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QCM sensor arrays for monitoring volatile plant emanations via molecularly imprinted polymers
Naseer Iqbal
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Peter Lieberzeit
DOI
10.25365/thesis.15192
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30397.02863.412166-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Zur Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC volatile organic component) wurde ein Sensorarray bestehend aus mehrkanaligen Schwingquarzen (MQCM multichannel quartz crystal microbalance) entwickelt. Als selektive Schicht für den jeweiligen Analyten kamen molekular geprägte Polymerbeschichtungen zum Einsatz. Diese Sensor Arrays wurden vorerst zur kontinuierlichen online Überwachung und selektiven Quantifizierung von Terpenen eingesetzt, die von Arten der Familie Lamiaceae, wie beispielsweise Pfefferminze (Mentha x piperinta) und Basilikum (Ocimum Basilicum) freigesetzt werden. Dabei erzielten die Sensoren bei der Bestimmung des Frischegrades bemerkenswerte Reproduzierbarkeit der Emanationsmuster. Diese waren vergleichbar zu GC-MS Messungen, mit einem Detektionslimit unter 70 ppm. Zusätzlich können diese Muster mit Erkennungsmethoden wie zum Beispiel der Hauptkomponentenanalyse (PCA principal component analyses), der PLS (partial least squares) und mittels künstlichen neuronalen Netzwerken (ANN artifical neuronal networks) untersucht werden. Des Weiteren wurde eine elektronische Nase mit einer molekular geprägten, biomimetischen Polymerschicht (MIP molecular imprinted polymer) entwickelt, die das Terpenemissionsmuster von frischen und getrockneten Kräutern charakterisiert. Hierzu wurden Rosmarin (Rosmarinus Officinalis L.), Basilikum (Ocimum Basilicum) und Salbei (Salvia Officinalis) eingesetzt. Die dazu notwendigen Optimierungsparamater der elektronischen Nase sind: Schichtdicken, Sensitivität der Analyte <20 ppm, Selektivität bei einer Konzentration von 50 ppm der Terpene und Reproduzierbarkeit. Die reversiblen Sensorantworten sind in einem Konzentrationsbereich von <20 ppm bis 200 ppm linear. Die Isomere α- und β-Pinen sind signifikant unterscheidbar. Die Unterscheidbarkeit zwischen frischen und getrockneten Kräutern konnte durch die entsprechenden Messeffekte (20-1200 Hz) der elektronischen Nasen realisiert werden. Die erhaltenen Daten wurden zur Mustererkennung mittels PCA und ANN analysiert und durch Ergebnisse der GC-MS Messungen, welche einen ähnlichen Trend darstellen, validiert. Die Haltbarkeitsdauer der Kräuter konnte durch die Emanation der flüchtigen organischen Bestandteile über einen Zeitraum von mehreren Tagen bestimmt werden. Die Detektionslimits sind besser als 20 ppm und erlauben die Überwachung der Lagerung über mehrere Tage.
Zusätzlich wurde eine MIP Screening Methode zur chemischen Bestimmung von Ethlyacetat entwickelt. Dazu wurden sechs MIPs mit unterschiedlichen Monomer¬zusammensetzungen aus VP, PS und DVB hergestellt und getestet. Als das am besten geeignete Sensormaterial für Ethylacetat erwies sich das Polymer mit einer Monomer¬zusam¬mensetzung von VP:PS:DVB 1:2:7 etabliert. Damit konnten Sensitivitäten und Selektivitäten über einen weiten Konzentrationsbereich von 25-3000 ppm für Ethylacetat erreicht werden. Die Querselektivität dieses MIP zwischen 250 und 750 ppm zu 1-Propanol erwies sich als sehr gering (≤ 1 Hz). Schlussendlich wurde ein Sensor Array mit vier Elektroden pro Substrat konstruiert. Dessen Herstellung wurde durch die Optimierung der Elektrodengröße, deren Geometrie und dem Kalibrieren der Heizwendel bestimmt. Diese neu entwickelte Strategie wurde zur massensensitiven real-time Bestimmung und Unterscheidung von Terpenen, welche von Thymian freigesetzt werden, eingesetzt. Die Muster der freigesetzten Terpene, welche mittels vier-Elektroden QCM Arrays erhalten wurden, sind mit den GC-MS Daten vergleichbar. Somit können derartige QCM Sensorarrays in der Praxis zur sensitiven und selektiven Bestimmung einer Vielzahl von biologischen Analyten im mikro- und makro-Bereich, wie beispielsweise die DNA Bestimmung, die Überwachung von VOCs von Pflanzen, bei der Kompostierung oder bei Abbauprozessen, die Qualitätskontrolle, die Haltbarkeit und Frische von Lebensmittel und in zahlreichen Industriebereichen, in unterschiedlichen Phasen zum Einsatz kommen.
Abstract
(Englisch)
Arrays of chemical sensors derived from 10 MHz piezoelectric multichannel quartz crystal microbalance (MQCM) have been developed for selective monitoring of volatile organic compounds. Molecularly imprinted artificial recognition membranes have been used for imprinting the analytes of interest. At first the designed sensor array was used for continuous online surveillance and selective quantification of terpenes emanated from species of Lamiaceae family, i.e., peppermint (Mentha × piperita)and basil (Ocimum Basilicum). In terms of monitoring freshness, appreciable reproducibility in emanation patterns comparable to GC-MS analysis was attained with a limit of detection below 70 ppm. Hence, its competency to be explored jointly with pattern recognition tools, i.e., PCA, PLS and ANN. Furthermore, an e-nose with MIP coated biomimetic sensitive layers for comparative study of emanating terpenes of fresh and dried: rosemary (Rosmarinus Officinalis L.), basil (Ocimum Basilicum) and sage (Salvia Officinalis) was made. The optimal e-nose parameters: layer heights, sensitivity <20 ppm of analytes, selectivity at 50 ppm of terpenes, repeatability and reproducibility were systematically achieved. Linearity in reversible responses over a concentration range of ≤ 20-200 ppm has been observed. Isomers, α-pinene and β-pinene can be significantly differentiated by the sensor system. Sensitive and selective properties of e-nose for sensor effects (20–1,200 Hz) have been established which distinguish fresh herbs from dried. The sensor data was analyzed for pattern recognition via PCA and ANN and corroborated with GC-MS results which revealed a similar trend. Moreover, the limit of detection to ≤ 20 ppm and shelf-life of herbs to few days have been examined via designed e-nose.
In addition, an ethyl acetate MIP screening strategy has been successfully developed for its chemical sensing. Six MIPs with different monomer compositions of VP, PS and DVB were prepared and tested. Polymer B with monomers ratio (VP: PS: DVB, 1:2:7) was observed as most favorable sensing material for ethyl acetate. Sensitivity and selectivity from a broad range of concentration 25-3000ppm of ethyl acetate was achieved. Cross selectivity of this MIP at 250-750 ppm against 1-propanol was observed to be quite low, i.e., ≤ 1Hz. Finally a tetra-electrode QCM sensor array has been designed. Its fabrication was done through optimizing electrodes size, geometry and with calibration of heating coil. This novel strategy was used for real-time differential mass sensing of terpenes emitted from thyme plant. Patterns of emanating terpenes observed from tetra-electrode QCM array and GC-MS were comparable. Such QCM sensors arrays in practice can explore sensitive and selective concerts for a variety of analytes in different phase’s ranging from bio- micro to macromolecules, e.g., in DNA sensing, monitoring VOCs of plants, composting and degradation process, estimating quality , shelf-life and freshness of food products and in various industries.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
sensor array molecular imprinting quartz crystal microbalance VOC on-line analysis
Schlagwörter
(Deutsch)
Sensorarray molekulares Prägen Quartzmikrowaage flüchtige organische Verbindungen On-line Analytik
Autor*innen
Naseer Iqbal
Haupttitel (Englisch)
QCM sensor arrays for monitoring volatile plant emanations via molecularly imprinted polymers
Paralleltitel (Deutsch)
QCM Sensorarrays für die Überwachung organischer Dämpfe aus Pflanzen über Molekular Geprägte Polymere
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
169 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Peter Lieberzeit
AC Nummer
AC08923409
Utheses ID
13632
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |