Techno-economic design requirements for integrating biosensors in environmental monitoring of aquatic ecosystems

Abstract

Σκοπός της διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη βιοαισθητήρων βάσει περιβαλλοντικών προδιαγραφών και τεχνο-οικονομικών κριτηρίων για την παρακολούθηση της ποιότητας υδάτινων οικοσυστημάτων. Οι στόχοι της διατριβής περιλάμβαναν (i) το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού πλαισίου για τη διαμόρφωση υποδειγμάτων των υδάτινων οικοσυστημάτων, κατάλληλων για τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραμέτρων ποιότητας (προσδιοριστέοι παράγοντες) που πρέπει να παρακολουθούνται καθώς και των περιορισμών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό των βιοαισθητήρων λόγω της λειτουργίας τους στο περιβαλλοντικό πεδίο, (ii) το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, τη διερεύνηση της αξιοπιστίας και την αξιολόγηση (μέσω υπολογιστικής και φυσικής προσομοίωσης) βιοαισθητήρων πεδίου εξειδικευμένων για το περιβάλλον λειτουργίας και τις παραμέτρους παρακολούθησης και (iii) τη μελέτη της εμπορευσιμότητας των βιοαισθητήρων που αναπτύχθηκαν με βάση το υπάρχον τεχνολογικό πλαίσιο, τις ευκαιρίες εφαρμογής, της ικανότητας υιοθέτησης νέας τεχνολογίας και των προβλημάτων στη βιομηχανική παραγωγή.Η μοντελοποίηση των υδάτινων συστημάτων βασίσθηκε σε μια οντολογική πλατφόρμα προκειμένου να καθίσταται δυνατός ο εντοπισμός των κρίσιμων αλληλεπιδράσεων εντός του οικοσυστήματος σε διαφορετικές κλίμακες. Οι βιοαισθητήρες αναπτύχθηκαν σε μια πλατφόρμα λιπιδικών μεμβρανών που συνδέεται με έναν ηλεκτροχημικό μεταλλάκτη για τον προσδιορισμό υπεροξειδίου, φαινολών και νιτρικών σε δείγματα νερού και ιζημάτων (από την παράκτια ζώνη ή/και τον βυθό). Η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων βάσει της προβλεπόμενης χρήσης τους και η αξιολόγησή τους υπό πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες και με πραγματικά δείγματα δεν έχει αναφερθεί προηγουμένως στη βιβλιογραφία. Η αντικατάσταση της λιπιδικής πλατφόρμας με πολυμερισμένες μεμβράνες και η μετατροπή του μεταλλάκτη σε ηλεκτρόδια νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου ή γραφενίου οδήγησαν σε νανοαισθητήρες με βελτιωμένα αναλυτικά χαρακτηριστικά, όπως διαπιστώθηκε στο σύστημα χοληστερόλης - οξειδάσης της χοληστερόλης. Το σύγχρονο τεχνολογικό πλαίσιο των βιοαισθητήρων διερευνήθηκε, επίσης, με βάση την ικανότητα υιοθέτησης της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένου του εντοπισμού κρίσιμων εμποδίων στη βιομηχανική παραγωγή και την ανταγωνιστικότητα.