Μελέτη μορφοποιημένων ηλεκτροδιακών επιφανειών κι εφαρμογή τους στον ταυτόχρονο βολταμμετρικό προσδιορισμό ψευδαργύρου, καδμίου, μόλυβδου και χαλκού σε δείγματα περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος (εδάφη, φυτά, ύδατα)

Abstract

This Thesis focuses on the development, optimization, and application of advanced electrochemical methods for the detection of heavy metals in environmental samples, with particular emphasis on the use of modified electrodes and nanostructured materials. Heavy metals represent one of the most hazardous classes of environmental pollutants due to their high chemical stability, non-biodegradability, and strong tendency to bioaccumulate and biomagnify within living organisms, leading to significant adverse effects on human health and ecosystems. In addition, inorganic anions such as chloride ions (Cl⁻) are of considerable environmental interest, as elevated concentrations may alter water chemistry, promote material corrosion, and negatively affect plant growth. The continuously increasing environmental burden underscores the urgent need for analytical techniques that combine high sensitivity, selectivity, and practical applicability. The theoretical part of the dissertation initially provides an overview of heavy metals and chloride ions, including their sources, physicochemical properties, and environmental and health impacts. Their occurrence in environmental matrices such as soil, water, and plants is discussed, highlighting the importance of systematic monitoring. Furthermore, the fundamental principles of electrochemical techniques, particularly voltammetry, are presented, along with an extensive review of electrode modification strategies and materials employed to enhance analytical performance. A systematic literature review of conventional spectrometric techniques, including inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), and atomic absorption spectrometry (AAS), is also presented. Although these techniques are well-established and highly reliable, they are often associated with high operational costs, complex instrumentation, and limited applicability for in situ measurements. In this context, electrochemical methods, and especially voltammetric techniques, emerge as promising alternatives, offering high sensitivity, selectivity, rapid response, and the capability for simultaneous determination of multiple analytes. Particular emphasis is placed on electrode modification and the evolution of materials used in sensor development. The transition from toxic mercury-based electrodes to more environmentally friendly alternatives, such as bismuth-based electrodes, and the subsequent incorporation of nanostructured materials (e.g., metal nanoparticles, carbon nanotubes, and metal oxides) have significantly enhanced analytical performance by increasing surface area, conductivity, and selectivity. Moreover, the integration of biomolecules such as double-stranded DNA (dsDNA) has further improved analyte interaction and enabled the development of hybrid sensing platforms capable of detecting both heavy metals and chloride ions in complex environmental matrices. The experimental part of the dissertation comprises three independent studies, presented in Chapters 4, 5, and 6, focusing on the development and evaluation of innovative electrochemical sensors for the simultaneous determination of multiple analytes in real environmental samples. In Chapter 4, a glassy carbon electrode modified with a bismuth film and dsDNA was developed for the simultaneous determination of Zn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, and