Ανάπτυξη χημικών και βιολογικών αισθητήρων με εφαρμογή στην ανίχνευση φυτοφαρμάκων

Abstract

This doctoral dissertation investigates the detection and quantification capabilities of chemical and biological sensors in the detection of three commonly used pesticides. The sensing platform developed in this work consists of a pair of interdigitated electrodes in combination with a sputtered platinum nanoparticle thin film. Based on this flexible platform and by taking advantage of variable resistance of the film due to percolation effects we present the implementation of two different classes of sensors. The first is chemical sensors realised by additionally depositing vapour-absorbent polymers while the second is biological sensors by bonding onto the surface aptamers specifically designed to detect the desired substance.Their proof of operation paves the way for the further detection of substances the presence of which in the environment is considered to be harmful to both the flora and fauna as well as the human health and wellbeing. Up until now the analytical methods employed for the detection of pesticides and other polluting agents even though precise they are cost and time inefficient and they require the employment of specialised personnel and laboratory facilities. Over the last few decades there is a continuing effort by several research groups to develop equally precise but low-cost techniques that allow the on-site detection of pesticides during both the production and distribution of food and drinks. Two of the most commonly applied techniques found in the literature and are also the focus of this work are the chemical and biological sensors. In the first chapter we present the problem at hand and identify the need for the development of new pesticide detection techniques in order to ensure a safe working environment and additionally avoid the consumption of said substances by the general populace through food and water. Moreover we discuss nanomaterials, specifically their structural properties and conduction mechanisms, which in conjunction with established microelectronic processing and the development of biotechnology can be proven as a viable solution towards the stated goal. Purpose of the second chapter is the extensive review of the different categories of chemical sensors focusing mostly on chemiresistors as the sensors developed through the course of this work for the detection of Chlorpyrifos fall into this category. We present the benefits and drawbacks in comparison to other detection techniques as well as the efforts made to address them. Continuing on the third chapter we focus on the materials used and the fabrication steps taken towards the realisation of the chemical sensors. The we proceed to present the experiments done and the results that arose from them. Processing of the data reveals that we do not only achieved to sufficiently detect Chlorpyrifos but also quantify its concentration down to a record 0.7 ppb. The same array of sensors is demonstrated to by able to detected various different analytes (water, ethanol and methanol) in different concentrations which is of particular importance as they are routinely identified in the same environment as pesticides. In chapter four we delve into the theoretical background required in order to properly understand the operational principle of aptamer-based biosensors. In order to do so we focus on the action of biological materials, and more specifically aptamers, followed by a review on the biological and physical phenomena employed by electrochemical impedance spectroscopy which forms the platform for the detection of two common pesticides, Acetamiprid and Atrazine.Furthermore, on chapter five, we refer to the materials used for the fabrication of biosensors as well as the efforts done to optimise the sensing elements. We demonstrate the detection of Acetamiprid and Atrazine with lowest detection limit at 1×10-12 M and 1×10-11 M respectively. The chapter is concluded with the aptamer selectivity study by comparing the sensor response in the presence of four different petsticides.The dissertation is concluded in the sixth chapter were we summarise the results of this work and discuss future prospects.

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.