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Synthetic materials designed by molecular imprinting for developing chemical sensors for oil degradation, metals ions and PAHs
Adnan Mujahid
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Franz Dickert
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29551.69133.665966-7
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die Kombination von massensensitiver Instrumentierung mit synthetischen Polymeren ist eine effektive Strategie, um chemische Sensoren zu entwerfen. Schwingquarze (QCM) mit molekular geprägter Schicht MIP sind für die selektive Detektion von unterschiedlichen Analyten in komplexer Mischungen sehr geeignet. Diese Arbeit stellt einen Beitrag zur Anwendung von chemischen Sensoren basierend auf QCM unter Verwendung von synthetischen Rezeptoren dar. In ersten Teil dieser Dissertation wurden Zirkonium-Nanopartikel mit Kaprinsäure geprägt und der Alterungsprozessen von Ölen über die Detektion von azidischer Degradationsprodukten charakterisiert. Massensensitive Messungen wurden mit geprägten Nanopartikeln mit 10 MHz AT-cut Schwingquarzen durchgeführt. Die Beschaffenheit der Nanopartikel wurde mit Hilfe von Atomkraftmikroskopie AFM überprüft. Der Effekt der Temperatur auf den Sinterprozess des Materials wurde über die Sensorantworten verfolgt. Diese Nanopartikel wurden ebenfalls mit unter¬schied-lich alten Oelproben getestet und das dazugehörige Sensorsignal aufgezeichnet. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der IR-Absorption und dem Sensorsignal von unterschiedlichen Ölproben ermittelt werden. Durch die Kombination von Titan und Zirkonium im Verhaeltnis 1:1 wurde eine neue Variante von Titan und Zirkonium gepraegten Nanopartikeln geschaffen. Die Groesse und Verteilung von diesem gemischten sensitiven Material wurde mittels AFM charakterisiert, und eine Beziehung zwischen der Partikelgroesse und der Sensorantwort hergestellt. Für die Detektion von Erdalkalimetallionen wurden geprägte Polyurethane verwendet. Magnesium-gepraegte Polyurethanschichten zeigten substantielle Selektivität und Sensitivität gegenüber anderen Metallionen wie Ca2+, Sr2+ und Ba2+. Die Untersuchung wurde auf zweiwertigen Übergangsmetallionen erweitert, und ein neues Polymer¬system, wie z.B. Polyvinylpyrrolidone, entwickelt. Die Sensorantworten vom Ni2+-gepraegten Polymer wurde mit anderen Metallionenprobeloesungen verglichen, z.B. Cu2+, Co2+ und Zn2+, und es wurden zufriedenstellende Selektivitaetsmuster beobachtet. Fuer die Detektion von polyaromatischen Kohlenwasserstoffen PAHs, z.B. Anthracen in Wasser, wurden rigide und robuste Polyurethanschichten synthetisiert. Die Anthracene wurden in die Polyurethanmatrix durch doppelte Prägung eingefügt, wobei ein großes und ein relativ kleines Molekuel in geeigneten Verhältnissen zusam¬mengefügt wurden. Die entworfenen sensitiven Schichten zeigten Sensitivität bis zu 0.1 µg/L Anthracen in Wasser, sowohl bei der Fluoreszenzmessung als auch bei Schwingquarzmessung. Im letzten Teil der Dissertation wurde ein multidimensionales QCM Sensorsystem für die Detektion von drei unterschiedlichen Analyten, z.B. PAHs, Herbizide und Metallionen, entwickelt. Es wurde ein 4-Elektroden QCM fuer diesen Zweck entworfen, und eine spezielle Teflonzelle fuer die Messungen konstruiert. Die Messzelle wurde mit einer Reihe von unterschiedlichen Konzetrationen von jedem Analyten gefüllt und die entsprechenden Sensorantworten von allen vier Kanälen wurden aufgezeichnet.
Abstract
(Englisch)
The idea of combining mass sensitive devices along with synthetic polymers has proven an effective strategy for designing chemical sensors. Quartz crystal microbalance QCM coated with molecularly imprinted MIP layers are very useful for selective detection of various analytes from complex mixtures. This work is an important contribution to realize the applications of chemical sensors based on mass sensitive devices using artificial receptors. In the first part of the thesis, capric acid imprinted zirconia nanoparticles have been synthesized and tested for degradation analysis of waste engine oil products i.e. acidic components. Mass sensitive measurements were performed by coating imprinted nanoparticles on 10 MHz AT-cut quartz crystal. The morphology of nanoparticles was studied by atomic force microscopy (AFM). The sintering or temperature effect on sensor response was observed as the degradation processes normally undergo at higher temperatures. These particles were also tested with different aged oil samples and corresponding sensor signal was monitored. The correlation between Infra red (IR) absorbance and the sensor signal of different waste oil samples was also made and found in accordance. The combined effect of imprinted titania and zirconia nanoparticles as next generation was also studied by designing composite material of titania and zirconia in 1:1. The size and distribution of this composite sensing material was also characterized by AFM and relationship between size of particles and sensor response was also evaluated. Imprinted polyurethane was used for the detection of alkaline earth metal ions. Mg-imprinted polyurethane layers have shown substantial sensitivity and selectivity over other metal ions such as Ca+2, Sr+2 and Ba+2. The study was extended for transition divalent metal ions and new polymer system was developed i.e. poly vinyl pyrrolidone. The sensor response of Ni+2 imprinted polymer was compared to other test metal ions solutions i.e. Cu+2, Co+2 and Zn+2 and significant selectivity pattern was observed. Rigid and robust polyurethane layers were synthesized for detection of poly aromatic hydrocarbons (PAHs) i.e. anthracene in water. The anthracene was introduced in polyurethane matrix by following double imprinting approach where a large and a relatively small molecule are added in appropriate ratios. The designed sensitive layers have shown sensitivity up to 0.1 µg/L of anthracene in water both on fluorescence and QCM system. In the final part of thesis, a multi sensor QCM system was developed for the detection of three different analytes i.e. PAHs, herbicides and metal ions. A tetra electrode QCM was designed for this purpose and a special Teflon cell was constructed for measurements. A set of different concentrations of each analyte was run on the cell and corresponding sensor response of all four channels was determined.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Molecular Imprinting QCM Metal ions PAHs Waste oil nanoparticles
Schlagwörter
(Deutsch)
Molekulares Prägen QCM Metallionen PAHs Öldegradation Nanopartikel
Autor*innen
Adnan Mujahid
Haupttitel (Englisch)
Synthetic materials designed by molecular imprinting for developing chemical sensors for oil degradation, metals ions and PAHs
Paralleltitel (Deutsch)
Synthetische Materialien designed mittels molekularem Prägen für die Generierung eines Chemosensors für Ölalterung, Metallionen und PAHs
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
131 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Wolfgang Kautek ,
Claus-Dieter Kohl
Klassifikation
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines
AC Nummer
AC08059903
Utheses ID
8039
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |
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