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Soft metal sulfide nanoparticles and nanocomposite based sensors for thiol and alcohol detection
Ghulam Mustafa
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Peter Lieberzeit
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29549.55630.876064-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Lauf der letzten Jahre geriet die Anwendung von Nanopartikeln und Nanokompositen zunehmend in den Brennpunkt wissenschaftlichen Interesses. Die Anwendung von Nanopartikeln als Erkennungsmaterialien erhöht aufgrund der stark erhöhten Oberfläche die Empfindlichkeit von Sensoren und verbessert daher das Detektionslimit. Vorabstudien zeigten, daß MoS2 Nanopartikel fundamentale Affinität zu organischen Thioldämpfen (RSH) zeigen, wahrscheinlich aufgrund passender Härte nach Pearson. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich daher damit MoS2 Nanopartikel hinsichtlich ihrer Sensoreigenschaften zu charakterisieren. Dabei stellte sich heraus, daß die Sensitivität der entsprechenden Sensoren durch Optimierung der Partikelgröße um bis zu einem Faktor 5 erhöht werden konnte. Daraus ließ sich auch der Zusammenhang zwischen dem Partikeldurchmesser und dem Sensorsignal erklären. Die chemische Ursache für die Erkennung konnte durch Selektivitätsstudien festgestellt werden, bei denen Verbindungen ähnlicher Masse, aber verschiedener Funktionalität getestet wurden, wie beispielsweise n-Oktan, Limonen und 2-Butanon. Die Selektivitätsfaktoren der Nanopartikel für n-Oktanthiol liegen bei 80 bzw. 30 bzw. 300 im Vergleich zu diesen Verbindungen. Die zur Erkennung führenden Wechselwirkungen basieren also tatsächlich auf der Thiolfunktion. In einem weiteren Schritt wurde der Einfluß der Pearsonhärte durch Ausweiten der Studien auf witere Metallsulfide, wie beispielsweise Cu2S und Ag2S, ausgedehnt. Ersteres Material führt verglichen mit MoS2 zu mehr als doppelt so großen Sensoreffekten, Ag2S sogar zu 21-mal größeren. Aus dem direkten Vergleich der Sensorsignale der Sulfide untereinander ergibt sich, daß diese bei abnehmender Pearsonhärte deutlich zunehmen. Dies stützt auch die grundlegende Annahme für die Strategie zur Sensorentwicklung für Thioldämpfe. Als optimal stellte sich dabei Ag2S heraus, das auf der Quarzmikrowaage (quartz crystal microbalance QCM) Detektionslimits von 18 ppb Oktanoldampf in der Luft erreicht. Der letzte Teil der Dissertation beschreibt erste Versuche zur Kombination dieser Nanopartikel mit Molekular Geprägten Polymeren (molecularly imprinted polymers, MIP). Mit Hilfe von AFM-Aufhahmen konnte gezeigt werden, daß Nanopartikel tatsächlich in der Polymermatrix verteilt werden können. Das dabei entstehende Nanokompositmaterial verbindet Affinität und die Erkennung mittels der MIP. Als Sensorschichte für Dämpfe aliphatischer Alkohole ermöglichen diese fünfmal höhere Meßeffekte, als die Partikel oder das MIP alleine. Ein Grund dafür ist, daß das MIP den Analyten in der Nähe der Affinitätspartikel vorkonzentriert.
Abstract
(Englisch)
In recent years, the use of nanoparticles and nanocomposites in the fabrication of chemical sensor has become a focus of interest. The use of nanoparticles as a recognition layer material enhances the sensitivity and limit of detection of a sensor because availability of substantially increased surface area. In preliminary studies it was found that molybdenum sulfide nanoparticles have substantial affinity towards gaseous thiols (RSH), based on Pearson hardness. The first part of this thesis consists of characterizing MoS2 nanoparticles according to their sensing properties. This revealed that the sensitivity of sensor was increased by the factor of 5 by optimizing the particle size yielding direct relationship between particle diameter and sensor signal. The chemical background of MoS2-thiol affinity interactions could be further clarified by selectivity studies with compounds with similar size but different functionality such as n-octane, limonene and ethyl methyl ketone. Resulting selectivity factors are round 80, 30 and 300 respectively as compared 1-octanethiol, which strongly suggest that interactions are based on thiol functionality. In a further step, the effect of hardness has also been studied by extending this strategy to different metals with prominent hardness difference i.e. Cu2S and Ag2S systems. The sensor signal of Cu2S is higher by the factor of 2.1 than MoS2 and Ag2S nanoparticles system has 21 times higher sensor signals than that of MoS2 system. By comparing the sensor signals of metal sulfides between one another, it is observed that with decreasing hardness of metal sulfide, the affinity interaction towards thiol substantially increases further supporting the fundamental strategic approach for thiol sensing. Moreover, this lead to Ag2S being the optimal material with a quartz crystal microbalance (QCM) limit of detection of 18 ppb for 1-octanethiol in air. Finally, the feasibility of composites combining Ag2S nanoparticles with molecularly imprinted polymers (MIP) was assessed. AFM studies proved the feasibility of this approach, i.e. particles indeed were incorporated into the polymeric matrix. This nanocomposite, bearing novel collective recognition properties of affinity interactions and molecular imprinting, was found highly suitable as sensor material for alcohols with pronounced sensitivity and selectivity increased by the factor of 5 as compared to its nanoparticles and MIP separately. The reason may be that the MIP functions as a pre-concentrator for the analyte close to the affine surface.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
QCM sensors thiol alcohol nanoparticles
Schlagwörter
(Deutsch)
QCM Sensoren Thiol Alkohol Nanopartikel
Autor*innen
Ghulam Mustafa
Haupttitel (Englisch)
Soft metal sulfide nanoparticles and nanocomposite based sensors for thiol and alcohol detection
Paralleltitel (Deutsch)
Weiche Metallsulfid Nanopartikel und auf Nanokomposite basierende Sensoren für die Detektion von Thiolen und Alkoholen
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
117 S. : Ill. graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Claus-Dieter Kohl ,
Dietmar Pum
Klassifikation
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines
AC Nummer
AC08920285
Utheses ID
13911
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |