -0,7 -0,5 -0,3 E (V) Acet 0,1mol/L Acet 1mol/L H2SO4 0,5mol/L HCI 0,5mol/L HNO3 0,5mol/L Σχήμα 1. Βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) με τη χρήση 5 διαφορετικών ρυθμιστικών διαλυμάτων (Acet 0.1mol/L, Acet 1mol/L, ΗΝΟ3 0.5mol/L, H2SO4 0.5mol/L, HCl 0.5mol/L) σε συνθήκες: δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), χρόνος εναπόθεσης (240s), συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), συγκέντρωση Tl(Ι) (350μg/L). Για την επιλογή του κατάλληλου ρυθμιστικού διαλύματος έγιναν δοκιμές, σε διαφορετικά ηλεκτρόδια κάθε φορά, των ρυθμιστικών διαλυμάτων: οξικό οξύ 0,1mol/L (Acet), οξικό οξύ 1mol/L, νιτρικό οξύ 0,5mol/L (ΗΝΟ3), θειικό οξύ 0,5mol/L (H2SO4), υδροχλωρικό οξύ 0,5mol/L (HCl). Σε κάθε μια από τις δοκιμές αυτές έμεναν σταθερά το δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), ο χρόνος εναπόθεσης (240s), η συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), η συγκέντρωση Tl(Ι) (350μg/L) και η μέθοδος προσδιορισμού, η οποία ήταν η βολταμμετρία διαφορικού παλμού (Diffrential Pulse, DP). Από το διάγραμμα που λήφθηκε (Σχήμα 1) διαπιστώνεται ότι η ορθότερη επιλογή ρυθμιστικού διαλύματος είναι αυτή του οξικού οξέος 1mol/L , καθώς με την χρήση αυτού εμφανίζεται πιο διακριτά η ζητούμενη κορυφή σε δυναμικό περίπου -1,1V. 23 1.2.2 Χρόνος εναπόθεσης Σχήμα 2. a) Βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) για 9 διαφορετικές τιμές χρόνου εναπόθεσης (0s, 30s, 60s, 120s, 180s, 240s, 300s, 360s, 420s), σε συνθήκες: δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), συγκέντρωση Tl(l) (350μg/L). b) Διάγραμμα ύψους κορυφών του θαλλίου Tl(I) σε συνάρτηση με το χρόνο εναπόθεσης. H μελέτη της επίδρασης του χρόνου εναπόθεσης εξετάστηκε στην κλίμακα 0-420s με την χρήση ενός και μόνο microfluidic. Λήφθηκαν μετρήσεις για τιμές χρόνου: 0s, 30s, 60s, 120s, 180s, 240s, 300s, 360s, 420s. Παρέμεναν σταθερά το δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), η συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), το ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), η συγκέντρωση Tl (350μg/L) και η μέθοδος προσδιορισμού (DP). Από το διάγραμμα που λήφθηκε (Σχήμα 2) διαπιστώνεται ότι η ορθότερη επιλογή χρόνου εναπόθεσης ήταν τα 240s με ύψος κορυφής 4.38. Από το διάγραμμα που παρουσιάζεται το ύψος κορυφών του Tl σε συνάρτηση με τον χρόνο, παρατηρούμε ότι μετά τα 240s 24 εμφανίζεται πλατώ. Παρόλο που στα 420s παρουσιάζεται κορυφή με ύψος 4.78, επιλέγουμε τα 240s. Προκειμένου να μην επιβαρύνουμε τον αισθητήρα, ο οποίος όπως αναφέρθηκε είναι κοινός για όλες τις μετρήσεις, προτιμάμε τον μικρότερο δυνατό χρόνο, καθώς η διαφορά των υψών μεταξύ 240s και 420s είναι ασήμαντη. 1.2.3 Δυναμικό εναπόθεσης 7,00E-05 6,00E-05 5,00E-05 i (A) 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00 -1,5 -1,3 -1,1 -0,9 -0,7 -0,5 -2V -2,5V -0,3 -0,1 E (V) 0 0,5V -1V -1,5V -3V Σχήμα 3. Βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) για 7 διαφορετικές τιμές δυναμικού εναπόθεσης: (0V, 0.5V, -1V, -1.5V, -2V, -2.5V, -3V) σε συνθήκες: συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), χρόνος εναπόθεσης (240s), συγκέντρωση Tl(I) (350μg/L). Το δυναμικό εναπόθεσης μελετήθηκε στο εύρος τιμών από 0 έως -3V, με τη χρήση ενός αισθητήρα. Λήφθηκαν μετρήσεις για τιμές δυναμικού: 0V, -0.5V, -1V, -1.5V, -2V, -2.5V, -3V. Παρέμεναν σταθερά το η συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), το ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), ο χρόνος εναπόθεσης (240s), η συγκέντρωση Tl (350μg/L) και η μέθοδος προσδιορισμού (DP). Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3, τα αναλυτικά σήματα του προς ανίχνευση μετάλλου (Tl(Ι)), αυξάνονταν, καθώς το δυναμικό εναπόθεσης γινόταν πιο αρνητικό. Καταλήξαμε στο ότι το καταλληλότερο δυναμικό ήταν τα -2.5V. Σε αυτή την τιμή όχι μόνο εμφανίζεται η επιζητούμενη κορυφή με ικανοποιητικό ύψος, αλλά παράλληλα δεν διατρέχεται κίνδυνος επιβάρυνσης του αισθητήρα, όπως πιθανώς να συνέβαινε στην περίπτωση εφαρμογής τάσεως -3V. 25 1.2.4 Συγκέντρωση Bi(III) Σχήμα 4. a)Βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) για 5 διαφορετικές τιμές συγκέντρωσης διαλύματος Bi(III) (1mol/L, 5mol/L, 1mol/L, 50mol/L, 100mol/L) σε συνθήκες: δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), χρόνος εναπόθεσης (240s), ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), συγκέντρωση Tl(Ι) (350μg/L). b) Διάγραμμα ύψους κορυφών του Bi(III) συναρτήσει της συγκέντρωσης του σε εύρος τιμών 0-50 mg/L. Η συγκέντρωση Bi(III) μελετήθηκε στο εύρος τιμών από 1-50mg/L, με τη χρήση ενός αισθητήρα. Λήφθηκαν μετρήσεις για τιμές συγκεντρώσεων: 1mg/L, 5mg/L, 10mg/L, 20mg/L και 50mg/L. Παρέμεναν σταθερά το δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), το ρυθμιστικό διάλυμα (Acet 1mol/L), ο χρόνος εναπόθεσης (240s), η συγκέντρωση Tl (350μg/L) και η μέθοδος προσδιορισμού (DP). 26 Όπως διαπιστώνεται από το Σχήμα 4, μετά τα 10mg/L εμφανίζεται πλατώ και έτσι επιλέγεται η συγκέντρωση των 10mg/L Bi(III). 1.2.5 Παρεμποδίσεις μετάλλων 8,00E-05 7,00E-05 Cd (ΙΙ) Pb (ΙΙ) Cu (ΙΙ) 6,00E-05 i (A) 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00 -1,5 -1,3 -1,1 -0,9 E (V) -0,7 -0,5 -0,3 Σχήμα 5. Βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) σύγκρισης της παρεμποδιστικής δράσης των μετάλλων Cd(II), Pb(II), Cu(II) στην εμφάνιση της κορυφής του Tl(I) σε συνθήκες: δυναμικό εναπόθεσης (-2.5V), χρόνος εναπόθεσης (240s), συγκέντρωση Bi(III) (10mg/L), συγκέντρωση Tl(Ι) (350μg/L), συγκεντρώσεις Cd(II), Pb(II), Cu(II) (350μg/L). Μετά την μελέτη και επιλογή των βέλτιστων συνθηκών που αναφέρθηκαν παραπάνω, εξετάστηκε η παρεμποδιστική δράση τριών μετάλλων (Cd(II), Pb(II), Cu(II)) στην μέτρηση της συγκέντρωσης Tl(Ι). Οι συγκεντρώσεις τόσο του προσδιοριζόμενου μετάλλου, όσο και των πιθανά παρεμποδιστικών, που χρησιμοποιήθηκαν, ήταν οι ίδιες και συγκεκριμένα 350μg/L. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5 ο Cu(II) προκαλεί μείωση στην κορυφή του Tl(I). Αντίθετα ο Pb(II) και το Cd(II) προκαλούν επικάλυψη των κορυφών. Για να αποφευχθεί πιθανή παρεμποδιστική δράση τόσο ουσιών του μελανιού του μαρκαδόρου, όσο και οξειδοαναγωγικών μορφών διάφορων μετάλλων, έγινε προσθήκη διαλύματος EDTA. Το EDTA ως πολυσχιδής υποκαταστάτης έχει την ιδιότητα να συμπλοκοποιείται και να δεσμεύει τα παρεμποδιστικά μεταλλικά ιόντα. 