RO137419A0

RO137419A0 - Process for making a miniaturized electrochemical sensor for determining nitrites in soil

Info

Publication number: RO137419A0
Application number: ROA202200743A
Authority: RO
Inventors: Ana-Maria Gurban; Mihaela Doni; Lucian- Gabriel Zamfir; Maria Luiza Jecu; Iuliana Răut; Mariana Constantin
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Chimie Şi Petrochimie - Icechim
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2023-04-28

Abstract

The invention relates to a process of making a miniaturized electrochemical sensor for determining nitrites in soil. According to the invention, the process consists in depositing on the surface of a working electrode made of carbon paste of a screen-printed sensor made on a flexible ceramic or PVC support, a mixture prepared by incorporating multi-walled carbon nanotubes with a concentration of 0.2...15 mg/mL in a chitosan solution with a low molecular mass, in a concentration of 0.02...5%, prepared in 0.5...10% acetic acid, the so-made sensor being dried for 20...100 minutes in an oven at a temperature of 50...130°C.

Description

_N, a ÎWX .....' Ț-;....... PROCEDEU DE REALIZARE A UNUi TURIZA T _N , a ÎWX .....'Ț-;....... PROCEDURE FOR MAKING A TOUR T

PENTRU DETERMINARE NITRIȚILOR DIN SOLFOR THE DETERMINATION OF NITRITE IN THE SOIL

Invenția se referă la un procedeu de obținere a unui senzor electrochimie miniaturizat bazat pe un material electrosenzitiv pentru determinarea sensibilă a nitriților din sol.The invention relates to a process for obtaining a miniaturized electrochemical sensor based on an electrosensitive material for the sensitive determination of nitrites in the soil.

Determinarea cantitativă a concentrației de nitrit din sol, din apele de suprafața și de adâncime, prezintă un interes deosebit de crescut datorită potențialului toxic al acestuia, al poluării și contaminării, atât pentru industria alimentară cât și pentru controlul proceselor de remediere. Nitriții și respectiv nitrații reprezintă compușii rezultați în procesul de nitrificare care are loc în sol, proces ce constă în oxidarea biologică a ionilor de amoniu (NH4⁺) imobili la nitrat foarte mobil, prin intermediul nitriților. Procesul de nitrificare este realizat în principal de microorganisme precum Nitrosomonas sp. și Nitrobacter sp. prezente în populația microbiană a solului.Quantitative determination of nitrite concentration in soil, surface and deep water is of particular interest due to its toxic potential, pollution and contamination, both for the food industry and for the control of remedial processes. Nitrites and respectively nitrates represent the compounds resulting from the nitrification process that takes place in the soil, a process that consists in the biological oxidation of immobile ammonium ions (NH4 ⁺ ) to highly mobile nitrate, through nitrites. The nitrification process is mainly carried out by microorganisms such as Nitrosomonas sp. and Nitrobacter sp. present in the soil microbial population.

în sistemele agricole, utilizarea îngrășămintelor chimice pe baza de azot este foarte importantă pentru creșterea plantelor, dar nitrificarea rapidă și nereglementată are ca rezultat levigarea nitraților și scăderea disponibilității azotului pentru creșterea plantelor, crescând în acest fel scurgerea de azot (N) și poluarea mediului. Utilizarea îngrășămintelor chimice a crescut de 4 ori în ultimii 50 de ani, acest lucru ducând la creșterea pierderilor de azot din sistemele agricole, și astfel conducând la o încărcătura poluantă mai mare.In agricultural systems, the use of nitrogen-based chemical fertilizers is very important for plant growth, but rapid and unregulated nitrification results in nitrate leaching and reduced nitrogen availability for plant growth, thus increasing nitrogen (N) leakage and environmental pollution. The use of chemical fertilizers has increased 4-fold in the last 50 years, leading to increased losses of nitrogen from agricultural systems, and thus leading to a higher pollutant load.

Excesul de nitriți în mediu are ca rezultat, de asemenea, eutrofizarea diferitelor corpuri de apă și creșterea algelor toxice. Contaminarea cu nitriți a apelor subterane și de suprafața reprezintă preocuparea majoră asociată cu procesul de nitrificare. Astfel, detectarea nitriților, ca indicator al procesului de nitrificare este foarte importantă pentru aplicațiile de mediu și agricole.Excess nitrite in the environment also results in eutrophication of various water bodies and the growth of toxic algae. Nitrite contamination of groundwater and surface water is the major concern associated with the nitrification process. Thus, the detection of nitrites as an indicator of the nitrification process is very important for environmental and agricultural applications.

Pentru a reduce efectul procesului de nitrificare asupra poluării mediului au fost abordate și dezvoltate diferite strategii pentru gestionarea aplicării îngrășămintelor, cu scopul de a facilita absorbția rapidă a azotuluisi de a minimiza levigarea și denitrifîcarea nitratului. Astfel, pentru alegerea unei strategii adecvate este foarte importantă și necesară monitorizarea concentrației de nitrit din sol.In order to reduce the effect of the nitrification process on environmental pollution, different strategies have been addressed and developed for the management of fertilizer application, with the aim of facilitating the rapid absorption of nitrogen and minimizing the leaching and denitrification of nitrate. Thus, for choosing an appropriate strategy, it is very important and necessary to monitor the concentration of nitrite in the soil.

Metodă tradițională de determinare a nitriților este reprezentată de metoda spectrofotometrică, pe baza reacției Griess, cu sulfanilamidă și N-l-naftilendiamină. Această metodă necesită un control atent al pH-ului fiecărei etape a procesului de detecție, pocesul fiind de asemenea afectat de speciile interferențe din matricea probei. Mai mult de atât, reactivii utilizați au efecte potențial cancerigene. în laboratoarele standard pentru testarea solului, pentru măsurarea nitriților se folosesc diferite analizoare automate și soluții de extracție a nitritului dinThe traditional method for determining nitrites is represented by the spectrophotometric method, based on the Griess reaction, with sulfanilamide and N-l-naphthylenediamine. This method requires careful control of the pH of each step of the detection process, the process also being affected by interfering species in the sample matrix. Moreover, the reagents used have potentially carcinogenic effects. In standard soil testing laboratories, various automated analyzers and nitrite extraction solutions are used to measure nitrite.

RO 137419 AO sol. Metoda standard de extracție a analitului din probă de sol se bazează pe utilizarea unei soluții de 1-2 M KC1 drept extractant.RO 137419 AO sol. The standard method of extracting the analyte from the soil sample is based on the use of a 1-2 M KC1 solution as an extractant.

Numeroase teste analitice propuse pentru cuantificarea nitriților cuprind tehnici sofisticate, cum ar fi cromatografia ionică, chemiluminiscența, spectrofotometria, polarografia, electroforeza capilară, cromatografia în gaz cuplată cu spectrometria de masă (GC-MS) sau spectroscopia de fluorescență. Majoritatea acestor tehnici analitice prezintă limitări importante, precum: etape de pretratare a probelor, susceptibilitate la interferențe ale matricei, limite de detecție insuficiente, timp crescut de analiză, portabilitate redusă și incapacitate de a determina în timp real nitriții direct în sol.Numerous analytical tests proposed for nitrite quantification comprise sophisticated techniques such as ion chromatography, chemiluminescence, spectrophotometry, polarography, capillary electrophoresis, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) or fluorescence spectroscopy. Most of these analytical techniques have important limitations, such as: sample pretreatment steps, susceptibility to matrix interferences, insufficient detection limits, increased analysis time, reduced portability, and inability to determine nitrite directly in soil in real time.

Astfel, metodele electrochimice de detecție reprezintă alternative foarte convenabile pentru determinarea nitriților, precum și a unei varietăți mari de anal iți din mediu, prezentând numeroase avantaje față de metodele amintite mai sus, atât în ceea ce privește costul, cât și timpul de analiză. Nitriții sunt specii electroactive care pot fi oxidate direct la suprafața unui electrod de platină polarizat la cca. +0,9 V vs Ag/AgCl. Deși există electrozi comerciali ionselectivi pentru nitriți și nitrați, aceștia nu sunt suficient de robuști și nu sunt caracterizați prin limite de detecție suficient de coborâte. Din moment ce potențialul de oxidare a nitritului este ridicat, mulți alți compuși electroactivi prezenți în mediul complex pot interfera în analiza nitriților.Thus, electrochemical detection methods represent very convenient alternatives for the determination of nitrites, as well as a wide variety of analytes in the environment, presenting numerous advantages over the methods mentioned above, both in terms of cost and analysis time. Nitrites are electroactive species that can be oxidized directly at the surface of a polarized platinum electrode at approx. +0.9 V vs Ag/AgCl. Although there are commercial ion-selective electrodes for nitrite and nitrate, they are not sufficiently robust and are not characterized by sufficiently low detection limits. Since the oxidation potential of nitrite is high, many other electroactive compounds present in the complex medium may interfere with nitrite analysis.

în literatura de specialitate sunt prezentate metode de determinare electrochimică a nitritului, atât prin reducerea cât și prin oxidarea acestuia. Cele mai multe metode electrochimice raportate implică oxidarea anodică directă a nitritului la suprafața diferitelor tipuri de electrozi solizi, cum ar fi cărbune sticlos, platină, diamant, aur și oxizi ai metalelor tranzițționale. Utilizarea acestor tipuri de senzori este limitată deoarece numeroase specii electroactive interferențe pot otrăvi (pasiva) suprafața electrodului, ceea ce duce la scăderea sensibilității și acurateței detecției de nitriți.in the specialized literature, methods for the electrochemical determination of nitrite, both by its reduction and by its oxidation, are presented. Most reported electrochemical methods involve the direct anodic oxidation of nitrite at the surface of various types of solid electrodes, such as glassy carbon, platinum, diamond, gold, and transition metal oxides. The use of these types of sensors is limited because numerous interfering electroactive species can poison (passive) the electrode surface, leading to decreased sensitivity and accuracy of nitrite detection.

