RO133207B1 - Senzor carbonic pentru detecţia de carbendazim - Google Patents

Description

RO 133207 Β1

Invenția se referă la un senzor carbonic pentru detecția de carbendazim, în medii apoase cu aplicații în agricultură și industria alimentară.

Pesticidele joacă un rol major în îmbunătățirea productivității agricole prin controlul populațiilor de dăunători precum insectele, buruienile și bolile plantelor. Proprietățile toxicologice ale pesticidelor le dau abilitatea de a controla dăunătorii dar au ca rezultat un potențial hazard pentru oameni, mediu și alte organisme ce nu reprezintă o țintă de tratament și care ar putea fi expuse întâmplător la pesticide. în Uniunea Europeană, utilizarea pesticidelor este strict reglementată și toate Statele Membre UE aplică aceleași proceduri de evaluare și criterii de autorizare pentru a plasa pe piață un produs pentru protecția plantelor.

Carbaril (1-naftil N-metilcarbamat) și carbendazim (metil 1 H-benzimidazol-2carbamat) sunt reziduurile de pesticide cel mai des detectate în analizele alimentare din lumea întreagă. Prezența urmelor acestor compuși în fructe și legume prezintă un potențial pericol pentru consumatori și mediu, ambii compuși fiind monitorizați în mod curentîn Uniunea Europeană. Identificarea și cuantificarea pesticidelor sunt în general bazate pe metode cromatografice (gaz-cromatografie (1-5), cromatografie de lichide- cuplate cu spectroscopie de masă (LCMS) sau cromatografie de lichide de presiune înaltă - (HPLC-MS) (6), spectrofluorimetry (7, 8). Majoritatea determinărilor se bazează pe metode alternative de tipul spectrofotometriei de UV/Vis (9), fluorimetrie (10,11) imunoteste (12,13) sau măsurători voltametrice (14-17).

Preocuparea privind prezența reziduurilor de pesticide în apă, sol și alimente a determinat identificarea unor noi metode alternative capabile să detecteze nivele în urme ale acestor compuși într-o manieră simplă. în acest sens, metodele electrochimice, datorită sensitivității, simplității, costului scăzut și a determinării rapide au devenit o variantă agreată ca metodă de detecție și analiză. Cu toate acestea, în literatura de specialitate sunt amintite numai câteva metode electrochimice de analiză a carbendazimului. De exemplu: Manisankar et al. (18) a utilizat un electrod modificat pe bază de montmorilonit de sodiu pentru determinarea izoproturonului și a carbendazimului via compuși de tipul hibrizilor de tip grafenăciclodextrină (ca platforma senzitivă optimizată pentru îmbunătățirea semnalului furnizat de carbendazim).

în vederea identificării electrochimice a carbendazimului un factor cheie îi reprezintă materialul electrodului de lucru, respectiv materialul electrodului modificat care afectează în mod direct sensibilitatea și selectivitatea determinării.

Dintre materialele utilizate în decorarea/modificarea diferiților electrozi pentru detecția de carbendazim se cunosc în principal:

- nanostraturi de hibrizi grafenă-ciclodextrină (19);

- argile sau montmorilonit (20);

- nanotuburi carbonice (21);

- roșu de metil - polymeric methyl red (designated as PMRE) (22);

- oxid de grafit (GO) (23);

- tricresyl phosphate (TCP) (24-26) electrozi modificați pe bază de carbon sticlos (ERGO/GCE - modified glassy carbon electrode (ERGO/GCE).

Dezavantajele soluțiilor cunoscute sunt următoarele:

- aceste metode convenționale de monitorizare a pesticidelor sunt consumatoare de timp (durata mare a analizelor);

- necesită etape complexe și multiple de preparare și analizare a eșantioanelor;

- necesar de personal cu pregătire profesională de specialitate;

- echipament specializat scump;

- în unele cazuri (gaz-cromatografia) fungicidele pe bază de benzimidazol nu pot fi detectate/analizate direct datorită caracterului polar și a naturii lor termolabile fiind necesară cuplarea cu o altă metodă (HPLC cu sistem de diode (DA-diode array) - (27) - sau HPLC cuplat cu electroforeză capilară - (28).

