Solving Analytical Challenges with Thin Layer Electrochemistry

QC 2023-09-06

Abstract

Införandet av kemiska sensorer för decentraliserade mätningar utanför laboratoriemiljö är idag eftersträvat för att öka kunskaperna kring människans påverkan på naturen, samt för att öka förståelsen kring biologiska och geologiska händelseförlopp i naturen. Idag riktas mycket fokus inom den analytiska kemin på att utveckla kemiska sensorer som kan kopplas på nedsänkbara sonder och direkt mäta halter av ämnen i naturliga vatten över en längre tid. De flesta kemiska sensorer som har utvecklats idag är dessvärre inte robusta nog för längre mätningar, och vissa ämnen kan inte mätas utan reagens tillförs provet. En lösning till denna utmaning skulle vara att finna reagenslösa lösningar för att justera provernas sammansättning inför analys. Denna avhandling hade som mål att utveckla sådana metodologier baserade på material vilka kan styra jontransporter under elektrokemisk kontroll (aktuatorer), samtidigt som deras förmåga att modulera dessa har kvantifierats med kemiska sensorer. Både aktuatorer och sensorer implementerades i tunnskiktsprover i 3D-printade celler. Detta medförde att mycket små volymer av prover (ca 100 µm tunna prover) ned till ca 0.5 µL kunde analyseras, vilket resulterade i snabba mätningar som inte var begränsade av diffusionen.

Först undersöktes materialet polyanilin (PANI) för att justera pH i tunnskiktsprover. När den elektrokemiska potentialen skiftar för PANI så ändras dess molekylära struktur, vilket leder till att vätejoner (syre) bindningar släps från materialet till tunnskiktsprovet, vilket sänker dess pH från ca 8 ner till 2-3. I kombination med en pH-elektrod i tunnskiktsprover kunde tillförlitliga alkalinitet-mätningar utföras i riktiga och artificiella prover över en period av två veckor, och möjligen ännu längre. Genom att kombinera PANI-försurningen med plana optoder som kunde mäta pH och CO2 med hög bildupplösning kunde koncentrationer av buffertkapacitet och totalt oorganiskt kol (DIC) mätas i 2D med en hög upplösning (mm>). Den PANI-baserade försurningen testades i diverse prover; på färskvatten växter, i bräckt vatten, havsvatten och i jordprover, vilket påvisar dess exceptionellt mångsidiga analytiska prestation.

Därefter utvecklades konceptet för selektiv avjonisering av tunnskiktsprover. Detta koncept är extra intressant när den ställs i kontexten att vissa jonmätningar inte kan utföras på grund utav att de störs ut av interferenser i provet vilket höjer deras detektionsgränser (LOD), vilket är fallet för Li+ och NH4+-sensorer. Icke-Faradiska processer utforskades baserade på kolnanorör (CNTs) för att modulera jonöverföringar. För att uppnå selektivitet för att avlägsna enbart en jonart så täcktes CNTs med ultra-tunna jonselektiva membran (ISMs; ca 200 nm). Resultaten påvisade att det är möjligt att selektivt avjonisera prov genom denna CNT-ISM tandem, och flera olika joner påvisades möjliga att undergå denna process med hjälp av potentiometriska sensorer och optoder implementerade i den 3D-printade tunnskiktscellen. Överlag visar denna CNTs-ISM tandem potential för att kunna sänka LODs för sensorer i komplexa matriser, såsom biologiska och miljöprover, vilket skulle kunna bidra till decentraliserade mätningar i framtiden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-335376