Development of electrochemical sensors for pesticide detection


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Engineering, Chemical Engineering, Turkey

Approval Date: 2015

Thesis Language: English

Student: YELİZ İPEK

Supervisor: ATIF KOCA

Abstract:

PESTİSİT TAYİNİ İÇİN ELEKTROKİMYASAL SENSÖRLERİN GELİŞTİRİLMESİ Çiftçiler, ürünlerini ve tohumlarını korumak ve hasat verimini arttırmak için sayısız türde pestisit kullanmaktadır. Ancak, pestisit kalıntıları ekosistem ve gıda zincirine; hava, su ve toprak yoluyla girebilmektedir. İnsanlar ve hayvanlar için kanserojen ve sitotoksik olmaları nedeniyle, tarımda giderek artan bir şekilde kullanılmakta ve en önemli çevre kirliliği etkeni olmaktadırlar. Bu kimyasalların saptanması için geleneksel metotlar zaman kaybettirici, pahalı olmakta ve donanımlı teknisyenlerin varlığını gerektirmektedirler. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, son zamanlarda pestisitlerin analizi için elektrokimyasal biyosensörler gibi yeni alternatif metotlar üzerinde çalışılmaktadır. Bu amaçla, bu çalışmada yeni biyosensör hazırlama teknikleri geliştirilmiştir. Bu teknikler; kalıplama tekniği ile karbon pasta elektrot hazırlama tekniği, Langmuir-Blodgett kaplama ile ince film oluşturma tekniği, elektropolimerizasyon tekniği, klik elektrokimyası tekniği (CEC) ve LB-klik elektrokimyası tekniğidir. Hazırlanan elektrotlar; voltametrik teknikler, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. GCE/PANI-N3/TA-CoPc elektrodu eserine karşı 28.67 V/µM hassasiyetiyle birlikte en düşük saptama limiti olan 3.84 × 10-10 M değerine sahiptir. Seçicilik parametresine göre, CEC tekniği ile hazırlanmış GCE/PANI-N3/TA-CoPc elektrodu, bu çalışmada tasarlanan elektrotlar arasında seçiciliği en yüksek elektrottur. Elektrotların stabiliteleri karşılaştırıldığında GCE/PANI-N3/TA-MPc elektrotlarının kimyasal tekniklerle modifiye edilmiş olmasından dolayı raf ömürlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. CEC tekniği ile modifiye edilmiş elektrot oda koşullarında iki ay saklanmış olduğu halde, pestisitlere karşı kayda değer elektrokimyasal yanıtlar vermiştir. Tasarlanan tüm elektrotların yanıt süreleri analitleri birkaç saniyede algılamış olmalarından dolayı tatmin edicidir. ABSTRACT DEVELOPMENT OF ELECTROCHEMICAL SENSORS FOR PESTICIDE DETECTION Farmers use numerous types of pesticides to protect crops and seeds and to increase the harvesting yield. However, the pesticide residues may enter into the ecosystem and food chain through air, water and soil. Their increasing use in agriculture makes them the most important environmental pollutants since they are carcinogenic and cytotoxic for animals and human. For detection of these chemicals, traditional methods are time consuming, expensive and require highly equipped technicians. To overcome these difficulties, recently new alternative methods such as electrochemical biosensors for the analysis of pesticides are being studied. For this purpose, novel biosensor preparation techniques were developed in this study. These techniques are; carbon paste electrode preparation with moulding technique, thin film formation with Langmuir-Blodgett coating technique, electropolymerization technique, click electrochemistry technique (CEC) and LB-Click Electrochemistry technique. Prepared electrodes were characterized with voltammetric techniques, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning electron microscopy (SEM). GCE/PANI-N3/TA-CoPc electrode has the lowest detection limit and sensitivity of 3.84 × 10-10 M and 28.67 V/µM respectively against eserine. According to selectivity parameter, GCE/PANI-N3/TA-CoPc electrode prepared with CEC technique is the most selective electrode among these designed electrodes. When the stability of the electrodes were compared, GCE/PANI-N3/TA-MPc electrodes had longer shelf lives than the other electrodes because of chemically modification of the electrode. Even two months later, the modified electrode with CEC technique stored at room conditions gave valuable electrochemical responses to the pesticides. The response time of the designed electrodes were all satisfactory that they recognized analytes in a few seconds.