Title (eng)
Designing and characterization of plastic antibodies as chemical sensor materials for pesticides detection
Parallel title (deu)
Herstellung und Charakterisierung von plastischen Antikörpern als chemische Sensormaterialien für die Detektion von Pestiziden
Author
Sadaf Yaqub
Advisor
Franz Dickert
Assessor
Franz Dickert
Abstract (deu)
In Europa und anderen Teilen der Welt wird eine große Zahl an Insekten- und Pflanzenschutzmitteln verwendet. Diese unterscheiden sich bezüglich ihrer Funktionalität und Polarität sehr stark voneinander. Gut bekannt sind langlebige halogenierte Kohlenwasserstoffe (z.B.: Gruppe der Chlorotriazine), die auch im Erdboden gefunden werden und durch die Kontamination des Grundwassers ein ernst zu nehmendes Umweltrisiko darstellen.
Die Instrumentelle Analytik hat sich als eine sehr effiziente Strategie erwiesen, alle Arten von synthetisch hergestellten Schädlingsbekämpfungsmitteln zu detektieren. Da die Zeit einen immer beträchtlicher werdenden Kostenfaktor darstellt, wird die Strategie der „On- Line- Überwachung“ zur Kostenreduktion immer wichtiger.
Die Selbstorganisation von Monomeren um ein Templatgerüst führt zu hoch selektiven molekularen Prägungen im Nanometer- und Subnanometer Bereich. Ziel dieser Dissertation ist die Anwendung dieses Phänomens zur Herstellung von künstlichen Rezeptoren, um mit ihnen Chlorotriazine online zu detektieren. Im ersten Schritt werden geprägte Polymere hergestellt, die aus hydrophilen und hydrophoben Seitenketten von Acrylat / Methacrylat Monomeren bestehen, um mit ihnen Atrazin zu detektieren. Strukturanaloga des Atrazin beinhalten die heterozyklische Struktur von Triazin. Um optimale nichtkovalente Interaktionen zwischen der eher hydrophoben Leitstruktur des Atrazins und den Aminogruppen zu erhalten, wird sowohl das Monomerverhältnis zwischen Säure und Quervernetzer gerändert, als auch ein geeigneter Acrylatester als Kopolymer zugesetzt. Das auf einen Quarzsensor aufgebrachtes Copolymer, bestehend aus Methacrylsäure und Ethylenglykoldimethacrylat, führt zu einer vollständig reversiblen Atrazin- Sensorantwort mit 50 pbb als Detektionslimit. Die große Selektivität dieses Sensors zeigte sich durch ein 4-5 fach so großes Sensorsignal von Atrazin sowohl gegenüber dessen Metaboliten, Des- Ethyl- Atrazin (DEA), Des- Isopropyl- Atrazin (DIA), und Des- Ethyl- Des- Isopropyl- Atrazin (DEDIA), als auch gegenüber Strukturanaloga z. B. Simazin (SIM), Propazin (PRO), und Terbuthylazin (TBA).
Darüber hinaus wird das Sättigungsverhalten der Sensorschicht bestehend aus geprägtem Copolymer durch den Übergang zu Nanopartikeln beträchtlich erhöht, was sowohl eine 3 mal größeren Sensitivität zu Atrazin, als auch in einer 14-50 fach höheren Frequenzänderungen gegenüber dessen Metaboliten und Strukturanaloga bedingt.
Schließlich wurde das Sensorverhalten der künstlichen Rezeptoren mit den natürlichen Antikörpern für Atrazin verglichen. Die Empfindlichkeit der künstlichen Atrazin- Rezeptoren waren 2,6 fach höher, als deren natürliche Antikörper. Die Kreuzsempfindlichkeit für natürliche Atrazin- Antikörper fiel mit dem 3 bis 9 fach höheren Atrazin- Signal vergleichsweise niedrig aus. Das Detektionslimit für synthetisch hergestellte Rezeptoren war mit 35 ppb dem Detektionslimit für natürliche Antikörper 500 ppb weit überlegen, da aufgrund der größeren Oberfläche mehr Interaktionsstellen für das Analytmolekül angeboten werden. Kurz gesagt, die Reproduzierbarkeit und Stabilität der künstlichen Antikörper war ausgezeichnet. Als weiteren Aspekt sind die Kosten für synthetisch hergestellte Sensorschichten im Vergleich zu natürlichen Antikörper sehr gering, was man bedenken soll, wenn man synthetische Antikörper oder natürliche Antikörper zur "online" Überwachung einsetzt.
Abstract (eng)
A large variety of insecticides and herbicides are applied in Europe and other parts of the world. These compounds differ strongly in respect to their functionality and polarity. Well known are persistent halogenated hydrocarbons (e.g. members of Chlorotrazine family) which are also found in soil causing serious risk to environment by contaminating underground water.
Instrumental analysis has proven to be an efficient strategy to detect all kinds of compounds which are generated by synthetic activities. In the course of time it gets more important to perform an “on-line” monitoring to reduce costs.
Self-organization of monomers around a template species leads to highly selective molecular imprints in the nanometer- and sub-nanometer range. The purpose of this dissertation is to apply this phenomenon for designing artificial receptors for online detection of Chlorotriazines. Initially, imprinted polymers containing both hydrophilic and hydrophobic side chains from acrylate-/methacrylate monomers were designed for Atrazine. Structural analogues of atrazine share the basic heterocyclic structure of triazine. Adjusting acid to cross linker ratio as well as introducing acrylate ester as copolymer resulted in optimal non-covalent interaction with the rather hydrophobic core of the Atrazine molecule and the amino groups. Deposited on QCM, molecularly imprinted copolymer of methacrylic acid and methacrylate crosslinked with ethylene glycol dimethacrylate led to fully reversible sensor responses with of 50 ppb for Atrazine. The polymer layer was also selective with 4-5 times higher sensor signal against its metabolites des-ethyl atrazine (DEA), des-isopropyl-atrazine (DIA) and des-ethyl-des-isopropyl-atrazine (DEDIA) and structural analogues e.g. Simazine (SIM), Propazine (PRO) and Terbuthylazine (TBA).
Furthermore, transforming imprinted polymer copolymer of methacrylic acid and methylacrylate into nanoparticles enhanced capturing potential of the sensor layers. Sensitivity for Atrazine was enhanced three fold as well as 14-50 times higher frequency shifts against its metabolites and structural analogues were recorded.
Finally, the sensor characteristics of synthetic receptors were compared with natural antibody of Atrazine. Sensitivity of imprinted nanoparticles towards Atrazine was 2.6 times higher than natural antibody of Atrazine. The selectivity of natural antibody was also comparatively low being only 3 to 9 times greater frequency shifts for Atrazine against other triazine analogues. The detection limit by synthetic receptors (MIP-NP) was excellent (35 ppb) compared to that of natural antibody (500 ppb) due to their larger surface area providing greater docking points for analyte molecules. In short, overall efficiency of the synthetic antibody was appreciable with high reproducibility and stability. Also, the cost of synthetic sensor layers was very low as compared to the natural antibody, suggesting the synthetic antibodies replaceable with natural ones as chemical sensor coatings for online monitoring of pesticides.
Keywords (eng)
plastic antibodiesdetection of pesticidesQCMchemical sensors
Keywords (deu)
plastische AntikörperDetektion von PestizidenQCMchemische Sensoren
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1273714
rdau:P60550 (deu)
127 S.
Number of pages
127
Association (deu)
Title (eng)
Designing and characterization of plastic antibodies as chemical sensor materials for pesticides detection
Parallel title (deu)
Herstellung und Charakterisierung von plastischen Antikörpern als chemische Sensormaterialien für die Detektion von Pestiziden
Author
Sadaf Yaqub
Abstract (deu)
In Europa und anderen Teilen der Welt wird eine große Zahl an Insekten- und Pflanzenschutzmitteln verwendet. Diese unterscheiden sich bezüglich ihrer Funktionalität und Polarität sehr stark voneinander. Gut bekannt sind langlebige halogenierte Kohlenwasserstoffe (z.B.: Gruppe der Chlorotriazine), die auch im Erdboden gefunden werden und durch die Kontamination des Grundwassers ein ernst zu nehmendes Umweltrisiko darstellen.
Die Instrumentelle Analytik hat sich als eine sehr effiziente Strategie erwiesen, alle Arten von synthetisch hergestellten Schädlingsbekämpfungsmitteln zu detektieren. Da die Zeit einen immer beträchtlicher werdenden Kostenfaktor darstellt, wird die Strategie der „On- Line- Überwachung“ zur Kostenreduktion immer wichtiger.
Die Selbstorganisation von Monomeren um ein Templatgerüst führt zu hoch selektiven molekularen Prägungen im Nanometer- und Subnanometer Bereich. Ziel dieser Dissertation ist die Anwendung dieses Phänomens zur Herstellung von künstlichen Rezeptoren, um mit ihnen Chlorotriazine online zu detektieren. Im ersten Schritt werden geprägte Polymere hergestellt, die aus hydrophilen und hydrophoben Seitenketten von Acrylat / Methacrylat Monomeren bestehen, um mit ihnen Atrazin zu detektieren. Strukturanaloga des Atrazin beinhalten die heterozyklische Struktur von Triazin. Um optimale nichtkovalente Interaktionen zwischen der eher hydrophoben Leitstruktur des Atrazins und den Aminogruppen zu erhalten, wird sowohl das Monomerverhältnis zwischen Säure und Quervernetzer gerändert, als auch ein geeigneter Acrylatester als Kopolymer zugesetzt. Das auf einen Quarzsensor aufgebrachtes Copolymer, bestehend aus Methacrylsäure und Ethylenglykoldimethacrylat, führt zu einer vollständig reversiblen Atrazin- Sensorantwort mit 50 pbb als Detektionslimit. Die große Selektivität dieses Sensors zeigte sich durch ein 4-5 fach so großes Sensorsignal von Atrazin sowohl gegenüber dessen Metaboliten, Des- Ethyl- Atrazin (DEA), Des- Isopropyl- Atrazin (DIA), und Des- Ethyl- Des- Isopropyl- Atrazin (DEDIA), als auch gegenüber Strukturanaloga z. B. Simazin (SIM), Propazin (PRO), und Terbuthylazin (TBA).
Darüber hinaus wird das Sättigungsverhalten der Sensorschicht bestehend aus geprägtem Copolymer durch den Übergang zu Nanopartikeln beträchtlich erhöht, was sowohl eine 3 mal größeren Sensitivität zu Atrazin, als auch in einer 14-50 fach höheren Frequenzänderungen gegenüber dessen Metaboliten und Strukturanaloga bedingt.
Schließlich wurde das Sensorverhalten der künstlichen Rezeptoren mit den natürlichen Antikörpern für Atrazin verglichen. Die Empfindlichkeit der künstlichen Atrazin- Rezeptoren waren 2,6 fach höher, als deren natürliche Antikörper. Die Kreuzsempfindlichkeit für natürliche Atrazin- Antikörper fiel mit dem 3 bis 9 fach höheren Atrazin- Signal vergleichsweise niedrig aus. Das Detektionslimit für synthetisch hergestellte Rezeptoren war mit 35 ppb dem Detektionslimit für natürliche Antikörper 500 ppb weit überlegen, da aufgrund der größeren Oberfläche mehr Interaktionsstellen für das Analytmolekül angeboten werden. Kurz gesagt, die Reproduzierbarkeit und Stabilität der künstlichen Antikörper war ausgezeichnet. Als weiteren Aspekt sind die Kosten für synthetisch hergestellte Sensorschichten im Vergleich zu natürlichen Antikörper sehr gering, was man bedenken soll, wenn man synthetische Antikörper oder natürliche Antikörper zur "online" Überwachung einsetzt.
Abstract (eng)
A large variety of insecticides and herbicides are applied in Europe and other parts of the world. These compounds differ strongly in respect to their functionality and polarity. Well known are persistent halogenated hydrocarbons (e.g. members of Chlorotrazine family) which are also found in soil causing serious risk to environment by contaminating underground water.
Instrumental analysis has proven to be an efficient strategy to detect all kinds of compounds which are generated by synthetic activities. In the course of time it gets more important to perform an “on-line” monitoring to reduce costs.
Self-organization of monomers around a template species leads to highly selective molecular imprints in the nanometer- and sub-nanometer range. The purpose of this dissertation is to apply this phenomenon for designing artificial receptors for online detection of Chlorotriazines. Initially, imprinted polymers containing both hydrophilic and hydrophobic side chains from acrylate-/methacrylate monomers were designed for Atrazine. Structural analogues of atrazine share the basic heterocyclic structure of triazine. Adjusting acid to cross linker ratio as well as introducing acrylate ester as copolymer resulted in optimal non-covalent interaction with the rather hydrophobic core of the Atrazine molecule and the amino groups. Deposited on QCM, molecularly imprinted copolymer of methacrylic acid and methacrylate crosslinked with ethylene glycol dimethacrylate led to fully reversible sensor responses with of 50 ppb for Atrazine. The polymer layer was also selective with 4-5 times higher sensor signal against its metabolites des-ethyl atrazine (DEA), des-isopropyl-atrazine (DIA) and des-ethyl-des-isopropyl-atrazine (DEDIA) and structural analogues e.g. Simazine (SIM), Propazine (PRO) and Terbuthylazine (TBA).
Furthermore, transforming imprinted polymer copolymer of methacrylic acid and methylacrylate into nanoparticles enhanced capturing potential of the sensor layers. Sensitivity for Atrazine was enhanced three fold as well as 14-50 times higher frequency shifts against its metabolites and structural analogues were recorded.
Finally, the sensor characteristics of synthetic receptors were compared with natural antibody of Atrazine. Sensitivity of imprinted nanoparticles towards Atrazine was 2.6 times higher than natural antibody of Atrazine. The selectivity of natural antibody was also comparatively low being only 3 to 9 times greater frequency shifts for Atrazine against other triazine analogues. The detection limit by synthetic receptors (MIP-NP) was excellent (35 ppb) compared to that of natural antibody (500 ppb) due to their larger surface area providing greater docking points for analyte molecules. In short, overall efficiency of the synthetic antibody was appreciable with high reproducibility and stability. Also, the cost of synthetic sensor layers was very low as compared to the natural antibody, suggesting the synthetic antibodies replaceable with natural ones as chemical sensor coatings for online monitoring of pesticides.
Keywords (eng)
plastic antibodiesdetection of pesticidesQCMchemical sensors
Keywords (deu)
plastische AntikörperDetektion von PestizidenQCMchemische Sensoren
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1273715
Number of pages
127
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