RO 133207 Β1

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în detectarea instantanee printr-o 1 metodă simplă electrochimică a carbendazimului la temperaturi mari.

Senzorul carbonic pentru detecția de carbendazim cu un electrod imprimat modificat, 3 înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că, în prima etapă acesta se activează electrochimie în domeniul de potențial -0,2 V...-1 V cu o viteză de balaiere: de 100 mV/s în electrolit: 5

H₂SO₄ 0,5 M (30 de cicluri) urmat în etapa 2 de funcționalizare cu nanoparticule de tip xerogel carbonic prin picurarea unei soluție de nanoparticule de xerogel carbonic cunoscute, 7 obținute prin ultrasonare în etanol/apă menținut la vid timp de 1 h și la temperatura de 50°C, și caracterizat printr-un electrolit purtător ce facilitează răspunsul electrodului central obținut 9 prin amestecarea a 0,01 mol/L H₃PO₄ + 1 mol/L H₃BO₃ + 1 mol/L CH₃COOH, și caracterizat de un sistem electronic de măsurare a semnalului furnizat ca urmare a detecției carbendazi- 11 mului în medii apoase. Sistemul cuprinde celula galvanică, sistemul de separare a celulei galvanice prin repetoare cu impedanță ridicată la intrare, convertorul curent-tensiune, 13 sumatorul de semnale analogice pentru compensarea tensiunii electrodului de referință, interfața cu un sistem de calcul, sistem de calcul; senzorul poate detecta prezența carbenda- 15 zimului în medii apoase până la valori de minimum 10 nM.

Avantajele invenției sunt următoarele:17

- senzorul utilizează metoda simplă (electrochimică), rapidă în detectarea carbendazimului; numărul etapelor de procesare este redus;19

- condițiile de sinteză nu implică temperaturi sau presiuni mari, nu sunt necesare instalații speciale;21

- limita de detecție scăzută (detecție a carbendazimului până la concentrații de minimum 10 nM (10 ⁴ ppm);23

- utilizarea de nanoparticule de tip xerogel carbonic permite proiectarea unei interfețe sensibile astfel încât analitul să interacționeze cu suprafața sensibilă (a nanoparticulelor); 25

- traducerea eficientă a procesului de recunoaștere (a carbendazimului);

- creșterea selectivității și sensitivității unui senzor pentru carbendazim;27

- posibilitatea de dezvoltare de etichete electroactive adaptate pentru tehnici electrochimice de striping pentru a genera un semnal electrochimie;29

- utilizarea acestui senzor este simplă, selectivă și rentabilă cu potențial de a fi dezvoltată în aplicații mobile de detectare a pesticidului de interes pe teren;31

- detecția carbendazimului prin utilizarea senzorului descris este rapidă și directă (timp de răspuns: instantaneu);33

- utilizarea senzorului în detecția carbendazimului nu necesită personal calificat;

- numărul etapele de procesare/modificare a electrozilor imprimați este redus; 35 - condițiile de modificare a electrodului de lucru nu implică temperaturi sau presiuni mari, nu sunt necesare instalații speciale, ci doar echipamente uzuale de laborator; 37

- sistemul electronic de măsurare a semnalului furnizat de senzor format din celula galvanică (ce conține electrodul modificat conform invenției), sistem de separare a celulei 39 galvanice prin repetoare cu impedanță ridicată la intrare, convertor curent-tensiune, sumator de semnale analogice pentru compensarea tensiunii electrodului de referință, interfața cu un 41 sistem de calcul și sistemul de calcul, prezintă următoarele avantaje:

- îmbunătățirea preciziei măsurătorilor prin evitarea sumării digitale a semna- 43 lelor și introducerea de erori de conversie;

- scăderea prețului de cost prin utilizarea unui sumator analogic (7) - fig. 1 în 45 locul unui canal suplimentar de conversie analog-digitală ce ar fi fost necesar pentru a se citi tensiunea furnizată de repetorul (11) - fig. 1; 47

RO 133207 Β1

- prezintă un număr redus de componente electronice necesare și deci un cost scăzut; poate fi utilizat cu diferite sisteme de calcul cum ar fi: computer personal, laptop, sisteme embedded sau de tip SoC (system on chip).

Realizarea unui senzor carbonic pentru detecția carbendazimului, se referă la modificări aplicate electrodului de lucru care face parte dintr-un sistem de 3 electrozi imprimați, astfel în prima etapă acesta se activează electrochimie urmat în etapa 2 de funcționalizare cu nanoparticule de tip xerogel carbonic, și a unui electrolit purtător ce facilitează răspunsul electrodului central, permite detecția rapidă și directă a carbendazimului și care este caracterizat și printr-un sistem electronic de măsurare a semnalului furnizat de senzor ca urmare a detecției carbendazimului în medii apoase ce cuprinde celula galvanică, sistem de separare a celulei galvanice prin repetoare cu impedanță ridicată la intrare, convertor curent-tensiune, sumator de semnale analogice pentru compensarea tensiunii electrodului de referință, interfața cu un sistem de calcul, sistem de calcul; senzorul poate detecta prezența carbendazimului în medii apoase până la valori de minimum 10 nM.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 ...3 care reprezintă :

- fig. 1, curba de calibrare senzor carbonic pentru detecție carbendazim, conform invenției;

- fig. 2, schema bloc a sistemul electronic de măsurare a semnalului preluat de la senzor, conform invenției; componente:

(1) celula galvanică cu trei electrozi (2), (3) și (4);

(2) electrodul de lucru;

(3) contraelectrod;

(4) electrodul de referință;

(5) sistem de calcul dotat cu o interfață analogică (6), un sumator (7), un convertor curent-tensiune (8), precum și repetoarele (9), (10) și (11);

- fig. 3, interfața software pentru detecția carbendazimului cu evidențierea vârfului de răspuns caracteristic pesticidului de interes (tensiune aproximativ 0,9 V), conform invenției.

Senzorul pentru detecția de carbendazim constă din:

- un electrod de lucru imprimat pe un substrat (polimeric/ceramic);

- un contraelectrod imprimat pe același substrat;

- un electrod de referință imprimat pe același substrat ca mai sus (AgCI);

- o asperizare a suprafeței electrodului de lucru prin activare electrochimică;

- o acoperire/funcționalizare a electrodului de lucru (central) cu nanoparticule cunoscute (xerogel carbonic: cerere brevet de invenție A/00560/09.08.2017) prin picurare;

- sistemul de 3 electrozi imprimați ce cuprinde electrodul modificat pentru identificarea carbendazimului în soluții apoase - introdus într-un electrolit suport formează celula galvanică a sistemului de detecție a carbendazimului;

- sistemul electronic de măsurare a semnalului preluat de la senzor (fig. 2) constă din: celula galvanică (sistem de 3 electrozi imersați într-un electrolit suport), sistem de separare a celulei galvanice prin repertoare cu impedanță ridicată la intrare, convertor curent-tensiune, sumator de semnale analogice pentru compensarea tensiunii electrodului de referință, interfața cu un sistem de calcul, și sistemul de calcul.

Etapa 1. Activarea electrochimică a electrozilor imprimați de tip SPEs (screen printed electrodes)

Activarea electrochimică a suprafeței electrodului de lucru a fost realizată în vederea asigurării unei mai bine umectări cu soluția de interes;

RO 133207 Β1

Condiții de activare a SPE (electrozilor printați):1

- domeniul de potențial: - 0,2...-1 V;

- viteza de balaiere: 100 mV/s;3

- Electrolit: H₂SO₄ 0,5 M (30 de cicluri).

