الفهرس 
Chapter I Introduction 1.1.Electrochemical Detection TechniquesOnly 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 251 |  |  |
| | | from | 251 | | |
Abstract
SUMMERY
The thesis deals with a new technique method which named electrochemical impedance spectroscopy. Fabrication of impedimetric sensor based on nanomaterials modification. The investigation of their characteristic performance and evaluation of their biological, industrial and environmental matrices applications have been extensively considered. The thesis contains five chapters.
Chapter (I)
Deals with an introduction that is performing a precise literature survey focusing on the electro-chemical detection technique especially electrochemical impedance technique, preparation of nanomaterials (such as gold nanoparticles and graphene nanosheets) and self assembled monolayer method covering the last two decades. The characterization of impedimetric sensor and their application in biological, pharmaceutical, industrial and environmental matrices have been thoroughly surveyed.
Chapter (II)
Sensitive and selective impedimetric sensor for Cr (III) based on newly synthesized ionophore (N’, N”’E, N’, N”’E)- N’, N”’ – (((ethane- 1, 2 – diylbis (oxy)) bis (2,1 – phenylene)) bis (methanylylidene)) bis (3-methylbenzofuran- 2 – carbohydrazide) in AuNPs/graphene oxide(GO)/graphite (Gt) paste electrode has been developed. Physical and chemical characterization of the paste electrode using UV-Vis, FTIR, TEM, CV, and EIS techniques were performed in order to identify the best electrode compositions. The best percentage of the Ionophore, graphene oxide, gold nanoparticles, graphite and pasting liquid (DOP/PO) sensor matrix was 3.6 %, 32.0 %, 1.6 %, 14.8 % and 48 %, respectively. Equivalent circuit has been used for modilization the impedance sensor behavior to understanding the interface paste electrode /electrolyte phenomena. Different parameters measuring of impedimetric method were optimized then the selectivity toward interfering cations has been studied. The impedimetric sensor has wide linear range from 10-9 - 10-3 M with a low detection limit of 5x10-10 M which is considerably better than the values previously reported in the literature. The proposed impedimetric Cr – sensor has been used for analysis of Cr(III) in urine samples and the results were correlated with that obtained from the atomic absorption spectroscopy reference method and give good results.
Chapter (III)
Biosensor for choline detection has been developed based on gold nanoparticles (AuNPs) and multiwalled carbn nanotube (MWCNT). A natural biocompatible polymer, Chitosan (Chit) used MWCNT dispersion, then Chit-MWCNT was dropped on the glassy carbon electrode (GCE) surface , followed by dropping AuNPs ; finally,immobilized choline oxidase (ChOx) using glutaraldehyde crosslinking. Choline has been measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at potential -0.3 V in phosphate buffer. Optimization of the experimental condition regarding pH of buffer, concentration of enzyme and substrate.
MWCNTs /GNPs /ChlOx,BSA modified GCE showed electrocatalytic oxidation for choln. The synergistic effect of MWCNTs and gold nanoparticles could greatly improve the electrode performance. The sensor has been used for quantitative detection of choln with the impedimetric biosensor owning good sensitivity. A wide linear dynamic range from 1 to 1000 μM, detection limit 0.1 μM, good reproducibility, high stability and good response were obtained for the determination of choln concentration. Moreover, simple preparation and low cost are some advantages of this disposable modified electrode. The results of the present work indicated that the proposed sensor was suitable for the detection of choln concentration in different samples of milk.
Chapter (IV)
For the first time, low cost choline inhibition biosensor for lead ions determination has been developed by electrochemical impedance spectroscopy using Choline oxidase (ChOx) immobilized on modified multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) glassy carbon electrode (GCE). Choline oxidized into betaine in the presence of ChOx at - 0.3 V vs. Ag/AgCl reference electrode, however, lead ion caused inhibition of enzyme activity which decreased the choline oxidase current and increase its impedance. Optimization of the experimental condition regarding pH of buffer, concentration of enzyme and substrate and incubation time. Choline inhibition biosensor selective for lead ion determination with a linear range 0.1 – 8.0 nM and lower limit detection compared with the literature 0.04 nM. The biosensor was selective to Pb 2+ determination with application in determination of lead ion in tap water.
Chapter (V)
Impedimetric sensor for calcium (II) ion detection has been developed using self-assembled monolayer (SAM) on gold surface functionalized by 2-hydroxy-4-(2-oxo-1,2-diphenylethylidene) amino) benzoic acid [Ionophore] molecules. Two chemical attachment processes are occurred, firstly , 4 – aminothiophenol (4-ATP) on gold surface and secondly activated ionophore (activation of carboxylic acid terminal of ionophore by reaction of a mixture of ethanol soluble 6-dimethyl amino propyl-3-ethyl carbodimide (EDC) and N hydrosuccinimide) to 4 – aminothiophenol (4-ATP).
Characterization of the sensitized surfaces by Scanning electron microscopy /energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX) images, Atomic force microscope (AFM), cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Adhesion and morphological properties have been studied using contact angle measurements. Optimization of the experimental condition regarding effect of potential, pH and concentration of buffer has been studied. The detection of Ca2+ was investigated by impedance spectroscopy with a linear range 1.0×10-12 – 1.0×10-6 M and detection limit 3.5x 10-12 M. the impedimetric sensor presented fast response and selectivity in the presence of other interfering ions . The life time of the impedimetric sensor was more than one month. Calcium sensor (gold/SAM) impedance behavior has been modeled using an equivalent electrical circuit using Randle model for fitting and understanding the phenomena present at the interface SAM / electrolyte. Impedimetric calcium sensor has been applied for detection of ca2+ in serum and saliva; the results were correlated with that obtained from routine clinical laboratory electrolyte analyzer and Inductively Coupled Plasma (ICP). The results reveal that the SAM calcium sensor is promising for the point of care testing.
الملخص العربى
هناك حاجه متزايده لاستخدام منتج نهائى لاجراء قياسات ميدانية سريعه وموثوق فيها ومنخفضة التكلفة لااستخدامها فى المجالات الحيوية والبيولوجيه وللكشف عن التلوث البيئى. لذلك تم تناول الرسالة طريقة تقنية جديدة تسمى التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية والتى تستخدم فى قياس المحسات الامبيديمترية والمدعمة فى تكوينها على مواد ذات توصيلية عالية ومتناهية الصغر فى حجم النانو . وقد تم التحقق والتأكد من أداء تلك المحسات الامبيديمترية وتقييم تطبيقاتها البيولوجية والصناعية والبيئية. وتشمل محتويات الرسالة خمسة أبواب وترتيبها كالتالى .
الباب الاول :
يشمل الباب الاول مقدمة عامة حيث تم عمل مسح مرجعى دقيق خلال العقدين الاخيرين يركز على انواع التقنيات المستخدمه فى الكشف الكهروكيميائي وبالاخص تقنية التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية والتى تتميز بالحساسية العالية والبساطة وقلة التكلفة مقارنة بالتقنيات الاخرى ونظرا لتلك المواصفات فقد ورد لها العديد من التطبيقات الفعالة فى المجالات المختلفه فى المجالات الببئية والحيوية والخ . ونظرا لان المواد النانومترية تلقى اهتماما كبيرا فى الفترة الاخيرة لمواصفاتها الفريده فكان لابد من التركيز ايضا على طرق تحضير المواد النانومتريه وهى مواد متناهية الصغر فى حجم النانو (على سبيل المثال الذهب والجرافين) حيث ان المواد النانومترية لها خصائص رائعه فى تحسين مواصفات جهاز الاستشعار المستخدم . يعد أيضا طريقة تحضير الطبقة الاحادية المكونة ذاتيا (SAM) من أحدث الطرق المستخدمه التى تقوم بتحميل الماده الفعالة على سطح الذهب ذات التوصيليه العالية براوبط كيميائية ثابته والتى تتضح جيدا بااستخدام ميكروسكوب الالكترونى النافذ للالكترونات المنبعثة ذات الدقة العالية (HRTEM) , المجهر الالكتروني الماسح (SEM) ,مجهر القوة الذرية (AFM) و الجهاز الخاص بقياس زاوية الالتصاق . وقد تم استقصاء دقيق لجميع التطبيقات الفعاله في المجالات البيولوجية , الصناعية والبيئية.
