Uno studio comparativo sulla selettività e sensibilità dei nuovi elettrodi di cromo e rame

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13400 (2022) Citare questo articolo

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La 4-metilcumarina-7-ilossi-N-fenil acetammide e la 4-metilcumarina-7-ilossi-N-4-nitrofenil acetammide sono state sintetizzate e utilizzate come nuovi ionofori nella matrice di pasta di carbonio per produrre due nuovi elettrodi modificati potenziometrici. La selettività dell'elettrodo è cambiata da rame (II) a cromo (III) con l'aggiunta di un gruppo nitro all'anello fenilico dello ionoforo. La tendenza degli ionofori agli ioni è stata confermata dalla spettrofotometria UV-visibile. Entrambi gli elettrodi sono stati modificati da nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) come eccellente modificatore dell'elettrodo in pasta di carbonio (CPE). La migliore risposta del sensore nel caso del CPE selettivo al rame (II) è stata ottenuta con il 5% di ionoforo, il 65% di polvere di grafite, il 5% di MWCNT e il 25% di olio di paraffina. Inoltre, nel caso del CPE selettivo per il cromo (III), queste condizioni sono 20% ionoforo, 50% polvere di grafite, 5% MWCNT e 25% olio di paraffina. Il CPE selettivo per il rame (II) ha mostrato una pendenza Nernstiana di 32,15 mV/decade nell'intervallo di concentrazione di 1,0 × 10–10–1,0 × 10–1 mol L−1, mentre il CPE selettivo per il cromo (III) ha mostrato una pendenza Nernstiana di 19,28 mV/decade nell'intervallo di concentrazione di 1,0 × 10–10–7,0 × 10–3 mol L−1. Gli elettrodi hanno un breve tempo di risposta inferiore a 5 s e sono stati utilizzati con successo per determinare il rame (II) nelle acque reflue e per la speciazione del cromo (III) e del cromo (VI).

I metalli tossici sono stati rilasciati nell'ambiente a causa dell'industrializzazione globale e hanno causato gravi preoccupazioni in tutto il mondo incidendo sulla salute umana1,2. Ad esempio, il rame è necessario per il corretto funzionamento di diversi importanti sistemi enzimatici. Gli enzimi contenenti rame sono citocromo-c ossidasi, ceruloplasmina, monoamino ossidasi, tirosinasi, fenilalanina idrossilasi e lisil ossidasi. D'altra parte, la tossicità è causata dalla quantità eccessiva di rame. Ad esempio, la malattia di Wilson è una malattia autosomica recessiva causata dall’accumulo di rame negli occhi, nel fegato e nel cervello. La malattia di Wilson influenza il trasporto epatico intracellulare del rame e la sua conseguente inclusione nella bile e nella ceruloplasmina3. Inoltre, due diversi stati di ossidazione del cromo normalmente presenti nelle acque naturali sono Cr (III) e Cr (VI). Entrambi i tipi di cromo entrano nell'ambiente da fonti diverse attraverso gli scarichi delle industrie galvaniche, conciarie, dell'energia idroelettrica di raffreddamento, della tintura ossidativa, delle acciaierie e dell'industria chimica4. Il cromo ha effetti fisiologici totalmente opposti sui sistemi biologici per quanto riguarda il suo stato di ossidazione. Il cromo (III) è un elemento chiave nei mammiferi per mantenere il metabolismo dei lipidi, del glucosio e delle proteine. Tuttavia, il Cr (VI) è un materiale tossico poiché può ossidare altre specie e ha effetti negativi su polmoni, reni e fegato. Pertanto, è essenziale determinare entrambe le specie considerando esattamente questi due impatti contrari. Sono stati condotti numerosi studi di speciazione sulle diverse caratteristiche e tossicità delle forme chimiche del cromo4,5,6. Pertanto, è una questione critica misurare questi ioni a causa dello stretto confine tra la loro tossicità e la loro essenza.

Per determinare il valore tracce di metalli come rame e cromo. Tuttavia, queste procedure presentano alcuni svantaggi legati al costo e al tempo delle analisi di routine e al noioso processo di preparazione del campione. Pertanto, la ricerca di nuovi metodi semplici e rapidi per la misurazione dei metalli pesanti è un obiettivo impegnativo.

I sensori elettrochimici sono ampiamente utilizzati per determinare specie diverse in merito alla loro selettività desiderabile e alla maggiore sensibilità nelle loro risposte15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. A questo proposito, gli elettrodi potenziometrici in pasta di carbonio (CPE) sono ampiamente utilizzati come semplici strumenti per rilevare diversi analiti per quanto riguarda la loro facile costruzione, un rapporto segnale-rumore più elevato, una facile rinnovabilità della superficie, stabilità della risposta, metodi a basso costo, minore resistenza ohmica e non richiede la soluzione interna29,30. Ancora più importante, gli elettrodi in pasta di carbonio possono essere semplicemente modificati con diversi tipi di modificatori inorganici o organici semplicemente miscelando il modificatore con legante e carbonio nella fase di preparazione della pasta. Lo stato superficiale dell'elettrodo può essere migliorato mediante modifiche, che aumentano significativamente i segnali target. Le caratteristiche di rilevamento ionico dei CPE potenziometrici si basano principalmente sulla natura dei materiali di rilevamento utilizzati25,26,27,28,29,30,31,32. Recentemente, i nanomateriali a base di carbonio sono stati ampiamente sfruttati come scambiatori di elettroni-ioni per migliorare le prestazioni degli elettrodi grazie alla loro area superficiale specifica più elevata, alla buona idrofobicità, alla stabilità chimica e alla conduttività elettrica16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29.