Etapa 2. Modificare electrod de lucru5

A fost pregătită o soluție de nanoparticule de xerogel carbonic cunoscute (cerere brevet de invenție A/00560-0.08.2017) prin ultrasonare în etanol/apă timp de 3 h. Pe 7 electrodul central (de lucru) al unui electrod imprimat tip SPE (screen printed electrode) a fost dipersată o cantitate de aproximativ 1 μΙ de soluție de nanoparticule (prin picurare); 9 - suprafața de lucru (dimensiune electrod de lucru): φ = 2 mm;

- electrodul a fost lăsat să se usuce în vid timp de 1 h, la temperatura de 50°C.11

Etapa 3. Testarea comportării electrochimice a carbendazimului pe electrozi modificați cu nanoparticule carbonice de tip xerogel carbonic13

Testarea activității electrochimice (pentru validare) a electrozilor modificați cu nanoparticule carbonice de tip xerogel carbonic s-a realizat prin voltametrie cicilică.15

Echipament utilizat:

- potențiostat/galvanostat VoltaLab 40 conectat la calculator prin interfața grafică 17 VoltaMaster4;

- a fost folosită o celulă standard cu 3 electrozi, respectiv un electrod auxiliar de 19 platină, un electrod de referință Ag/AgCI și electrodul de lucru (proba de analiză).

Mod de lucru:21

1. Condiții de testare:

- variația densității de curent, i, în funcție de potențialul aplicat, cu baleiere în 23 domeniul E = -100 mV + +1200 mv vs. Ag/AgCI;

- viteza de baleiere a potențialului de 100 mV/s; număr de cicluri = 3025

- Temperatura: 25°C.

2. Electrolitul suport:27

Soluție tampon Britton-Robinson (BR) modificată: preparată prin amestecarea soluției:29

0,01 mol/l H3PO4 + 1 mol/l H₃BO₃ + 1 mol/l CH₃COOH

3. Soluțiile de carbendazim de concentrații diferite au fost obținute plecându-se de 31 la o soluția de 100 μΜ carbendazim (în sol BR modificată); valoarea pH-ului a fost reglată cu o sol de 0,2 mol/L NaOH (pH sol: 4): 33

- pe baza voltamogramelor s-a putut identifica curentul de oxidare al carbendazimului l_peak clar definit; 35

- prin măsurarea l_peak s-a putut trasa curba de calibrare a electrodului pe baza căreia se poate corela intensitatea curentului obținut cu concentrația analitului de interes (în cazul 37 de față a carbendazimului);

- consecința imediată a corelării l_peak = f(Conc), a constat în dezvoltarea unei metode 39 de identificare a carbendazimului pe baza voltametriei ciclice pe baza unui tip de electrod modificat conform invenției. 41

Bibliografie

1. R. P. Mathur, S. Sharma, R. Bhushan, J. Liquid Chromatogr., 11, (1988) 26219.

Η. X. Kong, H. Yun, N.X. Qiu, Chin. J. Anal. Lab., 26 (2007), 65; 47

2. S. X. Liu, F. Z. Tong, L. Zheng, Chin. J. Anal. Lab., 25 (2006), 74;

3. R. Halko, C. P. Sanz, Z. S. Ferrera, J. J. S. Rodriguez, Chromatographia, 60 49 (2004) 151;

RO 133207 Β1

4. B. A. Vega, G. A. Frenich, M. L J. Vidai, Anal. Chim. Acta, 538 (2005) 117;

5. P. Cheng, Η. M. Tang, S. X. Yang, L. Wang., Modern Agrochemicals, 3 (2009) 3614.K. Kaltsonoudis, F. N. Lamari, K. P. Prousalis, N. K.Karamanos, T. Tsegenidis, Chromatogr., 57 (2003)181;

6. Kong X.H., Yun H., Qiu X.N. (2007) Chin J Anal Lab 26:65-67;

7. Pacionia N.L., Valeria N., OccelloS., Lazzarotto M., Veglia A.V., (2008) Anal Chim Acta 624:133-140], UV-Vis spectroscopy;

8. Li Q, Li W.X. (2007) Deciduous Fruits 3:47-48;

9. Q. Li, X. W. Li, Deciduous Fruits, 3 (2007) 47;

10. T. X. Hang, M. Ding, Chin. J. Anal.Chem.,17 (1989) 82317;

11. H. S. Zhu, LH. Wu, R. B. Li, L A. Xia, J. Q. Han, Q. 1. Zhang, Y. C. Bian, Q. R. Yu, Anal. Chim. Acta, 619 (2008) 165;

12. J. A. Itak, Μ. Y. Selisker, S. W. Jourdan, J. R. Fleeker, D. P. Herzogt, J. Agric. Food Chem., 41, (1993), 232919.

13. P. Manisankar, G. Selvanathan, S. Viswanathan, H. G. Prabu, Electroanalysis, 14, (2002), 1722.

14. P. Hernândez, S. Garda, L. Hernândez, Anal. Chim. Acta, 259, (1992), 325.

15. P. Hernândez, Y. Ballesteros, F. Galân, L. Hernândez, Electroanalysi, 8 (1996) 941.

16. J. Li, Y. Chi, Pesticide Biochem. Physiol., 93, (2009), 101.

17. W. F. Ribeiro, T. M. G. Selva, I.C. Lopes.E. C. S. Coelho, S. G.Lemos.F. C.de Abreu, V. B. do Nascimento, M. C. U. de Araujo, Anal. Methods, 3, (2011), 1202.

18. Manisankar P., Selvanathan G., Vedhi C. (2005), Appl. Clay. Sci. 29:249.

19. Guo, S. Guo, J. Li, E. Wang and S. Dong, Talanta, 84, (2011), 60.

20. NaMM- P. Manisankar, G. Selvanathan and C. Vedhi, Applied clay Science, 29, (2005), 249.

21. W.F. Ribeiro, T.M.G. Selva, I.C. Lopes, E.C.S. Coelho, S.G. Lemos, F.C. de Abreu, V.B. do Nascimento and M.C.U. de Araujo, Analytical Methods, 3 (2011) 1202.

22. J.Li and Y. Chi, Pesticide biochemistry and physiology, 93 (2009)101.

23. R.F. Franca, H.P.M. de Oliveira, V.A. Pedrosa and L. Codognoto, Diamond and Related Materials, 27, (2012), 54.

24. A.M. Ashrafi, J. Dorăevic, V. Guzsvany, I. Svancara, T. Trtic-Petrovic, M. Purenovicand K. Vytras, Int. J. Electrochem. Sci, 7, (2012), 9717.

25. Y. Ya, C. Hang, L. Mo, T. Li, L. Xie, J. He, L Tang, D. Ning and F. Yan, Food Anal. Methods, (2016), 1.

26. Y. Ya, T. Wang, L Xie, J. Zhu, L Tang, D. Ning and F. Yan, Analytical Methods, 7, (2015), 1493.

27. S. X. Liu, F. Z. Tong, L Zheng, Chin. J. Anal. Lab., 25, (2006), 74.

28. K. Kaltsonoudis, F. N. Lamari, K. P.Prousalis, N. K. Karamanos, T. Tsegenidis, Chromatogr., 57, (2003), 181).

Claims (2)

1. RO 133207 Β1

   Revendicări 1

   1. Senzor carbonic pentru detecția de carbendazim cu un electrod imprimat modificat, 3 caracterizat prin aceea că, în prima etapă are loc activarea electrochimică a acestuia în domeniul de potențial -0,2 V...-1 V cu o viteză de baleiere de 100 mV/s în electrolit: H₂SO₄ 5 0,5 M 30 de cicluri urmată în etapa 2 de funcționalizare cu nanoparticule de tip xerogel carbonic prin picurarea unei soluție de nanoparticule de xerogel carbonic cunoscute obținute 7 prin ultrasonare în etanol/apă menținut la vid timp de 1 h și la temperatura de 50°C, și caracterizat printr-un electrolit purtător ce facilitează răspunsul electrodului central obținut 9 prin amestecarea a 0,01 mol/L H,PO₄ + 1 mol/l H,BO, + 1 mol/L CH,COOH, senzorul rezultat putând detecta prezența carbendazimului în medii apoase până la valori de minimum 10 nM. 11
2. 2. Sistem de măsurare a semnalului furnizat de senzorul carbonic definit în revendicarea 1, caracterizat prin aceea că, cuprinde celula galvanică, un sistem de 13 separare a celulei galvanice prin repetoare cu impedanță ridicată la intrare, un convertor curent-tensiune, un sumator de semnale analogice pentru compensarea tensiunii electrodului 15 de referință și interfața cu un sistem de calcul.