Brevetul WO1995/000842A1 descrie realizarea unui dispozitiv ce conțține un senzor electrochimie pe bază de electrod donor de hidrogen, hidrură de paladiu pentru determinarea contaminanților sau a poluanților dintr-o probă lichidă, în special, dar nu exclusiv, a substanțelor azotate sau care conțin oxizi de azot, nitrați, amoniac, amoniu sau fosfați, azine și dimetilsulfură. Sistemul descris de autori conține trei unităti electronice încorporate într-un dispozitiv, un potențiostat, un generator de unde ți o unitate de condiționare. Potențiostatul și generatorul de undă asigură menținerea potențialului electrodului de lucru, într-un domeniu de potențial cuprins între -1.8 și +1 V, fața de electrodul de referință, cu o scanare liniară a potențialului de 1 până la 300 mV/sec. Dispozitivul descris este complex și complicat, neputând fi operat și controlat de un simplu tehnician, necesitând personal specializat. De asemenea, electrozii sunt afectați dePatent WO1995/000842A1 describes the development of a device containing an electrochemical sensor based on a hydrogen donor electrode, palladium hydride for the determination of contaminants or pollutants in a liquid sample, in particular, but not exclusively, nitrogenous or oxide-containing substances of nitrogen, nitrates, ammonia, ammonium or phosphates, azines and dimethylsulphide. The system described by the authors contains three electronic units embedded in a device, a potentiostat, a wave generator and a conditioning unit. The potentiostat and wave generator ensure that the potential of the working electrode is maintained in a potential range between -1.8 and +1 V, facing the reference electrode, with a linear potential scan of 1 to 300 mV/sec. The device described is complex and complicated, unable to be operated and controlled by a simple technician, requiring specialized personnel. Electrodes are also affected by

RO 137419 AO procesele de oxidare ale compușilor din matricea de analiză, necesitând recondiționare după o perioadă de timp.RO 137419 AO oxidation processes of the compounds in the analysis matrix, requiring reconditioning after a period of time.

Brevetul US2013/8444937B2 descrie determinarea in-situ a concentrației ionilor de nitrat din soluție de sol cu ajutorul unui electrod ion-selectiv pentru nitrat și o sondă optică (UV) cu fibră optică (UV). Sonda in-situ constă dintr-un tub cu un capăt distal poros care este imersat în sol pentru a extrage soluția solului. în această sondă poate fi introdus electrodul ion-selectiv pentru nitrat sau sonda optică cu transflexie capabilă să măsoare absorbanța în intervalul 235-240 nm. Sonda scufundată cu transflexie permite semnalului luminos de intrare să treacă prin soluția de măsurare pentru a fi măsurat un semnal de ieșire. Pentru lumina de intrare a fost utilizată ca sursă o lampă cu deuteriu, iar un spectrometru optic a fost utilizat pentru măsurarea semnalului de ieșire. Dezavantajele acestui dispozitiv sunt reprezentate de metoda laborioasă de extragere a soluției solului, afectarea determinărilor optice de către matricea solului, precum și de metodele laborioase de realizare a sondelor si a determinărilor propriu-zise.Patent US2013/8444937B2 describes the in-situ determination of nitrate ion concentration in soil solution using a nitrate ion-selective electrode and a fiber optic (UV) optical (UV) probe. The in-situ probe consists of a tube with a porous distal end that is immersed in the soil to extract the soil solution. in this probe can be inserted the ion-selective electrode for nitrate or the optical transflection probe capable of measuring absorbance in the 235-240 nm range. The transflective submersible probe allows the input light signal to pass through the measurement solution to measure an output signal. A deuterium lamp was used as a source for the input light, and an optical spectrometer was used to measure the output signal. The disadvantages of this device are represented by the laborious method of extracting the soil solution, the damage to the optical determinations by the soil matrix, as well as the laborious methods of making the probes and the actual determinations.

Brevetul US8609425B2/2013 descrie determinarea cantitativă a ionilor de nitrat/nitrit din mai multe tipuri de probe de apă prin reducerea fotochimică cu clorură de amoniu (NH4CI) și acid etilendiaminotetraacetic (EDTA), fără utilizarea de materiale toxice precum cadmiul și hidrazina. Astfel, proba de apă amestecată cu o soluție tampon care include săruri de amoniu și EDTA este trecută printr-un tub de politetrafluoroetilenă (PTFE), tub iradiat cu ajutorul unei lămpi de mercur de joasă presiune, operată la o lungime de undă de 254 nm. Astfel, are loc conversia fotochimică a ionilor de nitrat și nitriți (NOx) în specii detectabile, iar concentrația de azot generată este determinată prin diazotare folosind sulfanilamidă, urmată de cuplarea cu N-(lnaftil)etilendiamina, producând un compus colorat care este detectat la o lungime de undă de 540 nm folosind un colorimetru. Aceasta metodă este foarte laborioasă, conducând la determinarea unei concentrații totale de nitrați/nitriți și nu la o determinare a fiecărui compus în parte.Patent US8609425B2/2013 describes the quantitative determination of nitrate/nitrite ions in several types of water samples by photochemical reduction with ammonium chloride (NH4CI) and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), without the use of toxic materials such as cadmium and hydrazine. Thus, the water sample mixed with a buffer solution that includes ammonium salts and EDTA is passed through a polytetrafluoroethylene (PTFE) tube, tube irradiated with the help of a low-pressure mercury lamp, operated at a wavelength of 254 nm . Thus, the photochemical conversion of nitrate and nitrite ions (NOx) into detectable species occurs, and the concentration of nitrogen generated is determined by diazotization using sulfanilamide, followed by coupling with N-(lnaphthyl)ethylenediamine, producing a colored compound that is detected at a wavelength of 540 nm using a colorimeter. This method is very laborious, leading to the determination of a total concentration of nitrates/nitrites and not to a determination of each individual compound.

în literatură este descris un număr redus de dispozitive analitice bazate pe electrozi de lucru din diferite materiale [M. Badea, A. Amine, G. Palleschi, D. Moscone, G. Volpe, A. Curulli, J. Electroanal. Chem. 2001, 509, 66-72; M. Badea, A. Amine, M. Benzine, A. Curulli, D. Moscone, A. Lupu, G. Volpe, G. Palleschi, Microchim. Acta 2004, 147, 51-58] sau pe electrozi modificați cu diferite nanomateriale și nanomateriale compozite [S.-J. Li, G.-Y. Zhao, R.-X. Zhang, Y.-L. Hou, L. Liu, H. Pang, Microchim. Acta 2013, 180, 821-827; B. Thirumalraj, S. Palanisamy, S.-M. Chen, D.-H. Zhao, J. Colloid Interface Sci. 2016, 478, 413-420; H. Yu, R. Li, K.-I. Song, Microchim. Acta 2019, 186, 624] pentru determinarea nitritului în ape de râu sau produse alimentare.A small number of analytical devices based on working electrodes of different materials are described in the literature [M. Badea, A. Amine, G. Palleschi, D. Moscone, G. Volpe, A. Curulli, J. Electroanal. Chem. 2001, 509, 66-72; M. Badea, A. Amine, M. Benzine, A. Curulli, D. Moscone, A. Lupu, G. Volpe, G. Palleschi, Microchim. Acta 2004, 147, 51-58] or on electrodes modified with different nanomaterials and composite nanomaterials [S.-J. Li, G.-Y. Zhao, R.-X. Zhang, Y.-L. Hou, L. Liu, H. Pang, Microchim. Acta 2013, 180, 821-827; B. Thirumalraj, S. Palanisamy, S.-M. Chen, D.-H. Zhao, J. Colloid Interface Sci. 2016, 478, 413-420; H. Yu, R. Li, K.-I. Song, Microchim. Acta 2019, 186, 624] for the determination of nitrite in river waters or food products.

Cu toate acestea, aplicarea acestor senzori este limitată, deoarece diferite specii otrăvesc suprafața electrozilor și prin urmare scad sensibilitatea și acuratețea determinării nitriților. DeHowever, the application of these sensors is limited because various species poison the surface of the electrodes and therefore decrease the sensitivity and accuracy of nitrite determination. Of

RO 137419 AO asemenea, senzorii electrochimici raportați până acum operează la o valoare ridicată a potențialului de lucru, oxidarea nitritului realizându-se împreună cu alte specii interferențe din matricea analizată.RO 137419 AO also, the electrochemical sensors reported so far operate at a high value of the working potential, the oxidation of nitrite being carried out together with other interfering species from the analyzed matrix.

în acest sens, pentru a preveni otrăvirea suprafeței electrosensibile și pentru a minimiza efectele speciilor interferențe este necesară realizarea unui material electrosensibil care să permită determinarea rapidă și sensibilă a nitriților din soluția solurilor, prin operare la un potențial scăzut.in this sense, in order to prevent the poisoning of the electrosensitive surface and to minimize the effects of interference species, it is necessary to make an electrosensitive material that allows the quick and sensitive determination of nitrites in the soil solution, by operating at a low potential.

Problema tehnică pe care o rezolvă această invenție constă în realizarea unui senzor electrochimie miniaturizat, modificat cu un material electrosenzitiv obținut prin încorporarea unui nanomaterial alotrop de carbon (de tip 2D), anume nanotuburi de carbon cu pereți multipli (MWCNT) într-un polimer cu masă moleculară mică, chitosan. Acest material a fost depus pe suprafața electrodului de lucru realizat din pastă de cărbune imprimată pe suport ceramic sau PVC, permițând determinarea sensibilă a nitritului din probe de sol, pe baza utilizării detecției electrochimice.The technical problem that this invention solves consists in making a miniaturized electrochemical sensor, modified with an electrosensitive material obtained by incorporating an allotropic carbon nanomaterial (2D type), namely multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) in a polymer with low molecular weight, chitosan. This material was deposited on the surface of the working electrode made of carbon paste printed on a ceramic or PVC support, allowing the sensitive determination of nitrite in soil samples, based on the use of electrochemical detection.

Procedeul de realizare a materialului electrosensibil a constat în amestecarea unei cantități de 0,2....15 mg MWCNT cu o soluție de chitosan cu masă moleculară scăzută de concentrație 0,02....5% realizată în acid acetic de concentrație 0,5......10%. După ce acest amestec a fost ultrasonat, într-o baie de ultrasonare, timp de 10.....160 minute, un volum de 2....20 pL a fost depus pe suprafața electrodului de lucru din pasta de cărbune. Senzorul astfel obținut a fost uscat timp de 20....100 minute în etuvă, la o temperatură de 50....130 °C.The process of making the electrosensitive material consisted of mixing an amount of 0.2...15 mg of MWCNT with a low molecular mass chitosan solution of concentration 0.02...5% made in acetic acid of concentration 0 ,5......10%. After this mixture was ultrasonicated in an ultrasonic bath for 10...160 minutes, a volume of 2...20 pL was deposited on the surface of the carbon paste working electrode. The sensor thus obtained was dried for 20...100 minutes in an oven at a temperature of 50...130 °C.

Metoda de determinare a nitritului din probe de soluție de sol conform invenției constă în utilizarea unei platforme electrosenzitive, procesul de oxidare a nitritului la suprafața senzorului fiind monitorizat direct prin detecție electrochimică.The method for determining nitrite from soil solution samples according to the invention consists in using an electrosensitive platform, the nitrite oxidation process at the surface of the sensor being directly monitored by electrochemical detection.

în general, senzorii electrochimici bazați pe alte tipuri de electrozi de lucru (platina, carbon, aur, etc) prezintă inconvenientul că permit oxidarea nitritului la valori ridicate ale potențialului aplicat, permițând în același timp oxidarea altor compuși interferenți din matricea probei analizate. Pentru a depăși acest dezavantaj se folosește un nanomaterial, încărcat cu sarcină electrică pozitivă care avantajează captarea și oxidarea ionilor de nitrit la suprafața senzorului electrochimie, la o valoare scăzută a potențialului aplicat, evitând astfel oxidarea speciilor interferențe.in general, electrochemical sensors based on other types of working electrodes (platinum, carbon, gold, etc.) present the inconvenience of allowing the oxidation of nitrite at high values of the applied potential, at the same time allowing the oxidation of other interfering compounds in the analyzed sample matrix. To overcome this disadvantage, a nanomaterial is used, charged with a positive electric charge that favors the capture and oxidation of nitrite ions at the surface of the electrochemical sensor, at a low value of the applied potential, thus avoiding the oxidation of interfering species.

Detecția electrochimică a nitritului este realizată amperometric prin măsurarea curentului rezultat în urma reacției de oxidare a acestuia la suprafața senzorului polarizat la -0,2V....+0,7 V, în tampon acetat-fosfat pH 3,5.....8.The electrochemical detection of nitrite is carried out amperometrically by measuring the current resulting from its oxidation reaction on the surface of the polarized sensor at -0.2V....+0.7V, in acetate-phosphate buffer pH 3.5.... .8.

Procedeul de obținere a platformei electrosenzitive și metoda de analiză pot fi utilizate pentru determinarea concentrației ionilor de nitrit din orice tip de sol, cu pH-ul variind de laThe process of obtaining the electrosensitive platform and the method of analysis can be used to determine the concentration of nitrite ions in any type of soil, with the pH ranging from

RO 137419 AO mediul acid, la neutru și respectiv până la bazic. Având în vedere variabilitatea solurilor și a pHului acestora, pentru aplicarea metodei de analiză este necesară realizarea graficului de calibrare pentru fiecare domeniu de pH. Graficul de calibrare pentru nitrit se realizează prin plasarea senzorului electrochimie modificat conform invenției într-o celulă electrochimică ce conține tampon acetat-fosfat cu pH 3,5....8, înregistrându-se semnalul de bază al senzorului pentru valori ale potențialului aplicat de la -0,2 V.....+0.7 V față de electrodul de referință din Ag. După stabilizarea semnalului de bază, se efectuează adiții succesive a unor soluții de nitrit de sodiu de concentrații diferite și se înregistrează semnalul analitic corespunzător fiecărei concentrații adăugate. Graficul de calibrare se obține prin reprezentarea grafică a diferenței dintre semnalul analitic înregistrat pentru fiecare concentrație de nitrit (Ino2) și semnalul electrochimie înregistrat pentru linia de bază (Ibiank), anume lNO2-Ibiank, în funcție de concentrația nitritului de sodiu standard utilizat, graficul obținut corespunzând unei ecuații matematice cu 2 parametrii.RO 137419 AO acid environment, to neutral and respectively to basic. Considering the variability of soils and their pH, for the application of the analysis method it is necessary to make the calibration chart for each pH range. The calibration graph for nitrite is made by placing the electrochemical sensor modified according to the invention in an electrochemical cell containing acetate-phosphate buffer with pH 3.5...8, recording the basic signal of the sensor for values of the potential applied by to -0.2 V.....+0.7 V vs. Ag reference electrode. After stabilization of the baseline signal, successive additions of sodium nitrite solutions of different concentrations are made and the analytical signal corresponding to each concentration added is recorded. The calibration graph is obtained by plotting the difference between the analytical signal recorded for each nitrite concentration (Ino2) and the electrochemical signal recorded for the baseline (Ibiank), namely lNO2-Ibiank, as a function of the concentration of the standard sodium nitrite used, the graph obtained corresponding to a mathematical equation with 2 parameters.

