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QCM- Studien zur Sensorik von TiO2 - Nanopartikeln
Deitze Elena Suyon Silva
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Peter Lieberzeit
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30191.45913.209169-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Ziel der Arbeit war die Optimierung und Charakterisierung von Synthesestra-tegien zur Herstellung molekular geprägter Polymer zur Detektion von TiO2- Nanopartikeln mittels QCM (Quartz Crystal Microbalance). Dazu wurden drei verschiedene Prägetechniken (Stempel-, Sedimentations.- und Volumenprä-gung) sowie drei verschiedene Polymermatrizes (Polyurethan, Polyacrylat und Ti-Sol-Gel) getestet.
Zur Optimierung der sensitiven Polymerschicht wurden PMAA, PVP und PU hergestellt. Nach der Charakterisierung mittels Lichtmikroskop wurden für die Prägung PMAA und PU verwendet, weil sie bessere Vernetzung und Stabilität zeigten, als PVP. Spektrometrische Überwachung der Vorpolymerisation im Polyurethan ergab keine relevanten Unterschiede in der Polymerisationskine-tik verschiedener Polymeransätze. Daher wurde für die weiteren Tests ein be-stimmtes Polyurethan („PU8“) ausgewählt und seine Polymerisationskinetik für verschiedene Zeiträume untersucht. Daraus ergab sich ein Zusammenhang zwischen Porengröße und Polymerisationszeit.
Für die Stempelherstellung wurden Glasplättchen und Si-Wafer verwendet. Dabei wurde das Sol-Gel Verfahren genutzt um die Qualität der Stempel zu verbessern. Es stellte sich heraus, dass sich TiO2 NP homogen im Sol-Gel ver-teilen. Nach dem Aufspinnen waren Sie allerdings in den Randbereichen der Schichten aufkonzentriert, was sich durch Änderung der Spinparameter be-heben ließ. Die Haftfestigkeit der TiO2 NP auf Glas sowie Si-Wafern wurde durch die Verwendung des Sol-Gels stark verbessert und führte zu stabilen Schichten, was ein wichtiger Faktor in der Stempel-Prägung ist.
Das molekulare Prägen wurde bei Raumtemperatur durchgeführt Morphologie, Topographie und Textur (Vernetzung der sensitive Schichten MIP) unterschei-den sich je nach der gewählten Prägungsmethode. Bei der Oberflächenprä-gung entstanden relativ enge und hinsichtlich der Größenverteilung etwas unregelmäßige Kavitäten. Bei der Volumenprägung dagegen wurde eine ho-mogene Verteilung erzielt. Dabei wurden große Kavitäten aufgrund der Ag-glomerierung der NPs erzeugt.
Es lässt sich feststellen, dass die QCM-Messung in wässrigen Matrizes mög-lich ist. Die Proportionalität zwischen Frequenzdifferenz und Änderung der Masse (Sauerbrey-Effekt) bei Anlagerung der TiO2 NPs an der Rezeptorschicht der MIP Elektrode konnte gezeigt werden. Die QCM-Messung mit PU als Re-zeptorschicht war stabil, allerdings bei relative kleinen Sensoreffekten (70 Hz@10 ppm Partikeln).
Die QCM-Messung mit PMAA (Sedimentation) als Rezeptorschicht führte zu mehr als zweimal höheren Sensoreffekten, allerdings bei reduzierter Lang-zeitstabilität der Schicht.
Volumenprägen resultierte zwar in stabilen schichten, die jedoch Matrixeffekte zeigten, und wahrscheinlich aufgrund der Größe der generierte Kavitäten (Höher: 0,409 µm, breit: 2,55 µm) nur niedrige Sensorantworten ergaben.
Die QCM-Messung mit Sol-Gel beschichteten Quarz zeigten große Potentiale in Hinsicht eine Optimierung der Querselektivität mit erhöht der Affinität der Rezeptorschicht, also ein sinnvoller Weg zu Erkennung der TiO2 NP.
Abstract
(Englisch)
The goal of this work was optimization and characterisation of synthesis strate-gies for the development of molecularly imprinted polymers in order to detect TiO2- nanoparticles using QCM (Quartz Crystal Microbalance). Therefore three different imprinting techniques (stamp-, sedimentation- and bulk imprinting) as well as three different polymer matrices (polyurethane, polyacrylate and Ti-Sol-Gel) have been tested.
For optimisation of sensitive polymer layers, PMAA, PVP and PU have been developed.
After characterisation using light microscopy, imprinting of PMA and PU are established because they demonstrated better cross-linking and stability com-pared to PVP. Spectrometric monitoring of prepolymerisation in polyurethane determined no significant differences in polymerisation kinetics of various pol-ymer approaches.
Therefore, a predetermined polyurethane (“PU8”) has been selected and its polymerisation kinetics for different time periods have been investigated. Out of that, a correlation between pore size and polymerisation time has been exam-ined.
For the stamp assembly, glass slides and Si-wafers have been employed. In both cases the sol-gel procedure helped improving the quality of the stamps. It was observed that TiO2 NPs distributed homogeneously in sol-gel. After spin coating, however, they were concentrated in the border areas of coatings, which resulted in a modification of spin parameters. The adherences of TiO2 NPs on glass as well as on Si-wafers are strongly ameliorated by utilization of sol gels. Moreover, it leads towards stabile layers, a crucial factor in stamp im-printing.
Molecular imprinting is accomplished at room temperature. Morphology, topog-raphy and texture (cross-linking of sensitive MIP layers) differentiate depend-ing on the selected imprinting method. In case of surface imprinting, relatively narrow and - regarding size distribution - somehow irregular cavities originated. Bulk imprinting, on the other hand, resulted into homogeneous distribution. In this process, large cavities are generated by virtue of NP agglomeration.
Without any doubt, QCM measurements can be assessed in aqueous matrices. Proportionality between frequency shift and mass alteration (Sauerbrey effect) by recognition of TiO2 NPs onto the receptor layer of the MIP electrode could be pointed out. The QCM measurement using PU as receptor layer was stable, admittedly at relatively low sensor effects (70 Hz@10 ppm particles). The QCM measurement using PMMA as receptor layer lead to sensor effects, at least two times as high, even so at reduced long time stability of the layer.
Volume imprinting indeed resulted in stable layers, which nevertheless showed matrix effects, and which probably yielded minor sensor responses due to the size of generated cavities (length: 0,409 µm, width: 2,55 µm). The QCM measurement of the sol-gel coated quartz demonstrated major potential with respect to optimization of cross-selectivity with increased affinity of the receptor layer, therefore a meaningful way of recognizing TiO2 NP.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
QCM studies TiO2 nanoparticles sensor
Schlagwörter
(Deutsch)
QCM-Studien TiO2 Nanopartikeln Sensor
Autor*innen
Deitze Elena Suyon Silva
Haupttitel (Deutsch)
QCM- Studien zur Sensorik von TiO2 - Nanopartikeln
Paralleltitel (Englisch)
QCM -Studies to sensors of TiO2 - nanoparticles
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
77 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Peter Lieberzeit
AC Nummer
AC13102627
Utheses ID
37098
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |