Teză de doctorat [304620]

[anonimizat] a [anonimizat]: [anonimizat]

2017

Comisia de doctorat:

Președinte:

Prof. Dr. [anonimizat], [anonimizat]-Napoca

Conducător știintific:

Prof. Dr. [anonimizat], [anonimizat]-Napoca

Referenți:

Prof. Dr. Universitatea x

Prof. Dr. Universitatea ……………… Cluj-Napoca

Conf. Dr. Ing. [anonimizat], [anonimizat]-Napoca

Mulțumiri

În data de 01.10.2013 am sosit la Cluj.

A fost pentru prima dată când eram cu adevărat departe de casă. [anonimizat], [anonimizat].

Pentru acești ani doresc a-mi manifesta recunoștința profundă față de toți cei care au contribuit la “șlefuirea” [anonimizat]-mi astfel a le adresa în mod public mulțumiri.

[anonimizat], D-nei Prof.Dr. Liana Maria Mureșan, a [anonimizat], încurajare și exigență a făcut ca această cercetare să devină în sfârșit posibilă. Înainte să vă cunosc un aveam o “relație de prietenie” tocmai bună cu electrochimia. [anonimizat], [anonimizat]… [anonimizat]-ați acordat-o.

[anonimizat].Dr.Ing. Graziella Turdean pentru sfaturile valoroase oferite de-a [anonimizat] m-au ajutat la menținerea focusării înspre atingerea obiectivelor. Vă mulțumesc pentru rolul important de “catalizator” pe care l-[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat]. Cosmin Coteț, a cărui personalitate și excelență este deja cunoscută în acest domeniu. Îți multumesc pentru împartășirea “rețetei” materialului cu care s-au realizat experimentele chimice din prima parte a tezei, pentru prietenia și pentru deschiderea cu care ai avut bunăvoința să mă însoțești în demersul realizării acestei teze. [anonimizat], cu tot ceea ce implică ea: persoane, laboratoare, etc. Am învățat foarte multe de la tine: [anonimizat]. Suntem cu adevarat bucuroși să avem o [anonimizat].

Adresez mulțumiri și domnului Prof.Dr. Mircea Dărăbanțu precum și doctorand: [anonimizat], care a devenit între timp și o [anonimizat]. Vă mulțumesc pentru colaborarea interdisciplinară.

Adresez sincere mulțumiri referenților oficiali: CS. Virginia Danciu, Prof. Dr.Ing. Petru Ilea si d-nei Prof.Conf.Dr.Ing. Graziella Turdean, pentru prezența lor formatoare.

Nu în cele din urmă doresc să îi adresez mulțumiri d-nei Prof.Conf.Dr. Anca Peter, pentru potențialul pe care l-a descoperit în persoana mea. Fără îndrumarea venită din partea dumnevoastră, eu un eram, azi, aici susținându-mi teza de doctorat. Prezența dumnevoastră mi-a îmbunătățit semnificativ cariera profesională și nu numai.

Sincere mulțumiri adresez și Departamentului de Chimie și Inginerie Chimică pentru asigurarea tuturor facilităților necesare pentru realizarea acestei lucrari. Colegilor mei de doctorat, le multumesc pentru contribuția pe care au realizat-o fiecare, fie în mod conștient fie în mod inconștient, în dezvoltarea personalității mele.

Le multumesc tuturor prietenilor, care și-au adus un aport important în toată această perioadă prin diferitele susțineri!

Un în cele din urmă doresc a le adresa mulțumiri și celor de la Institutul de Materiale din Barcelona, pentru sprijinul și pentru îndrumarea oferită de-a lungul celor 4 luni, înspre realizarea unui stagiu de succes. Le mulțumesc pentru “lumea extraordinară a științei” cu care mi-au facut cunoștință.

În mod special doresc să mulțumesc colectivului de la SC Salvosan Ciobanca SRL, pentru răbdare și îngăduință. Domnului doctor Ciobanca Petru și întregii sale familii îî sunt recunoscătoare pentru toleranță și susținere.

Neprețuite mulțumiri adresez familiei mele; pentru răbdarea, înțelegerea și încurajarea cu care m-au înconjurat, nu numai în această perioadă ci de-a lungul existenței mele. În special mamei și mătușei mele, le mulțumesc pentru tot ceea ce au făcut pentru mine. Credința lor în mine m-au modelat în persoana care sunt azi.

Tuturor celor care m-au sprijinit le transmit cele mai bune gânduri.

Nu am să vă uit niciodată…

Mi-aș fi dorit ca aceste pagini să aiba viață…sentimentele sunt mai presus decât orice cuvinte….

Cuprins

Cuprins 7

Introducere 10

Obiectivele tezei 14

Partea I Studiu de literatură

Capitolul 1 Xerogeluri de carbon 16

Aspecte generale 16

Metoda sol-gel de sinteză a nanomaterialelor 19

Doparea: procesul de îmbunătățire a proprietăților xerogelurilor 27

Proprietățile xerogelurilor 28

Aplicații ale xerogelurilor de carbon 30

Electrozi modificați cu xerogeluri de carbon: 32

Obținerea materialelor de electrod modificate 32

Cerneală conductivă pe bază de xerogeluri dopate cu metale 34

Metode de caracterizare a electrozilor modificați 40

1.7.1. Metode electrochimice 41

1.7.1.1 Voltametria ciclică 40

1.7.1.2 Voltametria de stripare de undă pătrată 43

1.7.1.3 Spectroscopia de impedanță electrochimică 44

1.7.2. Metode de analiză morfo-structurală 46

1.7.2.1. Microscopia electronică de baleiaj (SEM) 46

1.7.2.2. Microscopia electronică de transmisie (TEM) 47

1.7.3. Difuzia dinamică a luminii (DLS) 49

1.7.4. Măsurarea vâscozității 51

1.7.5. Măsurarea tensiunii superficiale 52

1.8. Concluzii 53

Capitolul 2. Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2 54

Hemina-catalizator pseudo-enzimatic 54

Electrozi modificați cu grafenă și hemină 56

Grafenă: Aspecte generale 56

Metode de preparare 59

Proprietățile grafenelor 61

Aplicații ale grafenelor 62

Electrozi modificați cu grafenă 63

Electrozi modificați cu compuși melaminici și hemină 64

Dendrimeri: Aspecte generale 64

Dendrimeri melaminici 67

Electrozi modificați cu dendrimeri 69

Concluzii 72

Partea a-2-a Contribuții personale

Capitolul 3. Electrozi modificați cu xerogeluri de carbon dopate cu Bi 74

3.1. Sinteza materialelor de electrod 74

3.2. Caracterizare morfo – structurală a BiCXe-CPE 76

3.3. Electrodul cărbune pastă pentru detecția ionilor de Cd2+ și Pb2+ 77

3.3.1. Prepararea electrodului BiCXe-CPE 77

3.3.2. Caracterizare electrochimică a electrodului BiCXe-CPE prin

voltametrie ciclică și de undă pătrată 79

3.3.3. Detecția ionilor de Cd2+ cu electrodul BiCXe-CPE 83

3.3.4. Studiul interferenților la electrodul BiCXe-CPE 86

3.3.5. Detecția Pb2+ cu electrodul de BiCXe-CPE 88

3.4. Concluzii 93

Capitolul 4. Electrozi serigrafiați pe bază de xerogeluri de carbon dopate cu Bi 94

4.1 Prepararea cernelii conductoare 94

4.2 Caracterizarea cernelii 98

4.3 Teste pe hârtie fotografică 106

4.4 Teste electrochimice preliminare 107

4.5 Concluzii 107

Capitolul 5. Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2 109

5.1 Electrozi modificați pe bază de grafenă și hemină 110

5.1.1 Prepararea electrozilor 111

5.1.2 Caracterizarea electrozilor modificați 113

5.1.3 Determinarea H2O2 cu electrozii modificați G/rGO/polyHm 123

5.1.3.1 Determinarea concentrației H2O2 dintr-o probă reală 127

5.2. Concluzii 128

5.3. Electrozi modificați cu compuși melaminici și hemină 128

5.3.1 Condiții experimentale 128

5.3.2 Prepararea electrozilor modificați 130

5.3.3 Metode de caracterizare a electrozilor modificați 131

5.3.3.1 Analiza FT-IR 131

5.3.3.2 Metode electrochimice 133

5.3.4 Detecția amperometrică a H2O2 140

5.4. Concluzii 144

6. Concluzii și perspective 145

7. Bibliografie 147

8. Activitate științifică 164

“Chimia este o științã care va avea asupra

vieții o influențã imensã și o amplã aplicare.”

Goethe

INTRODUCERE

Anual din activitățile industriale, transporturi, dezastre, incendii etc rezultă o cantitate mare de substanțe dăunătoare lumii vii. Una dintre problemele societății contemporane este poluarea cauzată de prezența metalelor grele (Pb, Cd, Hg, Cu, Zn, Ca, Sb, etc) în sursele de apă potabilă, alimente și în organismele vii (în sânge) care, chiar și în doze mici, poate cauza probleme.

Detecția ionilor metalelor grele are o importanță aparte, datorită toxicității acestora, a impactului negativ exercitat asupra calității mediului și datorită prezenței crescute în acesta [Wang J., 2005], fiind o amenințare la adresa sănătății, culturilor, copacilor, apei și animalelor.

În acest context, este necesară dezvoltarea de noi dispozitive și metode ieftine, eficiente pentru evaluarea rapidă a urmelor de metale grele din diferite sisteme [Aragay G., Merkoci A., 2012], [Wang J., 2005] [Rodrigues J.A., et al., 2011]. A fost luată în considerare și posibilitatea de miniaturizare a acestor dispozitive de detecție, precum și scăderea complexității acestora, în scopul de a le face portabile și ușor de utilizat (inclusiv de către personalul non-specializat). [Svancara I. et al., 2010]. Diverse nanomateriale cum ar fi nanoparticulele, nanofirele, nanotuburile, grafenele etc au fost exploatate atât ca materiale modificatoare pentru electrozi, cât și ca materiale noi de electrod cu scopul de a fi aplicate în domeniul electrochimiei, în analiza de stripare electrochimică, în detecția selectivă a ionilor, ori în alte alternative indirecte de detecție sau biodetecție a metalelor grele [Aragay G., Merkoci A., 2012] [Wang J., 2005].

Pe plan internațional, materialele de electrod similare sunt în atenția cercetatorilor. Astfel, electrozii pe bază de xerogeluri dopate cu Bi se doresc a fi înlocuitori de succes ai electrodului de mercur, care a fost traductorul cel mai utilizat pentru detectarea prezenței metalelor grele. Electrodul de Hg prezintă cea mai bună sensibilitate, selectivitate și reproductibilitate datorită regenerarii sale active [Aragay G., Merkoci A., 2012].

Cu toate acestea, datorită toxicității mari, a volatilității și a dificultății de manipulare al mercurului, precum și a necesității de miniaturizare, a crescut prețul de achiziție și întreținere al acestor electrozi, fiind astfel necesară găsirea unei alternative care să poată depăși toate aceste neajunsuri, fără să afecteze semnificativ proprietățile electrochimice și senzoriale ale electro-senzorilor [Svancara I. et al., 2010].

De-a lungul timpului au fost testate numeroase materiale sub diferite forme pentru înlocuirea mercurului, însă dintre toate materialele testate, electrozii pe bază de bismut s-au dovedit a fi cea mai de succes alternativă la electrodul de mercur, ultimul deceniu fiind axat pe dezvoltarea acestui tip de electrod [Wanekaya A.K., 2011].

În literatura de specialitate materialele de electrod pe bază de bismut au fost testate sub formă de:

nanopulberi de bismut (“bismuth nano-powder electrode”) [Gich M. et al., 2013];

diamant dopat cu bor modificat cu bismut (“bismuth modified boron-doped diamond electrode”) [Lee J. et al., 1999];

pastă de carbon din nanotuburi de carbon cu pereți multipli dopată cu bismut. (“in situ bismuth-modified multiwalled carbon nanotubes doped carbon paste electrodes”) [Meena A.K. et al., 2005];

filme de bismut (“bismuth-film electrode”) [Kim T.W. et al., 2008] ;

electrozi acoperiți cu bismut (“bismuth-coated electrode”);

electrozi serigrafiați cu oxid de bismut (“bismuth oxide-screen printed electrodes”) sau cu nanoparticule de Bi (“screen-printed Bi-nanoparticle electrodes”) [Wang J., 2005];

Acești electrozi au fost utilizați pentru detecția metalelor grele folosind tehnici electrochimice, cea mai utilizată fiind voltametria [Rodrigues J.A. et al., 2011] [Svancara I. et al., 2010].

Cele mai bune rezultate au fost obținute în cazul compozitelor formate prin combinarea Bi cu materiale de carbon, Bi fiind partea senzorială și carbonul fiind partea activă a materialului (suportul conductor) [Aragay G., Merkoci A. 2012]. S-a demonstrat că suportul de carbon are o mare influență asupra performanței electrodului pe bază de bismut, fiind testați: carbonul activ, grafitul, nanotuburile de carbon (cele mai utilizate), nanoparticulele de carbon, fulerenele, Grafenele, fibrele de carbon etc [Wang J., 2010] [Liang C. et al., 2003] [Chu C.S., Lo Y.L., 2008] [Steinhart M. et al., 2007]. Performanțele senzoriale ale electrodului pe bază de xerogel de carbon impregnat cu bismut se datorează comportamentului electrochimic manifestat de bismut, comportament similar cu cel al mercurului [Svancara I. et al., 2010].

O altă problemă abordată și dezvoltată în cadrul tezei este detecția amperometrică a apei oxigenate utilizând electrozi pe bază de hemină. Apa oxigenată este o specie chimică importantă cu aplicații biomedicale și în protecția mediului. În scopul creșterii performanțelor și stabilității electrozilor modificați folosiți la detecția H2O2 s-au utilizat grafenă (pentru creșterea suprafeței active și a conductibilității materialului de electrod) și doi noi compuși melaminici (pentru creșterea stabilității și a performanțelor analitice). Originalitatea acestor electrozi modificați constă în modul de preparare al compozitelor hemină-grafenă, și hemină-compus melaminic precum și în noutatea combinației din urmă; compușii melaminici (un dimer și un dendrimer) sunt compuși noi, realizați în cadrul colectivului de chimie organică din FCIC condus de Prof. Dr. Mircea Dărăbanțu.

Pe scurt, originalitatea cercetării de față constă în prepararea și testarea electrochimică a unor noi electrozi modificați pe bază de: (i) xerogeluri de carbon dopate cu bismut, pentru detecția unor metale grele precum Cd2+ și Pb2+ din soluții apoase, ca o alternativă ecologică și mai ieftină la electrozii de Hg; (ii) grafenă și hemină (iii) hemină și compuși melaminici, cu scopul de a realiza dispozitive sensibile pentru detecția H2O2.

Lucrarea este structurată în două părți. Prima parte, este intitulată “Studiu de literatură” și cuprinde la rândul ei 2 capitole după cum urmează.

Capitolul 1 “Electrozi modificați pe bază de xerogeluri de carbon”, prezintă cele mai importante date bibliografice în legătură cu aceste materiale, într-o abordare specifică.

Cel de-al doilea capitol intitulat “Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2”, cuprinde la rândul său alte două subcapitole: (i) “electrozi modificați pe bază de grafene și hemină” și cel de-al doilea subcapitol, (ii) „electrozi modificați pe bază de compuși melaminici și hemină”. Această secțiune prezintă noțiuni introductive despre catalizatorul pseudo-enzimatic specificat în titlul capitolului, utilizat pentru detecția apei oxigenate, abordează noțiuni generale despre grafenă – materiale inovative, despre compușii melaminici, precum și ultimele noutăți în ceea ce privește electrozii modificați cu aceste materiale.

Partea a 2-a, cea de contribuții personale prezintă cercetările proprii întreprinse în anii de doctorat și este structurată de asemenea în două capitole.

Capitolul 3 al lucrării, intitulat “Electrozi modificați cu xerogeluri de carbon dopate cu Bi“ prezintă rezultatele experimentale obținute cu xerogelul de carbon dopat/nedopat ca material modificator pentru construcția senzorilor cu aplicații în detecția metalelor grele, iar capitolul 4 prezintă rezulatele obținute cu același material folosit și în capitolul anterior, testat însă sub o altă formă, o cerneală conductoare. Cercetările pe acest subiect sunt la început, ideile urmând să se materializeze în viitorul apropiat, împreună cu echipa de cercetători de la Institutul de Stiinta Materialelor din Barcelona (ICMAB).

Capitolul 5, intitulat “Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2“ este împărțit în două subcapitole: (i) “Electrozi modificați pe bază de grafenă“și (ii) “Electrozi modificați cu compuși melaminici“. Ambele capitole fac referire la cele trei tipuri de electrozi asupra cărora s-a lucrat în timpul cercetării, punând la dispoziție o prezentare amplă a metodologiei de laborator, a celei de prelucrare a datelor și o sinteză a rezultatelor obținute.

Teza se incheie cu prezentarea concluziilor generale, urmate de perspective și activitatea științifică a subsemnatei.

Rezultatele obținute reprezintă doar o introducere în studiul acestor materiale de interes electrochimic, studiu care trebuie continuat și aprofundat pentru lărgirea ariei de cunoaștere atât a cercetării experimentale, cât și a dezvoltării teoretice. Un alt scop al acestei lucrări, este acela de a prezenta perspectivele pe care aceste materiale le pot atinge si ceea ce pot ele oferi ca noutate în electrochimia materialelor.

Această teză este o abordare multi-disciplinară ce vizează nanomaterialele, tehnicile de investigare morfo-structurale și senzorii cu potențial mare de aplicare în protecția mediului și sănătate. Acest lucru face ca țara noastră să fie înrolată într-o direcție nouă de cercetare, de interes European: înlocuirea electrodului de mercur pentru aplicații senzoriale, cu materiale compozite de electrod netoxice, pe bază de bismut [Svancara I., 2010], precum și realizarea unor senzori pentru detecția apei oxigenate, ce reprezinta un compus cheie în medicină, în terapiile oxidative, detoxifierea organismului etc.

Cuvinte cheie: electrozi modificați; proces sol – gel; xerogel de carbon impregnat cu bismut; metale grele; reducere apă oxigenată; hemină; compuși melaminici; grafenă.

OBIECTIVELE TEZEI

Obiectivul general al acestei lucrări îl constituie prepararea, caracterizarea și testarea de noi electrozi modificați, în vederea utilizării lor ca senzori pentru detecția metalelor grele din apă (realizarea unor dispozitive prietenoase cu mediul), respectiv a apei oxigenate. Pentru realizarea acestui obiectiv general, acestuia i-au fost asociate o serie de obiective specifice.

În conformitate cu direcțiile prioritare de cercetare științifică a Uniunii Europene, care are ca obiective principale calitatea vieții și protecția mediului, obiectivele specifice pe care am intenționat să le ating în decursul celor trei ani de doctorat au fost următoarele:

prepararea unor noi nanomateriale compozite prin metoda sol-gel, respectiv prepararea de xerogeluri de carbon dopate cu nanoparticule metalice de Bi;

caracterizarea morfo-structurală a materialelor preparate prin microscopie electronică de transmisie (TEM), microscopie electronică de baleiaj cuplată cu spectroscopia de raze X (SEM-EDX) și prin difracție de raze X (XRD);

prepararea unor electrozi, având la bază, pasta de carbon conținând nanomateriale (în situația de față, xerogelul nedopat și dopat cu particule metalice de Bi) prin amestecarea acestora cu ulei de parafină și grafit;

prepararea unei cerneli conductoare conținând xerogel de carbon modificat cu particule metalice de Bi, pentru realizarea unor electrozi serigrafiați utilizabili la detecția metalelor grele;

caracterizarea electrozilor modificați prin metode electrochimice;

prepararea unor electrozi de carbon vitros modificați cu hemină prin metoda “drop casting”, adăugând materialul modificator (ex: hemină + compușii melaminici dizolvați în DMSO, sau hemină + oxid de grafenă) pe suprafața de carbon, urmată de evaporarea solventului și activare/reducere electrochimică;

caracterizarea materialelor de electrod compozite prin spectroscopie de infraroșu cu transformată Fourier (FTIR);

testarea electrozilor din pastă de carbon modificați cu xerogeluri dopate cu particule metalice de Bi ca senzori pentru detecția metalelor grele;

testarea electrozilor modificați pe bază de hemină pentru detecția apei oxigenate;

Prezentare schematică a nanomaterialelor utilizate în teză

Partea I. Studiu de literatură

Capitolul 1. Xerogeluri de carbon

1.1. Aspecte generale

Sumar: Această parte a lucrării de doctorat prezintă date de literatură din domeniul științei materialelor și al electroanalizei moderne, domenii care nu sunt doar comune, ci si esențiale pentru progresul general. Sunt trecute în revistă câteva nanomateriale (xerogeluri de carbon dopate și nedopate) utilizate ca materiale de electrozi în scopul de a fi aplicate în analiza electrochimică sau în alte tehnici alternative pentru detecția metalelor grele. În teză sunt prezentate pe scurt metodele electrochimice folosite pentru caracterizarea materialelor de electrod, pentru detecția analiților țintă cât și pentru aplicarea senzorilor în electrodetecție: voltametria ciclică, voltametria de stripare și spectroscopia de impedanță. Pentru caracterizarea fizică și pentru stabilirea caracteristicilor morfo-structurale ale nanomaterialelor au fost folosite tehnicile microscopice (microscopia electronică de baleiaj și cea de transmisie).

Poluarea apei cu metale grele a devenit una dintre cele mai serioase probleme. Înlăturarea acestora este considerată de o importanță aparte, datorită persistenței lor în mediul înconjurator, a non-biodegradabilității și a acumulării în țesuturi, problemă ce cauzează dezechilibre serioase în ceea ce privește sănătatea a tot ceea ce înseamnă viață, atât la nivel psihic, cât și la nivel de organe. În ultimii ani au fost studiate în detaliu și testate diverse metode pentru îndepărtarea acestor metale.

Tendințele recente în direcția “green chemistry“, care are ca scop reducerea și eliminarea substanțelor periculoase, precum și câteva dintre regulile recente din Regulamentul European (CE) nr.1102/2008 al Parlamentului European și al Consiliului din 22 octombrie 2008, care au interzis exportul și depozitarea mercurului, au făcut necesară găsirea unor alternative la rezolvarea acestor două probleme esențiale: eliminarea metalelor grele și înlocuirea electrodului de mercur cu alți electrozi la fel de sensibili. În plus, organizații importante ale lumii, au stabilit o concentrație maximă admisă a metalelor grele în apa de băut. Tabelul 1.1 sumarizează aceste date:

Tabelul 1.1 Concentrațiile maxime admise, în apa de băut, pentru ionii metalelor grele

* WHO Guidelines for drinking water quality 2011; ** Directive 2013/39/EU of the EUROPEAN Parliament and of the council

Cele două probleme amintite mai sus atrag după sine și problema legată de tehnicile de analiză. Există o tehnică standard pentru analiza urmelor de metale grele, și anume spectroscopia atomică, în diferite variante (spectroscopia de absorbție atomică, AAS, spectroscopia de masă cu plasmă cuplată inductiv, ICP-MS, spectroscopia de emisie optică cu plasmă cuplată inductiv, ICP-OES), însă acestă tehnică, în afara faptului că implică costuri ridicate, nu este portabilă, și necesită un personal specializat.

În această situație au fost încercate diferite abordări; dintre toate acestea, strategia senzorilor electrochimici prezintă numeroase avantaje. Dispozitivele electrochimice, în particular senzorii, permit efectuarea unor analize sensibile, având costuri scăzute, oferind în plus un timp scurt de analiză, accesibilitate, portabilitate etc. Pentru detecția metalelor grele s-a utilizat cu predilecție electrodul de mercur, metal toxic care trebuie eliminat din practica analitică.

În scopul de a dezvolta un “senzor verde”, prietenos cu mediul, a fost ales electrodul de bismut. Unii cercetători sunt convinși că în viitor acest sistem va înlocui electrodul de mercur, datorită performanțelor analitice și a caracteristicilor sale “bio” [Arduinii F. et al., 2010], cheia alegerii fiind însă performanțele/caracteristicile asemănătoare cu cele ale mercurului. Electrodul de mercur, deși posedă un comportament electrochimic foarte bine definit în regiunea de potențiale negative, este toxic, acest aspect reprezentând caracteristica cea mai importantă pentru care se dorește excluderea acestuia din rândul metodelor de analiză. Mercurul va fi total interzis începând cu anul 2020, chiar dacă electrodul de Hg a fost aplicat cu succes în detecția electrochimică catodică utilizată pentru determinarea unei game variate de compuși organici și anorganici reductibili (în acest caz, cel mai notabil fiind electrodul din film de mercur (MFE), apoi electrodul de mercur cu picatură suspendată (HDME), și electrodul picurător de mercur (DME) [Huttone E.A. et al., 2001].

Recent, xerogelurile de carbon dopate cu bismut (BiCXe) s-au dovedit a oferi performanțe comparabile cu cele ale electrozilor de Hg în detectarea ionilor de metale grele din soluții apoase [Gich M. et al., 2013]. Dezvoltarea și testarea de noi tipuri de xerogeluri de carbon dopate cu bismut, precum și miniaturizarea senzorilor sunt considerate a fi domenii cu cel mai mare potențial de cercetare, în viitor, în domeniul electrozilor pe bază de bismut.

Spre deosebire de hidrogel sau alcogel, aerogelul este un material “gol” care aparține unei clase speciale de materiale ultraușoare poroase sintetice, obținute prin uscarea în condiții supercritice a gelurilor umede organice sau anorganice [Michel A.A. et al., 2013]. Proprietățile speciale ale unui astfel de material considerat “gol”, precum porozitatea (material mezoporos) [Rolison D.R., Dunn B., 2001], omogenitatea, volumul porilor mare, densitatea extrem de mică, suprafața mare, sunt conferite de metodele de preparare, acestea reprezentând cheia proprietăților speciale ale acestui tip de material [Michel A. A., 2011] [Kistler S., 1931].

Xerogelurile sunt o clasă de materiale microporoase care au primit o atenție considerabilă în literatura de specialitate în ultimii zece ani [Rodrigues J.A. et al., 2011][Aragay G., 2012][Wang J., 2005]. Textura xerogelurilor de carbon este asemănătoare texturii aerogelului de carbon; datorită proprietăților fizice, acestea pot fi ușor de manipulat, fără a fi deteriorate, permițându-se în acest fel producția acestora în diferite forme (pulberi, filme subțiri, cilindri, sfere, discuri etc) [Rodrigues J.A. et al., 2011]. Xerogelurile de carbon diferă de aerogelurile de carbon prin etapa de uscare. În cazul celor dintâi, uscarea gelului din care provin se realizează prin evaporare simplă.

Xerogelurile de carbon sunt preparate având la bază reacția de policondensare a unor monomeri organici prin intermediul procesului sol-gel; de obicei, în acest proces sunt folosite resorcina și formaldehida; în urma unui proces de gelificare se obțin gelurile resorcin-formaldehidice (RF) care sunt supuse procesului de carbonizare. Astfel se obțin nanomaterialele care au fost aplicate cu succes în electrochimie, în special în stocarea energiei, apoi ca supercapacitori, în procesul electrocatalitic de reducere a CO2 [Perez A.F., 2013] [Svancara I., 2010] etc. Prin doparea cu diferite elemente (ex: Bi) a xerogelurilor de carbon se pot obține noi materiale aplicabile cu succes în electroanaliză, în particular pentru detecția ionilor metalelor grele, asa cum se va arăta în partea experimentală a tezei. Focalizarea atenției cercetatorilor asupra acestor materiale se datorează porozității mari (care poate varia între 0% și 50%), suprafeței și volumului porilor relativ mare, structurii porilor care poate fi controlată, distribuției înguste, dimensiunilor controlabile, rezistivității electrice reduse și proprietăților termice și mecanice remarcabile [Goksu E.I. et al., 2010].

Aceste proprietăți recomandă xerogelurile de carbon ca fiind materiale cu un potențial promițător în diferite aplicații. Acestea pot fi folosite ca materiale de electrod pentru condensatori cu dublu strat și supercapacitori [Lee J. et al., 1999], ca materiale de adsorbție [Meena A.K. et al., 2005], ca suport pentru catalizatori [Kim T.W. et al., 2008], ca materiale de umplere pentru coloane cromatografice [Steinhart M. et al., 2007] în biotehnologie [Liang C. et al., 2003] și ca dispozitive de detecție [Chu C.S., Lo Y.L., 2008].

Metoda sol-gel de sinteză a nanomaterialelor

Procesul sol-gel este o tehnică chimică “umedă“, utilizată pe scară largă în domeniul științei materialelor și în ingineria ceramicii. Prin intermediul acestei tehnici sunt des fabricate materiale cu rețea tri-dimensională [Hench L.L, West J.K., 1990] (nanomaterialele). Deoarece procesul sol – gel are abilitatea de a păstra caracteristicile funcționale native ale unei structuri, literatura de specialitate raportează numeroase studii în care acest proces a fost utilizat pentru incorporarea/imobilizarea unor proteine sau a unor celule [Avnir D., 1995] [Gupta R.,  Chaudhury N.K., 2007][ Cai W.Y. et al., 2006] [Kang X.H. et al., 2009] [Wang Y.  et al., 2009] [Xu J.Z. et al., 2004]. Avantajele acestei metode sunt: temperatura de procesare scăzută (adesea este apropiată de temperatura ambiantă), caracterul nepoluant [Wang J., Bierwagen G.P., 2009] etc. Pe de altă parte, această tehnologie poate asigura obținerea de materiale reproductibile, datorită posibilității controlului parametrilor în timpul preparării lor [Tomina I.Y. et al., 2011]. Conform figurii de mai jos, se poate observa și spectrul larg de materiale care pot fi obținute prin metoda sol-gel:

Figura.1.1. Tipuri de materiale, pe bază de gel, obținute prin procesul sol-gel și diferite metode de uscare

Sol-gelurile RF (resorcină-formadehidă) au primit o atenție considerabilă în literatura de specialitate în ultimii ani. În domeniul unor astfel de materiale inovatoare și complexe, metoda de preparare care stă la baza conceperii acestora joacă un rol crucial, deoarece parametrii de sinteză ajung să definească aplicațiile viitoare ale acestor materiale.

Sinteza gelurilor organice prin hidroliza și condensarea resorcinei și a formaldehidei printr-un mecanism analog cu procedeul sol-gel al sintezei gelurilor anorganice a fost prima dată raportat de către Pekala [Pekala R.W., 1989] Această activitate a deschis un domeniu de cercetare fructuoasă în dezvoltarea și aplicarea xerogelurilor și a aerogelurilor de carbon rezultate din uscarea și pirolizarea gelurilor RF (resorcinol-formaldehidă). Materialele din carbon sunt frecvent utilizate ca materiale de electrod cu aplicații analitice, datorită costurilor scăzute [Gich M., 2013] și a faptului că pot fi proiectate atât structural, cât și chimic [Collins A., 2012].

Metoda de preparare a sol-gelurilor respectă aceleași etape, variindu-se doar rapoartele dintre reactanți. Pe scurt, rețeta poate fi sumarizată după cum urmează: într-o primă fază, resorcinolul și formaldehida sunt amestecate (frecvent) în rapoarte molare apropiate, în prezența unui catalizator bazic (în unele situații, puține, se poate folosi și un catalizator acid); au loc procesele de hidroliză (reacția 1) și condensare (reacția 2) [Brinker C. J., et al., 1990], conform reacțiilor 1-2:

Hidroliza speciilor:

M(OR)n + H2O [M(OR)n-1(OH)]+ROH (1)

Alcoxid

(M= Al, Si, Ti, V, Cr, Mo, W, etc)

Iar condensarea speciilor hidrolizate după cum urmează [Bach H., Krause D., 2003]:

M-OH + M- OX M-O-M+XOH (2) unde: (X= H sau R) [link 1]

Reacția care are loc între resorcinol și formaldehidă este ilustrată în cele ce urmează:

Figura 1.2. Reacția dintre resorcinol și formaldehidă

Soluția este apoi pusă sub agitare până la omogenizare (în unele cazuri poate fi chiar încălzită și pusă sub agitare), apoi plasată în diferite suporturi, de diferite forme și dimensiuni, până la formarea unui gel (procesul de gelificare poate avea loc fie în atmosferă ambiantă, fie în etuvă și poate dura de la câteva secunde la ore și chiar zile). Gelul poate fi apoi spălat (sau nu) cu un solvent organic potrivit. Acesta este apoi uscat în condiții supercritice, în prezență de CO2 în cazul aerogelurilor de carbon și în atmosferă în cazul xerogelurilor. Pentru a produce xerogeluri de carbon, gelul este pirolizat (de cele mai multe ori) sub atmosferă de azot pentru a se putea forma rețeaua de carbon poroasă.

În obținerea aerogelurilor / xerogelurilor, trebuie acordată o atenție deosebită rapoartelor dintre reactanți. Schimbarea rapoartelor de concentrație a diferiților rectanți poate avea influență foarte mare asupra proprietăților produsului finit. De exemplu, utilizând soluție de catalizator mai concentrată, microstructura gelului poate deveni mai fină, fiind compusă din particule și pori mai mici, însă acest lucru colapsează structura organică, crăpăturile gelului vor fi mari, iar xerogelul nu va avea o suprafață și o porozitate suficient de mari pentru a stoca o cantitate semnificativă de energie. Catalizatorul are o influență mare asupra proprietăților materialului [Torres S.M., Maldonado H.F.J., 2012].

Cel mai utilizat raport molar stoichiometric între R/F folosit este de 1:2. Cu toate acestea, utilizând în exces formaldehidă rezultă un efect de diluție, ceea ce face ca mărimea particulelor să crească aproape de limita de gelificare. Un alt factor major care poate să rezulte din efectul acesta al diluării, este acela de reducere a densității reactanților prin creșterea cantității de solvent. Solventul distilat (de preferat deionizat), poate fi apa sau un solvent organic, de exemplu acetonă, etanol, metanol, n-propan, izopropanol.

Gelurile finale produse cu apă ca solvent se numesc hidrogeluri sau acuageluri, iar cele produse cu un cosolvent organic se numesc liogeluri (incluzând alcoolgelurile care au la bază un alcool ca solvent). Micșorarea concentrației reactanților, reducerea raportului dintre rezorcină și formaldehidă (R/F), rezorcină și apă (R/W), rezorcină și catalizator (R/C) poate atrage după sine scăderea mărimii atât a particulelor, cât și a porilor, o structură a gelului mai puțin compactă, creșterea ariei suprafeței la xerogeluri, micșorarea sau creșterea volumului porilor în cazul xerogelurilor, (depinzând și de pH) și creșterea capacității electrochimice [Arduinii F. et al., 2010]. La rândul ei, soluția de catalizator acidă poate să atragă după sine următoarele consecințe: la concentrații mici de R/F pot apărea agregate ale particulelor mici, netede și fractale, iar la concentrații mari de R/F nu există posibilitatea apariției vreunui agregat fractal; în plus are loc o reducere a timpului de gelificare. În cazul folosirii unei soluții de catalizator alcaline, la concentrații mari poate rezulta un gel polimeric caracterizat prin particule mari interconectate, aria de suprafață mare, proprietăți mecanice bune, și timp de gelificare redus, însă la concentrații mici rezultă un gel coloidal, caracterizat prin particule mici interconectate, aria de suprafață mică și proprietăți mecanice scăzute. Carbonatul de sodiu Na2CO3, este cel mai utilizat catalizator alcalin (acesta ajută la reacția de polimerizare a R cu F) [Halama A. et al., 2010]. Catalizatorul activează o porțiune mică din R pentru creșterea particulelor de monomer. Dacă există intenția de a incorpora metale tranziționale în structura finală a materialelor, precum Pt, Pd, Ag diferitele săruri ale acestor metale se folosesc ca și catalizator PdCl2, AgOOC-CH3. Adiția acestor metale produce o creștere a volumului mezo- sau macroporilor (vezi figura 1.3) [Goksu E.I. et al., 2010] [Shaheen A., Ritter J.A, 2003].

Figura 1.3 Evoluția procesului de gelificare cu raport a) mare și b) mic de C/H2O

Un alt parametru important este pH-ul. În cazul aerogelurilor de carbon, creșterea acestuia în gel mărește aria suprafaței, volumul porilor, precum și capacitatea electrochimică; în cazul xerogelurilor de carbon se obsevă un efect nesemnificativ asupra ariei suprafeței, se observă însă o creștere a volumului porilor, precum și o densitate mare în cazul reactanților; la pH scăzut, însă, reactanții au tendința de a precipita. Valorile de pH optime se încadrează între 5.4 și 7.6. Dacă pH-ul soluției este mai mare de 7, atunci gelificarea poate să aibă loc începând cu a doua zi, însă dacă acesta este mai mic de 6.8 procesul de gelificare poate să aibă loc în câteva ore.

Este de asemenea recomandat (dar nu necesar) pentru prepararea solului, a se lucra într-o atmosferă inertă, pentru a se evita contaminarea gelului cu anumiți componenți ai aerului, precum CO2, ceea ce poate schimba pH-ul soluției.

Odată ce gelul este format, este necesară îndepărtarea solventului apos, utilizat ca mediator în reacție. De obicei acest solvent este înlocuit cu un solvent organic, de exemplu metanol, etanol, acetonă, isopropanol etc. Îndepărtarea apei este esențială în cazul uscării supercritice cu CO2 .

Pentru obținerea xerogelurilor de carbon au fost utilizate diferite metode de uscare. De exemplu, uscarea la microunde, pentru obținerea xerogelurilor de carbon poroase. Aplicarea aceastei metode simplifică procesul de obținere, timpul este redus și nu este necesar un pre-tratament, iar proprietățile legate de textură sunt controlabile. Cu toate acestea, evaporarea este metoda cea mai comună raportată în literatură, chiar dacă aceasta produce crăpături în structura inițială a gelului, în timp ce microundele oferă anumite avantaje [Zubizarreta A.G. et al., 2008].

Evaporarea convențională a solventului în condiții atmosferice poate cauza schimbări drastice în tensiunea superficială. În cazul practicării uscării prin înghețare, solventul este înghețat și apoi eliminat prin sublimare, evitându-se astfel formarea interfeței dintre lichid și vapori.

Piroliza (carbonizarea) transformă gelul organic într-o structură de carbon, relativ pură, eliminând orice oxid rămas sau grupuri de atomi de hidrogen. Aceste structuri RF pirolizate sunt deseori numite geluri de carbon. Piroliza gelurilor RF este frecvent efectuată într-un cuptor, sub un flux de gaz moderat, constant, cum ar fi: N2, Ar sau He, timp de o oră la temperatura camerei, pentru a înlocui aerul din cuptor. Pentru o grafitizare completă este necesară o temperatură care să depășească 20000 C, cu toate acestea aerogelurile pirolizate la 10500 C conțin structuri grafenice separate.

În figura 1.4 se pot observa xerogelurile de carbon la sfârșitul metodei de preparare:

Figura 1.4. Xerogeluri de carbon

Activarea gelurilor RF poate avea loc în timpul pirolizei sau sub acțiunea unor gaze precum CO2, aburi, sau aer. De fapt, orice metodă de activare aplicată cărbunelui activ poate fi aplicată și materialelor RF. Activarea acestor materiale poate să aibă loc și electrochimic prin plasarea gelurilor carbonice RF într-un electrolit, cum ar fi: H2SO4 de concentrație 1 M, supunându-le la cicluri repetitive de oxidare-reducere. Activarea electrochimică rezultă într-o creștere a capacității stratului dublu [Shaheen A., Ritter J.A, 2003].

Într-adevăr, caracteristicile tehnologiei sol-gel pot fi avantajoase pentru fabricarea noilor generații de electrozi modificați cu nanomateriale dopate cu particule metalice (ex: de bismut, precum în cazul tezei de față). Versatilitatea chimică permite modificarea unor parametrii particulari ai sintezei pentru obținerea unor materiale de o complexitate crescută. Porozitatea intrinsecă controlabilă a gelurilor, parametru important pentru xerogelurile de carbon (deoarece definește aplicabilitatea senzorului în detecția de metale grele) și nu în cele din urmă sinteza în soluție asigură o mixare excelentă a reactanților, ceea ce face ca acest lucru să conducă la o omogenitate foarte bună în materialul final [Gich M. et al., 2013].

Un alt avantaj al metodei sol-gel este acela că, efectuată normal, la temperaturi și presiuni ambiante, poate produce o gamă largă de diferite materiale funcționale. Astfel, se pot forma filme subțiri sau acoperi coloizi. Procedura sol-gel a fost adoptată în multe domenii, iar tehnica este de mare importanță pentru nanotehnologie [Goksu E.I. et al., 2010].

Acest procedeu este utilizat pe scară largă și în « biotemplating », precum și în procedurile de bioîncapsulare, deoarece condițiile de formare sunt în general ușoare [Avramova N. et al., 2010] [Dorcheh A.S., Abbasi M.H., 2001].

În cazul procesul sol-gel, atunci când rezultă geluri monolitice, mecanismele de maturare și uscare sunt importante pentru rezultatul final. Dacă un gel nu este îndeajuns de vâscos pentru a permite rețelei să se condenseze adecvat, atunci acesta va fi fragil sau se va destrăma. Dacă un gel este uscat prea repede, porii acestuia vor induce prcesul de crăpare.

Așadar, crăparea monoliților este o problemă foarte frecvent întălnită. Mulți cercetători au atribut această crăpare modului necorespunzător de executare a uscării (de exemplu, depresurizarea prea rapidă de la condițiile supercritice). Uscarea este rareori un pas care produce fisurarea, mai degrabă schimbul de solvent cu CO2 lichid, poate produce aceste fisuri.

Opalescența- dacă gelurile apar tulburi/difuze, se poate datora unei serii de factori, ca de exemplu reziduurilor de metanol rămase în urma uscării supercritice.

Dacă gelurile sunt deosebit de fragile, acest lucru poate indica, o lipsă de condensare, astfel se poate încerca adăugarea unei cantități mai mari de catalizator-amoniac (de reținut faptul că hidroxidul de amoniu tinde să se elibereze sub formă de gaz de amoniac și poate deveni mai puțin concentrat). Este posibilă, de asemenea, schimbarea metanolului în timpul etapei de “înmuiere”, cu acetona, care este un pic mai miscibilă cu dioxidul de carbon supercritic decât metanolul.

Adeziunea prin frecare reprezintă fenomenul de alipire a unui material la altul prin interacțiuni slabe. Gelurile și aerogelurile, fiind materiale nanoporoase, pot adera pe o suprafață rugoasă, fenomen imperceptibil pentru ochiul uman. Folosirea unor materiale netede, curate, cu energii de suprafață mici, cum ar fi PTFE (politetrafluoroetilena- este un material rezistent chimic) va contribui la prevenirea adeziunii gelurilor și aerogelurilor.

Folosind o cantitate mai mare de amoniac se va reduce timpul formării gelului, însă această opțiune poate duce la pierderea transparenței în produsul final și producerea unor bule. Se poate folosi NaOH, însă acesta este o bază mai puternică, iar pentru acest mecanism trebuie folosită o soluție cu forță ionică molară (aceasta este o funcție a concentrației tuturor ionilor prezenți în soluție și a sarcinilor ; ci = concentrația molară a ionului i; zi = sarcina ionului [Sastre de Vicent M.E., 2004]) mai scăzută decât amoniacul. Pentru a accelera hidroliza pot fi folosite cantități de fluorură de amoniu (NH4F).

Capacitatea de acoperire este un aspect important în procesarea nanomaterialelor. Capacitatea de a acoperi un coloid cu un al doilea strat de material eterogen poate oferi un nivel suplimentar de funcționalitate. Acoperirea este folosită pentru fabricarea nanoparticulelor biocompatibile și rezistente din punct de vedere chimic și termic. O acoperire efectuată prin procesul sol – gel poate fi aplicată unui specimen cu o morfologie interesantă, cum ar fi polenul. Aceste tehnici pot fi aplicate la fabricarea multor nanoparticule de tipul “core-shell” [Hall S. et al., 2006]. Densitatea unui gel poate fi ajustată prin modificarea volumului de solvent (ex: metanol) folosit la prepararea inițială a gelului. În mod similar, rețeta poate fi extinsă în sus sau în jos pentru a produce volume mari sau mai mici de aerogel. Această abordare sol-gel poate fi folosită pentru a îngloba și proteja o entitate biologică [Collins A., 2012].

Așadar, flexibilitatea procesului sol-gel este o caracteristică puternică, ce permite ca această tehnologie să aibă un spectru larg de aplicare, în special în dezvoltarea de noi materiale cum ar fi nanocompozitele cu poprietăți îmbunătățite.

Doparea: procesul de îmbunătățire a proprietăților xerogelurilor

În scopul de a lărgi sfera aplicațiilor și a calităților lor, materialele pot fi îmbogățite cu proprietăți. De exemplu, doparea unui xerogel ar însemna o dotare a acestuia cu calități superioare, lucru extrem de folositor dacă luăm în considerare faptul că detecția metalelor grele reprezintă o țintă importantă în chimie.

Urmărind modificarea structurii, a activității catalitice ori a conductivității materialului, elementele dopante sunt introduse în matricea de carbon prin diferite metode. Îmbunătățirea proprietăților materialului se poate realiza, fie prin adăugarea de metale, cum ar fi: nanoparticulele de aur [Grogan M.D.W. et al., 2011] Fe [Fort I. et al., 2013] [Gligor D. et al., 2013], Bi [Deac A.R. et al., 2015a; Deac A.R. et al., 2015b; Fort I. et al., 2015], Pt [Maldonado H.F.J et al., 2004], Ag [Polo S. et al., 2007], Co [Tian H.Y. et al., 2010], Cr [Moreno C.C., Maldonado H.F.J. 2005] etc, fie prin adăugarea de nemetale, cum ar fi azotul [Barbosa M.B. et al., 2012].

Doparea aerogelurilor/xerogelurilor, cum s-a menționat și anterior, are loc în scopul îmbunătățirii unor proprietăți, cum ar fi spre exemplu cele catalitice. Doparea cu un metal poate fi efectuată urmărind câteva strategii principale:

Prima strategie constă în adăugarea unui precursor de metal solubil în amestecul initial (dopare);

A doua strategie constă în înlocuirea rezorcinei cu un derivat al său conținând grupe funcționale; acest lucru amplifică schimbul ionic în privința hidrogelului sau al gelului organic, material ce stă la baza obținerii aerogelurilor sau xerogelurilor;

A treia abordare constă în depunerea precursorului metalic pe aerogelul/xerogelul organic sau de carbon, prin una din diversele metode existente (doparea).

În situația în care materialele de carbon dopate cu particule metalice sunt preparate prin prima metodă, acestea sunt încapsulate în matricea de carbon, acest lucru reducând accesibilitatea gazelor și a reactanților la particulele metalice [Moreno C.C, Maldonado H.F.J. 2005].

Figura 1.5 prezintă cele mai importante exemple de electrozi. Dintre acestea se remarcă materialele de electrod pe bază de Bi, acesta fiind capabil să înlocuiască electrodul de mercur.

Figura 1.5. Distribuția electrozilor având la bază diverse materiale [Woojin C. et al., 2005]

Materialele de carbon poroase sunt considerate ca fiind candidații ideali pentru modificarea electrozilor și chiar ca materiale de electrod, datorită ariei suprafeței mari, rezistenței chimice scăzute, caracteristici care le recomandă în aplicațiile electrochimice sau electrosorbtive. Incorporarea nanoparticulelor metalice sau a oxizilor metalici în xerogelurile de carbon a fost folosită pentru prepararea suporturilor de catalizatori și a electrozilor cu funcționalități și performanțe crescute pentru stocarea și conversia electrochimică a energiei [Aragay G., 2012].

Proprietățile xerogelurilor

Caracterul excepțional al xerogelurilor provine de la proprietățile pe care acestea le dețin.

Xerogelul de carbon a devenit, în ultimele decenii, un material de mare interes pentru oamenii de știință datorită proprietăților sale fizice unice, care îi conferă un potențial de îmbunătățire a tehnologiilor, într-o varietate de domenii [Sung W.P. et al., 2002]. Noile tehnologii oferă modalități eficiente de a gestiona energia și de a asigura viitorul mediului. Este clar că aceste materiale reprezintă descoperiri importante cu rol în conservarea energiei și în menținerea unui mediu înconjurător curat [Muhtaseb A., Ritter J.A., 2003].

Dezvoltarea materialelor pe bază de carbon cu porozitate controlabilă a devenit un domeniu de cercetare atractiv favorizând utilizarea acestora ca absorbenți sau ca suporturi de catalizatori [Sedlacek D., 2009]. Aceste materiale, dintre care fac parte și xerogelurile pot fi obținute și cu macropori și cu micropori, proprietățile acestora stabilindu-se în funcție de aplicația dorită. Densitatea materialului, volumul porilor (porozitatea), structura acestora, forma, proprietățile suprafeței (aria, rugozitatea, energia, distribuția electronilor, hidrofobicitatea), diametrul, selectivitatea, stabilitatea, proprietățile termice și mecanice, sunt câteva dintre cele mai importante caracteristici care se stabilesc după ce s-a decis aplicația și care se obțin în urma metodei de fabricare, în urma alegerii rapoartelor adecvate dintre precursori. Gelurile obținute pot fi turnate sub formă de filme sau blocuri (în orice formă dorită) pentru aplicația dorită [Wang Y., Bierwagen G. P., 2009].

Proprietățile optice, mecanice, termice, electronice, biologice, ale nanomaterialelor pe bază de C folosite la încapsularea diferitelor proteine, enzime, sau altor entități biologice, proprietăți neîntâlnite la materialele convenționale, au dat startul unei revoluții tehnologice. Combinând aceste proprietăți unice, cu capabilitățile remarcabile de recunoaștere, rezultă sisteme cu performanță semnificativ îmbunătățită, cu aplicații inedite în domenii precum fizică, chimie, biologie, inginerie, știința computerizată.

Nanomaterialele pe bază de carbon oferă de asemenea posibilitatea de a fi combinate cu alte tipuri de nanomateriale pentru a forma nanocompozite, având proprietăți diferite îmbinate într-un singur material.

În afară de compoziția chimică, hidrofobicitatea, mărimea și forma particulelor joacă de asemenea un rol important în obținerea proprietăților optice, electrochimice și adsorbtive dorite ale nano-materialelor pe bază de carbon. Cum era de așteptat, aceste caracteristici, combinate cu abilitatea de a forma punți de hidrogen și legături π-π, pot afecta selectivitatea și stabilitatea materialului, hidrofobicitatea fiind totodată afectată de numărul grupărilor funcționale.

Structura de bază a nanomaterialelor de carbon este compusă dintr-un strat de atomi de carbon hibridizați sp2, unde fiecare atom este conectat la alți trei atomi de carbon în plan x-y, și la un nor de electroni π slab delocalizat de-a lungul axei z. Această configurație, care se aseamănă cu cea a grafenelor, este responsabilă pentru conductivitatea electrică bună și pentru capacitatea de a forma complecși cu transfer de sarcină. Mai mult, această configurație este responsabilă și de dezvoltarea forțelor puternice Van der Waals, care impiedică în mod semnificativ dispersia și solubilizarea nanoparticulelor de carbon [Scida K. et al., 2011].

Nanomaterialele pe bază de carbon au stârnit un mare interes în chimia analitică și au fost utilizate pentru dezvoltarea unor aplicații inovatoare, precum separarea și detecția, datorită proprietățile descrise mai sus care permit un contact sporit cu agenții poluanți conducând la o reducere/determinare a concentrațiilor acestora.

Aplicațiile xerogelurilor de carbon

Xerogelurile de carbon au o gamă largă de aplicații, acestea variind de la cataliză la protecția mediului apoi extinzându-se la aplicațiile electroanalitice. Particulele sferice și dense de xerogel de carbon cu diametrul cuprins în intervalul de 1-50 µm sunt necesare pentru diferite aplicații (industrie, mediu, etc). De exemplu, particulele sferice neporoase cu diametrul de 5-20 µm sunt potrivite, în special pentru prepararea sondelor coloidale folosite pentru studiul interacțiunii carbonului cu o varietate de materiale prin atașarea acestora la cantilever-ul AFM-ului [Liu Y. et al., 2014].

Dintre aerogeluri și xerogeluri, primele menționate oferă cele mai mici densități și cele mai mici conductivități termice cunoscute de orice solid vreodată, de aceea acestea sunt deopotrivă utilizate în domenii variate precum: electronică, științele vieții (de exemplu tratarea unor boli cum ar fi cancerul [Ahuja G., Pathak K., 2009] [Duraes L. et al., 2012] [Hongbao M. et al., 2006] [Slowing I.I., et al., 2008], explorarea spațiului, tehnologiile verzi și în multe altele [Muhtaseb A., Ritter J.A., 2003] [Woojin C. et al., 2005]. Se anticipează faptul că aerogelurile vor reprezenta următoarea generație de strat intermediar dielectric pentru circuite integrate [Woojin C. et al., 2005].

Una dintre aplicațiile cele mai răspândite este în domeniul dispozitivelor electrochimice de detecție. Pentru a construi astfel de dispozitive, au fost elaborate noi materiale de electrod pe bază de carbon- xerogelurile. Senzorii electrochimici sunt dispozitive care transformă informațiile chimice într-un semnal electric. De exemplu, transformă concentrația unui anumit component dintr-o probă, într-un semnal analitic folositor. Biosenzorii, sunt dispozitive receptor-traductor care utilizează un element de recunoaștere biologică pentru a furniza informații analitice selective cantitative sau semicantitative [Ulker Z. , Erkey C. , 2013].

După cum s-a menționat și anterior, xerogelurile de carbon sunt materiale interesante pentru construcția senzorilor electrochimici și a biosenzorilor, deoarece acestea posedă excelente proprietăți conductive, care pot favoriza oxidarea electrochimică a moleculelor de pe suprafața electrodului, și facilitează transferul de sarcină în reacțiile redox [Thevenot D. et al., 2001].

Pe de altă parte, aceste materiale au caracteristici superioare, cum ar fi: densitate scăzută, porozitate controlabilă, aria suprafeței specifice mari și proprietăți mecanice bune [Wu et al. 2010], proprietăți care pot fi foarte utile în construcția dispozitivelor de detecție. Deoarece nanomaterialele au posibilitatea de a încorpora diferite entități biologice, acest lucru deschide orizonturi noi în imagistică.

Xerogelurile de carbon dopate cu Bi, oferă un exemplu real de aplicație electroanalitică de succes în domeniul de determinare a ionilor de metale [Moreno C.C. et al., 2012] (tratarea apelor uzate [Sharma C.S. et al., 2008]). Deoarece bismutul este considerat unul dintre metalele mai puțin toxice, atât electrozii din Bi masiv, cât și cei din filme de Bi sunt folosiți ca și alternativă pentru a înlocui electrodul de mercur toxic folosit în detectarea ionilor de metale grele din soluții apoase. Utilizarea electrozilor de Bi se bazează pe capacitatea acestuia de a forma aliaje la temperaturi joase cu metale grele, [Moreno C.C et al., 2012], favorizând acumularea acestor ioni în timpul etapei de preconcentrare a analizei de stripare.

Una dintre modalitățile de pregătire a electrozilor pe bază de xerogeluri de carbon dopate cu Bi) este prin încorporarea lor în pasta de carbon (BiCXe-CPE). Electrozii pastă BiCXe-CPE exploatează cu succes proprietățile electrochimice favorabile ale electrozilor pastă de carbon (domenii de potențial mare, versatilitate etc.), precum și caracteristicile electroanalitice unice ale Bi (de exemplu, electrozii pe bază de Bi sunt mai puțin sensibili la interferența oxigenului) [Othmer K., 1978].

Electrozii din pastă de carbon sunt preparați folosind pulbere de grafit și ulei de parafină, în care pot fi introduse diferite alte materiale de interes. Astfel, BiCXe-CPEs au fost utilizați pentru determinarea cu succes a ionilor de Pb2+ și Cd2+ la nivel de urme prin utilizarea voltametriei de stripare de undă pătrată (SWASV) [Deac A.R. et al., 2015a]. În voltametria de undă pătrată cu stripare anodică, analitul de interes este electrodepus pe electrodul de lucru în timpul unei etape de reducere și oxidat de către electrod în timpul etapei de stripping, curentul rezultat fiind astfel măsurat.

O altă dezvoltare interesantă a materialelor de electrod pe bază de xerogeluri de carbon, este prin combinarea lor cu diferiți polimeri. Suprafața mare a acestor materiale poate oferi spații multidimensionale pentru modificarea electrochimică a polimerilor conductori cum ar fi polipirolul [Lee et al., 2007], polistirenul [S.Y Zhu et al., 2015], Nafionul [Zhao G et al., 2008], chitosanul etc [Fort C.I. et al., 2015].

Construcția de biosenzori pe bază de aerogeluri / xerogeluri este de asemenea posibilă, deși este o sarcină destul de dificilă. Astfel, unii biosenzori eficienți pot fi obținuți, cu scopul de a detecta hemoglobina, H2O2 , pesticidele organofosforice [Dong et al., 2013] și altele. Dezvoltarea unor senzori de încredere pentru urmărirea în timp real a compușilor organici volatili periculoși și pentru monitorizarea unor gaze poluante specifice în industrii este de asemenea, de mare importanță.

Electrozi modificați cu cu xerogeluri de carbon:

Obținerea materialelor de electrod modificate

Evoluția permanentă impusă de progresul industriei obligă secolul XXI la utilizarea de materiale cât mai performante, care să facă parte din categoria “green chemistry” și care în același timp să fie prietenoase cu mediul (“environmental friendly”), urmărindu-se în detaliu impactul pe care îl are materialul asupra mediului.

Este cunoscut faptul că materialele de electrod joacă un rol critic în construcția platformelor de detecție electrochimice de înaltă performanță a pentru detectarea moleculelor țintă, prin diferite tehnici analitice.

Așa cum s-a aratat și în capitolele anterioare, materialele de electrozi bazate pe xerogelurile de carbon au un mare potențial în îmbunătățirea selectivității și a sensibilității atât a senzorilor electrochimici, cât și a biosenzorilor.

Pe lângă caracteristicile lor atractive descrise mai sus, reamintim și capacitatea de a acționa ca matrici eficiente de imobilizare, generând adesea un efect sinergic între activitatea catalitică, conductivitate, și biocompatibilitate pentru a accelera transferul semnalului și pentru a amplifica biorecunoașterea. Acesta este motivul pentru care sunt folosite ca materiale pentru prepararea electrozilor utilizate în detecția electrochimică a speciilor moleculare și ionice [Lin Cui et al., 2015].

Există două posibilități de obținere a materialelor de electrod modificate cu aerogeluri/xerogeluri de carbon: modificarea superficială sau în faza de volum a unor materiale convenționale (pe bază de carbon).

Modificarea suprafeței materialului de electrod

Modificarea suprafeței unui electrod cu xerogeluri de carbon, presupune folosirea modalităților frecvent utilizate pentru prepararea electrozilor modificați cu orice alt material pe bază de carbon. Substratul este în general un material de electrod convențional, precum cărbune sticlos, diamant dopat cu bor, grafit, electrozi serigrafiați etc.

Modificatorii pot fi pur și simplu doar adsorbiți pe suprafața electrodului sau pot fi imobilizați cu ajutorul unor polimeri precum: Nafionul sau chitosanul. De exemplu, acesta din urmă a fost, utilizat pentru a imobiliza xerogelul de carbon dopat cu Bipe suprafața de cărbune sticlos pentru detecția voltametrică a urmelor de Pb2+ și Cd2+ din soluții apoase [Fort C.I. et al. 2015].

Modificarea în faza de volum

Cei mai utilizați electrozi modificați în faza de volum sunt electrozii din pastă de carbon (CPEs), datorită avantajelor lor bine cunoscute, cum ar fi: conductibilitatea, curentul de fond redus, versatilitatea, fereastra largă de potențial etc [Gorton L. 1995 ] [Gligor D. et al., 2013]. Recent, au fost raportate o serie de studii asupra performanțelor electrochimice ale CPE care încorporează atât aerogeluri, cât și xerogeluri de carbon [Mezzavilla S. et al., 2012].

Electrozii din pastă de carbon sunt populari, deoarece pasta de carbon este ușor de obținut, cu costuri minime și este adecvată în special pentru prepararea unui material de electrod modificat cu adaosuri de alți compuși, care conferă astfel unui electrod anumite proprietăți predeterminate. Pasta de carbon este preparată prin omogenizarea pulberii de grafit (cu scopul de a crește conductivitatea) fie cu uleiuri de parafină / ulei mineral, fie cu uleiuri siliconice (ca lianți) în diferite rapoarte masice. Adăugarea pulberii de grafit este și ea opțională, folosind la creșterea conductivității. Amestecul este pus într-o cavitate a unui suport de Teflon și grafitul pirolitic poate fi utilizat pentru contactul electric.

Electrozii din pastă de carbon modificați cu xerogeluri de carbon pot fi preparați prin amestecarea pulberii de grafit cu material dopat sau nedopat, și ulei de parafină în diferite rapoarte masice.

Cerneala conductivă pe bază de xerogeluri de carbon dopate cu metale

O altă alternativă inovativă, propusă pentru obținerea de noi materiale de electrod constă în realizarea unei soluții tip cerneală conductivă pe bază de xerogeluri dopate cu metale care să poată fi folosită la elaborarea de electrozi serigrafiați. Cerneala pe bază de xerogel de carbon dopat/nedopat cu particule metalice de Bi este un exemplu de material care poate fi utilizat la obținerea de electrozi pentru detecția metalelor grele și a compușilor volatili.

Compușii organici volatili sunt produși chimici organici care dețin o presiune a vaporilor crescută. Această presiune rezultă la un punct de fierbere scăzut, ceea ce cauzează evaporarea unui număr mare de molecule, rezultatul acestui proces fiind denumit volatilitate. Un exemplu este formaldehida, care se evaporă din vopsele și care are un punct de fierbere -190C [Luxembourg: Eurofins Scientific. Retrieved 03.07.2012].

Acești compuși sunt prezenți atât în vopsele, cât și în obiectele de plastic. Printre aceștia se numără: propilen glicolul, alcoolul propilic, toluenul, glicol eterii a căror prezență a fost strict limitată prin prevederile impuse de Hotărârea de Guvern nr 735/2006 și Hotărârea de Guvern nr. 371 din 14.10.2010, cea din urmă cuprinzând modificările și completările aduse Hotărârii de Guvern nr 699/2003. Aceste hotărâri guvernamentale fac referire la limitarea emisiilor acestor compuși, datorate utilizării solvenților organici în anumite vopsele si lacuri pentru a reduce poluarea aerului prin formarea ozonului troposferic (la înălțimi joase ozonul este un poluant; el se mai numește și ozon troposferic și este format prin reacția luminii soarelui în aer [link 2].

Articolele prezente în H.G 735/2006, Reglementările impuse de această Directivă Europeană au ca țintă atât prevenirea, cât și reducerea efectelor directe sau indirecte ale acestor compuși în mediu, în aer și asupra sănătății umane.

Sfera de utilizare a compușilor organici volatili este destul de amplă, aceasta cuprinzând activități industriale precum acoperirea vehiculelor, doparea și curățarea suprafețelor, producerea de încălțăminte, fabricarea produselor farmaceutice etc [Karanikas E.K. et al., 2013]. Pentru detecția acestor compuși pot fi folosiți diferiți electrozi, între care și electrozii serigrafiați.

Tehnologia de serigrafiere („screen-printing”) presupune utilizarea unei soluții, denumită cerneală, care trebuie să îndeplinească anumite caracteristici, în funcție de tehnologia de imprimare folosită și de substratul pus la dispoziție.

Imprimanta cu care se realizează electrozii serigrafiați utilizează o tehnologie de imprimare digitală, non impact, în care picăturile de cerneală sunt împinse printr-un orificiu foarte mic în capul imprimantei și apoi direct către o poziție specifică pe un substrat, acest proces fiind rezultatul presiunii dezvoltate în urma unui semnal electronic care a fost trimis capului de imprimantă pentru a crea o imagine. Imprimarea cu jet de cerneală este o tehnică “non contact”, care implică utilizarea unei imprimante comerciale ieftine, condusă de un computer ușor de utilizat.

Avantajele/caracteristicile cheie care determină ca tehnologia de serigrafiere să fie interesantă pentru un domeniu larg de de aplicații, sunt prezentate în cele ce urmează:

Este o metodă “non-contact” – proba (fluidul) nu poate fi contaminată de către substrat ;

Pentru formularea cernelii se poate utiliza o diversitate de materiale;

Design-ul modelului este variabil: acoperiri, linii, desene etc;

Se poate exercita control asupra volumului depus (domeniul picolitrilor); se pot forma filme subțiri;

Rezervorul pentru cerneală este închis, ceea ce permite păstrarea proprietăților de compoziție și reologice ale acesteia;

Electrozii pot fi obținuți la scară industrială.

Imprimarea cu jet de cerneală conduce la diferite rezultate, în funcție de tipul de cerneală folosit, de tipul de imprimantă și de capul de imprimantă, precum și de substrat.

Cerneala este un amestec complex de ingrediente, combinate într-o formulă specifică pentru a îndeplini caracteristicile dorite pentru imprimare. Substanțele care fac parte din compoziția unei astfel de soluții mai jos sunt prezentate în tabelul 1.1. Ingredientele folosite în formule sunt similare, dar totuși diferite în concentrații (tabelul 1.2). Parametrii cruciali care definesc cerneala sunt vâscozitatea și tensiunea superficială.

Tabelul 1.1 Componentele tipice și funcțiile lor pentru o soluție cerneală pe bază de xerogeluri de carbon dopate cu bismut [Lichtenberger M., 2014- link 3; link 4]

Pe lângă parametrii esențiali (vâscozitate și tensiune superficială), cerneala mai trebuie să îndeplinească și condiția de a putea fi utilizată în imprimare, adeziune, trebuie evitat efectul “inelelor de cafea”, iar dimensiunea particulelor trebuie să fie adaptată la orificiul capului de imprimantă (pentru a evita înfundarea duzei).

În general există două tipuri de cerneală: cea în formă lichidă și cea în formă solidă. Cerneala lichidă poate fi la rândul ei bogată sau saracă în solide. În mod tipic, cerneala care are un conținut scăzut în solide conține mai mult solvent și are o vâscozitate mică. Pe de cealaltă parte, cerneala pastă este bogată în solide, conține o concentrație mică de solvent și este vâscoasă.

Fabricarea unei cerneli pe bază de apă presupune un simplu proces de omogenizare/amestecare a tuturor componenților. Cerneala astfel obținută trebuie să dețină proprietăți bune raportate la tipul de imprimantă care va fi folosit și aplicabilitate.

Compoziția unei cerneli arată astfel:

65-70% / H2O/ Solvent/ Reactiv -Vâscozitate ridicată =fluiditate scăzută

15-25 % diferite tipuri de alcooli

3 % materiale organice solubile în apă

7-12 % coloranți

Aplicații: gravură și imprimarea flexografică

Figura 1.6 Cerneală pastă

70-75% H2O/ Solvent/ Reactiv Vâscozitate scăzută= fluiditate mare

15-25 % diferite tipuri de alcooli

3 % materiale organice solubile în apă

7-12 % coloranți

Aplicații: litografie [link 5]

Figura 1.7 Cerneală lichidă

Cele mai utilizate amestecuri conțin solvenți precum: apă/alcooli, apă/glicoli.

Astăzi majoritatea imprimantelor au la bază principiul expulzării la cerere, « drop-on-demand » (DOD) și generarea termică, piezoelectrică, electrostatică sau acustică a picăturilor. Cele mai multe, dacă nu toate imprimantele DOD întâlnite astăzi în magazine folosesc fie capete de imprimare termice, fie piezoelectrice. Atât tehnologia termică, cât și cea piezoelectrică sunt în zilele noastre cele dominante.

Figura 1.7 Imprimanta piezoelectrică Figura 1.8 Imprimantă termică

În cazul imprimantelor piezoelectrice picăturile de cerneală sunt împinse afară în urma schimbărilor de dimensiuni suferite de elementul piezoelectric, în timp ce în cazul imprimantelor care funcționează pe principiul termic picăturile de cerneală sunt expulzate datorită creșterii presiunii, fenomen cauzat de formarea unei bule la elementul încălzit.

Figura 1.8 Tipurile de tehnologii de imprimare (serigrafiere)

În figura 1.9 sunt prezentate comparativ cele 2 moduri de imprimare

Figura 1.9. Comparație între tehnologia de imprimare cu jet de cerneală “drop on demand“ și continuă [Kamyshny A. et al., 2011] [Tortorich R.P. et al., 2013].

Toți parametrii esențiali (vâscozitatea, tensiunea superficială, densitatea, viteza de evaporare a solventului, caracteristicile picăturii/bulei (volumul și viteza), unghiul de contact depind de tehnologia folosită pentru imprimare. În tabelul de mai jos este prezentată relația dintre parametrii de vâscozitate și metoda de imprimare.

Tabel 1.2. Relația dintre parametrii vâscozității și tehnologia de imprimare

Avantajele prezentate de tehnologia de imprimare digitală face ca aceasta să fie cea mai utilizată metodă pentru aplicațiile moderne industriale- în mod special pentru generația digitală. Această metodă poate fi aplicată într-un spectru larg de domenii, precum cel al descoperirii unor medicamente noi, imprimarea unor dispozitive medicale sau farmaceutice, a unor componente electrice și multe altele [ Jabbour G.E. et al., 2001] [Huebler A. et al., 2002] [Kawahara T. et al., 2003] [Blayo A. et al., 2005] [Maaninen A. et al., 2005] [Sirringhaus H. et al., 2006].

Principalele aplicații implică: aplicații industriale moderne, în special – generația de modele digitale care se referă la tranzistori tip filme subțiri- OTFT, diode organice emițătoare de lumină (OLEDs), celule solare, aplicații magnetice pentru stocarea datelor, structuri conductive și de contact- polimeri metalici și conductivi de la baza contactelor și a interconexiunilor, necesari pentru funcționarea circuitelor electronice, senzori și detectori, aplicații farmaceutice și biologice, imprimare cu jet de cerneală (Inkjet patterning), fabricarea circuitelor electronice, controlarea depunerii nanoparticulelor, prepararea acoperirilor polimerice, prototiping-ul rapid ș.a. [Singh M. et al, 2010].

Metode de caracterizare a electrozilor modificați

Metode electrochimice

Tehnicile electrochimice privind detecția metalelor grele, au fost descrise bine în literatură, ca fiind mijloace foarte sensibile, cu limite de detecție foarte scăzute (domeniul nanomolar chiar și picomolar de concentrații).

Datorită timpului scurt de analiză, a costului scăzut, a sensibilității mari și a adaptabilității în cazul măsurătorilor in situ, metodele electrochimice de detecție au atras un interes mare pentru detecția metalelor grele.

Detecția electrochimică, în mod normal, are loc cu ajutorul unui sistem format din trei electrozi: electrodul de lucru, contraelectrodul și un electrod de referință conform figurii 1.10 [Barbosa B. et al., 2012 ]:

Figura 1.10. Ilustrarea schematică a principiului general de detecție electrochimică pentru ionii metalelor grele

Într-un sistem electrochimic, atât semnalul de intrare, cât și cel de ieșire este generat la nivelul unui electrod de lucru. Electrodul este un material conductor ori un semiconductor care are contact direct cu soluția de electrolit. Substraturile folosite ca materiale pentru electrozi comuni includ: metalele nobile și seminobile (platina, aur argint, etc), mercur, diferite materiale de carbon, precum și materiale semiconductoare. Baza analizei electrochimice constă în reacția care are loc la interfața electrodului cu analitul. Deoarece substratul electrodic poate influența eficacitatea acestei reacții, proprietățile materialului electrodic are o importanță semnificativă pentru o analiză electrochimică de succes [Barbosa B. et al., 2012].

Suprafața acestuia poate fi modificată cu diverse materiale în funcție de recunoașterea specifică și/sau de concentrația ionilor metalici. Materialul traductorului electrochimic este un punct cheie în strategiile de detectare electrochimice. De exemplu mercurul sau bismutul au abilitatea de a preconcentra metalele grele prin formarea de aliaje și compuși intermetalici ceea ce le face extrem de utilizate în analiza de stripare electrochimică [Aragay G., 2012].

După ce electrodului de lucru i-a fost aplicat un anumit potențial, are loc transferul de electroni între electrod și analit. Electrodul de referință are un potențial de reducere cunoscut, însă prin acesta nu trece nici un curent semnificativ. Acesta acționează doar ca o referință când se măsoară potențialul electrodului de lucru. Electrodul de referință, Ag/Ag Cl, KClsat și cel de calomel sunt cei mai utilizați în sistemele electrochimice. Pentru a se evita contaminarea soluției de analizat, electrozii de referință pot fi izolați printr-o punte intermediară (capilara Luggin).

Voltametria ciclică

Voltametria ciclică este tehnica cel mai des utilizată pentru obținerea de informații calitative despre reacțiile electrochimice [Bard A.J., Faulkner L.R., 2001; Zoski C.G., 2007]. Aceasta oferă o determinare rapidă a potențialului redox al speciei electroactive.

În voltametria ciclică tipică, potențialul este variat liniar în funcție de timp și se înregistrează răspunsul în curent al sistemului. Tensiunea aplicată la bornele circuitului variază între două potențiale, unul maxim pozitiv și altul maxim negativ. În timpul baleiajului potențialului, analiții sau cuplurile redox vor da naștere unor curenți, iar aceștia vor fi proporționali cu concentrația analiților. Mult mai simplu, voltametria ciclică este o metodă ce funcționează la un potențial controlat, și implică procese de oxidare sau reducere cu transfer de electroni între speciile din soluție și electrodul de lucru [Brett C., Brett A.M.O., 1993].

Prin voltamerie ciclică se pot obține informații cu privire la mecanismul de desfășurare a reacțiilor electrochimice, identificarea speciilor prezente în soluție, coeficienții de difuzie a speciilor electroactive etc [Bard A.J.,  Faulkner L.R., 2001]. Această metodă are aplicații în caracterizarea reversibilității chimice și electrochimice a unui sistem. Reversibilitatea electrochimică reflectă rapiditatea transferului electronic, iar reversibilitatea chimică reflectă stabilitatea chimică. În figura 1.11 este ilustrată voltamograma ciclică pentru o reacție reversibilă, cu transfer de electroni în care cuplul redox se găsește în soluție [Brett C., Brett A.M.O., 1993].

[Bard A., Faulkner L.R, 2001] [link 6]

Figura 1.11. Voltamograma ciclică tipică pentru un sistem redox reversibil, aflat în soluție

Criteriile utilizate pentru identificarea unui transfer electronic reversibil sunt:

Diferența între potențialele picurilor catodice și anodice, ∆Ep = [Ep,c- Ep,a], este în jur de 57-60 mV;

Raportul curenților de pic catodic și anodic trebuie să fie 1.

Ip,a/Ip,c=1.

Curenții de pic trebuie să fie proporționali cu v1/2, (v = viteza de baleiere a potențialului), iar potențialul redox formal al unui sistem se calculează cu ecuația E0’=(Ep,c+Ep,a)/2 [Brett C., Brett A.M.O., 1993].

În practică se pot întalni și procese ireversibile și cvasi-reversibile. În cazul sistemelor ireversibile, reacția redox este lentă, picurile sunt mici, iar separația dintre ele este mare. Aceste procese sunt caracterizate prin deplasarea potențialului de pic odată cu creșterea vitezei de baleiaj. Exemplul este ilustrat în figura 1.12. În cazul voltamogramei reprezentată prin litera A, se poate observa un proces ireversibil, iar în cazul voltamogramei reprezentată prin litera B, se poate observa un proces cvasi-reversibil [Brett C., Brett A.M.O., 1993].

Figura 1.12. Voltamograme ciclice corespunzatoare unor procese ireversibile (A) sau cvasi-reversibile (B) [Brett C., Brett A.M.O., 1993]

1.7.1.2. Voltametria de stripare de undă pătrată

Spectrofometria electrotermală de absorbție atomică (ET-AAS), spectrometria de absorbție atomică în flacară (FAAS), spectroscopia de masă cu plasma cuplată inductiv (ICP), spectromeria de emisie optică cu plasmă cuplată inductiv (ICP-OES) reprezintă tehnicile standard certificate utilizate în determinarea ionilor de metale grele, însă acestea sunt dezavantajate de faptul că au un cost ridicat și necesită o instrumentație complexă; în plus sunt nepotrivite pentru aplicații la fața locului, iar analizele trebuie efectuate într-un laborator specializat de către un personal calificat.

Analizele electrochimice de stripare sunt recunoscute ca fiind tehnici performante pentru detectarea metalelor grele, datorită sensibilității lor remarcabile care permite analizarea speciilor electrochimic active la nivel de urme și chiar de ultra-urme [Arduini F. et al., 2010]

Analiza de stripare este tehnică electroanalitică cea mai utilizată totodată fiind și cea mai sensibilă. Analizele pot fi efectuate la nivel de urme, această tehnică putând fi aplicată soluțiilor ce conțin ioni de metale cu o concentrație cuprinsă între 10-6 și 10-12 M. Alte avantaje ale voltametriei de stripare se referă la capacitatea de a determina în mod simultan mai mulți analiți, necesitând o instrumentație ieftină, în comparație cu tehnicile spectroscopice.

Această tehnică poate fi aplicată și în cazul electrozilor modificați cu xerogeluri de carbon dopate cu Bi. Voltametria de stripare anodică are la bază două etape diferite: o etapă care include preconcentrarea, când metalul M2+ este redus pentru a forma aliajul M(Bi), după care urmează cea de a doua etapă, când metalul este reoxidat și se întoarce înapoi în soluție.

M(Bi) M2++ 2é.

În această etapă, cantitatea de metal prezentă este determinată utilizând o tehnică electrochimică sensibilă, de ex DPV- voltametria diferențială cu impulsuri sau voltametria de undă pătrată [Arduini F. et al., 2010]. Astfel, pot fi determinate concentrații foarte mici de ioni ai metalelor grele, a căror prezență în mediul înconjurător este nedorită.

1.7.1.3. Spectroscopia de impedanță electrochimică

În spectroscopia de impedanță electrochimică perturbarea interfeței electrodice se realizează prin aplicarea unui semnal de curent alternativ de mică amplitudine (E<10mV), peste o componentă continuă, urmărindu-se variația impedanței sistemului, în stare staționară; se aplică pentru studiul proceselor de electrod, iar datele obținute pot fi reprezentate grafic într-un grafic Bode sau Nyquist [Bard A.J., Faulkner L.R., 2001]. Dependența de frecvență a impedanței poate dezvălui mecanismul procesului de la electrod. Răspunsul unui sistem electrochimic este neliniar, însă răspunsul rezultat interpretat ca o funcție a perturbării frecvenței poate să conducă la identificarea unor trăsături interne dinamice.

Capacitatea unei interfețe metal/electrolit joacă de asemenea un rol important. Un proces care depinde de difuzia reactanților spre sau de la interfața electrodică, are un caracter evidențiat la frecvență joasă (impedanța Warburg) [Barsoukov E., Macdonald J.R., 2005].

Spectroscopia de impedanță electrochimică detectează proprietățile dielectrice ale mediului într-un interval de frecvențe cuprins între câteva zeci de Hz și câțiva mili Hz. Metoda se bazează pe faptul că procesul electrochimic care are loc la un electrod poate fi simulat cu un circuit echivalent format din rezistențe și condensatori (Ex: circuitul Randles, ilustrat în figura 1.13). Comportamentul electrochimic al electrodului este echivalent cu o rezistență, cunoscută sub numele de impedanță Faraday (ZF). În circuitul echivalent, componenta datorată difuziei (Zw), numită impedanță Warburg, contribuie, alături de rezistența de transfer de sarcină, la impedanța procesului faradaic.

În prezent spectrele de impedanță electrochimică sunt obținute cu ușurință, datorită aparaturii moderne, iar interpretarea lor pe baza unui circuit echivalent se face cu ajutorul unor programe, disponibile comercial, de analiză de date [Bard A.J., Faulkner L.R., 2001].

Figura. 1.13. Circuit Randles care simulează un proces de la interfața electrodică, unde:

Rs = rezistența electrolitului; Cdl = capacitatea stratului dublu electric

O altă posibilitate de identificare a proceselor de electrod se poate realiza prin reprezentarea diagramei Bode, a răspunsului în funcție de frecvență și a diagramei Nyquist care utilizează multe dintre caracteristicile diagramei Bode. Ambele proceduri, atât Bode, cât și Nyquist pot fi folosite pentru determinarea răspunsului unui sistem.

După cum se poate observa din figura 1.14, diagrama Bode are două reprezentări grafice: cea de amplitudine și cea de fază (defazajul).

Link 7

Figura 1.14. Diagrama Bode

Figura 1.15. Diagrama Nyquist [link 8]

Figura 1.15 prezintă o diagramă Nyquist care pe axa x are reprezentată funcția de transfer, iar pe axa y partea imaginară. Pe grafic apare frecvența (ca și în cazul diagramei Bode). Diagrama Nyquist poate furniza informații despre forma funcției de transfer [link 8]

Metode de analiză morfo-structurală

Microscopia electronică de baleiaj (SEM)

Astăzi, microscopul electronic de baleiaj este utilizat nu numai în domeniul științelor medicale sau biologie, ci și în diverse domenii, precum dezvoltarea de materiale noi (metalice, ceramice, semiconductori, nanomateriale etc.), permițând obținerea de imagini 3D. Acest dispozitiv este relativ ușor de utilizat [link 8].

Componentele principale ale unui instrument SEM sunt: fasciculul de electroni, sistemul de scanare, detectorii, sistemul de vizualizare a imaginii, sistemul de vidare, sistem electronic de control [Ulker Z., Erkey C, 2013].

Microscopia electronică de baleiaj presupune scanarea suprafeței unei probe cu un fascicul de electroni care parcurge ordonat întreaga suprafață (prin baleiere sau scanare) redând imagini cu informații despre topografia, morfologia externă (textură), compoziția chimică și despre structura cristalină, fără a se intra în profunzimea probei (nu se pot obține informații referitor la structura internă) [link 9], [link 10], [Stadtländer C.T.K.H., 2007]. Imaginile bune depind de cât de mult reflectă suprafața probei fasciculul de electroni. Rezoluția cu care poate fi obținută o imagine în acest sistem este de 1nm.

În microscopia electronică, fasciculul de lumină din microscopia optică este înlocuit cu un fascicul de electroni accelerați, astfel SEM permite obținerea unor imagini tridimensionale ale probă. Prin intermediul unui astfel de aparat se pot studia și suprafețele eșantioanelor biologice.

Informațiile despre diferențele topologice/morfologice și compoziționale sunt obținute separat prin selectarea tipului specific de electroni emiși, cunoscuți sub numele de electroni secundari, cu energie mai mică de 50 eV, și electroni împraștiați, cu energie mai mare de 50eV [Suga M. et al., 2014].

SEM include o mărire mult mai mare (> 100,000 X) și o mai mare profunzime a probei, de până la 100 de ori, decât microscopia optică, însă calitatea și rezoluția imaginilor SEM depinde de trei parametrii majori: performanța instrumentului, selecția parametrilor de imagine (controlul operatorului), și natura probei.

Pentru a se apropia cât mai mult de tehnologia microscopului electronic de trasmisie, în ultimii ani s-a reușit o îmbunătățire în ceea ce priveste rezoluția microscopului electronic de baleiaj. Așa a apărut HRSEM- Hight-Resolution- Scanning Electron Microscopy, astfel reducându-se mult diferența față de TEM.

Microscopia electronică de transmisie (TEM)

Cel mai utilizat tip de microscopie pentru caracterizarea probelor și pentru identificarea defectelor la scală atomică rămâne microscopia electronică de transmisie [link 11].

Acest tip de microscopie este o tehnică care presupune obținerea unei imagini care se formează datorită electronilor transmiși (care pot trece prin preparat). Microscopul electronic de transmisie este un instrument foarte puternic pentru știința materialelor, fiind totodată și o tehnică de imagine în care un fascicul de electroni monocromatic este focusat pe o probă redând imaginea mărită a acestuia pe un dispozitiv de formare a imaginii, cum ar fi un ecran fluorescent, un strat de film fotografic, sau un senzor [link 9].

TEM poate fi folosit pentru a studia creșterea de straturi, compoziția lor și defectele apărute (de exemplu la semiconductori). Rezoluția înaltă poate fi utilizată pentru a analiza calitatea, forma, mărimea și densitatea diferitelor materiale. O probă TEM trebuie să fie suficient de subțire pentru a se putea transmite electroni suficienți sau/și pentru a forma o imagine cu pierderi minime de energie. Prin urmare prepararea unei probe este o cerință importantă al analizei TEM.

Microscopul electronic de transmisie are sursa de iluminare înlocuită cu un filament care are rolul de a emite fascicule de electroni. Electronii astfel produși sunt accelerați de către un catod căruia i se aplică o tensiune care smulge acești electroni și îi trimite în coloana vidată către probă. Electronii care astfel străbat proba sunt focalizați pentru a reda o imagine stocată apoi pe un dispozitiv electronic extern, cum ar fi: un ecran fluorescent.

Pe scurt, prin intermediul microscopiei de transmisie obținem informații referitoare la morfologie, informații despre dimensiunea, forma și aranjamentul particulelor la scala atomică, despre cristalinitate; din electronii difractați se pot obține informații despre dispunerea și ordinea precum și detectarea defectelor la scara atomică, informații despre compoziție; identificare chimică, incluzând speciile redox ( de exemplu distingerea între Fe2+ și Fe3+) [Frelinger S.N. et al., 2015] [Hongbao M. et al., 2006].

Schema 1.1 Diferențele dintre tipurile de microscopie electronică cele mai utilizate

1.7.3. Difuzia dinamică a luminii (DLS)

Difuzia dinamică a luminii este o metodă importantă folosită pentru caracterizarea dimensiunii nanoparticulelor aflate în soluție. Instrumentul folosit în această metoda poate să determine mărimea particulelor cu diametrul cuprins între 6 nm și 6000 nm. Avantajul metodei constă în caracterul rapid și non-invaziv, însă aceasta impune o limită scăzută de concentrație a particulelor [Hallett F.R., 1994]. Difuzia luminii este o consecință a interacțiunilor dintre lumină și câmpul electric al particulelor de mici dimensiuni sau al anumitor molecule. Un foton incident induce un dipol oscilant în norul electronic (“electron cloud”). Schimbările care au loc la acest dipol produc energie care este radiată către toate direcțiile. Această energie radiată este numită “ lumina difuzată ”.

Tehnica DLS are la bază mișcarea browniană; acest tip de mișcare presupune schimbarea aleatoare a pozițiilor particulelor, cauzată la rândul ei de coliziunile datorate bombardamentelor care au loc între moleculele solventului care înconjoară aceste particule. Tehnica DLS măsoară viteza cu care particulele sufera mișcarea browniana. Viteza mișcării browniene poate fi influențată de dimensiunea particulelor, de vâscozitatea probei și de temperatură. Cu cât particulele sunt mai mici, cu atât este mai rapidă mișcarea Browniană; cu cât particulele sunt mai mari, cu atât mai mult este încetinită această mișcare și cu cât temperatura este mai mare cu atât mișcarea este mai rapidă [link 12].

Un parametru important pe care această tehnică îl oferă este indicele de polidispersie (PDL). Acest indice indică tipul de sistem pe care îl reprezintă proba de analizat și poate fi determinat cu ajutorul unui aparat numit Zetasizer. Domeniul acestui indice este cuprins între 0 și 1. O valoare a indicelui de polidispersie mai mic de 1 indică existența unui sistem monodispers. O valoare mai mare decât 1 indică faptul ca sistemul este polidispers și s-ar putea ca acest sistem să nu poată fi analizat, dimensiunea particulelor depășind domeniul de valori pus la dispoziție de această tehnică. Cele mai bune rezultate se obțin în cazul valorilor cuprinse între 0,6 și 0,9. Zetasizer-ul poate fi folosit pentru a măsura mărimea particulelor (difuzia dinamică a luminii), a potențialului zeta (electroforeza Doppler) și pentru a afla masa moleculară (prin difuzia statică a luminii).

Rezultatul acțiunii acestei tehnici constă într-o o distribuție a intensității care poate fi convertită într-o distribuție a volumului sau a masei, dacă se cunosc proprietățile optice ale particulelor (Teoria Mie) (software-ul pune la dispoziție un tabel cu parametrii necesari, care trebuie completat). [NanoComposix’s Guide To Dynamic Light Scattering Measurements and Analysis, 2015]

Toate particulele pot sedimenta. Viteza sedimentării depinde de mărimea acestora. Acest lucru poate fi vizualizat într-o corelogramă.

Examinarea unei probe presupune ca soluția să fie transparentă, indicele de refracție să fie diferit de cel al particulelor (Standardul Internațional ISO 13321, 1996)

Componentele DLS:

Figura 1.16 Componentele principale ale instrumentului DLS Zetasizer Nano ZS [link 13]

Metoda a fost folosită în partea experimentală a tezei pentru a identifica dimensiunea nanoparticulelor aflate în soluția pentru imprimare (cerneala conductoare pentru electrozii serigrafiați).

Măsurarea vâscozității

Vâscozitatea reprezintă rezistența unui fluid (fluide newtoniene), atunci când asupra sa acționează o forță exterioară.

Măsurarea vâscozității este un test simplu, iar rezultatul poate fi raportat în general printr-o singură valoare. Pentru o reproductibilitate sigură a rezultatelor este necesară realizarea a trei măsurători consecutive la aceeași temperatură. Este normal pentru lichide să devină mai vâscoase la temperaturi scăzute și mai puțin vâscoase la temperaturi ridicate.

În ceea ce privește reologia, aceasta presupune un studiu mai complex al curgerii materialelor. Mai ales lichidele, dar și solidele precum gelurile, pastele prezintă o anumită viteză a curgerii. De exemplu apa are o vâscozitate scăzută, în timp ce mierea de albine are o vâscozitate mare.

Studiul proprietăților reologice este aplicabil substanțelor care dețin o structură complexă: polimeri, suspensii, compuși petrochimici, materiale biologice etc. Curgerea acestor materiale nu poate fi caracterizată doar de o singură valoare atribuită vâscozității, deoarece vâscozitatea se schimbă o dată cu schimbarea condițiilor de curgere [link 12].

Cel mai utilizat instrument pentru măsurarea vâscozității este Rheometer HAAKE RheoStress RS 600, ilustrat în imaginea de mai jos:

Figura 1.17 Rheometer HAAKE RheoStress RS 600 [link 14]

Acest instrument face parte din ultima generație, fiind ușor de utilizat. Analiza probelor constă în injectarea acestora cu ajutorul unei seringi, în locul special destinat (pe o placă), iar după uniformizarea acesteia se aplică o comandă cu ajutorul sofware-ului pus la dispoziție, pentru aplicarea unei forțe mecanice exterioare care presează proba și înregistrează o valoare a tensiunii superficiale.

Metoda a fost utilizată în partea experimentală a tezei pentru a stabili valoarea (vâscozitatea) pe care trebuie să o dețină soluția pentru imprimare, valoare ce depinde de tipul de imprimantă folosit.

Măsurarea tensiunii superficiale

Tensiunea superficială reprezintă o proprietate generală a lichidelor de a lua o anumită formă, în funcție de acțiunea forțelor de coeziune care au loc între moleculele lichidului. Măsurarea tensiunii superficiale este necesară pentru a stabili o legătură între interfața unui solid sau a unui lichid cu o anumită suprafață. Măsurarea unghiului de contact oferă posibilitatea identificării unor aspecte importante, precum afinitatea soluției față de o suprafață (determinarea caracterului hidrofob sau hidrofil), tensiunea superficială etc.

Principiul care stă la baza măsurării tensiunii superficiale prin metoda unghiului de contact constă în punerea în contact a unui lichid cu o suprafață (intersecția dintre un lichid cu o suprafață sau a unui lichid cu aerul). Atunci când proba analizată va tinde să atingă suprafața, picătura formată va lua o anumită formă. Dacă un lichid curge printr-un dispozitiv cu orificiul strâmt, se produce o scurgere intermitentă a unor picături; aceste picături se formează la capătul orificiului, desprinzându-se numai atunci când greutatea lor devine egală cu forța de tensiune superficială. O valoare mare a unghiului de contact indică o tensiune a suprafeței scăzută și o afinitate la fel. Această valoare indică de asemenea și un grad scăzut de umectare. O valoare scăzută, însă, a unghiului de contact indică o tensiune a suprafeței mare, la fel și în cazul afinității și un grad ridicat sau, uneori, complet de umectare [link 15].

Contact Angle Measuring Sistem DSA 100 este un instrument pentru studiul comportamentului umed al unui lichid cu un solid. Cu ajutorul acestui aparat se pot obține informații despre absorbția, adsorbția, unghiul de contact, adeziune etc [Kruss Company; Mittal K.L., 2013].

Figura 1.18 Contact Angle Measuring Sistem DSA 100

Metoda a fost utilizată în partea experimentală a tezei pentru a stabili valoarea tensiunii superficiale pe care trebuie să o dețină soluția pentru imprimare, valoare ce depinde de tipul de imprimantă folosit.

Concluzii

Xerogelurile de carbon aparțin unei clase de materiale cu proprietăți unice, care au o gamă largă de aplicații, care variază de la protecția mediului, la dispozitive de stocare a energiei, senzori chimici, catalizatori și multe altele.

Datele de literatura arată că xerogelurile de carbon dopate, fie cu metale, fie cu nemetale sunt preferate, deoarece se îmbunătățesc anumite proprietăți: cum ar fi conductivitatea electrică, stabilitatea, morfologia suprafeței și a porilor, textura, precum și dimensiunea particulelor și activitatea catalitică.

Atât senzorii electrochimici, cât și biosenzorii bazați pe xerogeluri de carbon reprezintă soluții viabile pentru detectarea diverșilor analiți de interes practic.

Pentru caracterizarea electrochimică și morfo-structurală a aerogelurilor/xerogelurilor se folosesc metode performante ca: voltametria ciclică și de stripare, spectroscopia de impedanță electrochimică, precum și metode optice, microscopice și spectroscopice.

Provocările pentru cercetările viitoare privind xerogelurile de carbon includ:

– Elaborarea unor noi metode care pot fi aplicate pentru caracterizarea xerogelurilor și a precursorilor din gel;

– Dezvoltarea aplicațiilor existente și a potențialelor într-o gamă largă de domenii tehnologice;

– Ajustarea proprietăților materialelor pentru satisfacerea cerințelor diferitelor aplicații;

– Îmbunătățirea proprietăților cernelii pe bază de xerogeluri de carbon;

– Perfecționarea tehnicii de imprimare (serigrafiere);

– Aplicarea electrozilor serigrafiați pe hârtie fotografică în detecția metalelor grele și unor compuși organici volatili;

– Producția de masă rentabilă a xerogelurilor.

În concluzie, dezvoltarea de materiale bazate pe xerogeluri de carbon este un domeniu inovativ, interesant și generos de cercetare în anii următori.

Capitolul 2. Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2

2.1. Hemina-catalizator pseudo-enzimatic

Sumar: În acest capitol sunt prezentați pe scurt compușii utilizați la construcția a două tipuri de senzori pentru detecția apei oxigenate. Construcția acestor senzori presupune utilizarea a două tipuri diferite de materiale de electrozi: cărbunele sticlos și grafitul (aspect detaliat în partea experimentală a lucrării). În studiul teoretic realizat pe baza articolelor de specialitate din literatură, s-a pus accentul pe prezentarea moleculei de hemină, o substanță de mare importanță biologică și nu numai, cu aplicații în cataliză. Într-o primă variantă, hemina a fost folosită ca element modificator pentru suprafețele electrozilor în combinație cu oxidul de grafenă redus. Acesta din urmă poate fi obținut prin exfoliere mecanică (metoda cel mai des utilizată), prin reducerea oxidului de grafenă (GO) prin depunere chimică, sau prin depunere termică pe matricea de SiC. Totodată sunt prezentate caracteristicile cele mai importante ale Grafenele, alături de unele aplicații ale acestora în prepararea materialelor de electrod. Datorită ușurinței procesului de incorporare, hemina a fost folosită și în combinație cu o grupă de compuși melaninici, care fac parte din clasa de compuși dendrimerici, ale căror caracteristici sunt prezentate pe scurt în acest capitol.

Hemina (C34H32O4N4FeCl, protoporfirina IX de fier (III); Hm) este una dintre cele mai importante substanțe, nu numai din punct de vedere biologic, ci și chimic. Enzimele sunt cunoscute ca fiind molecule foarte active din punct de vedere catalitic [Cheng L. et al., 2016], (funcție naturală), caracteristică importantă pentru procesele biologice. Hemina este o mini-enzimă, ce conține un centru activ comun mai multor familii de proteine-hem, cum ar fi: peroxidaza sau proteinele purtătoare de oxigen (hemoglobina (Hb) sau mioglobina (Mb)), însă spre deosebire de catalizatorii anorganici, după degradarea oxidativă aceasta suferă de instabilitate [Sagara T. et al., 1995] [Yongjia L. et al., 2013]. Datorită dimensiunii mici transferul direct de electron poate fi stabilit independent de orientarea suprafeței electrodului [Brusova Z., Magner E., 2009].