الباب الثانى :
يعتبر ايون الكروم الثلاثى من المغذيات الاساسية للكائنات الحية. وهو عنصر أساسي في الثدييات ويلعب دوراً هاماً في الحفاظ على التمثيل الغذائي الفعال للكربوهيدرات والجلوكوز والدهون والبروتينات. وبالتالي ، يمكن أن يتسبب كل من الاستهلاك غير الكافي والمفرط لايون الكروم الثلاثى (Cr (III في حدوث آثار سلبية على جسم الإنسان. من ناحية أخرى يعتبر أيون الكروم الثلاثى من العناصر الأساسية في المستحضرات الصيدلانية المتعددة الفيتامينات والمعادن المتعددة التي تحتوي على أيون الكروميوم الثلاثى في شكل كلوريد الكروم (مصدر غير عضوي) أو كمصدر عضوي. وعلى الرغم من أن ايون الكروم ضروري للكائنات الحية ، إلا أنه معروف أيضًا بأن له خصائص مسرطنة تهاجم الكبد والكلى والرئتين. وبالتالي ، فإن الكشف عن ايون الكروم (III) الموجود في العديد من المواد البيولوجية والصناعية له أهمية كبيرة.
لذلك تم تصنيع محس امبيديمترى ذات حساسية وانتقائيه عالية جدا يعتمد تكوينه على أيونوفور حديثً وهو ”(N’, N”’E, N’, N”’E)- N’, N”’ – (((ethane- 1, 2 – diylbis (oxy)) bis (2,1 – phenylene)) bis (methanylylidene)) bis (3-methylbenzofuran- 2 – carbohydrazide)” المدمج بعجينة مكونة من جزيئات الذهب المتناهية الصغر , والجرافيت وأكسيد الجرافين (GO). ودراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية وتم توصيف قطب العجينة المصنع باستخدام تقنية الاشعه فوق البنفسجية والمرئية UV-Vis والاشعه تحت الحمراء FTIR والميسكروسكوب الالكترونى TEM والفلوتامترى الحلقى CV والمعاوقة الكهروكيميائية EIS . وقد تم دراسة أفضل تكوين للالكترود ، وأفضل نسبة من Ionophore , أكسيد الجرافين (GO) ,جسيمات الذهب النانومترية والجرافيت , ووجد أن أفضل نسبة للقطب هى 3.6 ٪ ، 32.0 ٪ ، 1.6 ٪ ، 14.8 ٪ على التوالي. وقد استخدمت الدائرة الكهربية المكافئة لسلوك المقاومة المعاوقة الناتجه من القطب لفهم الظواهر التى تحدث على سطح عجينة القطب / والالكتروليت .
العديد من المعايير تم دراستها بااستخدام المعاوقة الكهروكيميائيه ثم تم دراسة الانتقائية تجاه الكاتيونات المسببة للتداخل وقد أعطى القطب أنتقائية عاليه. أثبت القطب حساسية عاليه جدا أتجاه أيون الكروم الثلاثى يتراوح من من 10-9 - 10-3 مولر مع حد كشف منخفض يصل الى 5 x10-10 ، وهو أفضل بكثير من القيم التي تم تسجيلها في الابحاث السابقه. تم أستخدام الكترود الكروميوم الامبيديمترى اتجاه قياس ايون الكروم الثلاثى فى عينات البول وعند مقارنتها بالنتائج التى تم الحصول عليها من التحليل الطيفى للامتصاص الذرى وجدنا انها اعطت نتائج مماثلة تماما.
الباب الثالث:
الكولين هو عنصر غذائي حيوي ضروري لبعض الأغراض الفسيولوجية. ففي عام 2004 كان مصدر مجموعة الميثيل فى المستقلب و البيتين. كما كان الضرورة الاولى للناقل العصبي أستيل كولين والتي ينتج من السيطرة على العضلات والذاكرة ، ومع ذلك ، فإنه له دور مهم في تخليق الدهون الفوسفورية التي توفر هيكل لاغشية الخلايا. لذا ، فإن تقدير الكولين مهم جدًا في العديد من الامراض ، مثل مرض الزهايمر.
لهذا تم عمل جهاز استشعار للكشف عن الكولين مدعم بجسيمات الذهب النانومترية (AuNPs) وانابيب الكربون النانومترية المتعددة (MWCNT) و بوليمر حيوي طبيعي متوافق يسمى Chitosan لتفرقة أنابيب MWCNT عن بعضها البعض، ثم تم وضع Chit-MWCNT على سطح القطب الكربوني الزجاجي (GCE) ، متبوعًا بوضع (AuNPs) جزيئات الدهب فى حجم النانو ؛ ثم أخيرا ، الكولين أوكسيديز (ChOx) باستخدام glutaraldehyde crosslinking. وقد تم قياس الكولين باستخدام التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) عند الجهد -0.3 فولت وتم دراسة كل العوامل التى قد تؤثر على استجابة القطب مثل قيمة الرقم الهيدروجينى لوسط الفوسفات المستخدم. ،تركيز الانزيم والمادة . ومن ثم تم أستخدام القطب الكربوني الزجاجي (GCE) وعليه MWCNTs / AuNPs / ChlOx BSA وأظهرت النتائج تأثير MWCNTs وجسيمات الذهب النانومترية انها تحسن كثيرا من أداء القطب. تم استخدام المستشعر للكشف الكمي عن الكولين ووجد أنه يمتلك حساسية جيدة فى نطاق ديناميكي خطي واسع من 1 إلى 1000 ميكرومولر ، وأقل تركيز يمكن قياسه يصل الى 0.1 ميكرومولر ،بالعلاوة على ذلك انه يمتلك ثبات عالي واستجابة جيدة لتقدير تركيز الكولين, الإعداد البسيط والتكلفة المنخفضة و بعض مزايا أخرى لهذا القطب المعدل السهل الحمل فى أى مكان. وقد تم أستخدام القطب فى التطبيقات المختلفه وأشارت النتائج أن المستشعر المقترح كان مناسبًا للكشف عن تركيز الكولين في عينات مختلفة من الحليب.
الباب الرابع :
أن التركيز العالى من الرصاص سام جدا وخطير على البيئة فبالرغم من ان هناك تطبيقات مختلفة للرصاص ، على سبيل المثال ، الدهانات ، الأنابيب ، بطاريات الرعاية وسبائك اللحام بالقصدير ، فعلى الجانب الآخر ، يؤدي زيادة تركيز الرصاص في الظروف البيئية إلى حدوث سمية بسبب التراكم فى العظام والأنسجة ، يمكن أن يكون سبب كل من الآثار القلبية الوعائية ، وتورم الدم ، وتغيرات الجهاز الهضمي ، والخلل الإنجابي من خلال التعرض الطويل لمستوى عال من الرصاص. ومن هذا المنطلق فكان ولابد من وجود جهاز استشعار لقياس الرصاص .