27 1.2.6 Καμπύλη αναφοράς Σχήμα 6. a) Καμπύλη αναφοράς αποτελούμενη από βολταμμογραφήματα διαφορικού παλμού (DP) συγκεντρώσεων TI(I) εύρους 50μg/L-2000 μg/L b) Διάγραμμα ύψους κορυφών του θαλλίου Tl(I) συναρτήσει της συγκέντρωσής του σε εύρος τιμών 50μg/L-2000 μg/L c) Γραμμική περιοχή του διαγράμματος των υψών από το σχήμα b) για εύρος συγκεντρώσεων 50μg/L-800 μg/L και διεξαγωγή εξίσωσης βαθμονόμησης με 𝑠 LOD=3.3x 𝑏⁄𝑆. 28 Η βαθμονόμηση της μεθόδου αυτής προσδιορισμού Tl(I) έγινε σε εύρος συγκεντρώσεων 50-2000μg/L. Η γραμμική περιοχή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6(c) ήταν μεταξύ 200 και 600μg/L, ενώ το όριο ανίχνευσης (LOD) ήταν ίσο με 50μg/L. 29 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο τέλος των πειραματικών δοκιμασιών διεξάχθηκαν αποτελέσματα που αφορούν τις συνθήκες που πρέπει να τηρούνται για τον βέλτιστο προσδιορισμό του θαλλίου. Από το Σχήμα 1 διαπιστώνεται ότι η ορθότερη επιλογή ρυθμιστικού διαλύματος είναι αυτή του οξικού οξέος με συγκέντρωση 1mol/L από το Σχήμα 2a συμπεραίνεται ότι η ορθότερη επιλογή χρόνου εναπόθεσης ήταν τα 240s με ύψος κορυφής 4.38. Στο Σχήμα 3, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το καταλληλότερο δυναμικό ήταν τα -2.5V ενώ από το Σχήμα 4 a,b λαμβάνουμε το συμπέρασμα πως η συγκέντρωση 10mg/L, για το διάλυμα Bi(III), είναι η ιδανικότερη για την αναλυτική μέθοδο. Αναφορικά με τις ενδεχόμενες παρεμποδιστικές δράσεις των μετάλλων, φαίνεται στο Σχήμα 5 πως ο Cu(II) προκαλεί μείωση στην κορυφή του Tl(I). Αντίθετα ο Pb(II) και το Cd(II) προκαλούν επικάλυψη των κορυφών, ωστόσο με την προσθήκη EDTA έγινε μερική άρση της παρεμποδιστικής τους επίδρασης. Η γραμμική περιοχή της μεθόδου αυτής προσδιορισμού Tl(I), όπως φαίνεται στο Σχήμα 6c ήταν μεταξύ 200 και 600μg/L, ενώ το όριο ανίχνευσης (LOD) ήταν ίσο με 50μg/L. Εν κατακλείδι, ο τομέας των μικροδιατάξεων χάρτου σε συνδυασμό με το πεδίο των αναλυτικών τεχνικών προσελκύει το ενδιαφέρον όλο και περισσότερο ενώ ταυτόχρονα διευρύνεται το φάσμα των δειγμάτων που μπορούν να αναλυθούν. Η παραπάνω εργασία αποτελεί μια ένδειξη εγκυρότητας της μεθόδου ανάλυσης για τον προσδιορισμό μονοσθενούς μετάλλου πάνω σε υπόστρωμα χάρτου με τη βοήθεια της βολταμετρίας διαφορικού παλμού. 30 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της πτυχιακής μας εργασίας στο εργαστήριο της Αναλυτικής Χημείας, του Τμήματος Χημείας ΕΚΠΑ, θα θέλαμε να εκφράσουμε τις θερμές μας ευχαριστίες σε όλους όσοι συνέβαλλαν στην εκπόνησή της. Ευχαριστούμε, πρωταρχικά, τον επιβλέποντα καθηγητή μας, κύριο Αναστάσιο Οικονόμου, για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε πάνω στην εκπόνηση της μελέτης, καθώς και για την επιστημονική του καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές του. Επίσης, ευχαριστούμε θερμά τον διδάκτορα, κύριο Σούλη Διονύσιο για τις εποικοδομητικές του υποδείξεις και την πολύτιμη συμβολή του στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας, με αμείωτο ενδιαφέρον καθ’ όλη τη διάρκεια αυτής. 31 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Κ. Ευσταθίου - Θ. Χατζηϊωάννου, «Eνόργανες Τεχνικές Αναλύσεως, Τόμος Α», Πανεπιστήμιο Αθηνών,1998 2. Skoog DA, West DM, Holler FJ, «Αρχές Ενόργανης Ανάλυσης, 6th ed.», Εκδόσεις Κωσταράκη, Αθήνα, 2007 3. Κόκκινος Χρήστος, «Κατασκευή και εφαρμογές μικροαισθητήρων για χημική ανάλυση», Διδακτορική Διατριβή, ΕΚΠΑ, 2009 4. Cyclic Voltammetry Electrochemical Technique Gamry Instruments, https://www.gamry.com/application-notes/physechem/cyclic-voltammetryintegrating-cv/ 5. Järup L. Hazards of heavy metal contamination. Br Med Bull, 2003 Dec 1 6. Soulis D, Trachioti M, Kokkinos C, Economou A, Prodromidis M. Single-Use Fluidic Electrochemical Paper-Based Analytical Devices Fabricated by Pen Plotting and ScreenPrinting for On-Site Rapid Voltammetric Monitoring of Pb(II) and Cd(II). Sensors 2021, Vol 21, 2021 Oct 18 7. Lokhande RS, Singare PU, Pimple DS. Toxicity Study of Heavy Metals Pollutants in Waste Water Effluent Samples Collected from Taloja Industrial Estate of Mumbai, India. Resour Environ, 2011 8. Leung A, Cai ZW, Wong MH. Environmental contamination from electronic waste recycling at Guiyu, southeast China. J Mater Cycles Waste Manag 2006 81, 2006 9. Heavy-metal toxicity With emphasis on mercury, https://www.researchgate.net/publication/283880363_Heavy-metal_toxicity__With_emphasis_on_mercury 10. Helaluddin ABM, Khalid RS, Alaama M, Abbas SA. Main Analytical Techniques Used for Elemental Analysis in Various Matrices. Trop J Pharm Res, 2016 Mar 4 11. Florea AM, Büsselberg D. Occurrence, use and potential toxic effects of metals and metal compounds. Biometals. 2006 Aug 12. Leonard SS, Harris GK, Shi X. Metal-induced oxidative stress and signal transduction Free Radic Biol Med, 2004 Dec 15 13. Borrill AJ, Reily NE, Macpherson J V. Addressing the practicalities of anodic stripping voltammetry for heavy metal detection: a tutorial review. Analyst, 2019 Nov 18 14. Economou A, Kokkinos C. Chapter 1:Advances in Stripping Analysis of Metals. RSC Detect Sci, 2015 Oct 12 15. Lennartson A. Toxic thallium. Nat Chem. 2015 Jun 23;7(7):610. 16. Thallium Detection | ChemSee. Available https://www.chemsee.com/commercial/food-poisons/targets/thallium/ 17. Kung C Te, Hou CY, Wang YN, Fu LM. Microfluidic paper-based analytical devices for environmental analysis of soil, air, ecology and river water. Sensors Actuators B Chem. 2019 Dec 12;301:126855. 18. Lim H, Jafry AT, Lee J. Fabrication, Flow Control, and Applications of Microfluidic PaperBased Analytical Devices. Mol 2019, Vol 24., 2019 Aug 7 32 from: 19. Costa-Rama E, Fernández-Abedul MT. Paper-Based Screen-Printed Electrodes: A New Generation of Low-Cost Electroanalytical Platforms. Biosens 2021, Vol 11, 2021 Feb 16 20. Singh AT, Lantigua D, Meka A, Taing S, Pandher M, Camci-Unal G. Paper-Based Sensors: Emerging Themes and Applications. Sensors (Basel), 2018 Sep 1 21. Boobphahom S, Ly MN, Soum V, Pyun N, Kwon OS, Rodthongkum N, et al. Recent Advances in Microfluidic Paper-Based Analytical Devices toward High-Throughput Screening. Molecules, 2020 Jul 1 22. Akyazi T, Basabe-Desmonts L, Benito-Lopez F. Review on microfluidic paper-based analytical devices towards commercialisation. Anal Chim Acta, 2018 Feb 25 23. Ataide VN, Mendes LF, Gama LILM, De Araujo WR, Paixaõ TRLC. Electrochemical paperbased analytical devices: ten years of development. Anal Methods, 2020 Feb 27 33