Analiza unei probe de soluție a solului ce conține o cantitate necunoscută de nitriți se realizează prin înregistrarea într-o primă fază a pH-ului. După înregistrarea valorii de pH, pe suprafața senzorului realizat conform invenției, se plasează un volum de 50....500 pL soluție tampon fosfat-acetat și se înregistrează semnalul de bază prin polarizarea senzorului la o valoare de potențial de -0,2 V....+0,7 V. După înregistrarea semnalului de bază, notat cu Ibiank, suprafața senzorului se spală cu apă distilată și senzorul este introdus în soluția solului, înregistrându-se semnalul corespunzător concentrației de nitriți aflată în proba analizată, semnal notat cu Ino2. Concentrația de nitriți este calculată prin interpolarea diferenței lNO2-Ibiank pe graficul de calibrare corespunzător pH-ului solului.The analysis of a soil solution sample containing an unknown amount of nitrites is carried out by recording the pH in a first phase. After recording the pH value, a volume of 50...500 pL of phosphate-acetate buffer solution is placed on the surface of the sensor made according to the invention and the basic signal is recorded by polarizing the sensor at a potential value of -0.2 V ....+0.7 V. After recording the basic signal, noted with Ibiank, the surface of the sensor is washed with distilled water and the sensor is inserted into the soil solution, recording the signal corresponding to the nitrite concentration found in the analyzed sample, signal noted with Ino2. The nitrite concentration is calculated by interpolating the lNO2-Ibiank difference on the calibration graph corresponding to the soil pH.

Regenerarea suprafeței active a senzorului modificat conform invenției cu nanomaterialul electrosenzitiv se realizează printr-un procedeu simplu, anume prin imersarea senzorului utilizat în detecția nitriților din soluția solului în tampon fosfat-acetat cu pH 3...8 și efectuarea unui număr de 5...20 cicluri de scanare a potențialului în domeniul +1,5.....-1,5 V vs Ag/AgCl, cu o viteză de scanare de 20...200 mV/sec utilizând un potențiostat/galvanostat, până la dispariția picului anodic corespunzător oxidării nitriților.The regeneration of the active surface of the sensor modified according to the invention with the electrosensitive nanomaterial is carried out by a simple procedure, namely by immersing the sensor used in the detection of nitrites from the soil solution in phosphate-acetate buffer with pH 3...8 and performing a number of 5.. .20 cycles of potential scan in the range +1.5.....-1.5 V vs Ag/AgCl, with a scan rate of 20...200 mV/sec using a potentiostat/galvanostat, up to the disappearance of the anodic peak corresponding to nitrite oxidation.

Avantajele acestei invenții sunt următoarele:The advantages of this invention are as follows:

Platforma electrosenzitivă este ușor de realizat, și anume filmul de polimer cu masă moleculară mică, chitosan, în care sunt încorporate nanotuburile de carbon cu pereți multiplii (MWCNT) se depune pe suprafața activă a unui electrod de lucru serigrafiat din pastă de cărbune;The electrosensitive platform is easy to fabricate, namely the low molecular weight polymer film, chitosan, in which the multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are embedded is deposited on the active surface of a screen-printed carbon paste working electrode;

Procedeul de obținere al filmului polimeric încorporând nanotuburile de carbon cu pereți multiplii este simplu, reproductibil și ieftin;The process of obtaining the polymer film incorporating the multi-walled carbon nanotubes is simple, reproducible and inexpensive;

£>£>

RO 137419 AORO 137419 AO

Metoda de analiză a nitriților utilizând senzorul miniaturizat și flexibil modificat cu nanomaterialul electrosenzitiv este sensibilă și precisă, fără a fi afectată de alte specii interferențe.The nitrite analysis method using the miniaturized and flexible sensor modified with the electrosensitive nanomaterial is sensitive and accurate without being affected by other interfering species.

Procedeul de regenerare a suprafeței active a senzorului miniaturizat obținut conform invenției este simplu de realizat, putând fi ușor controlat.The process of regenerating the active surface of the miniaturized sensor obtained according to the invention is simple to perform and can be easily controlled.

Metoda de determinare a nitriților bazată pe detecția electrochimică utilizând senzorul electrochimie miniaturizat realizat conform invenției poate fi utilizat pentru probe complexe de soluție de sol, nefiind necesare etape suplimentare de purificare a acestora.The nitrite determination method based on electrochemical detection using the miniaturized electrochemical sensor made according to the invention can be used for complex soil solution samples, without requiring additional purification steps.

în continuare, referitor la Figurile 1...6 este prezentat modul de aplicare a invenției pentru determinarea nitritului din soluția solului.next, referring to Figures 1...6, the method of application of the invention for the determination of nitrite from the soil solution is presented.