Cu²⁺ using square-wave anodic stripping voltammetry (SWASV). The method demonstrated high sensitivity and good reproducibility, with limits of detection of 0,70 mg L⁻1 for Zn²⁺, 0,14 mg L⁻1 for Cd²⁺, 0,03 mg L⁻1 for Pb²⁺, and 0,38 mg L⁻1 for Cu²⁺. The results showed good agreement with atomic absorption spectrometry (AAS), confirming the reliability of the proposed method. Additionally, the incorporation of dsDNA enabled the investigation of metal–DNA interactions and facilitated the discrimination between Cu(I) and Cu(II) species. In Chapter 5, a novel carbon paste electrode modified with saffron-conjugated silver nanoparticles (AgNPs@Sa-CPE) was developed for the simultaneous determination of Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, and Cl⁻ in soil and plant samples. The sensor exhibited excellent analytical performance, with low limits of detection of 0,38, 0,44, 0,72, 0,42, and 0,11 μg L⁻1 for Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, and Cl⁻, respectively. The relative standard deviations ranged between 7.6% and 9.4%, indicating good precision and reproducibility. A linear response for chloride ions was observed in the concentration range of 0,71–70,9 μg L⁻1 (R² = 0,996), demonstrating the suitability of the sensor for trace-level analysis in complex matrices. In Chapter 6, a novel electrochemical sensor based on nanostructured manganese oxide (Mn₃O₄) was developed for the determination of heavy metals in aqueous media and wastewater. The Mn₃O₄ nanoparticles were synthesized via a solvothermal method in the presence of propylene glycol (PG), which acted as both a reaction medium and a stabilizing agent. The synthesized nanomaterials were characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), dynamic light scattering (DLS), ζ-potential measurements, and scanning electron microscopy (SEM), confirming their successful formation and favorable structural properties. The developed Mn₃O₄-modified carbon paste electrode exhibited high analytical performance for the simultaneous determination of Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, and Cu²⁺, with limits of detection of 2,9, 5,2, 7,1, and 2,5 μg L⁻1, respectively, and relative standard deviations ranging from 4,43% to 7,74%, indicating good reproducibility and reliability. The sensor was successfully applied to real water and wastewater samples. Overall, the results of this dissertation demonstrate that electrochemical techniques, combined with advanced materials and nanotechnology, provide a reliable, sensitive, and cost-effective alternative to conventional analytical methods. Their ability for simultaneous multi-analyte detection, successful application in real samples, and potential for portable systems highlights their strong potential for environmental monitoring.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη, βελτιστοποίηση και εφαρμογή σύγχρονων ηλεκτροχημικών μεθόδων για την ανίχνευση βαρέων μετάλλων σε περιβαλλοντικά δείγματα, με ιδιαίτερη έμφαση στη χρήση μορφοποιημένων ηλεκτροδίων και νανοδομημένων υλικών. Τα βαρέα μέταλλα αποτελούν μία από τις πλέον επικίνδυνες κατηγορίες ρύπων, λόγω της υψηλής χημικής τους σταθερότητας, της μη βιοαποδομησιμότητας και της έντονης τάσης βιοσυσσώρευσης και βιομεγέθυνσης στους ζωντανούς οργανισμούς, προκαλώντας σοβαρές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον. Παράλληλα, σημαντικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν και τα ανόργανα ανιόντα, όπως τα ιόντα χλωρίου (Cl⁻), τα οποία, αν και αποτελούν βασικό συστατικό φυσικών και βιολογικών συστημάτων, σε αυξημένες συγκεντρώσεις μπορούν να επηρεάσουν τη χημική σύσταση των υδάτων, να συμβάλουν στη διάβρωση υλικών και να δημιουργήσουν δυσμενείς συνθήκες για την ανάπτυξη φυτικών οργανισμών. Η συνεχώς αυξανόμενη περιβαλλοντική επιβάρυνση καθιστά επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης αναλυτικών τεχνικών υψηλής ευαισθησίας, εκλεκτικότητας και πρακτικής εφαρμοσιμότητας. Αρχικά, στο θεωρητικό μέρος της διατριβής παρατίθενται εισαγωγικά στοιχεία σχετικά με τα βαρέα μέταλλα και τα ιόντα χλωρίου, τις πηγές προέλευσής τους, τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και τις επιπτώσεις τους στην ανθρώπινη υγεία και τα οικοσυστήματα. Παρουσιάζεται η παρουσία τους σε περιβαλλοντικά μέσα, όπως το έδαφος, το νερό και τα φυτά, καθώς και η σημασία της παρακολούθησης των συγκεντρώσεών τους για την προστασία της δημόσιας υγείας και τη διασφάλιση της ποιότητας του περιβάλλοντος. Στη συνέχεια, αναλύονται οι βασικές αρχές των ηλεκτροχημικών τεχνικών και ειδικότερα της βολταμμετρίας, ενώ γίνεται εκτενής αναφορά στις κατηγορίες μορφοποιημένων ηλεκτροδίων και στα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της αναλυτικής απόδοσης. Παράλληλα, πραγματοποιείται συστηματική βιβλιογραφική ανασκόπηση των συμβατικών φασματομετρικών τεχνικών, όπως η ICP-MS, η ICP-OES και η AAS για τα βαρέα μέταλλα. Οι μέθοδοι αυτές, αν και αξιόπιστες, παρουσιάζουν περιορισμούς που σχετίζονται με το υψηλό κόστος, την πολυπλοκότητα και τη δυσκολία επιτόπιας εφαρμογής. Στο πλαίσιο αυτό, οι ηλεκτροχημικές τεχνικές και ιδιαίτερα η βολταμμετρία αναδεικνύονται ως ιδιαίτερα υποσχόμενες εναλλακτικές, καθώς προσφέρουν τη δυνατότητα ταυτόχρονου προσδιορισμού κατιόντων και ανιόντων με υψηλή ευαισθησία, εκλεκτικότητα και ταχύτητα ανάλυσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μορφοποίηση των ηλεκτροδίων και στην εξέλιξη των υλικών που χρησιμοποιούνται. Η μετάβαση από τα τοξικά ηλεκτρόδια υδραργύρου σε ασφαλέστερα υλικά, όπως το βισμούθιο, και η περαιτέρω ανάπτυξη νανοδομημένων υλικών (νανοσωματίδια μετάλλων, νανοσωλήνες άνθρακα, οξείδια μετάλλων) οδήγησαν σε σημαντική βελτίωση της αναλυτικής απόδοσης, αυξάνοντας την ενεργό επιφάνεια, την αγωγιμότητα και την εκλεκτικότητα των αισθητήρων. Παράλληλα, η ενσωμάτωση βιομορίων, όπως το δίκλωνο DNA (dsDNA), ενίσχυσε περαιτέρω την ικανότητα αλληλεπίδρασης των αισθητήρων με τους αναλύτες, ενώ η ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων επέτρεψε την αποτελεσματική ανίχνευση τόσο βαρέων μετάλλων όσο και ιόντων χλωρίου σε σύνθετα περιβαλλοντικά δείγματα. Στο πειραματικό μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκαν τρεις επιμέρους ερευνητικές εργασίες, οι οποίες παρουσιάζονται στα Κεφάλαια 4, 5 και 6 και αφορούν την ανάπτυξη και αξιολόγηση καινοτόμων ηλεκτροχημικών αισθητήρων για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό πολλαπλών ιόντων βαρέων μετάλλων σε πραγματικά περιβαλλοντικά δείγματα. Ειδικότερα, στο 4ο Κεφάλαιο αναπτύχθηκε ηλεκτρόδιο υαλώδους άνθρακα μορφοποιημένο με φιλμ βισμουθίου καθώς και δίκλωνου DNA, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των Zn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺ και Cu²⁺ με τη χρήση SWASV. Η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την ταχεία και αξιόπιστη ανίχνευση βαρέων μετάλλων σε σύνθετες μήτρες, όπως τα εδαφικά δείγματα, όπου απαιτείται συστηματική παρακολούθηση λόγω της παρουσίας τους σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Παρουσίασε υψηλή ευαισθησία και καλή επαναληψιμότητα, με όρια ανίχνευσης 0,70 mg L⁻1 για Zn, 0,14 mg L⁻1 για Cd, 0,03 mg L⁻1 για Pb και 0,38 mg L⁻1 για Cu, επιβεβαιώνοντας τη δυνατότητα ανίχνευσης ιχνοποσοτήτων. Επιπλέον, η μέθοδος εμφάνισε καλή συμφωνία