Figura 2.1. Structura moleculară a heminei

Pentru prevenirea auto-degradării, de-a lungul timpul s-au făcut multe cercetări, unele bazate chiar pe modificarea structurii acesteia. Cu toate că aceste modificări cresc într-adevăr activitatea și stabilitatea heminei, acest lucru crește în același timp dificultățile de sinteză și costurile, ceea ce împiedică în mod inevitabil, utilizarea acesteia pe scară largă, în industrie [Yongjia L. et al., 2013] [Sheng Hua M.A. et al., 2013].

Un subiect interesant de studiu în electrochimie îl constitue investigarea schimbului de electroni direct între proteinele redox și suprafața unui electrod [Wang X. et al., 2008], iar hemina poate juca rolul de proteină-model. Pentru menținerea activității electrochimice hemina poate fi dizolvată cu ușurință pentru a forma o soluție apoasă, care mai apoi poate fi adsorbită pe suprafața unui material de electrod, dar imobilizarea acesteia în diferite matrici este o metodă mult mai precisă pentru păstrarea caracteristicilor dorite. Hemina folosită ca și peroxidază mimetică poate cataliza cu ușurință reducerea H2O2 [Sheng H.M.A. et al., 2013]. Apa oxigentă este un oxidant foarte puternic, sigur și eficient, dar și un produs intermediar indispensabil prezent în aproape toate procesele din mediul inconjurator, precum și în cele biologice. Așadar, monitorizarea rapidă și eficientă a acestuia prezintă mare interes.

Hemina este puternic adsorbită pe electrozii din materiale de carbon [Mares G.M. et al., 2013] [Aoki K.J. et al., 2014] [Sun R. et al., 2014], iar electrozii astfel obținuți au fost testați pentru detecția amperometrică a H2O2 [Song H., 2013] [Zhang F.T. et al., 2014].

Electrozi modificați cu grafenă și hemină

Grafenă: Aspecte generale

Carbonul prezintă o versatilitate mare datorită capacității sale de a stabili legături chimice de diferite tipuri cu alți atomi de carbon, dar și cu alte elemente. De aceea carbonul se găsește în natură în așa-numitele forme alotropice, cu structuri chimice caracterizate prin diferite legături între atomi: diamant, grafit, fulerene, nanotuburi de carbon, grafenă (figurile 2.2 și 2.3).

Figura 2.2. Formele alotropice ale carbonului. (a) Grafit, (b) Diamant, (c) Fulerene, (d) Nanotuburi, (e) Grafenă

Figura 2.3. Modul de formare al fulerenelor, nanotuburilor și al grafenelor

[Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014]

Grafenele au atras interesul științific și tehnologic în ultimii ani [Shao Y. et al., 2010], deși au fost descoperite abia în 2004 [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014], datorită proprietăților lor fizico-chimice unice și anume: suprafață specifică mare (teoretic 2,630 m2 / g pentru un singur strat de grafenă) [Park S., Ruoff R.S., 2009], conductivitate termică excelentă [Balandin A.A. et al., 2008], conductivitate electrică bună [Service R.F., 2009] și nu în cele din urmă, rezistență mecanică bună [Lee C. et al., 2008]. Aceste materiale sunt promițătoare în multe aplicații, cum ar fi: electronica [Hass J. et al., 2008], stocarea și conversia energiei (aici putem menționa supercapacitorii [Stoller M.D. et al., 2008], bateriile [Yoo E. et al., 2008, Wang D.H. et al., 2009], pilele de combustie [Seger B. et al., 2009] [Kou R. et al., 2009] [Yoo E. et al., 2009] [Si Y.C. et al., 2008], celulele solare [Wang X. et al., 2008] [Wu J.B. et al., 2008]), și biotehnologiile [Liu Z. et al., 2008] [Chen H. et al., 2008] [Shan C.S. et al., 2009] [Wang Z. J. et al., 2009] [Lu C.H. et al., 2009] [Wang Y. et al., 2009].

Grafenele sunt materiale cu o structură formată dintr-un singur strat bi-dimensional, (materiale 2D), impermeabile în stare pură [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014], alcătuite dintr-un strat din atomi de carbon hibridizați sp2. În figura 2.4. se poate observa structura moleculară a grafenei.

I

Oxidul de grafenă (GO) este un precursor important al grafenelor obținut prin exfoliere chimică [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014]. Sinteza acestuia se poate face în mod direct, sub formă de soluție, prin urmare, îmbunățindu-se foarte mult posibilitatea de prelucrare și capacitatea sa de încorporare, de interacțiune sau combinare cu alte materiale. [Yongjia L. et al., 2013]

Conform rapoartelor lui Zhou și ale colaboratorilor săi, grafenele prezintă un domeniu de potențial electrochimic mare, circa 2.5 V în soluție de tampon fosfat (PBS) de concentrație 0.1M cu pH 7.0 [Zhou M. et al., 2009]. S-a investigat comportamentul de transfer de electroni pe acest material, utilizând-se voltametria ciclică și soluții de [Fe(CN)6]3-/4- și de [Ru(NH3)6]3+/2+ și s-a constatat că, atât curentul picului anodic, cât și al celui catodic, depind liniar de radicalul vitezei de baleiaj, rezultat ce sugerează faptul că procesul redox care are loc la electrozii pe bază de grafenă este predominant controlat prin difuzie [Shao Y. et al., 2010].

Oxidul de grafenă este produsul exfolierii chimice a grafitului, reprezentând forma oxidată al acestui compus. În principiu toate aceste metode implică exfolierea chimică a grafitului, cu un agent de oxidare puternic în prezența unui acid mineral puternic [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014].

GO a atras atenția asupra lui nu numai datorită rolului de precursor accesibil economic pentru producerea în masă a materialelor pe bază de grafenă, ci și pentru faptul că el în sine deține proprietăți remarcabile. Acesta este un material neconvențional, iar grupările funcționale de oxigen îl recomandă ca fiind un bun candidat pentru purificarea apei. În plus, grupările funcționale oferă poziții reactive accesibile pentru o varietate de reacții de funcționalizare a materialelor pe bază de grafenă sau GO, pentru adaptarea la aplicațiile dorite. Acestea pot fi produse prin metoda Brodie, Staudenmaier sau Hummers [Poh H.L.et al., 2012]. GO redus la grafenă prin metode chimice sau electrochimice este utilizat cu succes la prepararea unor materiale de electrod inovative, după cum se va arăta în capitolul 2.2.2.

Metode de preparare a grafenelor

Pentru fabricarea grafenelor au fost dezvoltate numeroase metode, dintre care exfolierea mecanică, numită și metoda scotch, este cea mai utilizată metodă în laboratoare, deși aceasta nu este tocmai o alegere foarte bună pentru producerea la scară industrială a acestor materiale [Shao Y. et al., 2010].

În cele ce urmează vor fi descrise principalele metode de preparare a grafenelor. Aceste metode de obținere pot include optional o etapă suplimentară, doparea.

Literatura de specialitate prezintă următoarele căi de obținere:

“top-down approach” (din grafit) prin:

micro exfolierea mecanică a grafitului (metoda “scotch tape” sau “peel-off”);

realizarea unei suspensii coloidale din GO sau intercalarea grafitului cu diferiți compuși (GICs).

“bottom up approach” (din precursori carbonici) prin:

Depunere chimică in faza de vapori (CVD));

Creștere epitaxială pe suprafețe izolatoare (ex: SiC)- Sinteză organică totală.

Exfolierea mecanică presupune prepararea Grafenele din filme grafitice monocristaline, această metodă fiind recomandată și pentru conservarea structurii grafenice și a proprietăților electrice și fizice. Totuși, dezavantajele acestei metode sunt conferite de costurile ridicate ale solvenților.

Reducerea chimică a GO presupune obținerea Grafenele prin reducerea oxidului de grafenă sub acțiunea chimică a hidrazinei, borohidrurii de sodiu (NaBH4), sau a hidrochinonei, sub agitare energică în jurul unei temperaturi de 80-100 0C. Dezavantajul acestei metode constă însă în producerea de deșeuri toxice și nocive pentru mediu. Combinarea NaBH4 cu nanoparticule de metal reprezintă o altă alternativă de a reduce foițele de GO, într-un mod mai prietenos cu mediul, nanoparticulele de metal putând accelera mult procesul de reducere al GO, la temperatura camerei.

Depunerea chimică în faza de vapori (CVD) este considerată metoda cea mai populară pentru obținerea pe scară largă a filmelor grafenice mono sau multi- straturi. Aceasta presupune utilizarea unui catalizator care să descompună precursorul de carbon în atomi de carbon. Ca exemplu, în substratul de Ni este dizolvat carbonul, iar în momentul răcirii are loc o precipitare a carbonului pe suprafața substratului. În timpul procesului de CVD substratul de Ni este plasat într-un cuptor tubular la o temperatură sub 10000 C în condiții de vid, în prezența unui gaz diluat de hidrocarbura. Grosimea și calitatea stratului de grafenă pot fi controlate prin optimizarea parametrilor de reacție cum ar fi: viteza de răcire, concentrația precursorului de carbon, timpul de reacție, temperatura de reacție [Wei Wen L. et al., 2013].

Pentru a reduce costurile de producție mai este folosită metoda PECVD (“plasma enhanced chemical vapor deposition”). Aceasta presupune utilizarea unui amestec de gaze de CH4 și H2 la temperatura de 6800 C. Avantajul acestei metode stă în timpul scurt de depunere, mai puțin de 5 min [Wei Wen L. et al., 2013].

Descompunerea termică pe SiC sau alte substraturi este o metodă utilizată des, atunci când vine vorba de obținerea semiconductorilor, deoarece grafitul este sintetizat pe substratul de SiC și poate fi utilizat imediat. Acestă procedură include încălzirea substratului de SiC în condiții de vid ultra-înalt UHV (ultra-hight vaccum), etapă în care siliciul sublimează din substrat. Odată cu eliminarea acestuia va avea loc aranjarea atomilor de carbon astfel încât să se obțină straturile de grafenă [Wei Wen L. et al., 2013].

Pentru fabricarea oxidului de grafenă redus (rGO), în anul 2015, Zijiong Li și colaboratorii săi prezintă o metodă hibridă, nouă, ușoară și necostisitoare [Zijiong L. et al., 2015] prin combinarea metodei de uscare la temperaturi joase (“freeze-drying”) cu metoda cu microunde (“microwave”). Nefiind un proces complicat, nu este necesară monitorizarea gazului inert sau a mediului de H2, acest lucru făcând acest proces mult mai economic; mai mult, materialul obținut prezintă o arie a suprafeței mare, ceea ce furnizează un material de electrod ideal, cu aplicații pentru supercapacitori. Autorii publicației susțin că această metodă este cea mai simplă și rapidă cale de sinteză a rGO. Un electrod astfel obținut, FMGO (freeze-microwaves oxide graphene), prezintă capacitate electrică specifică mare [Zijiong L. et al., 2015].

Problemele majore care intervin în procesarea grafenelor în materiale de electrod practice, sunt reprezentate de tendința spre formarea de grafit, prin intermediul interacțiunilor puternice Van der Waals între foițe. Aceste aglomerări reduc în mod dramatic accesul ionilor la suprafață, ceea ce scade utilizarea grafenelor pentru stocarea sarcinii electrice (energiei). Pentru rezolvarea acestei probleme, Peiyu Zang [Zang P. et al., 2016] împreună cu colaboratorii săi își propun să realizeze materialul de grafenă perforat în dimensiune 3D, propunând o metodă bazată pe principiul dizolvării la temperaturi ridicate. Metoda solvo-termală, eficientă și ecologică, are la bază reacția dintre GO dizolvat la temperatura de 1800 C, timp de 36 h și amestecul de H2O și EG (etilen glicol). După acest proces solvo-termal, materialul rezultat se colectează și se spală abundent cu apă și etanol, iar apoi se supune procesului de freeze-drying timp de 24 h [Shao Y. et al., 2010].

Proprietățile grafenelor

Grafena este cel mai subțire material cu formã planã, compus dintr-un strat de atomi strâns împachetați într-o formã de tipul fagurelui de miere. Acest material deține aceeași structurã de baza ca și cea a grafitului, a nanotuburilor de carbon sau ca și cea a fulerenelor. Hibridizarea sp2 și configurația electronilor este principalul motiv pentru care grafenele posedã proprietãți extraordinare, cum ar fi: aria suprafaței foarte mare, efectul Hall, elasticitatea foarte mare [Wei Wen L. et al., 2013] proprietăți electronice, termice, mecanice, optice, conductive excelente [Wonsawat W. et al., 2012], puritate mai mare decât a nanotuburilor de carbon, precum și costuri scăzute [S], stabilitate chimicã și termicã bunã [Cui X. et al., 2016]. Comparațiile între nanotuburile de carbon și grafenă sunt realizate pe baza datelor din literaturã care susțin că nanotuburile de carbon erau cele mai investigate materiale înaintea apariției grafenelor [Wei Wen L. et al., 2013]. Foițele de grafenă au o structurã atât de regulatã, încât pânã în prezent nu au fost descoperite defecte, iar luate individual acestea prezintã transparențã [link 17].

Din punctul de vedere al proprietãților mecanice, aceste materiale sunt considerate a fi cele mai rezistente materiale existente, fiind de 100 de ori mai puternice decât oțelul, posedând totodatã și o flexibilitate deosebitã. Pentru obținerea unor proprietăți electrice bune, cea mai bună și cea mai eficientă metodă o reprezintă procesul de oxido-reducere [Kou R. et al., 2009].

Un alt aspect destul de important se referă la capacitatea electrică a grafenelor. Materialele de carbon, inclusiv cele 1D, 2D sau cele 3D- carbon mezoporos, sunt materiale de electrod promițãtoare pentru supercapacitorii flexibili [Georgantzinos S.K. et al., 2016]. Funcționalizarea cu ușurințã a suprafeței reprezintã un alt punct forte al acestor materiale, deoarece le lãrgește domeniul de aplicare [Sealy C., 2016]. Cu alte cuvinte, grafenele sunt nano-materiale, netoxice, biocompatibile, utilizabile pentru o gamă variată de aplicații [Wei Wen L. et al., 2013].

Aplicații ale grafenelor

Datorită performanței superioare și a complexității lor, grafenele au devenit adevărații competitori ai nanotuburilor de carbon. Comportamentul electrochimic excelent recomandă grafenele ca fiind materiale de electrod promițătoare pentru o gamă largă de aplicații.

De-a lungul timpului au fost elaborați mai mulți senzori electrochimici pe bază de grafenă și compozite ale acestor materiale pentru electroanaliză, bioanaliză și pentru analiza de mediu [Kang X.H. et al., 2009]. Urmărind rezultatele obținute de Zhou și menționate în acest capitol și având în vedere activitatea electrocatalitică bună a grafenelor față de H2O2, putem conchide că aceste materiale ar putea fi o bună alegere și pentru biosenzorii pe baza de oxidaze (ex: biosenzor pentru glucoză [Zhou M. et al., 2009]). Au fost realizați senzori/biosenzori pe bază de grafenă pentru aplicații în domenii precum cel al protecției mediului (decontaminare) [Cheng L. et al., 2016] [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014], al dispozitivelor medicale și al celulelor biocombustibile. S-au elaborat senzori pentru determinarea dopaminei, a NADH-ului, ADN-ului [Zhou M. et al., 2009] și a metalelor grele [Sitko R. et al., 2013], un subiect de mare interes în zilele noastre, deoarece o creștere a concentrației acestor metale în mediu si în alimentație, este cauzatoare de boala secolului, cancerul. Grafenele se mai utilizează pentru fabricarea de dispozitive nanoelectronice, electrozi transparenți, fotodetectori, baterii electrice [Wonsawat W. et al., 2012], cerneală imprimabilă [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014], asamblarea materialelor macroscopice noi [Chen J.J. et al., 2013], plus alte aplicații revoluționare, precum realizarea unor cipuri pentru celulele canceroase, microcipuri implantabile realizate cu ajutorul oxidului de grafenă [Sealy C., 2016]. În plus, în ultimii ani, grafenele au atras atenția asupra lor datorită proprietăților adsorbante, ceea le face utile în tratarea apelor uzate [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014]

Grafenele ar putea fi folosite și la realizarea unor display-uri flexibile, a LED-urilor, dispozitivelor bionice, dar și la construcția altor nanostructuri, sub formă de straturi, nano-panglici sau ca fulgi de grafit. Datorită structurii neobișnuite își găsesc numeroase aplicații și în sistemele nanoelectrochimice [Georgantzinos S.K. et al., 2016], iar datorită conductivității electrice extraordinare, acestea ar putea fi introduse în corpul uman, pentru a primi impulsuri electrice și pentru a rezolva problema paraliziei.

Electrozi modificați cu grafenă și hemină

Grafenele sau materialele pe bază de grafenă au trezit un interes aparte pentru fabricarea diverșilor senzori, cum ar fi senzorii non-enzimatici, datorită costurilor scăzute, abilității catalitice mari și stabilității bune.

Existența unui electrod și a unei metode rapide, precise și de încredere de detecție a apei oxigenate sunt necesare deoarece acesta este un produs enzimatic general al oxidazelor și un substrat al peroxidazelor, importante în procesele biologice [Zhou M. et al., 2009].

Punctul cheie în dezvoltarea electrozilor pentru detecția H2O2 este acela de a reduce suprapotențialele proceselor de oxidare și reducere [Shao Y. et al., 2010]. Zhou M. și colaboratorii săi au studiat comportamentul electrochimic al apei oxigenate la electrozii modificați chimic cu grafenă (mai exact, oxid de grafenă redus chimic). Rezultatul a constat într-o creștere remarcabilă a vitezei de transfer de electroni [Zhou M. et al., 2009]. Așadar, grafenele manifestă o activitate electrocatalitică mare față de H2O2 [Shao Y. et al., 2010].

Un alt electrod modificat a fost realizat cu ajutorul nanoparticulelor de metal și grafenă. De exemplu, Shan și colaboratorii săi [Shan C.S. et al., 2009] au raportat realizarea unui senzor pe bază de grafenă, nanoparticule de aur și chitosan, care manifestă o activitate electrocatalitică bună față de H2O2 și de O2 [Shao Y. et al., 2010].

Un alt tip de electrod pe bază de grafenă a fost realizat cu ajutorul unui material hibrid hemină-oxid de grafenă care a fost obținut prin intermediul procesului chimic umed simplu, drept catalizator eficient în reacțiile de oxidare a legăturilor saturate de C-H. Hemina este atașată de oxidul de grafenă prin intermediul interacțiunilor π-π [Li Y. et al., 2013]. Electrozii pe bază de grafenă au demonstrat performanță superioară în ceea ce privește domeniul activității electrocatalitice și cel al conductivității la scală macroscopică, față de electrozii pe bază de nanotuburi de carbon [Shao Y. et al., 2010].

De-a lungul timpului au fost realizați diferiți alți senzori având la bază varietăți de nanocompozite cu peroxidaze, incluzând și nanocompozitele din metale nobile, de exemplu Pt, Pd, Ag, Au etc, nanostructuri metale CuO, NiO, Fe3O4 și porfirine. Wang Li și colaboratorii săi ne prezintă un senzor inedit pe bază de rețea metal-organica Cu-hemină, chitosan și oxid de grafenă redus funcționalizat (rGo). Aceștia au observat o creștere a conductivității electrice, limită de detecție scăzută, sensibilitate mare, domeniul liniar mare, stabilitate pe termen lung și o buna selectivitate, datorită introducerii rGO [Wang L. et al., 2016].

Sfera modicării suprafețelor de electrod este largă. Luând în considerare proprietățile excepționale ale grafenelor și posibilitățile de îmbunătățire a acestora, tipurile de electrozi modificați există și vor exista în număr tot mai mare.

Electrozi modificați cu compuși melaminici și hemină

. Dendrimeri: aspecte generale

Dendrimerii sunt o clasă nouă de compuși polimerici care în prezent atrag o atenție deosebită, datorită structurilor și proprietăților unice pe care le dețin [Zeng F., Zimmerman S.C., 1997]. În plus, sunt considerați ca făcând parte din clase importante de nanomateriale, alături de nanomaterialele de carbon.

Dendrimerii sunt compuși tridimensionali, care prezintă un grad înalt de ramificare, fiind realizați asftel încât să existe posibilitatea de incorporare a unor grupări funcționale și entități chimice în/la situsuri predeterminate [Balzani V. et al., 2005].

Dendrimerii sunt compuși din trei elemente distincte: nucleul, dendronul și grupările funcționale terminale. În plus dendrimerii au cavități, care sunt cunoscute sub numele de crevase dendritice (fisuri).

Arhitectura dendritică poate servi ca platformă versatilă pentru interacțiunile gazdă-oaspete, de ex. la proiectarea unor noi agenți de încapsulare [Newkome G.R. et al, 1996], fiind posibile interacțiuni de suprafață cu molecule încărcate cu sarcini de semn opus [Jockusch S. et al, 1995]. Dendrimerii se află la granița dintre chimia moleculară și cea polimerică [E. Abbasi et al., 2014], suprafețele modificate cu aceștia găsindu-și aplicații în cataliză (catalizatori cu mai multe centre de reacție redox [B. Alonso et al., 1995]) și în prepararea de electrozi modificați, fiind gazde pentru unii mediatori ai transferului de sarcina [Bustos Bustos E. et al., 2006].

Figura 2.6. Dendrimerul, platformă multifuncțională [Miao X. et al., 2016]

Noțiunea de "dendrimer” provine de la cuvântul grecesc "dendros" însemnând arbore și "meros", însemnând, parte. Sunt cunoscuți și alți termeni, de exemplu “moleculă cascadă” , însă sunt folosiți destul de rar, denumirea acceptată internațional fiind aceea de dendrimer. În literatura de specialitate există mai multe tipuri de dendrimeri, cum ar fi: dendrimerii poliamidoaminici -PAMAM, polipropilen imina – IPP, poli-L-lisina. În prezent, cei mai uilizați dendrimeri, sunt dendrimerii PAMAM de tipul poliamidoaminelor [link 18].

Potențialele aplicații ale acestor compuși includ:

administrarea controlată a medicamentelor și detecția tumorilor canceroase; dendrimerii, fiind nanostructuri sintetice sunt utilizați și în cadrul terapiei genice sau în imagistică (boli cardiovasculare), precum și ca senzori [Abbasi E. et al., 2014];

prin grefarea unor metale (Rh, Ru, Pd, Pt, Au, Fe) pe suprafața dendrimerului sau în cavitățile sale interioare se obțin metalo-dendrimeri care se folosesc drept catalizatori în reacțiile chimice;

electrocataliza;

bioelectrocataliza (se preocupă cu utilizarea materialelor biologice drept catalizatori pentru procesele electrochimice de oxidare și reducere [Klajnert B., Bryszewska M., 2001];

preconcentrarea;

permeabilitatea selective;

recunoașterea specifică.

Diversele întrebuințări ale dendrimerilor (în chimie, medicină și nanoștiință) se datorează proprietăților intrinseci ale acestora [Klajnert B., Bryszewska M., 2001] și a faptului că aceștia constituie o grupă aparte de materiale avansate, care se află la granița dintre chimia moleculară și cea polimerică. Printre cele mai importante aplicații se numără cele precum piezoelectricitatea, agenții de contrast în imagistică, membrane și filtre pentru separarea și purificarea gazelor, “instrumente” pentru eliberare lentă și controlată a medicamentelor în organism, “dispozitive” folosite în terapia anticancer [Klajnert B., Bryszewska M., 2001]. Dendrimerii mai sunt utilizați și ca instrumente pentru îmbunătățirea semnalului chemoiluminiscent electrogenerat [Chikhaliwala P., Chandra S., 2016].

Având în vedere proprietățile deosebite ale dendrimerilor aceștia vor cunoaște în viitorul apropiat un avânt apreciabil, legat de obținerea altor proprietăți dorite, vizând îmbunătățiri cu privire la structură, flexibilitate, porozitate, sinteză, biodegrabilitate etc.

Proprietățile dendrimerilor, precum dimensiunea uniformă, solubilitatea în apă, suprafața funcțională modificabilă sau prezența unei cavități interne, îi fac atractivi din punct de vedere biologic pentru utilizarea unor metode care presupun eliberarea controlată a medicamentelor (“drug delivery”) [Klajnert B., Bryszewska M., 2001], transportul unor medicamente prin sânge, până la obiectivele-țintă din organism.

Principalele aspecte datorită cărora aceștia sunt utilizați în domeniile menționate mai sus, sunt:

diametrul lor nu depășește câțiva nanometri;

solubilitatea și stabilitatea sunt bune;

au suprafața funcțională modificabilă;

au forma controlată;

posedă o extraordinară diversitate a funcțiunilor periferice care oferă posibilitatea de încapsulare.

Dendrimerii mai pot fi utilizați și pentru a produce energie regenerabilă, pentru dispozitivele organice fotovoltaice, pentru tranzistori organici cu efect de câmp etc [ Jockusch S., 1995].

2.3.2. Dendrimeri melaminici

Unitatea structurală de bază a compușilor melaminici este o bază organică, melamina, un trimer al cianamidei cu un schelet 1,3,5, triazinic.

Figura 2.7 Formula structurală a melaminei

Melamina stă la baza obținerii unor rășini sintetice [link 19], iar derivații melaminici dendritici au fost utilizați până în prezent mai ales ca agenți purtători ai unor medicamente [Neerman M.F. et al., 2004].

Dendrimerii melaminici pot fi sintetizați prin metode convergente sau divergente. Până în prezent, literatura de specialitate pune la dispoziție câteva abordări multidisciplinare asupra amino-s-triazinelor N-substituite cu grupări p-hidroxifenil [Petri A., 1987, 1993] [Negoro M., Kawata K., 2005, 2006].

Cu excepția rapoartelor noastre anterioare [Lates V. et al., 2007][ Morar C. et al., 2016], până în prezent nu a fost acordată nici o atenție deosebită comportamentului electrochimic al melaminelor dendritice, deși este bine cunoscut faptul că aminofenolii sunt materiale active electrochimic datorită celor două grupări oxidabile (–NH2 și -OH) [Song Y., 2007] [Yina H. et al., 2010] astfel, unitațile periferice active redox facând obiectul unor multiple transferuri electronice [Wang J. et al., 1998].

Prof. Dărăbanțu împreună cu colaboratorii săi în articolul cu titlul “New p-aminophenol based dendritic melamines. Iterative synthesis, structure and electrochemical characterisation/Nouveau mélamines dendritiques basés sur p-aminophénol. Synthèse itérative, structure et caractérisation électrochimique“ [Dărăbanțu M. et al. 2017] prezintă caracterizarea electrochimică a unor melamine dendritice noi, a căror structură se poate observa în figurile 2.8., 2.9, 2.10.

Figura 2.8 Precursor 1 al compusului melaminic final dendritic

Figura 2.9 Precursor 2 al compusului melaminic final dendritic

Figura 2.10 Precursor 3 al compusului melaminic final dendritic

Dendrimerii ce conțin funcționalități redox active sunt importanți datorită proprietăților electrochimice (transfer de electroni). Unitățile redox active periferice, supuse transferului de electroni (transferuri multiple) și proprietățile redox, pot fi modulate prin mărimea și natura ramurilor dendritice. A fost raportată, de asemenea și electropolimerizarea p-aminofenolului pe un electrod de Pt în solvenți organici, ceea ce permite obținerea unui polimer electro- activ solubil [Dărăbanțu M. et al, 2017].

Electrozi modificați cu dendrimeri

Întrucât tehnicile electrochimice au ca scop dezvoltarea unor platforme eficiente, sensibile și selective de detecție a unor specii chimice, se manifesta un interes semnificativ și pentru progresul dezvoltării senzorilor electrochimici bazați pe dendrimeri.

Mese și colaboratorii săi au raportat în anul 2014 [Mese F. et al, 2014] realizarea unui senzor prin modificarea suprafeței unui electrod de grafit pirolitic tip creion (PGE) cu a patra generație de poly- amidoamine- PAMAM- G4-PDR/PGE- cu aplicații în detecția acidului nucleic (ADN și ARN). PGE modificat cu PAMAM a fost examinat pentru prima dată în literatură. Acestui senzor i-au fost testate sensibilitatea și selectivitatea în detecția secventei ADN corelată cu virusul hepatitei B (HBV). În urma acestui experiment s-a ajuns la concluzia că senzorul modificat cu dendrimer a fost aplicat cu succes în monitorizarea selectivă și sensibilă a hibridizării ADN-ului virusului HBV (Hepatitis B virus DNA) [Mese F. et al., 2014].

În cursul aceluiași an a fost raportată utilizarea unei noi generații de dendrimeri poli-amidoamidici, generația 4.5. Aceștia au fost utilizați pentru modificarea unui electrod de cărbune sticlos alături de nanoparticule de aur și cisteamine, pentru determinarea acidului uric din serul uman, fără interferențele acidului ascorbic. După depunerea straturilor de cisteamine și nanoparticule de aur pe suprafața electrodului, prin electrosorbție, acesta a fost imersat pentru 48 h în soluție de MeOH care conținea la rândul său EDC (1-Etil-3-(3-dimetilaminopropil carbodimide) și 18 µM dendrimeri PAMAM generația 4.5, pentru finalizarea modificării chimice, prin adsorbția dendrimerului. Cu această metodă a fost raportată cu succes detecția electrochimică a acidului uric, precum și o nouă strategie de modificare chimică a electrozilor, folositoare pentru înlăturarea problemelor de interferență asociate cu detecția electrochimică al metaboliților, evitarea interferenților fiind de mare importanță în diagnosticul clinic al bolilor umane [Segovia A.S.R et al., 2014].

Dopamina este un neurotransmițător, care joacă un rol important în funcționarea sistemului nervos central, precum și în cel cardiovascular, renal și hormonal. Determinarea și monitorizarea nivelului acestei substanțe în organismul unui pacient este de mare interes. Senzorii electrochimici pot fi folosiți ca și detectori în combinație cu HPLC (Cromatografie lichidă de înaltă performanță) pentru a permite detecția sensibilă a dopaminei în probele de urină, însă această metodă presupune unele îmbunătățiri. Una dintre îmbunătățiri constă în modificarea suprafeței electrodului cu un mono strat de dendrimeri poliamidoaminici- PAMAM- care pot să interacționeze în mod specific cu moleculele țintă și să excludă interferențele altor specii. Electrodul de cărbune sticlos a fost modificat prin atașarea nucleofilă a dendrimerului PAMAM G 4.0, conținând la rândul său nanoparticule de metale precum Ir, Pt, Rh. Nanoparticulele de metal servesc ca electrocatalizatori pentru electro-oxidarea dopaminei. Acest electrod a fost aplicat cu succes în detecția dopaminei atât în probele sintetice cât și în probele clinice de urină, demonstrând o bună performanță în detecția acestei substanțe [Bustos B.E. et al., 2007].

Un studiu efectuat în 2011 susține faptul că electrodul modificat cu dendrimerii (PAMAM G 4.0) cu grupări terminale amino, reprezintă cel mai bun electrocatalizator pentru detecția moleculelor biologice, precum acidul ascorbic sau apa oxigentă, obținându-se o sensibilitate, o selectivitate mare precum și o limită de detecție bună (de ordinul µM). Electrocataliza este cu atât mai bună cu cât cu generația dendrimerului este mai recentă, adică electrodul modificat prin legături covalente este mult mai sensibil și mult mai selectiv decât electrodul modificat electrostatic [Bustos B.E. et al., 2006].

Dendrimerii redox imobilizați s-au dovedit a fi de mare interes pentru “proiectarea” interfețelor funcționale; mai mult decât atât, pentru aplicațiile redox a fost demonstrat faptul că transferul de electroni poate fi mai rapid în interiorul unor dendrimeri cu grupe terminale redox. Acest lucru a fost observat și în cazul dendrimerului de primă generație, întâlnit în literatură sub prescurtarea G1. Acest compus este alcătuit dintr-o moleculă de dendrimer cu terminații ferocenil (doar o singură moleculă conține 27 de site-uri de ferocenil) care oferă o bună stabilitate și a fost folosit la modificarea suprafeței unui electrod din cărbune sticlos. Modificarea chimică a suprafeței acestuia a presupus respectarea a două etape distincte. Prima etapă a presupus prepararea unui strat izolator de polifenil acetat pe suprafața elecrodului, iar cea de-a doua etapă a presupus adsorbția puternică a dedrimerului pe acest strat. Un aspect important de menționat este acela că nu este nevoie de o cantitate mare de dendrimer pentru modificarea suprafeței electrodului [Wang A. et al., 2009].