Figura 1 prezintă stabilitatea stratului de nanomaterial la suprafața activă a electrodului de lucru determinată prin înregistrarea a unui număr de 20 voltamograme ciclice într-o soluție de tampon acetat de concentrație 0,1 M, pH 5 conținând nitrit de sodiu de concentrație 1 mM, cu o viteză de scanare a potențialului de 50 mV/sec. Se observă că stratul de nanomaterial depus pe suprafața electrodului de lucru prezintă o stabilitate ridicată, demonstrată de suprapunerea voltamogramelor înregistrate și menținerea picului de oxidare atribuit oxidării nitritului la aceeași valoare de potențial anodic, fără scăderea intensității curentului anodic.Figure 1 shows the stability of the nanomaterial layer at the active surface of the working electrode determined by recording a number of 20 cyclic voltammograms in a 0.1 M acetate buffer solution, pH 5 containing 1 mM sodium nitrite, with a potential scan rate of 50 mV/sec. It is observed that the layer of nanomaterial deposited on the surface of the working electrode shows a high stability, demonstrated by the overlap of the recorded voltammograms and the maintenance of the oxidation peak attributed to the nitrite oxidation at the same anodic potential value, without the decrease in the intensity of the anodic current.

Pentru determinarea cu acuratețe a nitritului în soluri cu diferite valori ale pH-ului, este necesară optimizarea potențialului de lucru cu senzorul dezvoltat conform invenției. în Figura 2 sunt reprezentate voltamogramele înregistrate pentru senzorul electrochimie dezvoltat conform invenției, introdus în soluții de tampon acetat de concentrație 0,1 M, cu valori ale pH-ului de 4 și respectiv 5, și tampon fosfat salin cu concentrația de 0,1 M, cu valori ale pH-ului de 6 si respectiv 7, conținând nitrit de sodiu în concentrație de 1 mM.For the accurate determination of nitrite in soils with different pH values, it is necessary to optimize the working potential of the sensor developed according to the invention. Figure 2 shows the voltammograms recorded for the electrochemical sensor developed according to the invention, inserted in solutions of acetate buffer with a concentration of 0.1 M, with pH values of 4 and 5, respectively, and saline phosphate buffer with a concentration of 0.1 M , with pH values of 6 and 7, respectively, containing sodium nitrite in a concentration of 1 mM.

Folosind valorile de potențial optime a fost realizată calibrarea senzorului redată în Figura 3 și au fost obținute dreptele de calibrare pentru nitrit din Figura 4, utilizând senzorul electrochimie miniaturizat realizat conform invenției și detecția amperometrică pentru diferite valori de pH. Astfel, determinarea nitritului se poate realiza într-un domeniu de concentrații cuprins între 0,015.....3,45 mM, cu o sensibilitate specifică de 100.....205 mAM^cm·² și o limită de detecție de 0,5...14,9 μΜ analii. Limita de cuantificare a nitritului utilizând senzorul realizat conform invenției este de 3.....9 μΜ.Using the optimal potential values, the sensor calibration shown in Figure 3 was performed and the calibration lines for nitrite in Figure 4 were obtained, using the miniaturized electrochemical sensor made according to the invention and amperometric detection for different pH values. Thus, the determination of nitrite can be carried out in a concentration range between 0.015.....3.45 mM, with a specific sensitivity of 100.....205 mM^cm· ² and a detection limit of 0 .5...14.9 μΜ anal. The nitrite quantification limit using the sensor made according to the invention is 3.....9 μΜ.

Figura 5 prezintă regenerarea suprafeței senzorului electrochimie utilizat pentru detecția nitritului, prin realizarea a 12 cicluri de scanare a potențialului în domeniul cuprins între -1,2 V și +1 V vs Ag/ACl, cu o viteză de scanare de 50 mV/sec. Se observă că picurile anodice și catodice corespunzătoare oxidării nitritului și respectiv reducerii produsului de reacție, scad înFigure 5 shows the regeneration of the surface of the electrochemical sensor used for the detection of nitrite, by performing 12 cycles of scanning the potential in the range between -1.2 V and +1 V vs Ag/ACl, with a scanning speed of 50 mV/sec. It is observed that the anodic and cathodic peaks corresponding to the oxidation of nitrite and the reduction of the reaction product, respectively, decrease in

RO 137419 AO intensitate până la dispariția acestora, demonstrând regenerarea suprafeței senzorului modificat cu nanomaterialul realizat conform invenției.RO 137419 AO intensity until their disappearance, demonstrating the regeneration of the surface of the sensor modified with the nanomaterial made according to the invention.

Figura 6 prezintă studiile de selectivitate realizate cu senzorul dezvoltat conform invenției în tampon fosfat-acetat pH 4,5....8, în prezența unor compuși potențial interferenți în concentrații de 10....250 μΜ, la potențialele de polarizare optimizate. Răspunsul amperometric înregistrat pentru adiții succesive de nitrit de sodiu și respectiv specii interferențe a fost exprimat ca procent din semnalul înregistrat în doar pentru 10...200 μΜ nitrit de sodiu. Se observă că în prezența speciilor interferențe răspunsul amperometric al senzorului realizat conform invenției nu prezintă o variație semnificativă, senzorul prezentând cea mai mare valoare a intensității curentului înregistrat pentru adiția analitului de interes, nitrit de sodiu. Prin aceasta se demonstrează ca senzorul dezvoltat conform acestei invenții prezintă o selectivitatea ridicată pentru detecția nitritului din soluția solului.Figure 6 shows the selectivity studies carried out with the sensor developed according to the invention in phosphate-acetate buffer pH 4.5...8, in the presence of potentially interfering compounds in concentrations of 10...250 μΜ, at optimized polarization potentials. The amperometric response recorded for successive additions of sodium nitrite and interfering species respectively was expressed as a percentage of the signal recorded for only 10...200 μΜ sodium nitrite. It is observed that in the presence of interfering species, the amperometric response of the sensor made according to the invention does not show a significant variation, the sensor presenting the highest value of the current intensity recorded for the addition of the analyte of interest, sodium nitrite. It is hereby demonstrated that the sensor developed according to this invention exhibits high selectivity for the detection of nitrite in soil solution.