με τη φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (AAS), ενώ η ενσωμάτωση dsDNA επέτρεψε τη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των μετάλλων και τη διάκριση των μορφών του χαλκού (Cu(I)/Cu(II)). Στο 5ο Κεφάλαιο αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο ηλεκτρόδιο πάστας άνθρακα μορφοποιημένο με νανοσωματίδια αργύρου συζευγμένα με σαφράν (AgNPs@Sa-CPE), το οποίο αξιοποιήθηκε για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό ιόντων Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ και Cl⁻ σε εδαφικά και φυτικά δείγματα. Το προτεινόμενο σύστημα παρουσίασε εξαιρετική αναλυτική απόδοση, με πολύ χαμηλά όρια ανίχνευσης (LOD), τα οποία προσδιορίστηκαν σε 0,38 μg L⁻1 για Cd²⁺, 0,44 μg L⁻1 για Pb²⁺, 0,72 μg L⁻1 για Zn²⁺, 0,42 μg L⁻1 για Cu²⁺ και 0,11 μg L⁻1 για Cl⁻. Παράλληλα, οι σχετικές τυπικές αποκλίσεις (RSD) κυμάνθηκαν σε 8,1%, 9,4%, 8,3%, 7,6% και 7,9% αντίστοιχα, επιβεβαιώνοντας την καλή επαναληψιμότητα και αξιοπιστία της μεθόδου. Επιπλέον, για τα ιόντα χλωρίου παρατηρήθηκε γραμμική απόκριση στην περιοχή συγκεντρώσεων 0,71–70,9 μg L⁻1 με συντελεστή συσχέτισης R² = 0,996, γεγονός που καταδεικνύει την υψηλή ευαισθησία και τη δυνατότητα εφαρμογής του αισθητήρα για προσδιορισμό ιχνοποσοτήτων σε σύνθετες περιβαλλοντικές μήτρες. Στο 6ο Κεφάλαιο αναπτύχθηκε ένας καινοτόμος ηλεκτροχημικός αισθητήρας βασισμένος σε νανοδομημένα σωματίδια μαγγανίου (Mn₃O₄) για τον προσδιορισμό βαρέων μετάλλων σε υδατικά και αστικά απόβλητα. Τα νανοσωματίδια Mn₃O₄ συντέθηκαν με τη διαλυτοθερμική μέθοδ παρουσία προπυλενογλυκόλης (propylene glycol, PG), η οποία λειτούργησε τόσο ως μέσο σύνθεσης όσο και ως παράγοντας σταθεροποίησης του υλικού. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων πραγματοποιήθηκε με τεχνικές περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), φασματομετρίας υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR), θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA), καθώς και με μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) και ζ-δυναμικού, ενώ η μορφολογία της επιφάνειας του μορφοποιημένου ηλεκτροδίου μελετήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τον επιτυχή σχηματισμό των νανοσωματιδίων και τις ευνοϊκές δομικές και μορφολογικές τους ιδιότητες. Ο αναπτυγμένος αισθητήρας, βασισμένος σε ηλεκτρόδιο πάστας άνθρακα (CPE) μορφοποιημένο με νανοσωματίδια Mn₃O₄, παρουσίασε υψηλή αναλυτική απόδοση για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό ιόντων Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ και Cu²⁺. Τα όρια ανίχνευσης (LOD) προσδιορίστηκαν σε 2,9 μg L⁻1 για Cd²⁺, 5,2 μg L⁻1 για Pb²⁺, 7,1 μg L⁻1 για Zn²⁺ και 2,5 μg·L⁻1 για Cu²⁺, ενώ οι σχετικές τυπικές αποκλίσεις (RSD) κυμάνθηκαν μεταξύ 4,43% και 7,74%, υποδεικνύοντας καλή επαναληψιμότητα και αξιοπιστία της μεθόδου. Η εφαρμογή βολταμμετρικών τεχνικών, σε συνδυασμό με τη χρήση των νανοδομημένων υλικών, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός απλού, ευαίσθητου και επαναλήψιμου ηλεκτροχημικού αισθητήρα, ο οποίος εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικά δείγματα νερού και αστικών λυμάτων. Συνολικά, τα αποτελέσματα της διατριβής καταδεικνύουν ότι οι ηλεκτροχημικές τεχνικές, σε συνδυασμό με τη χρήση προηγμένων υλικών και νανοτεχνολογίας, αποτελούν μια αξιόπιστη, ευαίσθητη και οικονομικά αποδοτική εναλλακτική έναντι των συμβατικών αναλυτικών μεθόδων. Η δυνατότητα ταυτόχρονου προσδιορισμού πολλαπλών αναλυτών, η εφαρμογή σε πραγματικά περιβαλλοντικά δείγματα και η προοπτική ανάπτυξης φορητών συστημάτων καθιστούν τις προτεινόμενες μεθόδους ιδιαίτερα ελκυστικές για εφαρμογές περιβαλλοντικής παρακολούθησης.