Detecția sensibilă a moleculelor biomarker pentru diferite tipuri de cancer prezintă un mare potențial în diagnosticarea timpurie și în tratamentul cancerului. Imunosenzorii electrochimici prezintă numeroase avantaje cum ar fi: sensibilitate mare, costuri scăzute, detecție rapidă și selectivitate mare, precum și specificitate în bio-recunoașterea imunologică. În cazul cancerului de prostată, pentru realizarea unui senzor PSA (antigenul specific acestui tip de cancer), simplu, sensibil și reproductibil, s-a apelat la dendrimeri din trei generații G1, G2, G3 (dendrimeri Fc-PAMAM- cu terminații redox- ferocen). Acești compuși au fost imobilizați prin legături covalent pe suprafața unui electrod de Au. Sistemul realizat cu dendrimerul G1 a demonstrat cea mai bună performanță în detecția PSA cu o limită de detecție foarte scăzută. Și sistemele bazate pe G2 și G3 au performanțe bune, G2 având caracteristici asemănătoare cu cele ale dendrimerului G1 [Cevik E. et al., 2016] [Lojou E., Bianco P., 2006].

Concluzii

Hemina, chiar dacă este o mini-enzimă prezintă o tendință superioară de incorporare și de formare a unor legături strânse cu alți compuși, pentru a da naștere unui senzor aplicabil în detecția apei oxigenate. Hemina, datorită Fe3+ prezent în structura sa, posedă un caracter oxidativ, acest aspect conferind totodată și un avantaj și un dezavantaj (oxidarea provocând schimbări ale structurii).

Grafenele, la rândul lor sunt materiale complexe, extrem de promițătoare, care aparțin unei clase cu proprietăți absolut unice, cu un domeniu larg de aplicații, care include atât domeniul electronicii (nanoelectronică, microcipuri implantabile etc [Wonsawat W. et al., 2012]), cât și domenii industriale (cerneala imprimabilă, realizarea unor LED-uri etc) [Chowdhury S., Balasubramanian R., 2014].

Compușii tridimensionali, din categoria dendrimerilor reprezintă matrici potrivite pentru incorporarea unor entități chimice extrem de variate. Structura în cascadă a acestor compuși reprezintă cheia utilizarii lor în numeroase aplicații.

Așadar, senzorii electrochimici bazați pe hemină și grafenă și deopotrivă pe hemină și dendrimeri pot reprezenta modalități capabile să rezolve problema, precum detecția sensibila a apei oxigenate,

O perspectivă în ceea ce constă efectuarea unor cercetări viitoare include următoarele:

– dezvoltarea și largirea spectrului de aplicații în domeniul medical, farmaceutic, industrial și tehnologic al electrozilor modificati cu hemina;

– dezvoltarea unor noi senzori pentru aplicații din domeniile menționate anterior și elaborarea unor metode noi de fabricare a acestora;

– adaptarea proprietăților grafenelor și a compușilor melaminici pentru satisfacerea cerințelor diferitelor aplicații electroanalitice;

– îmbunătățirea parametrilor de producție în masă, rentabilă a grafenelor și a compușilor melaminici.

În concluzie, dezvoltarea de senzori pe bază de hemină și grafenă/compuși melaminici reprezintă un domeniu interesant și generos, cu adresabilitate amplă în domenii, precum cel medical, industrial, tehnologic și cercetare.

Partea a 2-a Contribuții personale

Capitolul 3. Electrozi modificați cu xerogeluri de carbon dopate cu Bi

În această secțiune este prezentată construcția unui senzor eficient, pe baza unei paste de carbon modificată cu xerogeluri de carbon dopate/nedopate cu nanoparticule metalice de bismut (BiCXe-CPE), pentru detecția ionilor metalelor grele, la nivel de urme, utilizând ca metodă de detecție voltametria de undă pătrată, de stripare anodică [Deac A.R. et al., 2015a].

3.1. Sinteza materialelor de electrod

Într-o primă etapă s-au sintetizat materialele de electrod pe bază de xerogeluri de carbon.

Substanțele utilizate pentru prepararea ex situ a xerogelurilor de carbon dopate cu bismut (BiCXe-CPE) sunt următoarele: Bi(NO3)3 ∙5 H2O (Alfa Aesar- UK), glicerol formal (Sigma Aldrich), rezorcinol – C6H6O2, formaldehidă, NH4OH catalizator, acid acetic glacial (toate cele trei substanțe din urmă au fost de la MERCK, Germania).

Procesul de obținere a xerogelurilor de carbon dopate, prin intermediul procesului sol-gel, implică respectarea unor etape enumerate în cele ce urmează și ilustrate în figura 3.1.

prepararea solului: proces bazat pe reacția de policondensare a rezorcinolului cu formaldehida (F) în prezența catalizatorului bazic NH4OH și a glicerolului formal.

maturarea gelului: în etuvă 600 C, 3 zile.

doparea gelului RF rezultat cu sarea de Bi3+

spălarea gelului: în acid acetic.

uscarea în condiții ambientale (la temperatura camerei)

tratamentul termic: piroliza (5500C/ 2h/ Ar- în atmosferă inertă).

Sarea de bismut (Bi3+) a fost dizolvată în glicerol formal (GF) (0.12 g/ml). Rezorcinolul (R, 0.018 moli) și formaldehida (F, 37%) au fost adăugate ulterior sub agitare continuă și viguroasă (R/F = 0.5 raport molar). Ca și catalizator pentru reacția de policondensare dintre rezorcinol și formaldehidă, a fost utilizată o soluție de 10% NH4OH (C) adăugată amestecului omogen obținut anterior (R/C = 1.8 moli).

Figura 3.1. Etapele sintezei xerogelului impregnat cu Bi

Detalii privind prepararea xerogelului de carbon dopat cu bismut sunt prezentate mai jos.

Pentru corecția pH-ului a fost adăugat acid acetic (Bi3+/AA = 0.1 g/ml). După obținerea unei soluții perfect omogene aceasta a fost plasată în recipiente de sticlă închise ermetic (7 cm-lungime x 1 cm diamteru intern) și puse în timp de 3 zile la 60oC. Gelurile rezorcinol-formaldehidă rezultate (geluri- RF) dopate cu Bi3+ au fost spălate cu AA timp de 24 h și apoi uscate pentru 7 zile în condiții ambientale. Gelurile organice dopate rezultate au fost pirolizate în atmosferă inertă de argon la temperatura de 550o C, timp de 1h, obținându-se în acest fel xerogelurile de carbon dopate cu bismut. Probele de referință, mai exact xerogelurile de carbon nedopate, au fost obținute respectându-se aceeași procedură, cu excepția adăugării sării de bismut.

În urma analizelor BET efectuate, aria suprafeței specifice a acestor xerogeluri de carbon este de 80 m2g-1 și volumul porilor de 0.04 cm3g-1; aceste date sugerează prezența unei structuri cu mezopori. În același timp a fost identificat faptul că prezența particulelor metalice de bismut nu afectează porozitatea acestui material. Concentrația acestui metal, reprezintă însă un parametru deosebit de important, deoarece acesta determină complexitatea materialului, precum și gradul de toxicitate, parametrii fizico-chimici, în funcție de aplicația urmărită (sensibilitate, limita de detecție, etc).

3.2. Caracterizare morfo – structurală

Materialele de electrod sintetizate au fost caracterizate din punct de vedere morfo-structural cu ajutorul metodelor microscopice și spectroscopice.

Investigațiile SEM efectuate pe xerogelul de C dopat cu Bi(BiCXe) dezvăluie prezența nanoparticulelor sferice de bismut cu o medie a diametrului în jurul valorii de 50 nm, dispersate uniform în structura materialul poros (figura 3.2).

Rezultatele XRD (figura 3.3.) arată prezența a două picuri la 2θ ≈ 24 și 45o, tipice pentru carbonul amorf și numeroase picuri înguste, importante, plasate la 2θ ≈ 27o tipice pentru formele cristaline de Bi [Gich M. et al., 2013].

Figura 3.2. Imaginea SEM a xerogelului de carbon impregnat cu bismut (BiCXe-CPE)

Figura 3.3 Rezultatele difracției X-ray ale xerogelului de carbon dopat cu bismut (BiCXe)

Aceste rezultate indică prezența nanoparticulelor de Bi în compoziția xerogelului de carbon și repartiția lor uniformă în aceasta matrice.

3.3. Electrodul cărbune pastă pentru detecția ionilor Cd2+ și Pb2+

3.3.1. Prepararea electrodului BiCXe-CPE

În continuare s-a realizat un electrod cărbune-pastă conținând xerogel de carbon dopat cu Bi în scopul utilizării sale pentru detecția metalelor grele.

Materialele utilizate la prepararea și testarea electrodului BiCXe-CPE, au fost următoarele:

Pentru prepararea pastei de carbon au fost folosite: pudra de grafit și uleiul de parafină de la Fluka Sigma-Aldrich, Germania. Soluția de tampon acetat (0,1 M, pH 4.5) utilizată pentru experimentele de voltametrie de undă pătrată a fost preparată omogenizând o soluție de acetat de Na, NaAc (Reactivul Bucuresti, Romania) 0.2 M cu o soluție de 0.2 M corespuzătoare de acid acetic (HAc). Soluțiile stoc de Cd2+ și Pb2+ de 10-6 M au fost preparate dizolvând cantități respective de Cd (NO3)2 • 4 H2O și de Pb (CH3COO)2 • 3 H2O (Reactivul București) în soluția tampon de pH 4,5. Toate soluțiile au fost preparate cu apă bidistilată.

Pentru realizarea experimentelor de voltametrie, ciclică și de undă pătrată, a fost utilizată o combină electrochimică constituită dintr-un potențiostat, AUTOLAB PGSTAT 12/100, Booster 20A, µAutolab tip III/ FRA2 pilotat de un PC. Pentru ajustarea pH-ului soluțiilor s-a folosit un pH metru MV 870 DIGITAL-pH-MESSAGERÄT-PRACITRONIC. Celula electrochimică a fost echipată cu trei electrozi: electrodul BiCXe-CPE cu diametrul de 2 mm, un contra electrod din platină și un electrod de referință Ag/AgCl/KClsat.

Barele de CXe (blank) și de BiCXe au fost procesate prin măcinarea acestora, transformându-se într-o pudră fină.

Atât electrozii fabricați din pastă de carbon nedopată- CXe-CPE (blank) cât și electrozii din pastă de carbon dopată cu bismut- BiCXe-CPE au fost preparați astfel: pudra de grafit (0.02 g), CXe sau BiCXe-CPE (0.04 g) și uleiul de parafină (30 µL) au fost amestecate cu grijă într-un mojar, pană la omogenizare completă, timp de 30 min. Pastele astfel obținute au fost introduse într-un suport cilindric, suprafața electrodului putând fi astfel lustruită, pe o hârtie albă, și reînnoită cu una proaspătă după fiecare experiment. Electrodul astfel obținut a fost utilizat fără nici un pretratament chimic sau electrochimic.

Figura 3.4. ilustrează prepararea electrodului din pastă de cărbune și testarea sa în celula electrochimică.

Figura 3.4. Prepararea pastei de carbon și caracterizarea electrodului

3.3.2. Caracterizarea electrochimică a electrodului BiCXe-CPE prin

voltametrie ciclică și de undă pătrată

Condiții experimentale

Voltametria (în special cea de undă pătrată) este o metodă utilizată în mod frecvent pentru caracterizarea sistemelor electrochimice datorită sensibilității sale. Una dintre metodele de determinare care permite analiza la nivel de urme în probe apoase diferite, este voltametria de stripare anodică (SWASV). În SWASV analitul țintă este electrodepus pe suprafața electrodului de lucru în timpul etapei de reducere și oxidat în timpul etapei de stripare, curentul rezultat putând fi astfel măsurat [Copeland T.R., Skogerboe R.K., 1974]. Utilizarea electrozilor pe bază de bismut în analizele SWASV, se bazează pe abilitatea bismutului de a forma la temperaturi scăzute aliaje cu metalele grele [Othmer Kirk, 1978], favorizând acumularea acestor ioni de-a lungul etapei de preconcentrare.

În vederea stabilirii parametrilor optimi ai experimentelor cu materialul propus, au fost efectuate câteva investigații preliminare, prin intermediul voltametriei ciclice și a voltametriei de undă pătrată, în soluții tampon diferite (fosfat și acetat), la pH diferit (3, 4.5 și 7).

În figura 3.5 sunt prezentate voltamogramele ciclice înregistrate în tampon fosfat pH 3 (A), respectiv (B) tampon fosfat pH 7, pentru electrodul BiCXe-CPE.

Voltamogramele înregistrate pentru electrodul de BiCXe-CPE demonstrează prezența Bi3+ la xerogelurile dopate. Curentul de fond se poate observa a fi mai mic în cazul voltamogramei prezentată în figura 3.5 (A), pentru tampon fosfat pH 3 decât în cazul voltamogramei prezentată în 3.5 (B), pentru tampon fosfat pH 7. Acest lucru dovedește proprietățile conductive mai slabe ale electrodului BiCXe-CPE.

În figura 3.5 (A) picul de oxidare Ia al cuplului Bi/Bi3+ este deplasat în sens pozitiv Epa = 0.02 V vs. Ag/AgCl,KClsat, iar intensitatea picului este mai mică decât în cazul figurii 3.5 (B).

Figura 3.5. (A) SWASV pentru BiCXe-CPE în tampon fosfat pH 3 și (B) SWASV pentru BiCXe-CPE în tampon fosfat pH 7. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 3 și pH 7); frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențial de start, -1.2 V; echilibrare, 10 s fără agitare

Soluția de tampon acetat s-a dovedit a fi cea mai bună și a fost selectată pentru efectuarea viitoarelor experimente (figura 3.7.) Mai mult decât atât, această soluție de tampon este utilizată de majoritatea cercetătorilor, în special pentru analizele de mediu, în măsurătorile electrochimice care includ materialele dopate cu bismut, deoarece răspunsul bismutului este mai definit (acesta fiind solubil în acid acetic) și oxidarea are loc mult mai ușor.

Testele electrochimice, voltametria ciclică (CV) și voltametria de undă pătrată cu stripare anodică (SWASV) s-au desfășurat într-o celulă electrochimică cu 10 ml de tampon acetat 0.1 M, pH 4.5, în care a fost introdus electrodul de lucru, conectată la un potențiostat. Înaintea fiecărui experiment suprafața electrodului a fost reînnoită, prin lustruire pe o hârtie albă. Apoi, înaintea fiecărui experiment, suprafeței electrodului i-a fost aplicată o etapă de condiționare prin aplicarea unui potențial de +0.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat pentru 20 s, sub agitare, în cazul SWASV.

Voltamogramele de undă pătrată au fost înregistrate după o perioadă de echilibrare, etapă urmată apoi de aplicarea unui baleiaj de potențial, de undă pătrată de la -1,2 la 0,5 V vs. Ag/AgCl,KClsat, cu o frecvență de 25 Hz, și o amplitudine de 0.05 mV, cu un pas al potențialului de 4 mV, în cazul experimentelor pentru cadmiu. Acești parametrii au fost fixați după o investigare sistematică a procesului electrochimic. Toate experimentele au avut loc la temperatura camerei.

Potențialul aplicat pentru electrodepunerea ionilor metalici de plumb, în SWASV a fost de -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat pentru 120 s sub agitare. Apoi agitarea a fost oprită, iar după 10 s de echilibrare a fost înregistrată voltamograma, aplicând un baleiaj de potențial de la -1.3 V la +0.5 V vs. Ag/AgCl, KClsat. Parametrii optimi utilizați în SWV (frecvența de 25 Hz, amplitudinea de 50 mV, pas al potențialului 4 mV) au fost fixați după o investigare sistematică a procesului electrochimic. Toate experimentele au avut loc la temperatura camerei.

În figura 3.7 A sunt prezentate voltamogramele ciclice înregistrate pentru electrozii BiCXe-CPE și CXe-CPE.

Voltamogramele ciclice înregistrate pentru electrodul de BiCXe-CPE comparate cu cele obținute pentru electrodul de CXe-CPE, prezintă o pereche de picuri foarte bine definite atribuite procesului redox, demonstrând totodată și absența Bi3+ la xerogelurile nedopate respectiv prezența Bi3+ la xerogelurile dopate, în matricea compozitului. De asemenea și curentul de fond se poate observa a fi mai mare în cazul electrodului BiCXe-CPE decât în cazul electrodului CXe-CPE, ceea ce dovedește proprietățile conductive ale matricii gazdă BiCXe-CPE sau poate fi vorba despre diferențe importante între porozitățile celor două materiale [Fort C.I. et al., 2013]. Procesul redox corespunzător pentru oxidarea/reducerea bismutului poate fi observat pe curba cu linie continuă, demonstrându-se astfel prezența acestuia în pasta de carbon, respectiv în proba de BiCXe-CPE. Comportamentul redox al BiCXe-CPE este reprezentat de un proces cvasi-reversibil care la v = 50 ,V/s este plasat la potențialul de -0.05 V vs. Ag/AgCl,KClsat (oxidare), respectiv -0.58 V vs. Ag/AgCl, KClsat (reducere), cu o separație de pic (ΔE, care se definește ca diferența dintre potențialele picurilor anodice și catodice) a cărei valoare este 0.53 V și raportul dintre curenții picului anodic și a picului catodic Ipa/Ipc = 1.78.

Un comportament redox similar al BiCXe-CPE a fost observat și în cazul voltamogramelor de undă pătrată, unde oxidarea anodică poate fi observată mult mai bine, oxidarea picului bismutului fiind plasată la potențialul de –0.12 V vs. Ag/AgCl,KClsat, (figura 3.7 B).

Aceste date conduc la concluzia că procesul ce are loc la electrod este un proces cvasi-reversibil. Lățimea picurilor la jumătatea înălțimii (EFWHM,a = 0.190 V, EFWHM,c = 0.200 V), au fost mai mari decât valorile teoretice (90.5 mV) așteptate să fie întalnite în cazul unui proces redox pe suprafață al unor specii adsorbite, implicate într-un transfer de 1 electron [Laviron E. et al., 1979]. Această diferență semnificativă se poate datora fie unor repartiții fizice neuniforme în matricea electrodului BiCXe-CPE fie existenței unor interacțiuni repulsive între centrele redox active [Fort C.I. et al., 2013] [Deac A.R. et al, 2015a/b ].

Același comportament este observat și în cazul măsurătorilor SWASV (figura 3.7 B), când picul de oxidare Ia al cuplului Bi/Bi3+ este deplasat în sens negativ Epa = -0.012 V vs. Ag/AgCl,KClsat.

Rezultatele înregistrate demonstrează în mod clar că materialul investigat, xerogelul de carbon, conține particule metalice de bismut. În același timp, a fost stabilit faptul că înălțimea picului este proporțională cu, conținutul de bismut prezent în pasta de carbon și respectiv în xerogel.

În cazul voltametriei de undă pătrată (SWASV), au fost testate mai multe frecvențe și amplitudini de semnal în scopul de a obține cel mai bine definit răspuns dat de electrodul din pastă de carbon modificat. A fost observat faptul că domeniul frecvențelor optime este destul de limitat. Cel mai bun răspuns al electrodului a fost înregistrat între 25-50 Hz (figura 3.8 ), toate experimentele urmând a se efectua utilizând frecvența de 25 Hz.

Figura 3.8. Influența frecvenței semnalului de intrare asupra răspunsului electrochimic al BiCXe-CPE. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon acetat (pH 4.5); frecvențe, 8 – 100 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențialul de start, -1.2 V; perioada de echilibrare, 10 s

Pentru a determina stabilitatea electrodului BiCXe-CPE, acesta a fost expus la un set de 4-5 măsurători succesive, în soluție pură de tampon acetat (pH 4.5). Nu s-au observat diferențe semnificative între răspunsurile date de electrod, acest fapt indicând un timp de răspuns scurt.

3.3.3. Detecția ionilor de Cd2+ cu electrodul BiCXe-CPE

În continuare electrodul BiCXe-CPE a fost examinat, înregistrându-se SWASVs în prezența ionilor de Cd2+ (figura 3.9). Voltamogramele înregistrate prezintă un semnal bine definit, nedistorsionat, atât pentru picurile specifice Cd2+, cât și pentru Bi3+, cu potențialele plasate la valoarea de -0.750 V, respectiv -0.12 V vs Ag/AgCl, KClsat; aceste valori se află în concordanță cu cele raportate de alți autori [Hocevar S.B. et al., 2005]. Odată cu creșterea concentrației ionilor de Cd2+ la 20 μM, potențialul picurilor specifice pentru Cd2+ și Bi3+, este mutat spre valori mult mai pozitive, -0.665 V (ΔE = 0.085 V), respectiv -0.063 V vs Ag/AgCl, KClsat (ΔE = 0.039 V).

Au fost studiate de asemenea și condițiile experimentale optime ale voltametriei de stripare anodică, pentru detecția ionilor de Cd2+. Astfel, a fost studiată influența timpului de depunere a 2 μM Cd2+ între 30-360 s asupra curentului de răspuns. În detaliul figurii 3.9 se poate observa o dependență liniară a intensitații curentului în funcție de timpul de depunere, cu panta de 1.6 10-2 0.02 10-2 μA/s (R = 0.9994, n = 7). Prin urmare a fost ales un timp de depunere a ionilor metalici de 120 s, compromis între sensibilitate și durata totală a experimentului.

Figura 3.9. SWASVs pentru 20 µM Cd2+ utilizând electrodul BiCXe-CPE pentru timpi diferiți de depunere. În detaliu se poate observa dependența curentului de pic de timpul de depunere. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon acetat (pH 4.5); frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențialul de start, -1.2 V; potențialul de depunere -1.2 V; timpul de depunere, 30 s to 360s sub agitare continuă la 500 rpm; echilibrare, 10 s fără agitare; condiționare electrod (potențial de curățare), +0.3 V; durată, 30 s sub condiții de agitare continuă la 500 rpm

Detecția ionilor de Cd2+ înregistrată prin SWASVs în domeniul cuprins între 0-30 μM Cd2+ (figura 3.10.) permite obținerea unei curbe de calibrare corespunzătoare (figura 3.10 B). Domeniul liniar este 0 – 3 μM Cd2+ (figura 3.10. B în detaliu) cu o pantă de 17.39 0.07 A/M (R = 0.99983, n = 21 puncte). Limita de detecție obținută (LOD) a fost 0.045 μM/L (sau 5 μg/L) (raport semnal/zgomot = 3). Valoarea LOD este situată sub nivelul maxim de contaminant permis în apa de băut, valoare cerută și impusă de legislația EU și USA [US Environmental Protection Agency] [Council Directive 98/83/EC of 3 November 1998].

Una dintre cele mai importante caracteristici de performanță a acestui senzor este reproductibilitatea, exprimată ca deviația standard (RSD) a curentului de pic sau a potențialului de pic. În cazul efectuării a 3 măsurători succesive pentru 2 μM Cd2+ cu BiCXe-CPE în 0.1 M tampon acetat pH 4.5, media intensității de pic este 2.66 10-5 ± 8.38 10-8 A, cu RSD de 0.31%, respectiv media potențialului de pic -0.753 ± 0.006 V vs Ag/AgCl, KClsat, cu RSD of 0.8%. Valorile RSD obținute indică o bună reproductibilitate a senzorului fabricat, recomandând electrodul BiCXe-CPE ca senzor pentru detecția Cd2+.

3.3.4. Determinarea simultană a ionilor de Cd2+, Pb 2+ cu BiCXe-CPE

Ionii toxici ai metalelor grele Cd2+ și Pb2+ pot exista simultan în probe reale de apă, detecția lor fiind necesară uneori în asemenea condiții. Mai mult decât atât, este bine știut că prezența Bi în xerogelul de carbon și mai exact în electrodul BiCXe-CPE, determină formarea la suprafața acestuia a unor aliaje intermetalice (sau compuși) Cd–Bi și Pb–Bi în timpul etapei de acumulare, ipoteză susținută și de Wonsawat [Wonsawat W. et al., 2012].

Determinarea simultană a ionilor de Cd2+ și Pb2+ la suprafața electrodului de BiCXe-CPE și a ionilor de Pb2+ în prezența ionilor de Cd2+ a fost investigată prin SWASV, în condițiile optime pentru detecția individuală a acestor ioni. În literatură, tehnica SWASV a fost aplicată frecvent pentru detecția individuală a acestor ioni [Li D. et al., 2010] [Luo J.H et al., 2013] [Armstrong K.C. et al., 2010] [Wonsawat W. et al., 2012].

Pentru a investiga posibilele interferențe cu alte tipuri de metale grele, au fost înregistrate SWASV în soluție de tampon acetat în care s-a adăugat un amestec de ioni de Cd2+ și Pb2+ la aceleași concentrații. În figura 3.11 se poate observa apariția a două picuri bine definite, atribuite oxidării celor două metale grele și anume Cd2+, Pb2+ precum și a ionilor de Bi3+, picuri plasate la potentialele de -0.766 V, -0.52 V și -0.03 V vs. Ag/AgCl,KClsat. Chiar dacă se observă un salt de potențial în cazul oxidării, în momentul creșterii concentrației de ioni, separarea picurilor este suficient de mare pentru evitarea interferențelor ce ar putea avea loc între detecția ionilor de Cd2+ și a celor de Pb2+.

În figura 3.11 sunt prezentate voltamogramele obținute în soluția care conținea concentrații de ioni de Cd2+ și Pb2+ diferite față de figura 3.11. Ambii ioni prezintă picuri foarte bine definite plasate la -0.8 V vs. Ag/AgCl,KClsat și -0.54 V vs. Ag/AgCl,KClsat, pentru oxidarea Cd/Cd2+ și Pb/Pb2+.

Figura 3.11. SWASVs pentru concentrații crescătoare de Cd2+ și Pb2+ înregistrate cu electrodul BiCXe-CPE. Condiții experimentale: potențial de start, -1.3 V vs Ag/AgCl, KClsat; pentru alte condiții vezi figura 3.9.

Figura 3.12. SWASVs pentru concentrații crescătoare de Cd2+ și Pb2+ (A) și curbele de calibrare corespunzătoare (B) pentru electrodul BiCXe-CPE. Condiții experimentale: potențial de start, -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; timp de depunere 120 s sub agitare continuă; alte condiții: vezi figura 3.9.

Din curbele de calibrare pentru ioni de Cd2+ și Pb2+ (figura 3.12 B) sensibilitățile calculate sunt: 9.36 1.13 A/M pentru Cd2+ (R = 0.980, n = 5) și 17.31 1.68 A/M pentru Pb2+ (R = 0.986, n = 5).

Electrodul de BiCXe-CPE a fost suficient de selectiv pentru detecția ionilor de Pb2+, așadar acesta poate fi aplicat nu numai în determinarea individuală a ionilor de Cd2+, ci și în determinarea simultană a ionilor de Cd2+ și Pb2+ [Deac A.R. et al., 2015].

3.3.5. Detecția ionilor de Pb2+ cu electrodul BiCXe-CPE

Electrodul realizat anterior a fost utilizat și pentru detecția ionilor de Pb2+ la nivel de urme, utilizând voltametria de undă pătrată cu stripare anodică (SWASV). Plumbul se numără printre cele mai toxice metale, fiind dăunător pentru sistemul nervos, sistemul imunitar, sistemul reproductiv și gastrointestinal, al tuturor organismelor vii. Luând în considerare și limita maximă admisă și impusă de legislația de mediu determinarea acestuia este de o importanță crucială.

Caracterizarea electrochimică a electrodului cu care s-au efectuat aceste experimente a fost descrisă în subcapitolul 3.3.2. Astfel în figura 3.13 (A) se poate observa picul atribuit oxidării Pb2+ acumulat pe suprafața electrodului plasat la potențialul de -0,5 V vs Ag/AgCl,KClsat

Pentru detecția ionilor de Pb2+ prin SWASV au fost aplicați aceeași parametrii optimi ca și în cazul detecției ionilor de Cd2+ (o etapă de preconcentrare la -1.3 V vs. Ag/AgCl,KClsat timp de 120 s sub agitare continuă; a fost utilizată o agitare controlată de 500 rpm, cu scopul de a crește transportul de masă convectiv al ionilor de metale grele spre suprafața electrodului, conform și articolelor citate [Armstrong K.C. et al., 2010] [Copeland T.R., Skogerboe R.K., 1974]).

Cu scopul de a obține cel mai bun comportament al electrodului BiCXe-CPE pentru detecția Pb2+, au fost investigați diverși parametrii ai SWASV, inclusiv timpul de depunere sau potențialul de depunere.

Potențialul de depunere a fost aplicat cu scopul de a reduce ionii metalici care trebuie detectați [Elliott C., Rutledge D. , 2010]. Prin urmare, a fost studiat efectul potențialului de depunere asupra semnalului de stripare a metalului pentru detecția a 2 M Pb2+ cu un timp de depunere de 120 s sub agitare continuă la 500 rpm, în domeniul cuprins între −0.9 și−1.4 V vs. Ag/AgCl,KClsat. În soluția de tampon acetat, acest domeniu de potențial evită degajarea hidrogenului care poate exercita influențe asupra depunerii metalului pe suprafața electrodului. După cum era de așteptat, curentul de pic atribuit ionilor de Pb2+ crește liniar în momentul în care potențialul de depunere este mărit de la −0.9 la −1.4 V vs. Ag/AgCl,KClsat, așa cum este arătat în figura 3.13 B, respectând o dependență descrisă de ecuația: I/A = (10.7 10-6 1.8 10-6) – (25.5 10-6 1.53 10-6) Edep/V, R = 0.9929, n =6. Pentru obținerea unei intensități maxime de pic în detecția ionilor de Pb2+a fost aplicat un potențial de depunere de −1.3 V vs. Ag/AgCl,KClsat în experimentele ulterioare.

Figura 3.13 SWASV pentru detecția ionilor de Pb2+ cu electrodul BiCXe-CPE (A) și influența potențialului de depunere pentru detecția a 2 µM Pb2+ cu electrodul BiCXe-CPE prin SWASVs (B). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon acetat (pH 4.5); potential de start, -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențial depunere -0.9 to -1.4 V vs. Ag/AgCl, KClsat;timp depunere, 120 s sub agitare continuă la 500 rpm; echilibrare, 10 s fără agitare; conditionare electrod, +0.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat, durată, 30 s sub agitare continuă la 500 rpm

Timpul de preconcentrare sau timpul de depunere reprezintă timpul de-a lungul căruia ionii de Pb2+ sunt reduși la electrodul pe bază de Bi3+ pentru a forma aliaje intermetalice. Este acceptată în general ideea lui Elliott și Rutledge, că o limită de detecție scăzută poate fi obținută aplicând un timp de acumulare mai mare [Elliott C. , Rutledge D. , 2010]. În această situație, a fost studiat, efectul timpului de acumulare asupra curentului de pic în SWASV pentru compușii intermetalici Pb(Bi) în intervalul de la 100 s până la 500 s (Fig. 3.14). După cum se poate observa în figura 3.14, este prezentată o dependență liniară a curentului de pic la intervale de timp de acumulare mai mici decât 200 s, având o valoare a pantei de 200 nA/s (R = 0.999, n = 5), demonstrând o selectivitate mai ridicată decât cea obținută în cazul electrozilor de argint fabricați dintr-un compact disc inscriptibil (ACD), în cazul căruia a fost raportată o pantă cu o valoare de 180 nA/s (R2 = 0.998) [Honeychurch K.C., 2013]. În cazul aplicării unui timp de acumulare mai mare decât 200 s, este observată o nivelare treptată la 500 s a intensității curentului de pic datorată probabil saturației care se produce la suprafața electrodului [Li D. et al., 2010].

Deoarece în măsurătorile de rutină cea mai bună alegere constă în realizarea unui compromis între sensibilitatea analizelor și timpul rezonabil de efectuare a acestora, a fost ales un timp de acumulare de 120 s, ca fiind timpul optim de depunere.

Voltamogramele SWASV înregistrate pentru diferite concentrații de ioni metalici Pb2+ în condițiile experimentale optime stabilite, prezintă o formă a picului foarte bine definită, pic care corespunde oxidării Pb(0) acumulat pe suprafața electrodului BiCXe-CPE (figura 3.15 A). Curba de calibrare rezultată are un domeniu liniar între 2 10-9 și 5 10-9 M Pb2+, descris de ecuația I/A = (1.54 10-5 ± 2.19 10-7) + (453.06 ± 59.96) [Pb2+]/M (R = 0.9829, n = 6) (figura 3.15 B și detaliu).