în continuare sunt prezentate două exemple de realizare a senzorului miniaturizat electrochimie conform descrierii invenției.In the following two examples of the miniaturized electrochemical sensor according to the description of the invention are presented.

Exemplul 1Example 1

Un amestec de chitosan cu masă moleculară mică și concentrație 0,5% realizat în acid acetic 2%, încorporând nanotuburi de carbon cu pereți multiplii (MWCNT) în concentrație de 5 mg/mL a fost depus pe suprafața unui electrod de lucru din pastă de cărbune depus pe suport flexibil de PVC, prin plasarea pe suprafața electroactivă a acestuia a unui volum de 10 pL amestec. Senzorul astfel modificat a fost uscat în etuvă pentru 60 minute, la o temperatură de 65°C. Sensibilitatea senzorului electrochimie bazat pe filmul polimeric încorporând MWCNT pentru detecția nitritului este de 25,68 μΑ/mM pentru pH 5, de 16,07 μΑ/mM pentru pH 6 și respectiv 13,96 μΑ/mM pentru pH 7.A mixture of low molecular weight chitosan with a concentration of 0.5% made in 2% acetic acid, incorporating multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) at a concentration of 5 mg/mL was deposited on the surface of a working electrode made of carbon deposited on a flexible PVC support, by placing a volume of 10 pL of the mixture on its electroactive surface. The sensor thus modified was dried in an oven for 60 minutes at a temperature of 65°C. The sensitivity of the electrochemical sensor based on the polymer film incorporating MWCNTs for nitrite detection is 25.68 μΑ/mM for pH 5, 16.07 μΑ/mM for pH 6, and 13.96 μΑ/mM for pH 7, respectively.

Exemplul 2Example 2

Un amestec de chitosan cu masă moleculară mică și concentrație 1% realizat în acid acetic 2%, încorporând 1 mg/mL nanotuburi de carbon cu pereți multiplii (MWCNT) a fost depus pe suprafața electrodului de lucru din pastă de cărbune realizat pe suport ceramic, prin plasarea pe suprafața electroactivă a acestuia a unui volum de 10 pL amestec. Senzorul modificat cu aceasta compoziție de nanomaterial a fost uscat în etuvă pentru 45 minute la o temperatură de 65 °C. Sensibilitatea senzorului electrochimie astfel realizat pentru detecția nitritului este 11,52 μΑ/mM pentru pH 5, pentru pH 6 este 2,01 μΑ/mM și respectiv 1,03 pentru pH 7.A low molecular weight chitosan mixture of 1% concentration made in 2% acetic acid, incorporating 1 mg/mL multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was deposited on the surface of the carbon paste working electrode made on ceramic support, by placing on its electroactive surface a volume of 10 pL of the mixture. The sensor modified with this nanomaterial composition was dried in an oven for 45 minutes at a temperature of 65 °C. The sensitivity of the electrochemical sensor thus made for the detection of nitrite is 11.52 μΑ/mM for pH 5, for pH 6 it is 2.01 μΑ/mM and 1.03 for pH 7, respectively.

Claims

1. Process for obtaining a miniaturized electrochemical sensor for the selective determination of nitrite from the soil solution based on an electrosensitive material, characterized in that a chitosan solution with a low molecular mass of 0.02...5% concentration prepared in acetic acid 0.5...10% is mixed with multi-walled carbon nanotubes of concentration 0.2...15 mg/mL until a homogeneous solution is obtained, which is deposited on the surface of the working electrode made of carbon paste of to a screen-printed sensor made on a ceramic or PVC support, by pipetting 2...20 gL and drying at a temperature of 50...130 °C, for 20...100 minutes in an oven, the obtained sensor keeping -keep at room temperature in a desiccator until use.

2. Electrochemistry sensor made according to claim 1, characterized in that it possesses an electroactive component formed by a chitosan polymer matrix incorporating multi-walled carbon nanotubes, physically deposited on the active surface of the working electrode made of carbon paste of a screen-printed sensor made on ceramic or PVC support.

3. Method for analyzing nitrites in the soil solution, characterized in that the electrochemical sensor according to claim 2, placed in the soil solution, is polarized at a potential in the range +0.4...+0.7 V vs Ag/ AgCl, corresponding to the pH of the soil solution, the value of the anodic current is recorded, which is interpolated on the calibration curve, the amperometric response of the electrochemical sensor being directly proportional to the concentration of nitrite in the analyzed sample.