Development of electrochemical sensors for the detection of photosystem inhibiting herbicides

Abstract

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός αμπερομετρικού αισθητήρα για την ανίχνευση υπεροξειδίου του υδρογόνου και την ενσωμάτωσή του με χλωροπλάστες από σπανάκι γιατην περαιτέρω ανάπτυξη ενός αισθητήρα για ζιζανιοκτόνα. Ο αισθητήρας σχεδιάστηκε με τη χρήση ηλεκτροδίων μεταξοτυπίας που παράγονται εύκολα στις εγκαταστάσεις που είναι διαθέσιμες στο Πανεπιστήμιο του Cranfield. Ο αισθητήρας υπεροξειδίου του υδρογόνου έχει βασιστεί στην υπεροξειδάση χρένου (HRP) ως καταλυτικό στοιχείο και στην υδροκινόνη ως μεσολαβητή. Η HRP ακινητοποιήθηκε στην επιφάνεια του αισθητήρα χρησιμοποιώντας ένα πρόσφατα αναπτυγμένο πολυμερές με βάση τη θειοακετάλη ικανό για ομοιοπολική ακινητοποίηση πρωτοταγών αμινών. Ένας νέος βιοαισθητήρας βασισμένος σε HRP αναπτύχθηκε με μεταξοτυπία χρησιμοποιώντας μείγμα άνθρακα/πολυμερούς. Οι συγκεντρώσεις υπεροξειδίου του υδρογόνου αναλύθηκαν στο δυναμικό αναγωγής της υδροκινόνης (-0,3 V). Οι βιοαισθητήρες που αναπτύχθηκαν σε αυτή την εργασία είχαν χαμηλό όριο ανίχνευσης H2O2 (0,1 μM), μακροχρόνια σταθερότητα (μπορούν να αποθηκευτούν για 2 μήνες στους 4 oC) και με καλή αναπαραγωγιμότητα των μετρήσεων (RSD ~ 5%).Στον αισθητήρα υπεροξειδίου του υδρογόνου ενσωματώθηκαν χλωροπλάστες από σπανάκι σε μια προσπάθεια να δημιουργηθεί ένας αισθητήρας για ζιζανιοκτόνα ικανά να αναστέλλουν τη φωτοσύνθεση. Διαπιστώθηκε ωστόσο ότι η ποσότητα του H2O2 που παράγεται από τους χλωροπλάστες στις πειραματικές μας συνθήκες δεν ήταν επαρκής για να επιτρέψει την ποσοτική ανάλυση των ζιζανιοκτόνων υπό μελέτη. Λόγω αυτού, αναπτύχθηκε μια εναλλακτική προσέγγιση που βασίζεται στην ηλεκτροχημεία της αντίδρασης Hill. Σε αυτή την αντίδραση η φωτοσυνθετική διαδικασία και η ροή ηλεκτρονίων που διέρχεται από το φωτοσύστημα II (PSII) παρακολουθείται μέσω της ποσότητας του μειωμένου τεχνητού δέκτη ηλεκτρονίων. Κατά τονφωτισμό των χλωροπλαστών καταγράφηκε χρονοαμπερομετρικά το σήμα από τον μειωμένο δέκτη ή μεσολαβητή. Το προστιθέμενο ζιζανιοκτόνο αναστέλλει τη φωτοσυνθετική διαδικασία και μειώνει το σήμα του μεσολαβητή. Η μείωση του μετρούμενου ρεύματος είναι ανάλογη με τις συγκεντρώσεις ζιζανιοκτόνου και έτσι η μείωση αυτή χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση του εκάστωτε ζιζανιοκτόνου. Τρεις μεσολαβητές της αντίδρασης Hill δοκιμάστηκαν, συμπεριλαμβανομένων 2,6 διχλωροφαινολινδροφαινόλης (DCPIP) ντουροκινόνης και σιδηροκυανιούχου καλίου. Τα βέλτιστα αποτελέσματα ελήφθησαν χρησιμοποιώντας DCPIP. Το βέλτιστο μήκος κύματος για τη διέγερση των χλωροπλαστών ήταν στα 650 nm. Οι χλωροπλάστες είχαν ακινητοποιηθεί στην επιφάνεια του αισθητήρα χρησιμοποιώντας διασταυρούμενη σύνδεση με γλουταραλδεΰδη και αλβουμίνη βόειου ορού. Το ανεπτυγμένο σύστημα επέτρεψε αξιόπιστη ανίχνευση ζιζανιοκτόνων (RSD = 10%) με όριο ανίχνευσης 1-8 nM ανάλογα με τον τύπο του ζιζανιοκτόνου. Ο αισθητήρας μπορεί να αποθηκευτεί για 3 μήνες στους -80 oC. Πραγματοποιήθηκαν επίσης προκαταρκτικές μετρήσεις δειγμάτων νερού από ποτάμι χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα αυτό, υποδεικνύοντας καλή συσχέτιση μεταξύ των δεδομένων που ελήφθησαν με τον αναλυτή αέριας χρωματογραφία-φασματοσκοπίας μάζας (GC-MS) και του βιοαισθητήρα που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη και που βασίζεται σε μετρήσεις μέσω χλωροπλαστών.