Limita de detecție estimată, pentru raportul semnal/zgomot= 3 a fost 0.18 g/l Pb2+. Această valoare este mult mai mică decât 1.3 g/l Pb2+, valoare obținută pentru un electrod similar, mai exact un electrod din cărbune vitros (sticlos) modificat cu xerogeluri de carbon pe bază de bismut și Nafion (GC/Bi-xerogel/Nafion) utilizat de Dimovasilis și Prodromidis [Dimovasilis P.A., Prodromidis M.I., 2013]. Este interesant de precizat, în afară de acest lucru, că pentru domeniul de concentrații mari ale Pb2+ (tabelul 3.1), limita de detecție relativ mare poate fi explicată prin (i) distribuția aleatoare a Bi3+ în matricea electrodului (ii) și prin conductivitatea scăzută a BiCXe comparativ cu substratul de grafit conținut de matricea electrodului compozit.

Figura 3.14. Influența timpului de acumulare în detecția prin SWASV a 2 µM Pb2+ cu electrodul de BiCXe-CPE. În detaliu: Dependența intensității curentului de pic al Pb2+ vs. timpul de depunere. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon acetat (pH 4.5); potențial de start, -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențial de depunere -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; timp de depunere, 100 s până la 500 s sub agitare continuă la 500 rpm; echilibrare, 10 s fără agitare; condiționare electrod, +0.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; durată, 20 s sub condiții de agitare la 500 rpm

După cum bine știm, una dintre caracteristicile cele mai importante ale unui electrod o reprezintă reproductibilitatea, exprimată ca deviația relativă standard (RSD) a curentului de pic. În cazul efectuării a 3 măsurători consecutive cu aceeași suprafață a aceluiași electrod BiCXe-CPE, media intensității de pic este 4.86 10-5 0.019 10-5 A pentru detecția a 2 M Pb2+ cu RSD 0.39%. Valoarea satisfăcătoare a reproductibilității demonstrează faptul că dezvoltarea unui astfel de senzor este potrivită pentru determinarea ionilor de plumb din probe reale de apă, la niveluri relevante, în acord și cu cele prezentate de Quintana [Quintana J.C. et al., 2011].

Figura 3.15 SWASVs pentru determinarea ionilor de Pb2+cu electrodul de BiCXe-CPE(A) și curba de calibrare corespunzătoare (B). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon acetat (pH 4); potențial de start, -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.05 V; pas al potențialului, 0.004 V; potențial de depunere -1.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat; timp de depunere, 120 s sub agitare continuă la 500 rpm; echilibrare, 10 s fără agitare; condiționarea electrodului ,+0.3 V vs. Ag/AgCl, KClsat, durată, 20 s sub condiții de agitare la 500 rpm

Tabelul 3.1 Parametrii analitici pentru detecția ionilor de Pb2+ cu BiCXe-CPE. Condiții experimentale: vezi fig 3.15

* LOD calculat după formula 3*SD/panta; panta ecuației I /A= a + b [Pb2+]/M.

Mai mult decât atât, parametrii analitici ai BiCXe-CPE sunt satisfăcători și permit detecția de concentrații de Pb2+ aflate sub valoarea maximă admisibilă de 10 µg Pb2+/l, cerută de către legislația UE în apa de băut [Council Directive 98/83/CEE of 3 November 1998]. În concluzie senzorul poate fi folosit în aplicații pentru probe reale, conform și articolului publicat de Zou [Zou Z. et al., 2008].

3.4. Concluzii

Electrodul modificat cu xerogelul de carbón dopat cu bismut este mai puțin toxic decât electrodul de mercur și are avantajul de a fi simplu de fabricat, de a avea costuri scăzute și de a fi independent de prezența oxigenul dizolvat în soluțiile de lucru; în plus costul scăzut al grafitului și limita de detecție coborâtă obținută recomandă acest electrod pentru înlocuirea electrodului de mercur și pentru detecția ionilor de Cd2+ și Pb2+ din soluții apoase.

Electrodul BiCXe-CPE exploatează cu succes proprietățile mecanice și electrochimice ale electrozilor pastă de carbon, combinându-le în același timp cu caracteristicile electroanalitice unice ale xerogelurilor de C dopate cu bismut.

Modificarea electrozilor pastă de carbon cu materiale de xerogel dopate cu nanoparticule metalice de bismut pot fi folosite cu succes în detecția ionilor de Cd2+, fără să existe o interferență cu detecția ionilor de Pb2+.

Parametrii analitici înregistrați pentru BiCXe-CPE au valori satisfăcătoare, în comparație cu maximul de concentrație admis și cerut de legislația UE și World Health Organization în cazul plumbului, în apa de băut și anume 10 µg Pb2+/l. Analiza de stripare cuplată cu electrozii modificați cu xerogeluri dopate cu Bi3+ conduce la un domeniu dinamic liniar larg și la o limită de detecție joasă (0.18 g L-1 Pb2+).

Performanța acestui electrod este favorabilă și atractivă pentru utilizarea în domeniul protecției mediului înconjurător cu aplicabilitate în detecția ionilor de Cd2+ și Pb2+ [Deac A.R. et al. ,2015b] și de asemenea pentru determinarea simultană a ionilor metalelor amintite mai sus.

Avantajele care recomandă acest electrod pentru analiza urmelor metalelor grele Pb2+ și Cd2+ sunt: manevrarea și modificarea ușoară, toxicitatea scăzută și costurile mici, limita de detecție joasă.

Capitolul 4. Electrozi serigrafiați pe bază de xerogeluri de carbon dopate cu Bi3+

Această parte a lucrării este destinată experimentelor axate pe realizarea unei cerneli care să poată fi utilizată la prepararea unor electrozi serigrafiați. Într-o primă etapă s-au verificat proprietățile cernelii prin imprimarea ei pe hârtie fotografică cu ajutorul unei imprimante obișnuite, comerciale. Găsirea unei “formule” optime a cernelii care să corespundă cu tipul de imprimantă folosit și în special cu orificiul de expulzare al acesteia, este foarte greu de stabilit. Pentru conceperea unei astfel de soluții trebuie să se ia în considerare tipul de imprimantă, dimensiunea particulelor în funcție de dimensiunea orificiului, tipul de substrat folosit pentru imprimare (compatibilitate), stabilirea tipului de cerneală (mai solidă, mai lichidă), a ingredientelor, precum și a gradului de toxicitate și a impactului asupra mediului. În continuare ne-am propus identificarea unei formule pentru o cerneală pe baza de apa, imprimabilă la rece (no-heat printing ink); ingredientele specificate în literatura de specialitate pentru acest tip de cerneală se împart în patru categorii: pigmenți, rășini, uleiuri, agenți purtători sau diverși aditivi.

Scopul utilizării unei cerneli pe bază de apă, constă nu numai în eliminarea compușilor toxici din compoziția cernelii, ci și în eliminarea compușilor organici volatili prezenți, cum ar fi: glicoeterii sau hidrocarburile aromatice.

4.1. Prepararea cernelii conductoare

În mod obișnuit, soluția pentru imprimare tip cerneala conține o cantitate scăzută de solide și este mai bogată în solvent, având astfel o vâscozitate mai scăzută. Pe de altă parte, soluția de imprimare pastă este mai bogată în solide, cu un conținut mai mic de solvent, având astfel o vâscozitate mare.

Fabricarea unei soluții pentru imprimare pe bază de apă constă într-un proces simplu de omogenizare completă.

Pentru prepararea soluției de imprimare folosită în acest studiu s-a folosit același tip de material ca în cazul fabricării electrodului din pastă de carbon pentru detecția ionilor metalelor grele (Cd2+ și Pb2+): xerogelul de carbon impregnat cu bismut. Sinteza (C-Bi)CS are la bază reacția de policondensare între rezorcinol și formaldehidă, însă față de metoda de preparare a materialului descris în subcapitolul 3.1. diferă modul în care sarea de bismut este adaugată. În ceea ce privește sinteza materialului din subcapitolul 3.1., metoda prin care s-a efectuat adaosul sării de bismut a fost prin doparea materialului (introducerea gelului RF într-o soluție ce conține Bi3+). În cazul (C-Bi)CS adaosul Bi3+ a fost realizată prin dizolvarea sării de bismut în soluția de start. Materialul a fost obținut adăugând aceiași reactivi ca și în primul caz, gelul RF este obținut prin același procedeu sol-gel, fiind diferite doar temperatura de carbonizare (8000 C) și modul de adăugare a sării de bismut. Materialul a fost sintetizat la Institutul de stiinta materialelor din Barcelona, (Institut de Ciència de Materials de Barcelona) în perioada efectuării unui stagiu de 4 luni în anul 2015.

Dispersia materialului în apă a fost realizată cu ajutorul unui surfactant (Triton x 100). Acesta este un bun dispersant pentru materialele de carbon, reduce tensiunea superficială și este folosit în combinație cu IPA-alcool izopropilic și apă). A mai fost adăugat apoi un alcool (alcool izopropilic miscibil cu apa și care dizolvă surfactantul folosit în experimentele prezentate). Trebuie ținut cont și de faptul că, o condiție esențială pentru obținerea soluțiilor dispersate stabile este reprezentată de valoarea potențialului electric al nanoparticulelor: cu cât acesta este este mai mare, cu atât repulsia electrostatică crește și cu atât este mai stabil sistemul coloidal.

Pentru a putea stabili o formulă optimă pentru tipul de imprimantă folosit pentru experiment, s-au încercat mai multe posibilități de combinare a concentrațiilor ingredientelor. În tabelul 4.1, sunt prezentate diferite combinații material-solvent-surfactant-rășină realizate în laborator, precum și observațiile privitoare la caracteristicile acestora.

Din acest tabel se poate observa diversitatea concentrațiilor folosite până la identificarea concentrației optime, precum și câteva caracteristici cheie pentru fiecare tip de soluție, punându-se accent pe parametrii mai importanți identificați în literatură (stabilitate, tensiune superficială, vâscozitate). Coloana evidențiată în verde prezintă formula considerată promițătoare, propusă pentru a fi utilizată în experimentele ulterioare.

În acest caz cerneala obținută a fost una pe bază de apă (concentrația apei fiind cea mai mare).

Tabelul 4.1 Ilustrarea posibilităților de combinare a substanțelor în diferite concentrații pentru obținerea unei cerneli cu proprietăți dorite

4.2. Caracterizarea cernelii

Pentru a stabili formula optimă a soluției de imprimare, s-au urmărit parametrii găsiți în literatura de specialitate (capitolul 1.6.2; 1.7.3; 1.7.4; 1.7.5) care sunt importanți pentru calitatea cernelii: dimensiunile particulelor de (C-Bi)CS, distribuția acestora și viteza de sedimentare.

Probele de (C-Bi)CS utilizate în experimentele prezentate în această parte a lucrării au fost caracterizate prin intermediul microscopiei electronice de baleiaj SEM. În prealabil materialul de (C-Bi)CS a fost supus celor două etape de măcinare, timp de 30 de minute respectiv 60 de minute. Gradul de dispersie al particulelor în soluție depinde de timpul de măcinare. Se observă din figura 4.1 o dispersie mai bună în ceea ce privește materialul măcinat 60 minute, ulterior centrifugat și apoi ultrasonat.

Figura 4.1. Schema procesului de dispersare a particulelor de (C-Bi)CS în soluție

Când timpul de măcinare este de 30 minute, dispersia este neuniformă, dimensiunea particulelor fiind mare, apărând astfel o ușoară precipitare. În cazul in care acest timp este dublu, respectiv 60 minute, datorită prezenței particulelor cu dimensiuni reduse, procesul de dispersie este uniform. Acest lucru demonstrează faptul că materialul supus procesului de măcinare, cu ajutorul unei mori cu bile din agat, timp de 60 min permite obținerea unor particule cu dimensiuni reduse, cuprinse între 0,5 µm și 3µm. Se poate observa de asemenea și existența, în număr mic, a unor particule cu dimensiuni mai mari (6 µm). Dimensiunea particulelor a fost stabilită prin intermediul metodei DLS și SEM.

Pentru studiul caracteristicilor soluțiilor preparate în vederea imprimării s-au luat în considerare mai multe eșantioane, de diferite compoziții prezentate în tabelul 4.2.

Tabel 4.2. Soluțiile analizate și concentrațiile folosite

Graficul prezentat în figura 4.1. prezintă distribuția nanoparticulelor aflate în cerneala destinată obținerii electrozilor serigrafiați in functie de dimensiunile lor, determinate cu ajutorul microscopiei SEM. Acest aspect este important, deoarece orificiul imprimantei se poate bloca dacă dimensiunile particulelor nu corespund, iar costurile unei noi imprimante sunt ridicate. Dimensiunea particulelor este stabilită în funcție de tipul de imprimantă utilizat.

Figura 4.2. Distribuția nanoparticulelor în funcție de diametrul acestora

Analiza datelor din figura 4.1. evidențiază existența unui număr mare de nanoparticule cu dimensiuni reduse pentru compozitului (C-Bi)cs, sintetizat in situ. Identificarea și stabilirea dimensiunii particulelor conductoare prezente în soluția de lucru este un aspect deosebit de important. Acest detaliu definește calitatea imprimării pe substrat, protejează orificiul (capul) de imprimare de înfundarea acestuia, prin expulzarea fără probleme a soluției, evitarea efectului de “cofee ring” pe substrat prin formarea de mici “insulițe” datorită aglomerării de particule

Analize DLS

Difuzia dinamică a luminii (DLS) este o metodă importantă pentru caracterizarea mărimii particulelor aflate în soluție. DLS permite analiza mărimii particulelor cu diametre cuprinse între 6 nm și 6000 nm. Un indice al polidispersabilității PDI mai mic de 1 indică existența unui sistem “mono-dispers”; acest lucru presupune repartizarea uniformă a particulelor de aceeași mărime, prezente în soluția coloidală.

Particulele mai mari vor difuza mai încet decât particulele mici, instrumentul folosit pentru DLS măsurând dependența de timp a luminii difuze, generând o funcție de corelare matematică în legătură cu mărimea particulei. Ordonata la origine), un alt parametru important furnizat de instrumentul DLS, se referă la intersecția curbei de corelare cu axa y a corelogramei. Acesta poate fi folosit pentru evaluarea raportului semnal-zgomot a unei probe analizate și prin urmare este adesea folosit pentru a evalua calitatea datelor.

În figura 4.3 sunt prezentate graficele DLS pentru soluțiile de imprimare (IK9 și IK4), în lipsa procesului de centrifugare. În cazul soluției IK9, identificarea mărimii particulelor, precum și cantitatea acestora în procente s-a stabilit în primul minut după realizarea acesteia. Soluția analizată nu este una stabilă, iar dimensiunea particulelor în proporție de 98,8% este de 1,3 µm. Într-o proporție mai mică, adică 0,2%, s-au identificat particule cu dimensiuni cuprinse între 4 și 6 µm. Indicele de polidispersie PDI- având o valoare de 0.1, încadrează acest sistem la categoria de sisteme monodisperse (Tabelul 4.3).

Urmărind graficul 4.3 B, se poate observa un sistem al cărui indice de polidispersie are o valoare de 0,2. Acest sistem se încadrează, așadar, în categoria monodisperselor ceea ce semnifică faptul că soluția IK 4 analizată după 24 de ore, conține particule cu dimensiuni cuprinse între 3,1 µm, în proporție de 81,6 % și aproximativ 4,8 µm într-o proporție de 18,4%. Ambele sisteme analizate nu sunt stabile, fapt pentru care acestea nu au fost folosite pentru experimente ulterioare.

.

IK9 min 1 fără centrifugare (A) IK4 după 24 h fără centrifugare (B)

Figura 4.3 Grafice DLS pentru stabilirea tipului de sistem; sisteme monodisperse (A) și (B)

Tabel 4.3. Clasificarea sistemelor dupa gradul de dispersie al particulelor

În continuare s-a studiat influența procesului de centrifugare a soluțiilor având aceeași formulă ca în cazul anterior, asupra dispersiei particulelor.

După cum se poate observa, din figura 4.4. indicele PDI al ambelor soluții testate are o valoare de 0,1. În cazul primului sistem, IK 11 analizată în primul minut, apare o ușoară sedimentare, de 0,2% în care apar particule ale căror dimensiuni variază între 4,5 și 6 µm. Acest aspect este unul caracteristic, se pare, pentru sistemele analizate în primul minut după fabricarea soluției; acest detaliu a fost observat și în cazul sistemului IK 9 (figura 4.3.); în schimb această soluție este destul de stabilă.

IK11 min1 cu centrifugare (A) IK 8 după 24 h cu centrifugare (B)

Figura 4.4 Grafice DLS pentru stabilirea tipului de sistem monodispers (A) și (B)

În cazul soluției IK8, soluție analizată după 24 de ore, se constată că aceasta are caracteristicile care permit parcurgerea următoarelor etape pentru fabricarea unui electrod serigrafiat. Acest tip de sistem impune lucrul efectiv cu soluția de imprimare, dupa 24 de ore. Sistemul este stabil și conține 100% particule cu dimensiunea de 2,4 µm, orificiul tipului de imprimantă ce urmează să fie utilizat acceptând această dimensiune. În plus nu este identificată existența unui proces de sedimentare, iar indicele DLS încadrează acest sistem în categoria sistemelor monodisperse în domeniul îngust.

Un exemplu de corelogramă folosit pentru evaluarea procesului de sedimentare a particulelor este prezentat în figura 4.5. Corelograma apartine unuia dintre sistemele neutilizate în experimente anterioare datorită vitezei mari de sedimentare ce se poate observa.

Conform datelor din corelogramă putem stabili intensitatea procesului de sedimentare, ce dimensiune au particulele participante la acest proces și timpul în care are loc acest proces. Aceste date descriu practic mișcarea individuală a particulelor aflate în soluție.

În cazul soluției IK9 1, procesul de sedimentare începe aproximativ după 50000 µs (conform corelogramei), iar dimensiunea particulelor pornește de la 1 µm, unele ajungând chiar la 6 µm. Cu cât timpul de sedimentare este mai lung, cu atât dimensiunea particulelor este mai mare și invers.

În cazul soluției IK4 (figura 4.3.) se observă prezența unor particule ce au dimensiunea cuprinsă între 3 și 5 µm.

În cazul soluției IK8.1, după 24 de ore, se pot observa particule a căror dimensiune este de 2,4 µm. Spre deosebire de celelalte sisteme lichide aceasta din urmă conține particule cu o singură dimensiune, este stabilă, iar procesul de sedimentare este nesesizabil.

Figura 4.5. Corelograma pentru IK3 prezintă o viteză mare de sedimentare

Caracterizarea microscopică a soluției IK 8 înainte de imprimare

Pentru o caracterizare cât mai completă, soluția de cerneală IK8 a fost caracterizată cu ajutorul unui microscop după depunere pe un strat de sílice. Din imaginile 4.6. și 4.7. se poate observa o uniformitate a particulelor pe substratul de silice și existența în număr mic a particulelor cu dimensiuni mai mari. De precizat este faptul că dimensiunile acestor particule un depășesc diametrul orificiului de imprimare.

Determinarea vâscozității

Vâscozitatea cernelii s-a determinat cu ajutorul unui reometru HAAKE Rheostress RS600, așa cum s-a prezentat în secțiunea 1.7.4.

Vâscozitatea acestei cerneli depinde de metoda de imprimare utilizată, precum și de tipul de imprimantă. În cazul imprimantei utilizate în experimente a fost nevoie de o vâscozitate a soluției cuprinsă între 8 și 11 cP.

Pentru a exprima o valoare corectă a vâscozității s-au efectuat trei măsurători consecutive, pentru aceeași soluție. Astfel s-au obținut următoarele valori ale vâscozității: ȵ= 10 mPa.s, ȵ= 9,66 mPa, ȵ= 9,69 mPa.s (figura 4.8.)

Valoarea finală s-a calculat prin media aritmetică a celor trei măsurători; vâscozitatea media obținută fiind de 9,78 mPa.s. Această valoare se încadrează în parametrii acceptați de tipul de imprimantă folosit (figura 4.8 prezintă toate cele 3 măsurători).

Figura 4.8 Grafic pentru evaluarea vâscozității

Determinarea tensiunii superficiale

Proprietățile reologice ale soluției folosite la imprimare reprezintă un factor important în determinarea posibilităților tehnice de realizare și al rentabilității soluției supusă procesului de imprimare. Măsurătorile prin metoda unghiului de contact (CA) sunt frecvent executate pentru determinarea indirectă a energiei superficiale exercitate asupra unui substrat, pentru a putea intui adeziunea soluției pe substrat.

Măsurătorile de tensiune superficială a soluțiilor de cerneală s-au realizat cu ajutorul unui sistem Contact Angle measuring system DSA 100. Soluția analizată a fost expulzată cu ajutorul unei seringi speciale pe suprafața dorită și analizată cu un software special instalat pe calculatorul conectat la aparat.

Figura 4.9 Picătura utilizată în măsuratorile CA

O picătură este localizată la vârful unui ac (picătură cu pandantiv). O imagine a picăturii este înregistrată cu ajutorul unei camere și transferată în software-ul de analiză a formei picăturilor. O recunoaștere a conturului este inițial efectuată pe baza unei analize a imaginii în gri. În a doua etapă, un model geometric care descrie forma picăturii este aplicat pe contur [link 18]. Tensiunea superficială se calculează întotdeauna cu ajutorul unui model Young-Laplace care se potrivește cu conturul unei picături în formă de pandantiv.

În figura 4.9 se poate observa aspectul unei picaturi folosite in măsurătorile de tensiune superficială. Pe baza celor trei valori reprezentate de liniile albastre, respectiv de cea roz, aparatul calculează valoarea finală.

Pentru stabilirea unei valori concrete, în cazul cernelii IK11, s-au efectuat calcule automate de către aparat pentru 2 măsurători succesive ale căror valori au fost γ =23,85 mN/m; γ= 23.70 mN/m. În urma măsurătorilor a rezultat o tensiune superficială medie de 23,77 mN/m.

4.3. Teste pe hârtie fotografică

Pentru început, cerneala cu caracteristicile considerate a fi cele mai bune s-a imprimat pe hârtie fotografică prin serigrafiere.

Figura 4.10 și figura 4.11 prezintă exemple ale serigrafierii manuale pe hârtie fotografică. Pe aceste mostre s-a efectuat testul scotch (amplasarea unei bucăți de scotch peste o picătură din soluția analizată și pregatită pentru imprimare și apoi retragerea acestuia printr-o singură mișcare pentru a verifica adeziunea cernelii la substrat) și s-a încercat evitarea “efectului coffee ring” (în fizică, un "inel de cafea" este un model lăsat de o picătură de lichid încărcat cu particule după ce se evaporă [link 20]).

Figura 4.10. “Coffe ring effect” Figura 4.11. Serigrafie manuală pe hârtie fotografică

În urma efectuării testelor scotch, adeziunea soluției pe hârtia fotografică s-a dovedit a fi bună. Efectul “coffe ring“ prezent și aratat în figura 4.10 trebuie insa eliminat, fapt ce lasa loc unor cercetări viitoare.

4.4. Teste electrochimice preliminare

Cerneala cu caracteristicile considerate optime: conc (C-Bi)CS 0,10%, TX-100 23%, IPA34%, H2O 42%, vâscozitate 9,78 mPa.s, tensiune superficială medie de 23,77 mN/m a fost utilizată pentru obținerea unor electrozi serigrafiați modificați cu xerogel de C impregnat cu Bi. S-au utilizat electrozi serigrafiați Dropsens și o celulă electrochimică corespunzătoare pentru măsurători cu acest tip de electrozi. Electrozii de carbon s-au modificat prin metoda“ drop casting“.

Electrozii serigrafiați modificați au fost testați într-o soluție de tampon fosfat pH 7, 0,1M si in solutii diluate ale ionilor Pb2+ si Cd2+. Din păcate, rezultatele obținute nu au fost concludente, urmând ca cercetările să fie continuate. Testele electrochimice cu electrozii serigrafiați vor trebui să îmbunătățească tehnica de imprimare a electrodului, adeziunea cernelii la substrat si caracteristicile electrochimice ale electrozilor serigrafiați.

4.5. Concluzii

Avantajul mare pe care îl deține tehnica inkjet printing este versatilitatea, vâscozitatea și tensiunea superficială, aceste proprietăți fiind urmare a caracteristicilor cruciale ale soluțiilor folosite la imprimare.

Formula optimă identificată până în prezent pentru soluția de imprimare pe bază de apă conține 0,10% (C-Bi)CS. După centrifugarea soluției s-a obținut un sistem monodispers cu particule de dimensiunea în jurul a 2 µm, rezultatele fiind bune chiar și după 24 de ore; rezultatele au fost confirmate și prin microscopie SEM.

Soluția obținută este stabilă și îndeplineste toate condițiile necesare pentru imprimare. Acest lucru este dovedit prin valoarea medie a vâscozității ȵ= 9.78 mPa.s; a tensiunii superficiale (γ =23.77mN/m), a densității (ρ= 0,9328g/l), și a pH-ului, (pH= 7).

Cerințele de bază pentru această soluție pe bază de xerogeluri dopate cu metale sunt similare amestecurilor folosite pentru imprimantele standard, doar că în plus acestea ar trebui să furnizeze o conductivitate electrică bună pe substratul folosit pentru imprimare. Amestecul omogen și stabil trebuie să demonstreze o bună compatibilitate cu substratul, o bună capacítate de a fi imprimată și o bună rezoluție cu întreținerea minimă a imprimantei. Valorile prezentate recomandă această soluție pentru experimente viitoare.

Testele cu electrozii serigrafiați vor trebui să îmbunătățească:

Tehnica de obținere a electrodului prin imprimare;

Caracteristicile suprafeței după imprimare (analize XPS, AFM…);

Adeziunea cernelii la substrat (testul scotch);

Caracteristicile electrochimice.

Capitolul 5. Electrozi modificați pe bază de hemină pentru detecția H2O2

Detecția apei oxigenate (H2O2) în concentrații scăzute reprezintă un punct de interes major nu numai pentru medicina modernă și protecția mediului, ci și pentru diferitele ramuri ale industriei. Printre catalizatorii folosiți pentru detecția H2O2, hemina (Hm) este un mediator eficient bazat pe cuplul redox reversibil Fe(III)/Fe(II), prezent în structura sa. Datorită acestei funcțiuni, hemina este o minienzimă atractivă pentru senzorii cu aplicații în domenii precum bioelectronică sau bioelectrochimie [Chen J. et al., 2011] [Sosna M.J et al., 2014] [Brusova Z. et al., 2009].

Așa cum s-a menționat la secțiunea 2.1. hemina este o bine cunoscută protoporfirină (IX) ce conține un ion feric (Fe (III)) [Bruice T.C., 1991]. Din păcate, datorită prezenței acestor ioni ferici, hemina este instabilă și aceasta afectează stabilitatea electrochimică a electrozilor modificați realizați cu acest compus, răspunsul lor fiind nesatisfăcător [Chen J. et al., 2011]. Având în vedere dezavantajele electrozilor modificați cu hemină, pentru a asigura o bună performanță în detecție, este necesară o imobilizare corectă și inteligentă a acesteia pe substrat.

Până în prezent au fost utilizate numeroase metode pentru realizarea electrozilor modificați cu hemină. Dintre acestea putem enumera: incorporarea în matrici polimerice [Ni Y et al., 2014] [Santos R.M. et al., 2013], adsorbția pe diferite nanomateriale de carbon [Brusova Z. et al., 2009], [Valentini F. et al., 2012], dispersia pe suprafață (drop casting) [Chen J. et al., 2011], depunerea strat cu strat [Song H. et al., 2013], incorporarea în pasta de carbon [Wong A. et al., 2014] etc.

În acest context, unul din obiectivele tezei a fost obținerea unor electrozi modificați cu hemina, având stabilitate ridicată. Creșterea stabilității s-a realizat în două moduri:

Prin polimerizarea electrochimică a heminei pe electrod, simultan cu reducerea oxidului de grafenă;

Prin incorporarea heminei într-un dendrimer melaminic.

Rezultatele cercetărilor sunt prezentate în cele ce urmează.

5.1. Electrozi modificați pe bază de grafenă și hemină

Electrozii modificați chimic care au la bază complecșii porfirinici au fost utilizați pentru a imita comportamentul enzimei P450 și pentru a obține senzori electrochimici cu sensibilitate, selectivitate și stabilitate ridicată. Importanța heminei se datorează centrului activ al acesteia, responsabil pentru cataliza numeroaselor reacții chimice ce au loc în organismele vii, de obicei în producția de metaboliți esențiali.

Termenul de enzimă artificială a fost propus pentru a desemna imitarea unei enzime de către un compus cu o structură chimică similară, care convertește substratul într-un produs în același mod precum enzima.

Hemina este un binecunoscut compus metaloporfirinic natural cu o abilitate electrocatalitică excelentă, fiind utilizată ca mediator de electroni în reacții redox. Pe de altă parte, oxidul de grafenă (GO) este un material de carbon bidimensional (2D), cu suprafață mare și conductivitate excelentă, care permite creșterea sensibilității unui senzor electrochimic [Ademar W. et al., 2014]. În plus, oxidul de grafenă este mult mai ieftin și mult mai simplu de produs decât grafenele, putând fi ușor convertit în grafenă prin diferite metode chimice [Stankovich S. et al., 2007], metode termice (sub acțiunea microundelor) [Huang W. et al., 2014] sau prin intermediul metodelor electrochimice [Low C.T.J. et al., 2013] [Deng K.Q. et al., 2013] [Kauppila J. et al., 2013] [Lindfors et al., 2013].

Având în vedere cele de mai sus, unul dintre obiectivele tezei a constat în realizarea unui electrod modificat pe baza de oxid de grafenă (GO) și hemină care să aibă stabilitate îmbunătățită, prin realizarea unei polimerizări electrochimice a heminei, concomitent cu reducerea oxidului de grafenă la grafenă. Prin electropolimerizare este posibil să se obțină o greutate moleculară controlată a polimerului, o distribuție moleculară controlată precum și un randament predeterminat al filmului polimeric format [Peteu S.F. et al., 2013].

În literatura de specialitate, filmele de hemina electropolimerizată au fost raportate ca fiind foarte buni mediatori pentru oxidarea electrocatalitică directă a peroxinitritului [Peteu S.F. et al., 2013], prezentând totodată și o activitate electrocatalitică bună față de reducerea oxigenului [Yang Q.X. et al., 2000]. Examinând literatura referitoare la acest domeniu de interes, se constată însă ca articolele ce au în prim plan electrozii modificați prin electropolimerizarea heminei, sunt destul de puține.

Câteva avantaje semnificative ale utilizării electropolimerizării ca tehnică de modificare a electrozilor sunt: (i) o aderență mai bună a peliculei de polimer, datorită interacțiunilor specifice între monomer și suprafața electrodului [Mengoli G. et al., 1979]; (ii) posibilitatea polimerizării in situ a monomerilor chiar și în crăpăturile substraturilor electrodului, deoarece monomerii au o vâscozitate relativ mică și o capacitate uniformă de umectare [Zhang X. et al., 1996]; (iii) obținerea unui film de polimer fără impurități prin operarea unui proces ’’ one-step’’ în condiții exprimentale simple.

Ținând cont de proprietățile redox ale heminei, de suprafața specifică mare a grafenelor, precum și de conductivitatea electrică excelentă a acestora, ideea care a stat la baza realizării acestui studiu constă în dezvoltarea unui material compozit hibrid, eficient și stabil, pentru determinarea electrochimică a H2O2 prin voltametrie ciclică, asigurându-se reducerea simultană a oxidului de grafenă și electropolimerizarea heminei. Apa oxigentă (H2O2) participă într-o gamă largă de reacții enzimatice, jucând un rol important în procese biologice esențiale cum ar fi: metabolizarea proteinelor, a carbohidraților sau în răspunsul imun. Determinarea rapidă și sensibilă a H2O2 este de mare importanță, deoarece acest compus este asociat cu diagnosticarea unor afecțiuni, de exemplu pentru monitorizarea glucozei în sânge în cazul diabeticilor, prin diferite metode biochimice prezentate și de Guo [Yujing Guo et al., 2011].

Electrodul modificat a fost investigat prin intermediul voltametriei ciclice cu scopul de a obține informații despre proprietățile electrochimice și electrocatalitice în procesul de reducere a H2O2. Voltametria de undă pătrată a fost folosită pentru a obține curbele de calibrare și pentru a estima parametrii analitici și cinetici pentru detectia H2O2. Senzorul optimizat a fost aplicat pentru detecția H2O2 dintr-un produs comercial comun utilizat ca dezinfectant.

5.1.1. Prepararea electrozilor modificați

Materiale și reactivi

Materialele care au fost utilizate pentru realizarea acestui studiu: pudra de grafit (diametrul particulelor ≤0.1 mm, Fluka), H2SO4 (95-98%, SC Nordic Invest SRL, Cluj-Napoca), H3PO4 (85%, Merck), KMnO4 (99%, Merck), apă bidistilată, HCl (37%, SC Nordic Invest SRL, Cluj-Napoca), etanol absolut utilizat în sinteza suspensiei precursoare de GO.

H2O2 (30%) a fost obținută de la Riedel-de Haen, Na2HPO4·2H2O, NaH2PO4·H2O- Merck (Darmstadt, Germany) și 2-amino-2-hidroximetil-1,3-propanediol(tris-(hidroximethil)aminometan) (TRIS, Trizma Base)- Sigma Aldrich. Solutia de 0.05 M TRIS-HCl (pH 8) si cea de tampon fosfat de 0.1 M (pH 7) au fost utilizate ca suport electrolitic pentru prepararea, respectiv testarea electrozilor modificați.

Soluția dezinfectantă de 3% de H2O2 (proba reală) a fost produsă de “SC Hipocrate 2000 SRL, și a fost cumparată de la farmacie.

Metode de investigare

Microscopia electronică de baleiaj (SEM) FORTH/ICE-HT Zeiss SUPRA 35VP a fost utilizată pentru obținerea unor imagini ale materialului uscat de GO la scala micro. Analizele de difracție de raze X, X-ray diffraction (XRD) au fost realizate prin intermediul unui difractometru Shimadzu XRD-6000 utilizând radiații CuKα (λ = 1.54 nm), cu filtru Ni, pentru GO și grafitul utilizați ca precursori. Difractogramele au fost înregistrate în domeniul 2θ de la 5° la 70° cu o viteza de 2°/min.

Măsurătorile electrochimice au fost realizate prin intermediul aceleiași combine electrochimice folosite și la experimentele anterioare și anume un PGSTAT 12/100 (Autolab, The Netherlands). Un pH-metru (MV 870, Pracitronic, Germany) echipat cu un electrod de sticlă a fost folosit pentru măsurarea pH-ului soluțiilor. Pentru agitarea soluțiilor a fost utilizat un vortex (100-3000 rpm de la Falc Instruments).

Pentru toate măsurătorile electrochimice a fost utilizată o celulă electrochimică alcătuită dintr-un electrod de lucru din grafit modificat (3 mm diametru, Ringsdorff-Werke, Gmbh, Bonn-Bad Godesberg, Germany), un contraelectrod de Pt și un electrod de referință Ag/AgCl/KClsat. Toate măsurătorile electrochimice au fost realizate în atmosferă inerta, prin barbotarea electrolitului cu argon timp de 15 min. înaintea efectuării fiecarui experiment.

Sinteza materialului de GO

A fost preparată o suspensie GO precursoare- H2O-C2H6O prin amestecarea a 2.7 g grafit cu 270 mL H2SO4 și 30 mL H3PO4. Au fost apoi adăugate 12 g de KMnO4 sub agitare. Reacția a avut loc pentru 60 min în baie de gheață. După 4 zile a fost adăugată reacției, treptat, 200 mL H2O2 (3%) (păstrând recipientul în baia de gheață). Amestecul obținut a fost centrifugat (5000 rpm, timp de 15 min), iar supernatantul decantat. Materialul solid rămas a fost apoi spălat cu 200 mL H2O, 100 mL HCl și 100 mL etanol absolut. Ultimele două spălări au fost repetate de două ori. În timpul fiecărei etape de spălare, soluția a fost ultrasonată timp de 15 min și centrifugată la 5000 rpm pentru 15 min. Supernatantul a fost decantat, iar rezultatul solid a fost transferat într-o solutie de apă-etanol (1:1, v/v) și ținut pentru 7 zile într-un borcan sigilat. După aceste 7 zile, aproximativ 200 ml de amestec din partea de mai sus a vasului a fost recoltat ca precursor al suspensiei GO. Suspensia obținută a fost turnată pe o plăcuță de sticlă netedă și uscată în condiții de mediu ambiant, deschise timp de 3 zile [Cotet L.C. et al., 2017]. Materialul solid de GO obținut a fost utilizat în investigațiile electrochimice.

A fost preparată o soluție stoc de oxid de grafenă GO/TRIS, prin dizolvarea a 10 mg de material solid în 10 ml de soluție 0.05 M TRIS. A fost pregatită și o soluție de 0.5 mM Hm prin dizolvarea unei cantități corespunzătoare de hemină în soluție de 0.05 M TRIS. Înaintea modificării electrodului de lucru, suprafața acestuia a fost curățată prin șlefuirea pe o hârtie abrazivă, cu apă distilată și ultrasonat 30 min în apă distilată.

Modificarea electrodului G/rGO/polyHm implică o procedură ce are la bază două etape: drop-casting și modificarea electrochimică. Drop-casting-ul constă în depunerea pe suprafața electrodului de grafit a 5 µL de suspensie GO/TRIS, uscată sub curenți de aer cald. Cea de-a doua etapă constă în ciclarea electrodului în domeniul de potențial cuprins între +0.2 și -1.0 V vs. Ag/AgCl,KClsat în soluție de 0.5 mM Hm. Această ciclare produce în mod simultan atât reducerea oxidului de grafenă, cât și formarea straturilor de hemină polimerizată. Scopul a fost de a obține o matrice redox stabilă. După această modificare, electrodul de lucru a fost utilizat fără a i se aplica un alt tratament chimic sau electrochimic. Pentru comparație a fost modificat un electrod de grafit, doar cu hemină (G/polyHm), utilizându-se pentru prepararea acestuia doar cea de-a doua etapă descrisă în procedura specificată mai sus.

5.1.2. Caracterizarea electrozilor modificați

Caracterizare morfologică și structurală a GO

Imaginile SEM realizate în condiții ambiante (Figura 5.1) pentru materialul sintetizat GO (uscat) arată caracteristici la scara micro, a structurii, precum și informații despre morfologia acestuia.

Examinarea la scală microscopică a membranelor de GO relevă prezența unor suprafețe ondulate continuu (topografie neregulată), caracteristică identificată și de către Perez del Pinoa [Perez del Pinoa A. et al., 2016]; analiza membranei în secțiune transversală, efectuată de Coteț L. C. indică existența unei structuri compacte strat cu strat [Cotet L. C. et al., 2017].

Figura 5.1. Imagini SEM pentru materialul uscat de GO

Figura 5.2. Difractogramele XRD inregistrate pentru GO obținut și grafit

Difractogramele XRD illustrate în figura 5.2 prezintă câteva diferențe între GO și grafit ca precursor al acestuia. Astfel, reflexiile GO dau naștere la un pic intens și îngust, aflat in jurul valorii de 10°, care este asociat cu spațiul dintre straturile (interlayer spacing) reprezentate de foițele de GO, rezultate publicate de Coteț în anul 2017 [Coteț L.C. et al., 2017], în timp ce picul cel mai intens al precursorului- grafitul- apare la 26°. Un semnal mai puțin intens poate fi văzut în jur de 23° pentru probele de GO. Apariția acestui pic poate fi corelat cu dimensiunile planurilor cristaline grafitice și cu natura foițelor de grafenă expandată.

Caracterizarea electrochimică a electrozilor

Figura 5.3 prezintă răspunsul voltametric, tipic al filmului de hemină electropolimerizată depus pe electrodul de grafit (G/rGO/polyHm) în comparație cu răspunsul electrodului din grafit simplu, nemodificat (G), și cu cel al heminei electropolimerizate în lipsa oxidului de grafenă (G/polyHm). Perechea de picuri foarte bine definite din voltamogramele prezentate în figura 5.3 (A1/C1), au fost asociate transferului monoelectronic cvasi-reversibil între cuplul redox Hemină(Fe3+)/Hemină(Fe2+) prezent în interiorul heminei, conform ecuației 5.1.:

Hemin(Fe3+) + 1e-  Hemin(Fe2+) (5.1)

Figura 5.3. Voltamogramele ciclice pentru electrozii G (linie continuă, neagră), G/polyHm (linie întreruptă, roșie) și G/rGO/polyHm (linie punctată, albastră). Condiții experimentale: electrolit, tampon fosfat 0.1 M (pH 7); viteza de baleiaj, 0.050 V s-1; potențial de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, 30 cicluri

Parametrii electrochimici ai electrozilor G/rGO/polyHm și G/polyHm, estimați la viteza de baleiaj de 0.05 V s-1, demonstrează faptul că prezența oxidului de grafenă redus, rGO, în matricea redox influențează în mod semnificativ comportamentul electrozilor modificați. Epa, Epa, Ipa, Ipc reprezintă potențialele, respectiv curenții de pic ai procesului redox anodic si catodic. Astfel: (i) valoarea E0’ neschimbată (E0’ = (Epc + Epa) / 2), plasată în ambele cazuri în jurul valorii de -0.348 V vs. Ag/AgCl, KClsat, indică faptul că prezența rGO nu influențează comportamentul electrochimic al heminei electropolimerizate și imobilizate pe suprafața electrodului, iar valoarea sa relativ pozitivă poate fi exploatată în aplicații electrocatalitice prin îmbunătățirea procesului electrochimic direct. (ii) Separarea potențialelor de pic (peak-to-peak separation), Ep= Epa-Epc, scade de la 0.074 V pentru G/polyHm, la 0.041 V pentru G/rGO/polyHm demonstrand astfel o reversibilitate bună a procesului in cel de-al doilea caz; (iii) raportul Ipa/Ipc scade de la 2.35 pentru G/polyHm la 1.2 pentru G/rGO/polyHm, aceasta scădere este atribuită prezenței unei structuri deschise a rGO, care sporește cvasi-reversibilitatea mecanismului de transfer de electroni.

Parametrii electrochimici obținuți au fost comparabili cu cei mentionați în literatura de specialitate pentru imobilizarea heminei utilizând tehnici similare [Peteu S.F. et al., 2013].

Lățimea picurilor la jumătatea înălțimii pentru procesele anodice, respectiv catodice au fost: EFWHM,a = 0.214 V, EFWHM,c = 0.128 V pentru G/polyHm și EFWHM,a = 0.165 V, EFWHM,c = 0.136 V pentru G/rGO/polyHm. Prezența rGO micșorează valoarea EFWHM,a corespunzătoare pentru procesul anodic, însă nu afectează valoarea EFWHM,c corespunzătoare procesului catodic. Pentru ambii electrozi modificați, valoarea EFWHM a fost mult mai mare decât valoarea teoretică (90.5 mV) corespunzatoare cuplului redox implicat în transferul unui singur electron.

Acest fapt poate fi explicat fie prin prezența unor neuniformități fizice ale cuplului redox din polyHm, fie prin existența unor interacțiuni repulsive între centrii activi redox ai acesteia [Wang B. et al., 2000] [Honeychurch M. J., Rechnitz G.A., 19989] [Bard A.J, Faulkner L.R, 2001] [Brown A. P., Anson F.C., 1977] [Laviron E., 1979].

Potrivit teoriei lui Laviron, pentru o reacție reversibilă de suprafață, curentul de pic (Ip) este dat de ecuația 5.2:

(5.2.)

unde: Ip reprezintă curentul de pic (A), n reprezintă numărul electronilor transferați, F este constanta lui Faraday (C/mol),  este concentrația superficială (mol/cm2), v reprezintă viteaza de baleiaj (V/s), A aria geometrică a electrodului de lucru (cm2), R constanta gazelor și T este temperatura (298 K) [Laviron E., 1979] [Bard A. J, Faulkner L.R, 2001] [Pakapongpan S. et al., 2011].

Utilizând această abordare matematică folosită și de către Ray [Ray S. et al., 2013], în panta reprezentării Ip versus v este (n2F2/4RT)A se substitue valorile cunoscute (precum aria geometrică a electrodului de lucru – A = 0.07065 cm2 și alte constante), obținându-se valoarea estimată a concentraței superficiale a heminei electropolimerizate imobilizate pe suprafața electrodului () care a fost de 1.13 × 10−9 mol cm−2 pentru G/rGO/polyHm și de 0.86 × 10−9 mol cm−2 pentru G/polyHm. Aceste valori sunt mai mici decât cele raportate în literatură pentru alți electrozi modificați cu hemină (de exemplu., 7.68×10−9mol cm−2 pentru GC–MWCNTs modificat cu Fe(III)P [Salimi A. et al., 2007], însă ambele valori obținute sunt mult mai mari decât valoarea dată de un mono strat de hemină, respectiv 7.5×10−11 mol cm−2 și prezentată de Brusova în 2009 [Brusova Z. et al., 2009].

Optimizarea condițiilor de electropolimerizare

Așa cum s-a menționat anterior, matricea compozită redox a fost obținută prin reducerea oxidului de grafenă simultan cu introducerea heminei în matrice prin electropolimerizare, ambele procese având loc în timpul efectuării voltametriei ciclice.

Cu scopul de a optimiza obținerea electrodului modificat G/rGO/polyHm, electropolimerizarea heminei a fost realizată la diferite viteze de baleiaj (0.010, 0.025 și 0.100 V s-1), efectuând 30 sau 50 cicluri, între 0.2 V și -1.0 V vs. Ag/AgCl, KClsat, în 0.5 mM Hm în 0.05 M TRIS-Cl (pH 8), electrodul astfel modificat fiind apoi testat în tampon fosfat (pH 7). După cum se poate observa în figura 5.4. A, intensitățile curenților de pic ajung la un maximum pentru ambele procese, atât pentru cel anodic, cât și pentru cel catodic, la 2700 s, ceea ce înseamnă o viteză de baleiaj de 0.025 mV s-1, timp de 30 cicluri. Unii autori limitează creșterea grosimii filmului de hemină polimerizată prin aplicarea a 10–20 de cicluri, la 0.1 V s-1. Viteza de baleiaj scăzută aplicată în cazul nostru asigură timpul necesar pentru reducerea simultană a oxidului de grafenă și polimerizarea heminei.

Dovada formării straturilor electroactive pe suprafața electrodului o reprezintă valoarea crescută a intensității picurilor anodice și catodice (A1 si C1,) la -0.4 V vs. Ag/AgCl, KClsat, după ciclarea consecutivă a electrodului.

Prin asumarea unui control cinetic și a unei stări de adsorbție omogenă, variația în timp a concentrației de hemina imobilizată pe suprafață este descrisă de ecuația 5.3.:

 = [1 – exp(-t/)], (5.3.)

unde:  = gradul de acoperire al suprafeței (in mol/cm2) cu specia adsorbită (polihemina), calculată utilizând formula  = Q/(nFAv), Q – curentul consumat în ciclul de oxidare/reducere (în C),  constanta de timp, ceilalți parametri fiind descriși anterior.

Figura 5.4. Influența timpului de electropolimerizare (t) asupra intensității curentului pentru electrodul G/rGO/polyHm testat in tampon fosfat (A) și variația concentrației superficiale a heminei polimerizate, , cu timpul de obținere a filmului de polihemină pe electrozi G/polyHm () și G/rGO/polyHm () în soluția de tampon fosfat (B). Condiții experimentale: (A) electropolimerizarea: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.010, 0.025 și 0.1 V s-1 în timpul efectuării 30 sau 50 cicluri; testarea electrodului: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj 0.05 V s-1; potential de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; (B) prepararea eletrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm in 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, 30 cicluri

Influența vitezei de baleiaj asupra comportamentului redox al electrozilor modificați G/rGO/polyHm și G/polyHm a fost studiată într-un domeniu de viteze cuprins între 0.010 și 5 V s-1, voltamogramele ciclice corespunzătoare fiind prezentate în figura 5.5.A. După cum era de așteptat [Bard A.J, Faulkner L.R., 2001] pentru un cuplu redox imobilizat pe suprafața electrodului, pentru ambele cazuri, intensitatea curentului picurilor anodice și catodice crește liniar cu viteza de baleiaj (v) (Figura 5.5 B). Panta dependenței log I – log v (vezi tabelul 5.1) are o valoare mai mare în cazul electrodului G/rGO/polyHm, decât în cazul electrodului G/polyHm, fiind confirmat astfel faptul că polyHm este imobilizată pe suprafață, iar prezența rGO permite o adsorbție mult mai puternică a heminei polimerizate.

Figura 5.5. Influența vitezei de baleiaj asupra voltamogramelor ciclice pe electrodul G/rGO/polyHm (A) și dependența I vs v pentru G/polyHm () și G/rGO/polyHm () (B). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, vezi figura A; potențial de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, pentru efectuarea a 30 cicluri

Tabel 5.1. Dependența I versus viteza de baleiaj. Condiții experimentale: vezi figura 5.5

Pentru comparație s-a efectuat o electropolimerizare a heminei simultan cu reducerea materialului de oxid de grafenă, la viteza de 0.1 V/s-1 (vezi condiții experimentale figura 5.6 ). În acest caz, influența vitezei de baleiaj asupra comportamentului redox al electrozilor modificați G/rGO/polyHm și G/polyHm a fost studiată într-un domeniu de viteze cuprins între 0.025 și 1.5 V s-1, voltamogramele ciclice corespunzătoare fiind prezentate în figura 5.6.

Figura 5.6. Influența vitezei de baleiaj. Voltamogramele ciclice pentru G/rGO/polyHm (A) și dependența I vs v pentru G/polyHm () și G/rGO/polyHm () (B). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, vezi figura A, în interior; potențial de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.1 V s-1, pentru efectuarea a 30 cicluri

Indiferent de viteza de baleiaj utilizată pentru obținerea elecrozilor modificați valorile pantelor reprezentării log I – log v apropiate de 1 arată o bună imobilizare a polyheminei pe suprafața electrodului în prezența rGO (tabel 5.1.).

Stabilitatea poliheminei adsorbite pe electrodul G/rGO/polyHm a fost investigată în condiții potențiodinamice, prin înregistrarea voltamogramelor ciclice succesive în tampon fosfat 0.1 M (pH 7) ) în absența și în prezența a 0.025 mM H2O2. Din punct de vedere calitativ, voltamogramele înregistrate rămân practic neschimbate. Evoluția în timp a intensităților curentului respectă o cinetică de ordinul întâi, așa cum a demonstrat dependența liniară a raportului Ip/Ip1 versus timp de ciclare (figura 5.7.), cu o constantă de viteză de dezactivare mică a procesului anodic (panta: 2.3 x 10-10 ± 0.7 x 10-10 s-1, R = 0.9575, n= 10 puncte, în absența H2O2) sau activare (panta: 8.18 x 10-10 ± 0.88 x 10-10 s-1, R = 0.9718, n= 29 puncte, în prezența H2O2), și o constantă a vitezei de activare mică pentru procesul catodic (panta: 1.87 x 10-10 ± 0.28 x 10-10 s-1, R = 0.9754, n= 10 puncte, în absența H2O2 și panta: 6.17 x 10-10 ± 0.74 x 10-10 s-1, R = 0.97184, n= 29 puncte, în prezența H2O2) (figura 5.7). Atât procesul de activare, cât și procesul de dezactivare au fost deja raportate în literatura de specialitate pentru diferite materiale de electrod care conțin hemina [Turdean G.L. et al., 2006] [Younathan J.N. et al., 1992].

Figura 5.7. Dependența I versus timp pentru electrodul G/rGO/polyHm în absența H2O2 (, ) și în prezența 0.025 mM H2O2 (,). Condiții experimentale: electrolit , 0.1 M tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, 0.05 V s-1; potential de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, timp de 30 de cicluri

Stabilitatea pe termen lung (in storage) a fost evaluată monitorizând curentul de pic al voltamogramelor ciclice a electrodului cu polihemină în prezența a 0.025 mM H2O2 pentru o perioadă de 7 zile. Între măsurători, electrozii au fost păstrați în atmosferă saturată cu vapori de apă, în frigider. După 7 zile intensitatea curentului anodic a scăzut cu 17% și intensitatea curentului catodic a crescut cu 20.3% (formula după care a fost calculat procentul (Iziua7-Iziua1)*100/Iziua1). Acest comportament se datorează probabil unui proces de umflare a poliheminei.

A fost investigată și stabilitatea electrozilor modificați cu hemină electropolimerizată și oxid de grafenă redus electrochimic, la viteza de 0,1 V, prin înregistrarea voltamogramelor ciclice succesive în tampon fosfat 0.1 M (pH 7). Voltamogramele înregistrate prezintă o ușoară deplasare, dar reflectă o bună stabilitate.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale unui senzor o reprezintă reproductibilitatea, exprimată ca deviația standard relativă (RSD) a curentului de pic obținut de mai multe ori, în aceleași condiții. În cazul nostru, au fost înregistrate 3 voltamograme ciclice consecutive cu aceleași electrod G/rGO/polyHm, valoarea medie a potențialului catodic fiind -1.564 10-5 ± 0.035*10-5 A, și RSD a fost calculat ca fiind 2.24%, iar intensitatea curentului catodic este de -1.564 10-5 ± 0.035*10-5 A, și RSD e 2.24%, dovedind astfel o bună reproductibilitate.

Repetabilitatea electrodului modificat a fost evaluată monitorizând picul heminei pe durata a 5 voltamograme ciclice înregistrate cu același electrod G/rGO/polyHm, în aceleași condiții. Valoarea medie a potențialului anodic este 0.343 0.004 V vs. Ag/AgCl,KClsat cu RSD 1.35%, iar valoarea medie a potențialului catodic este -1.552 10-5 A ± 0.019 10-5 A cu RSD 1.25%, ceea ce demonstrează comportamentul electrochimic al electrodului G/rGO/polyHm este relative stabil.

5.1.3. Determinarea H2O2 cu electrozii modificați G/rGO/poly Hm

Voltamogramele ciclice înregistrate în absența și în prezența H2O2 cu electrodul G/rGO/polyHm (figura 5.8) ne arată faptul că în prezența H2O2, procesul redox de reducere al acesteia începe la valori de potențial mult mai pozitive, deoarece picul catodic al poliheminei prezintă o undă datorată formării unui intermediar, descris de ecuațiile de mai jos [Kong F.Y. et al., 2015] (5.4.-5.5.):

Hemina (Fe3+) + H2O2 → Hemina (Fe4+= O) + H2O (5.4.)

Hemina (Fe4+= O) + 2H++ 2e− → Hemina (Fe3+) + H2O (5.5.)

Așa cum este raportat în literatură [Peteu S.F. et al., 2013] [Younathan J.N. et al., 1992] [English D.R. et al., 1983], în materialele care au la bază compușii porfirinici, inclusiv cele ce au hemină, prezența fierului este vitală, mediind local, în interior, transferul de electroni de la H2O2 la inelul de porfirină, acționând ca o “antenă” pentru a oxida filmul de porfirină-Fe polimerizată de pe electrod.

Figura 5.8. Voltamogramele ciclice pentru electrodul G/rGO/polyHm în absența și în prezența concentrațiilor crescătoare de H2O2. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, 0.05V s-1; potențial de start, +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm în 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, 30 de cicluri

La o valoare fixă a potentialului de -0.4 V vs. Ag/AgCl,KClsat eficiența electrocatalitică (Eff) poate fi calculată utilizând ecuația (5.6.):

(5.6.)

unde: IH2O2 și I0 reprezintă curentul de pic în prezența, respectiv în absența H2O2

Se observă o creștere liniară a curentului asociat reducerii catalitice odată cu creșterea concentrației de H2O2, după cum urmează: 95 %, 117 %, 151% și 168% pentru 0.4, 0.56, 0.75 si 0.9 mM H2O2 pentru electrodul G/rGO/polyHm și cu 18 %, 37.6 %, și 63.7% pentru 0.4, 0.56, si 0.75 mM H2O2, pentru electrodul G/polyHm. Acest comportament poate fi explicat prin conductivitatea și suprafața specifică mare pe care grafena din matricea elecrodului o deține și activitatea catalitică excelentă a poliheminei imobilizate în scheletul grafenei, lucru susținut și în literatura de specialitate de Guo [Guo Y. et al., 2011].

În scopul de a evalua reducerea electrocatalitică intrinsecă a H2O2 cu electrozii G/rGO/polyHm și G/polyHm, precum și posibila utilizare a acestora ca senzori pentru H2O2 au fost efectuate măsuratori de voltametrie de undă pătrată în soluție de tampon fosfat 0.1 M, (pH 7.0) saturată cu Ar, dupa adaos de diferite concentrații de H2O2. Curba de calibrare obținută pentru cei doi electrozi mentionați mai sus este prezentată în figura 5.9. Intensitățile curentului de pic în prezența H2O2 au fost mai mari decât curentul înregistrat în absența H2O2 și, după cum era de așteptat, aceste intensități au crescut la fiecare adaos de H2O2.

Parametrii analitici ai electrozilor G/rGO/polyHm și G/polyHm sunt sumarizați în tabelul 5.2. După cum se poate vedea din tabel, valorile limitei de detecție sunt similare cu cele obținute în cazul altor senzori pentru detecția H2O2 pe baza de materiale hibride (de exemplu: 3.4 M pentru electrodul Ag NPs/DNA-MWCNTs/GC [Liu L. et al., 2012].

După cum se poate observa din figura 5.9 curba de calibrare este o hiperbolă tipică Michaelis–Menten ce prezintă un comportament de saturație al poliheminei. Valoarea constantei Michaelis Menten (KM,app), ca și indicator al cineticii reacției polihemină–H2O2, obținuta prin fitarea datelor experimentale în programul Origin 8.0, a fost 20 ± 1.45 M H2O2 pentru G/rGO/polyHm și 30 ± 5.2 M H2O2 pentru G/ polyHm. Diferențele mici între cele două valori KM,app demonstrează faptul că prezența GO în matricea compozită a electrodului nu influențează afinitatea poliheminei imobilizate față de H2O2. Totuși valoarea mică a KM,app indică faptul că polihemina imobilizată pe suprafața electrodului G/rGO/polyHm posedă o activitate enzimatică mare, și, în consecință, electrodul propus arată o afinitate mare pentru H2O2.

Figura 5.9. Curba de calibrare pentru G/rGO/polyHm () și pentru G/polyHm (). Voltametrie de undă pătrată în vederea reducerii H2O2 . În detaliu: domeniu linear al curbei de calibrare. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M tampon fosfat (pH 7); frecvență, 25 Hz; amplitudine, 0.020 V; pas al potentialui, 0.001 V; potential de start +0.2 V vs. Ag/AgCl,KClsat; prepararea electrodului prin electropolimerizare: electrolit, 0.05 mM Hm in 0.5 M TRIS; viteza de baleiaj, 0.025 V s-1, 30 de cicluri

Tabelul 5.2 Parametrii analitici ai electrozilor G/rGO/polyHm și G/polyHm în reducerea H2O2 . Determinare prin voltametrie de undă pătrată. Condiții experimentale: vezi figura 5.9

* calculat pentru raportul semnal-zgomot=3, LOD=3Sb1/m, unde Sb1 reprezintă deviația standard a probei martor și m panta curbei de calibrare în domeniul liniar.

5.1.3.1. Determinarea concentrației H2O2 dintr-o probă reală

În condițiile experimentale optimizate, cu scopul de a dovedi posibilitatea utilizării electrodului G/rGO/polyHm pentru analiza unor probe reale, a fost efectuată detecția H2O2 dintr-un produs comercial farmaceutic, prin metoda adaosului standard.

Electrodul de lucru G/rGO/polyHm a fost modificat conform procedurii descrisă la paragraful care descrie prepararea electrozilor. Ajuns în faza de testare, acesta a fost introdus în soluția de electrolit, tampon fosfat pH 7, 0,1 M, în care s-a barbotat cu Ar, în care s-a adăugat un volum al probei reale diluată de 10 ori. Apoi au fost adăugate în mod succesiv 4 adaosuri; primul adaos a fost al probei reale, (produsul farmaceutic procurat de la farmacie) și trei adaosuri ale soluției standard de apă oxigenată 10-2 M.

Figura 5.10 Reprezentarea curbei pentru metoda adaosului standard obținută pentru electrodul G/rGO/polyHm în detecția H2O2 din soluție dezinfectantă farmaceutică prin voltametrie de undă pătrată. Condiții experimentale: o injectare a probei reale diluate, urmată de 3 injectări ale unei soluții standard de 10-2 M H2O2; pentru alte condiții (figura 5.9.)

Cu electrodul realizat G/rGO/polyHm s-a estimat o concentrație de 0,165 mM H2O2 pentru proba farmaceutică necunoscută. Aceasta valoare se află într-o concordanță foarte bună cu valoarea concentrației indicate de producător (0.170 mM).

5.2. Concluzii

Nanomaterialul anorganic (GO) și hemina (Hm) au fost utilizați cu succes în scopul de a crea/construi un nou electrod pentru detecția H2O2. Utilizând o procedură într-o singură etapă pentru obținerea materialului, oxidul de grafenă depus prin drop casting pe o suprafață de grafit este redus la starea lui conductoare (grafenă) simultan cu electropolimerizarea heminei. Prin intermediul acestei proceduri electrodul G/rGO/polyHm a fost ușor de fabricat, într-un mod reproductibil.

Noii electrozi G/rGO/polyHm prezintă parametrii electrochimici buni și activitate electrocatalitică excelentă față de reducerea H2O2. Parametrii analitici și cinetici obținuți sunt în concordanță foarte bună cu cei raportați deja în literatură, recomandând așadar arhitectura simplă și reproductibilă a electrozilor G/rGO/polyHm pentru detecția H2O2.

5.3.l. Electrozi modificați cu compuși melaminici și hemină

O altă cale de a crește stabilitatea și eficiența electrozilor modificați cu hemină constă în încorporarea ei într-o matrice organică. În acest capitol se prezintă prepararea unor noi electrozi modificați obținuți prin imobilizarea heminei pe o suprafața de cărbune sticlos c ajutorul a doi compuși melaminici noi: un dendrimer G 2, cu o unitate periferică p-aminofenol (Den) și o melamină G 0 dimer.

Caracteristicile structurale de bază responsabile pentru relațiile dintre acești doi compuși și hemină, aflați la temperatura camerei în stare solidă, au fost identificate prin utilizarea analizelor vibraționale efectuate prin intermediul FT-IR. Această metodă evidențiază relațiile între hemină și acești doi compuși, respectiv interacțiunile legăturilor de H, interschimburile de protoni și interacțiunile π-π. Electrozii astfel modificați au fost caracterizați prin intermediul voltametriei ciclice, a spectroscopiei de impedanță electrochimică și testați pentru detecția amperometrică a apei oxigenate.

5.3.1. Condiții experimentale

Hemina de puritate 98% (Hm), a fost cumpărată de la Fluka, din Elveția.

Compușii utilizați în acest studiu pentru imobilizarea heminei pe suprafața electrodului de cărbune sticlos GC, au fost doi compuși melaminici sintetizați în cadrul Departamentului de Chimie Organică al Facultății de Chimie și Inginerie chimică, din cadrul Universității Babeș Bolyai, în colectivul prof Mircea Dărăbanțu.

Formulele acestor doi compuși sunt prezentate în fig 5.11.

Figura 5.11 Structura moleculară a compușilor melaminici Dim și Den

Soluția de electrolit în care au fost testați electrozii a fost de concentrație 0.1 M soluție de tampon fosfat de pH 7 obținută prin omogenizarea soluțiilor de Na2HPO4·2H2O și de NaH2PO4·H2O. A fost preparată și o soluție de 0.05 mM K3[Fe(CN)6] /K4[Fe(CN)6] dizolvând cantități corespunzătoare de săruri furnizate de Aldrich-Sigma în 0,1 M KCl. Această soluție a fost utilizată la investigarea accesibilității suprafeței electrodului de către cuplul Fe3+/Fe2+ . DMSO- dimetil sulfoxidul furnizat de Merck, Darmstadt, Germany, a fost folosit ca solvent pentru compușii melaminici.

Aparate și metode

Măsurătorile voltametrice au fost efectuate cu ajutorul unu potențiostat PGSTAT 12/100, Booster 20A, o stație electrochimică (AUTOLAB, Olanda) plotat la calculator. Un pH-metru (MV 870 PRACITRONIC, Germania) echipat cu un electrod de sticlă, a fost utilizat la măsurarea pH-ului soluției. Pentru omogenizarea soluțiilor a fost folosit un vortex mixer (100-3000 rpm de la Falc Instruments). Pentru efectuarea măsurătorilor voltametrice a fost utilizată o celulă electrochimică standard, electrodul de lucru fiind electrodul de cărbune sticlos modificat, cu diametrul de 3 mm, un contraelectrod de Pt, și un electrod de referință Ag/AgCl/KClsat.

Măsurătorile amperometrice au fost efectuate prin aplicarea unui potențial de -0.35 V vs.Ag/AgCl, KClsat în condiții de agitare continuă a soluției de electrolit, prin adăugări succesive (repetitive) a câte 50 μL de H2O2 dintr-o soluție stoc de 10-2 M H2O2 în 10 mL de soluție tampon.

Analizele de impedanță electrochimică, ac, au fost executate într-un domeniu al frecvențelor cuprins între 10 kHz și 0.01 Hz la temperatura camerei, prin imersia electrozilor modificați GC/Hm, GC/Dim, GC/Dim-Hm, GC/Den și GC/Den-Hm în soluție de 0.05 M[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-. Spectrele EIS au fost înregistrate la amplitudinea de ± 10 mV.

Soluții de Hm-Dim, Hm-Den în raport molar de 5:1 au fost liofilizate și au fost analizate cu spectrofotometru FT-IR Bruker Vektor 22. Au fost de asemenea analizați și compușii în stare pură respectiv Dim, Den și Hm, analize necesare pentru o comparație corectă.

5.3.2. Prepararea electrozilor modificați

Înainte de modificare, electrodul de lucru din cărbune sticlos (BAS Inc. USA) a fost lustruit pe o suprafață umedă de hârtie abrazivă (Buehler, Lake Bluff, IL, USA), cu ajutorul unei paste de alumină, până când suprafața acestuia a arătat ca o oglindă și apoi a fost ultrasonat pentru 30 min.

Soluțiile stoc de concentrație 10-3 M pentru Dim, Den și Hm au fost preparate individual prin dizolvarea acestora în DMSO. Soluțiile standard de 5 mM Hm-Dim și Hm-Den au fost preparate prin dizolvarea cantității corespunzătoare de hemină în soluțiile stoc ale compușilor melaminici. Suprafața electrodului de cărbune sticlos a fost apoi modificată prin depunerea a 10µL din amestecurile omogene menționate anterior și supusă unui tratament cu aer cald pentru evaporarea solventului. Electrodul astfel obținut a fost gata de utilizare fără să mai fie necesare alte proceduri chimice sau electrochimice ulterioare.

5.3.3. Metode de caracterizare a electrozilor modificați

5.3.3.1. Analizele FT-IR

Spectrele FT-IR obținute pentru amestecurile solide de Hm-Dim și Hm-Den în raport molar de 5:1 au fost comparate cu cele obținute pentru compușii în stare pură Dim, Den și Hm (figura 5.12 ). Analizele vibraționale arată interacțiuni intramoleculare, în stare solidă, între moleculele de hemină și compușii melaminici, respectiv Dim și Den. Aceste interacțiuni pot fi grupate în: interacțiuni intramoleculare între legăturile de H, inter-schimburile de protoni și interacțiuni π-π.

Cum era de așteptat, interacțiunile prin legăturile de hidrogen implică, în primul rând gruparea fenolică OH al compușilor Dim și Den. Acest grup de compuși, analizat în starea pură prezintă o bandă largă, în jurul valorii de 3400 cm-1. Acest lucru se datorează existenței rețelei Ar-O(H)…H…O-Ar, (anti-anti)n.

S-a observat faptul că adaosul a 400%, exces molar, de Hm produce o deplasare semnificativă a benzilor de absorbție νOH (100 cm-1).

Deplasarea este mai importantă în cazul melaminelor planare (Hm-Dim vs. Dim, figura 5.12 A) decât în cazul melaminelor arcuite (Hm-Den vs.Den, figura 5.12 B).

În conformitate cu literatura de specialitate, [Katritzky A.R. et al., 1995] banda puternic ascuțită specifică pentru Hm localizată la 1700 cm-1este atribuită, în mod clasic, legăturii C=O prezentă în gruparea acidului carboxilic. După adăugarea a 400% de Hm omogenizată cu dimerul melaminic G-0, Dim, această bandă este deplasată la 1706 cm-1 și parțial despicată în două picuri adiționale, apărând 2 benzi destul de slabe, una la 1737 și una la 1651 cm-1 (figura 5.12. A).

O despicare similară, completă a fost observată în cazul imobilizării Au și a nanoparticulelor de Ag(II). Urmând acest exemplu, banda identificată la valoarea de 1737 cm-1 o vom asocia legăturii C=O din grupul acizilor carboxilici liberi ipoteză susținută și de Katritzky [Katritzky A.R., 1996], în timp ce banda din jurul valorii de 1651 cm-1 prezintă aceeași legătură C=O prezentă în grupul carboxil legat de compusul Dim, ca și anion carboxilat (pKa pentru Hm = 6.63 valoare raportată și de Parker [Parker F.S., 1971], 4.8-5.7 valori aproximative raportate și de către Tom și Pradeep [Tom R.T., Pradeep T., 2005]. Surprinzător, despicarea de mai sus din spectrul IR al amestecului Hm-Den, νC=O (1700 cm-1, mult mai puternic pentru Hm pură) a fost deplasată la1703 cm-1și împărțită la 1736 și la1652 cm-1 pentru Hm-Den. Se poate observa că toate cele trei νC=O normalizează adsorbanța în Hm-Den în comparație cu cel aflat în Hm pură. Diferențele structurale majore între aceste două melamine Dim și Den constau în primul rând în dimensiunea acestor două (figura 5.11) în forma globală, planară și arcuită. În acest moment, în această etapa, există ipoteza conform căreia ar exista o înglobare parțială a Hm.

Natura legăturilor π-π în aceste metalo-porfirine, este bine documentată [Wang Q. et al., 2007]. În cazul amestecurilor omogene ale Hm-Dim șiHm-Den (figura 5.12), schimbările și deplasarea adsorbanței au fost observate în regiunea IR de 800-1600 cm-1, sugerând existența interacțiunilor π-π între Hm și partenerii melaminici.

Figura 5.12. Spectrele FT-IR (KBr) ale compușilor Dim, Hm comparativ cu amestecul Hm-Dim în raportul molar 5:1 (A) și al compușilor Den, Hm comparativ cu amestecul în raport molar 5:1 Hm-Den (B)

5.3.3.2. Metode electrochimice

În primul rând, comportamentul electrochimic al electrodului de cărbune sticlos modificat cu compușii menționați anterior a fost investigat prin intermediul voltametriei ciclice. Figura 5.13 prezintă voltamogramele ciclice înregistrate în tampon fosfat (pH 7.0) pentru electrozii GC/Dim, GC/Den GC/Hm-Dim, Gc/Hm-Den și pentru electrodul nemodificat GC.

În absența heminei (Hm), nu se observă apariția nici unui proces redox. Existența heminei pe electrod determină apariția clară a unei perechi de picuri redox, care poate fi atribuită cuplului redox Fe(II)/Fe(III) existent în interiorul moleculei de hemină. Ar trebui accentuat faptul că potențialele formale pentru cuplul redox Fe(II)/Fe(III) (Eo, este estimat ca fiind valoarea medie al potențialelor picurilor catodice și anodice) sunt influențate de tipul de imobilizarea al Hm în matricea compușilor (Tabelul 5.4). Potențialele formale diferite ale cuplului redox în cazul electrozilor GC/Hm-Den și GC/Hm-Dim (Eo’= – 0.271 V și -0.340 V) reflectă comportamentul dependent al Hm de matricea compușilor melaminici, cauzat de (i) orientări diferite ale amestecului imobilizat pe suprafața electrodului (ii) interacțiuni care au loc între moleculele de Hm și Dim sau Den, aspect susținut și întărit și de datele FTIR.

Figura 5.13. (A) Voltamogramele ciclice pentru GC, GC-Hm, GC/Dim, GC/ Hm-Dim și (B) voltamogramele ciclice pentru GC, GC-Hm, GC/Den, GC/ Hm -Den. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, 50 mV s-1; potențial de start, 0.2 V

Comunicarea între centrele redox Fe(II)/Fe(III) ale heminei imobilizate și materialul de electrod are loc în mod diferit. Dependența curentului picurilor anodice și catodice de viteza de baleiaj, a fost de asemenea investigată într-un domeniu destul de larg de potențiale (figura 5.14), 10 – 1000 mV s-1.

Figura 5.14. Voltamogramele ciclce ale electrodului GC/Hm/Dim la diferite viteze de baleiaj a potențialului (A) și influența corespunzătoare a vitezei de baleiaj asupra intensității curentului de pic (B) pentru electrozii GC/Hm, GC-Hm-Dim și GC/Hm-Den. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7); viteze de baleiaj, vezi interior figura A; potențial de start, 0.2 V vs. Ag/AgCl, KClsat

Diferența dintre potențialele de pic (Ep) pentru GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den a fost mai mică decât în cazul GC/Hm, rezultat ce indică faptul că reacția redox prezintă o reversibilitate crescută în primele cele două cazuri. În absența speciilor melaminice utilizate pentru imobilizaea heminei în matricea electrodului, valoarea pantei obținută din reprezentarea log I vs. log v a fost aproape de 0.5, indicând un proces controlat de difuzie. După cum era de așteptat pentru electrozii GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den, dependența I vs. v a fost liniară (Figura 5.14 B) și valoarea pantei log I vs. log v a fost aproape de 1 (tabelul 5.3.).

Tabelul 5.3 Parametrii regresiei liniare log I – log v pentru electrozii GC/Hm/Dim și GC/Hm/Den. Condiții experimentale: vezi figura 5.14.

Deviațiile observate în cazul picului anodic care corespunde electrodului GC/Hm-Den se pot datora unor contribuții ale difuziei asupra răspunsului voltametric, în mod special la viteze de baleiaj mari. Valorile raportului │Ia/Ic│ au fost de asemenea aproape de 1, indicând faptul că procesul electrochimic care are loc la electrod este cvasi-reversibil (Tabelul 5.4).

Tabelul 5.4. Parametrii electrochimici ai răspunsului voltametric pentru electrozii modificați GC/Hm, GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den. Condiții experimentale: vezi figura 5.14.

*calculat cu ecuația: unde Q= aria de sub pic (în C) înregistrată în timpul măsurătorilor de VOC (50 mV s-1); A = aria suprafeței electrodului, z =numărul electronilor transferați; F = constanta Faraday, în C/mol)

Din datele prezentate în tabelul de mai sus se poate observa gradul de acoperire a suprafeței electrodului care are o valoare mai mare decât cea care corespunde mono-stratului de hemină (7.5 x 10-11 mol cm-2) prezentată de Brusova și Magner [Brusova Z., Magner E. , 2009], fapt ce indică formarea a mai mult de un monostrat de hemină. Totuși această valoare este în concordanță cu valorile deja raportate în literatură, pentru suprafețele modificate cu hemină [Luo F. et al., 2015].

Valoarea lățimii la jumătatea înălțimii de pic (EFHWM) a fost identificată ca fiind mai mare decât valoarea pentru cazurile ideale (EFHWM = 90.6/n mV), demonstrând existența unor interacțiuni repulsive între speciile redox de pe suprafața electrodului.

Media constantei transferului de electroni pentru electrozii GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den a fost: 0.556 ± 0.270 s-1 și respectiv 0.334 ± 0.103 s-1. Aceste valori au fost mai mici decât cele obținute în cazul electrozilor modificați cu hemină imobilizată pe MCWT (monotuburi de carbón multistrat) prezentate de Hunter și Sanders în articolul publicat în anul 1990 [Hunter A.A., Sanders J.K.M., 1990] sau cărbune sticlos modificat cu PAMAM sau MWCNT prezentate de Toader mai târziu, în anul 2010 [Toader A.M. et al., 2010], datorită probabil orientărilor diferite ale moleculelor de hemină pe suprafața electrodului, fapt ce influențează viteza transferului de sarcină. Datorită aceluiași motiv, reacția ce are loc la electrod este mai rapidă în situația în care hemina este imobilizată în matricea Dim și nu în matricea Den.

Stabilitatea electrochimică a electrozilor GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den, evaluată în condiții potențiodinamice prin efectuarea de măsurători voltametrice ciclice repetitive (50 cicluri), în soluție de tampon fosfat de pH 7, la 50 mV s–1. Pentru ambii electrozi GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den, forma voltamogramelor rămâne invariantă în timpul ciclării, demonstrându-se în acest fel o stabilitate bună și doar o mică variație de concentrație pe suprafața electrodului, precum ilustrează și figura 5.15 pentru electrodul GC/Hm-Den. Curentul celui de-al 50-lea ciclu reprezintă 84% din curentul picului anodic și 95% din curentul catodic al primului ciclu.

Valorile scăzute ale constantei de viteză de dezactivare ale electrozilor GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den [(kdeact)GC/Hm/Dim = 1.7 10-13 ± 0.360 10-13 mol cm-2 s-1, R/n =0.8855/8; (kdeact)GC/Hm/Den= 1.17 10-13 ± 0.360 10-13 mol cm-2 s-1, R/n =0.7721/9 ], valori estimate din curentul picului catodic, demonstrează o stabilitate chimică bună comparativ cu electrodul GC/Hm ((kdeact)GC/Hm = 9.44 x 10-13 ± 0.380 10-13 mol cm-2 s-1; R/n = 0.9788/30).

Figura 5.15. Stabilitatea electrodului GC/Hm/Den investigat prin înregistrarea voltamogramelor succesive (A) și în interior, variația curentului de pic în timp (B). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7), viteza de baleiaj, 50 mV s-1; potențial de start, 0.2 V vs. Ag/AgCl, KClsat

Stabilitatea bună poate fi atribuită prezenței melaminelor Dim și Den, care contribuie la o bună imobilizare pe suprafața electrodului de GC prin intermediul interacțiunilor intramoleculare în stare solidă între Hm și acești doi compuși melaminici. După cum era de așteptat, datorită interacțiunilor puternice între Hm și Den, evidențiate și de către analizele FT-IR, stabilitatea electrodului GC/Hm-Den a fost mai mare decât cea întalnită în cazul electrodului GC/Hm-Dim.

Măsurătorile de impedanță electrochimică (EIS)

Cu scopul de a determina activitatea electrozilor modificați au fost înregistrate, diagrame de impedanță Nyquist în prezența soluției [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- (Figura 5.16). Înaintea înregistrarii spectrelor de impedanță, a fost efectuată înregistrarea potențialului de circuit deschis (OCP) versus timp.

Se poate observa faptul că sistemul prezintă un comportament dominat de difuzie la frecvențe joase. În mod nesurprinzător, prezența compușilor Dim și Den pe suprafața electrodului aduce o creștere semnificativă a componentei imaginare a impedanței, ceea ce sugerează ca melaminele adsorbite la suprafața electrodului împiedică accesul cuplului redox [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- spre electrod, datorită conductivității scăzute, hemina adsorbită contribuie de asemenea la creșterea impedanței, idee susținută și de Laviron în 1979 [Laviron E., 1979].

Spectrele de impedanță au fost analizate considerând circuitul echivalent (R(Q(RW))), frecvent utilizat în literatură [Ye J.S. et al., 2004]. Pentru a descrie procesele ce au loc la suprafața electrodului modificat. Circuitul conține informații despre transferul de sarcină și despre difuzia care are loc la interfața electrodului. Acest circuit include două rezistențe (RΩ și Rct) și un element de fază constantă (Q) în combinație cu impedanța Warburg (ZW). RΩ reprezintă rezistența necompensată a soluției, în timp ce Rct furnizează valoarea rezistenței transferului de sarcină, care corespunde cuplului redox [Fe(CN)6]3+/[Fe(CN)6]2+.

Spectrele EIS au fost modelate prin fitarea datelor experimentale cu software-ul ZSimpWin 3.21 valorile estimate fiind prezentate în tabelul 5.5, având o valoare a distribuției mai mică de 15%. Valoarea Q a fost modelată ca un condensator non-ideal de capacítate C cu un exponent n, care este egal cu 1 pentru condensatorii ideali: [Ma Q. et al., 2010].

Figura 5.16 Diagramele de impedanță Nyquist pentru electrozii modificați GC ( ), GC/Dim ( ),GC/Hm-Dim ( ), GC/Den ( ) și GC/Hm-Den ( ) înregistrate în circuit deschis după imersia în soluția de 0.1 M KCl + 0.05 mM [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4 ( În detaliu: circuitul electric echivalent Rr(Q(RctW)), utilizat pentru modelarea electrozilor modificați sau nemodificați)

Tabelul 5.5. Valorile parametrilor circuitului echivalent utilizat Rr(Q(RctW)) pentru modelarea datelor de spectroscopie de impedanță electrochimică pentru electrozii GC, GC/Dim, GC/Hm-Dim, GC/Den și GC/Hm-Den după imersia în [Fe(CN)6]3+/[Fe(CN)6]2+, utilizând un circuit echivalent Rr(Q(RctW)). Condiții experimentale: vezi figura 5.16. unde RSD pentru fiecare experiment este exprimat în %; W este coeficientul reciproc Warburg.

Valoarea relativ mare a impedanței se datorează caracterului izolator al heminei. Rct descrește în momentul în care o singură melamină Dim sau Den, acoperă suprafața GC, sugerând aptitudinea lor de buni conducători de electroni, mai buni decât hemina. În același timp creșterea rezistenței transferului de sarcină a probei redox în prezența heminei incorporată în Dim sau Den comparativ cu electrozii GC/Den șiGC/Dim, se poate datora matricei electrodului care rămâne blocată de hemina izolatoare. Valorile rezistenței la transferul de sarcină (Rct) au fost mai mari în prezența Den decât în prezența Dim, sugerând că moleculele Dim sunt aranjate pe suprafața electrodului într-un mod mai puțin compact decât în celălalt caz, datorită dimensiunii mici și a formei planare a acestora, favorizând astfel transferul de electroni. Valoarea n asociată lui Q a fost de asemenea diferită în ambele cazuri, situație ce poate fi explicată printr-o schimbare ce are loc în morfologia filmului.

Rezultatele obținute indică faptul că ambele filme de melamine acționează ca niște bariere fizice, împiedicând accesul cuplului redox [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- la suprafața electrodului (vezi valorile ZW corespunzătoare procesului de difuzie).

5.3.4. Detecția amperometrică a H2O2

Cu scopul de a verifica activitatea electrocatalitică a electrozilor GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den față de reducerea H2O2, a fost înregistrat răspunsul lor electrochimic în absența și în prezența a 5×10-5 M H2O2 (figura 5.17.).

Se observă o creștere semnificativă a curentului picului catodic la electrozii GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den, comparativ cu electrozii GC și CG/Dim sau CG/Den, demonstrând efectul electrocatalitic al electrozilor modificați.

Eficiența catalitică a electrozilor modificați [calculată ca CE (%) = (Ipc,H2O2– Ipc,0)/Ipc,0, unde: Ipc,0 este curentul picului catodic înregistrat în absența H2O2 și Ipc, H2O2 este curentul picului catodic înregistrat în prezența H2O2] a fost de 77.66% pentru GC/Hm-Dim și 64.98% pentru GC/Hm-Den. Mărimea acestor valori prezintă faptul că hemina, ca și peroxidază, are o activitate intrinsecă catalitică bună, activitate ce poate facilita reducerea H2O2.

Figura 5.17 Voltamogramele ciclice în prezența a 0.05 mM H2O2 pentru electrozii GC (A, B, linie continuă), GC/Dim (A, linie întreruptă), GC/Den (B, linie punct), GC/Hm-Dim (A, linie cu 2 puncte) și pentru electrozii GC/Hm-Den (B) în absența H2O2. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7); viteza de baleiaj, 50 mV s-1; potențial de start, 0.2 V vs. Ag/AgCl, KClsat

Mecanismul posibil, descris în cele ce urmează, pentru reacția catalitică electrochimică observată, a fost inspirat de cunoscutul comportament al altor proteine ce conțin Fe3+ , conform reacției 5.7.[Huang W. et al., 2014]:

Hemin(Fe3+) + H+ + e- → Hemin(Fe2+) (5.7.)

În ceea ce privește reproductibilitatea, au fost înregistrate voltamograme ciclice în 0.1 M tampon fosfat (pH 7). În soluție s-a injectat o cantitate de 0.8 μM H2O2. Experimentul a fost efectuat pentru trei electrozi de GC/Hm-Den diferiți. Potențialul picului catodic specific pentru reducerea H2O2 obținut în urma acestui experiment, are o valoare medie de -0.423 ± 0.006 V vs. Ag/AgCl, KClsat (RSD = 1.32%), iar intensitatea curentului, o valoare medie de 1.048 ± 0.156 µA (RSD = 14.9%). Aceste valori recomandă electrodul modificat GC/ Hm-Den ca fiind un senzor valoros pentru reducerea H2O2.

Amperometria

Măsurătorile amperometrice permit determinarea parametrilor electroanalitici pentru electrozii modificați. Figura 5.18. prezintă curbele tipice de calibrare obținute cu electrozi diferiți, aplicând un potențial constant de -0.35 V vs. Ag/AgCl,KClsat și adăugând concentrații succesive de H2O2. În figura 5.18., Ic este curentul catodic măsurat la adaosul de H2O2, după stabilizarea curentului, iar I0 este curentul catodic măsurat în absența H2O2 .

Valorile parametrilor analitici arată faptul că prezența heminei în matricea compozită pe suprafața electrodului îmbunătățește sensibilitatea și scade limita de detecție pentru H2O2, în comparație cu electrozii nemodificați. Mai mult decât atât, compușii melaminici, singuri, manifestă de asemenea un efect benefic asupra activității electrodului de GC.

Parametrii analitici ai electrozilor modificați estimați din curbele de calibrare sunt prezentați în figura 5.6.

Cei mai buni parametri electroanalitici au fost obținuți în cazul electrodului GC/Hm-Dim, datorită probabil orientării sterice mult mai convenabile a unităților de hemină pe suprafața electrodului, ce permite să aibă loc o bună comunicare între centrele redox și substratul de cărbune sticlos. Parametrii analitici pentru detecția H2O2 cu electrozii GC/Dim-Hm șiGC/Den-Hm sunt în concordanță cu alte valori raporate în literatura de specialitate [Valentini F. et al., 2012].

Figura 5.18. Curbele de calibrare pentru detecția H2O2 cu electrozii GC (A, B), GC/Hm (A, B,), GC/Dim (A), GC/Den (B), GC/Hm-Dim (A) și GC/ Hm-Den (B. Adaosuri succesive de concentrații diferite de H2O2. Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7); potențial aplicat , -0.35 V vs. Ag/AgCl, KClsat; concentrație stoc de H2O2, 10-2 M; agitare continuă

Tabel 5.6. Parametrii analitici ai electrozilor modificați GC/Hm-Den și GC/Hm-Dim pentru detecția H2O2. Condiții experimentale: vezi figura 5.18.

calculată 3sa/b, unde sa este deviația standard al interceptului curbei de calibrare I = a + b[H2O2] și b este panta curbei de calibrare [B. Uslu et al., 2006].

În ceea ce privește selectivitatea electrodului, s-au analizat răspunsurile amperometrice înregistrate după adaosul a 500 μL de soluție de concentrație 10-2 M acid uric și acid ascorbic și 500 μL de soluție de concentrație 10-2 M H2O2 în 10 mL de soluție tampon, la un potențial aplicat de -0.35 V vs Ag/AgCl/KClsat. Amperogramele rezultate nu prezintă existența vreunei variații a intensității de curent corespunzătoare H2O2 (figura 5.18.

Figura 5.18. Răspunsul amperometric al electrozilor modificați GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den în prezența adițiilor succesive de H2O2, acid uric (UA) și acid ascorbic (AA). Condiții experimentale: electrolit, 0.1 M, tampon fosfat (pH 7), concentrația finală 0.5 mM analit soluțiile stoc 10-2 M; potențial aplicat, -0.35 V vs. Ag/AgCl/KClsat

5.4. Concluzii

S-a raportat utilizarea a doi compuși melaminici noi, melamine N-substitute, ca matrici pentru imobilizarea heminei pe suprafața electrodului de cărbune sticlos: melamină G-2 dendrimer (2,4,6-triamino-1,3,5-triazină) cu o unitate periferică p-aminofenol (Den) și unul din analogii săi, o melamină G-0 dimer (Dim). Efectuarea analizelor FT-IR pentru aceste materiale, aflate în stare solidă, arată existența unor interacțiuni intermoleculare între Hm omogenizată cu Dim și Den. Aceste interacțiuni confera o afinitate specifică față de electrozii de GC modificați, permițând astfel combinarea unor compuși diferiți.

Măsurătorile efectuate prin intermediul voltametriei ciclice și a spectroscopiei de impedanță electrochmică au permis estimarea parametrilor electrochimici pentru electrozii GC/Hm, GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den.

Ambii electrozi modificați, GC/Hm-Dim și GC/Hm-Den, prezintă o stabilitate și o activitate electrocatalitică bune față de reducerea H2O2.

Efectuarea măsurătorilor amperometrice au permis determinarea parametrilor electroanalitici ai electrozilor modificați.

Făcând o comparație între cei doi electrozi, electrodul GC/Hm-Dim are o activitate catalitică mai pronunțată decât electrodul GC/Hm-Den, însă este mai puțin stabil.

Concluzii generale și perspective

S-au preparat noi nano-materiale compozite pe bază de xerogeluri de carbon și bismut printr-o metodă sol-gel în vederea utilizării lor ca materiale de electrod pentru detecția ionilor metalici de Cd2+ și Pb2+.

Xerogelurile de carbon dopate cu bismut (BiCXe) au fost caracterizate din punct de vedere morfo-structural prin intermediul SEM-EDX, TEM, XRD. Caracterizarea electrochimică și electrocatalitică a BiCXe s-a realizat prin SWASV și voltametrie ciclică, iar parametrii electroanalitici ai electrozilor cărbune pastă modificați cu xerogeluri de C dopate cu Bi (BiCXe-CPE) și nedopate (CXe-CPE) s-au determinat prin SWASV și amperometrie.

Domeniul liniar al electrozilor modificați (BiCXe-CPE) la detecția a ionilor metalelor grele Cd2+, Pb2+ este 10-8 – 10-5 M respectiv 10-10 – 10-5 M, limita de detecție fiind 10-8 M Cd2+ respectiv 10-10 M Pb2+. Aceste performanțe recomandă electrodul BiCXe-CPE pentru detecția ionilor Cd2+, și Pb2+ din probe reale.

S-a elaborat și caracterizat o cerneală conductoare pe bază de xerogel de C modificat cu Bi, în vederea realizării unui electrod serigrafiat modifcat, utilizabil în detecția metalelor grele, cu care s-au efectuat teste preliminare pe hârtie fotografică.

S-au preparat și caracterizat două tipuri noi de electrozi modifcați cu hemină:

-Un electrod de grafit modificat cu polihemină și grafenă prin reducerea electrochimică simultană a oxidului de grafenă (GO) și electropolimerizarea heminei;

-Un electrod de cărbune sticlos modificat cu hemină și doi compuși melaminici noi sintetizați în departamentul de chimie organică al facultății: un dimer G-0 și un dendrimer G-2 (2,4,6-triamino-1,3,5 triazină).

6. Ambele tipuri de elecrozi modificați au fost caracterizați prin metode specifice morfo structurale (SEM, FT-IR, XRD) și electrochimice (voltametrie ciclică, spectroscopie de impedanță electrochimică).

7. Electrozii noi preparați au fost testați cu succes în procesul de detecție a H2O2 (pentru electrodul GC/Hm-Dim, eficiența catalitică 77,66%, iar pentru GC/Hm-Den 64,98%; pentru electrodul G/rGO/polyHm pentru proba reală a fost identificată o valoare de 0,165 mM H2O2, iar pentru electrodul G/polyHm testat doar în soluție de tampon fosfat limita de detecție este 13.3 µM, față de valoarea obținută cu electrodul G/rGO/polyHm de 8.88 µM)

În perspectivă se are în vedere:

Optimizarea temperaturii și a condițiilor de fabricare a xerogelurilor de C și stabilirea unui design optimizat pentru realizarea unor senzori utilizabili la detecția metalelor grele.

Soluția pentru imprimarea senzorilor necesită eliminarea efectului cofee ring, îmbunătățirea stabilității, a procesului de serigrafiere, realizarea unui design optimizat pentru senzori și efectuarea unor aplicații reale.

Îmbunătățirea stabilității și performanțelor electrozilor modificați cu hemină prin utilizarea unor compuși melaminici și a altor matrici polimerice.

Bibliografie

link 1-

http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article847- accesat în data de 26.08.2017;

link 2-

http://www.descopera.org/formarea-stratului-de-ozon/- accesat în data de 26.08.2017;

link3-

http://davidlu.net/Matt.pdf- accesat în data de 26.08.2017;

link4-

http://www.pix2015.com/partner/pma- accesat în data de 26.08.2017;

link5-

https://www.hdm-stuttgart.de/projekte/printing-inks/p_compo0.htm- accesat în data de 26.08.2017

link6- https://www.google.ro/search?q=voltametria+ciclica&biw=1280&bih=709&source=lnms&tbm= isch&sa=X&sqi=2&ved=0ahUKEwjBkJm3sLHOAhXza5oKHUm3A8AQ_AUIBigB&dpr=1#tbm=isch&q=voltametria+ciclica+tipica&imgdii=wn4CxNGO0qHClM%3A%3Bwn4CxNGO0qHl- accesat în data de 26.08.2017

link 7-

https://en.wikipedia.org/wiki/Bode_plot- accesat în data de 26.08.2017;

link 8-

https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_plot- accesat în data de 26.08.2017;

link 9-

http://cfamm.ucr.edu/documents/sem-intro.pdf- accesat în data de 26.08.2017;

link10-

http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/SEM.html- accesat în data de 26.08.2017;

link11-

https://cmrf.research.uiowa.edu/transmission-electron-microscopy

link12-

www.atascientific.com.au- accesat în data de 26.08.2017;

link13- http://www.google.ro/search?q=dls+zetasizer+nano&rlz=1C1CHZL_roRO700RO702&espv=2&biw=1280&bih=704&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiB05mDs_DPAhWLOxQKHUWDDIoQ_AUIBigB#imgdii=9-B-ISup7TZOXM%3A%3B9-B ISup7TZOXM%3A%3B9Vb3_CKFb05OYM%3A&imgrc=9-B-ISup7TZOXM%3ă- accesat în data de 26.08.2017;

link 14- https://www.google.ro/search?q=rheometer+HAAKE+RheoStress+RS+600&rlz=1C1CHZL_roRO700RO702&espv=2&biw=1280&bih=704&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiuzcfA3PDPAhVMNxQKHT85BjoQ_AUIBigB#imgrc=bP6Fa4iNjfjt4M%3A- accesat în data de 26.08.2017;

link 15-

https://qcequipment.wordpress.com/category/contact-angle-measurent-system-i-angle-of-contact-contact-angle-measurement-surface-free-energy-sessile-drop-method-pendent-drop-method/- accesat în data de 26.08.2017;

link 16- https://www.google.ro/search?q=tem+imaging+graphene&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjgq7Knl5LTAhVBWhQKHZcoCAYQsAQIHw&biw=1280&bih=891#imgrc=4K1YFFEPu6pTHM- accesat în data de 26.08.2017;

link 17-

http://www.descopera.ro/dnews/13664127-cercetatorii-au-descoperit-o-proprietate-noua-pentru-grafen-materialul-viitorului- accesat în data de 26.08.2017;

link 18-

http://www.pharmainfo.net/reviews/dendrimer-overview- accesat în data de 26.08.2017;

link 19-

Encyclopedia Britannica, visited 29.09.2016- accesat în data de 26.08.2017;

link 20-

https://en.wikipedia.org/wiki/Coffee_ring_effect- accesat în data de 26.08.2017;

Activitate științifică

Comunicări orale

L.C. Cotet, R. Deac, I. Fort, K. Magyari, L. Baia, G. Turdean, V. Danciu, L. Muresan : Synthesis and characterization of monolithic carbon xerogels/aerogel impregnated with bismuth nanoparticles for electrochemical sensing application, 11th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies (NN14), 8-11 July 2014, Thessaloniki, Greece.

L.C. Cotet, R. Deac, I. Fort, K. Magyari, A. Vulpoi, L. Baia, V. Danciu: Very large area of graphene-based materials synthesized by an improved top-down method, 11th International Conference on Nanosciences &Nanotechnologies (NN14) 8-11 July 2014, Thessaloniki, Greece.

A.R. Deac, C.L. Cotet, G. L. Turdean, L. M. Muresan- Bi-based carbon xerogel carbon paste electrode for Pb 2+ detection- 10th Edition Elsedima- “Environmental Legislation, Safety Engineering and Disaster Management”, 18th – 19th September 2014, Cluj- Napoca, Romania.

A. R. Deac, C.L. Cotet, G.L.Turdean, L.M. Muresan- Bi-based carbon xerogels-carbon paste electrode for Cd2+ detection- 2nd International Conference on Chemical Engineering- ICCE 2014, 05-08 November 2014, Iași, România.

A. R. Deac*, C. L. Cotet, G. L. Turdean, L. M. Muresan- Simultaneous determination of Cd2+ and Pb2+ by square wave voltammetry based on Bi doped carbon xerogel electrode (BiCXe-CPE)- Regional Symposium on Electrochemestry- RSE-SEE 2015, 07-77 June, Pravet, Bulgary