وللمرة الأولى ، تم تطوير جهاز استشعار بيولوجي لتثبيط الكولين المنخفض التكلفة وأستخدامه لقياس أيونات الرصاص بواسطة طيف المعاوقة الكهروكيميائية باستخدام الكولين اوكسيديز (ChOx) المثبت على قطب الكربون (GCE) والمحمل عليه أنابيب الكربون النانومترية المعدله (MWCNT). يتأكسد الكولين الى البيتين في وجود الكولين اوكسيديز ChOx عند جهد - 0,3 فولت فى وجود قطب Ag / AgCl ، فى حين ان وجود أيون الرصاص يسبب تثبيط نشاط الإنزيم الذي ينقص من توصيل الكولين اوكسيديز ويزيد من مقاومته. و لتحسين مواصفات القطب تم دراسة العديد من العوامل من بينها مايتعلق بقيمه الرقم الهيدروجيني للوسط ، وتركيز الانزيم والماده الفعاله للانزيم وفترة الحضانة. أنتج جهاز استشعار تثبيط الكولين نتائج هائله لتقدير أيون الرصاص فى تركيزات قليله جدا تتراوح من 0.1 إلى 8.0 نانومولر وكشف الحد الأدنى 0.04يصل الى نانومولر. وقد تم أستخدام جهاز استشعار تثبيط الكولين فى تقدير تركيز أيون الرصاص في ماء الصنبور.
الباب الخامس :
بما لا شك فيه ان الكالسيوم يلعب دورًا فسيولوجيًا وسريريًا هام جدا في الجسم ، إلى جانب الصوديوم والبوتاسيوم والكلوريد والمغنيسيوم. فان ايون الكالسيوم هو إشارة من الاشارات العالمية التى تشارك في تنظيم دورة الخلية والتمثيل الغذائي والسلامة الهيكلية . كما أن تركيز الكالسيوم فى الجسم يعد من المنبهات الاولى التى تستخدم فى الكشف عن مرض السرطان .
تم استحداث جهاز استشعار امبيديمترى للكشف عن أيونات الكالسيوم الثنائى (II) باستخدام طريقه الطبقة الاحادية المحمله ذاتيًا (SAM) على سطح الذهب محمل عليه جزيئات الايونوفور ” حمض البنزويك 2-هيدروكسي -3 (2-أوكسو-1 ، 2-ثنائي فينيل ثيليدين) أمينو)” . تم إجراء عمليتين ربط كيميائي ، العملية الاولى ، تشمل تحميل مركب 4-أمينو ثيو- فينول (4- ATP ) على سطح الذهب . العمليه الثانيه , تشمل (تنشيط مجموعه كربوكسيل الخاصه بالأيونوفور بواسطة تفاعل خليط من EDC و NHS (N- hydrosuccinimide) ثم أحداث ربط كيميائى بين الايونوفور و مركب 4-أمينو ثيو- فينول (4- ATP ) المحمل على سطح الذهب .
تم توصيف سطح القطب الحساس بواسطة المسح المجهري الإلكتروني / المسح الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM / EDX) للصور ، الفولتامترى الحلقى (CV) ، طيف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS). تمت دراسة درجه التصاق للمركبات التى تم ربطها كيميائيا على سطح قطب الذهب والخصائص المورفولوجية باستخدام قياسات زاوية الاتصال. تمت دراسة العديد من العوامل التى تساهم فى تحسين الحالة التجريبية للقطب مثل ما يتعلق بتأثير درجة الحموضة للوسط ، تركيز الوسط ومن ثم تم التحقق من الكشف عن ايون الكالسيوم الثنائى +Ca2 بواسطة التحليل الطيفي للمقاومة فى نطاق خطي يتراوح من 10-11 مولر إلى 10-6 مولر وأدنى حد للكشف .3.5 × 10-12 مولر. قدم جهاز الاستشعار الامبيديمترى استجابة سريعة وانتقائية عاليه في وجود أيونات التداخل الأخرى. وأثبتت الدراسه ان عمر أستجابة القطب يصل الى أكثر من شهر . تم تصميم دائرة كهربائيه مكافئه باستخدام نموذج راندل Randle .لفهم جميع الظواهر التى تحدث على سطح الالكترود / المحلول ومن ثم تم تطبيق جهاز الاستشعار الامبيديمترى الخاص بقياس الكالسيوم فى الكشف عن الكالسيوم فى مصل الدم واللعاب وأعطت نتائج رائعه مقارنة بالنتائج المقاسه بالطرق التقليديه الاخرى.