Indagine sulla messa a punto di sensori potenziometrici per il catione 4-fenil-N-metilipiridinio.

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SASSARI FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI

Dipartimento di Chimica e Farmacia Corso di laurea in Chimica Specialistica

Indagine preliminare sulla messa a punto di sensori potenziometrici per il catione 4-fenil-N-metilipiridinio.

Relatore: Prof. GAVINO SANNA Tesi di Laurea di: MARIA STEFANIA ARRU Correlatore: Dott. MARIA I. PILO

ANNO ACCADEMICO 2010-2011

Indice Introduzione

Pag. 1

Capitolo 1 – Stato dell’arte

Pag. 4

1.1 I sensori

Pag. 4

1.2 I sensori potenziometrici

Pag. 9

1.3 I politiofeni

Pag.15

1.4 La sindrome di Parkinson

Pag.18

1.5 MTPT, MPP+ e Parkinson

Pag.20

Capitolo 2 – Parte Sperimentale

Pag.24

2.1 Reagenti

Pag.24

2.2 Strumentazione e apparecchiature

Pag.25

2.3 Tecniche elettroanalitiche

Pag.27

2.3.1 Voltammetria ciclica

Pag.27

2.3.2 Cronoamperometria

Pag.28

2.4 Determinazione dello spessore dei film polimerici

Pag.29

Capitolo 3 – Sintesi

Pag.30

3.1 Sintesi di [MPP][I]

Pag.30

3.2 Reazione di scambio anionico tra [MPP][I] e AgPF6.

Pag.32

Capitolo 4 – Risultati e discussione

Pag.34

4.1 Preparazione di ASS-ISE costituiti da polimeri conduttori con proprietà di shape selectivity elettropolimerizzati su elettrodi metallici.

Pag.34

4.1.1 Polimerizzazione elettrochimica del 2,2’-bitiofene su disco di Pt in CH2Cl2/TBAPF6 0.1M.

Pag.35

4.1.2 Risposta potenziometrica “a livello zero” al catione MPP+da parte di un Pag.38 sensore di Pt ricoperto di poli(tiofene).

4.1.3 Preparazione di un sensore potenziometrico tramite polimerizzazione elettrochimica del 2,2’-bitiofene con elettrolita di supporto misto TBAPF6/ [MPP][PF6].

Pag.40

4.1.4 Risposta potenziometrica al catione 4-fenil-N-metilpiridinio con un sensore metallico ricoperto di politiofeneelettropolimerizzato in presenza di catione MPP+.

Pag.42

4.1.5 Polimerizzazione elettrochimica dell’anilina su disco di grafite in soluzione acquosa 2M di HCl .

4.1.6 Polimerizzazione elettrochimica dell’N-metilpirrolo su disco di Pt in CH3CN/TBAPF6 0.1M.

Pag.45

4.2 Preparazione e proprietà potenziometriche di ASS-ISE costituiti dall’accoppiamento di membrane ionofore con film polimerici conduttivi depositati su elettrodo solido.

Pag.50

4.2.1 Sensori a base di PEDOT.

Pag.51

4.2.1.1 Polimerizzazione elettrochimica di 3,4-etilendiossitiofene (EDOT) su grafite in KCl acquoso 0.1 M.

Pag.51

4.2.1.2 Preparazione della membrana ionofora a base di sodio tetrafenilborato (NaTPB).

Pag.54

4.2.1.3 Valutazione delle attitudini potenziometriche dell’ASS-ISE a base NaTB4/PEDOT .

4.2.2 Sensori a base di poli(tiofene).

Pag.54

4.2.2.1 Elettropolimerizzazione di 2,2’-bitiofene su Pt in MeCN/TEAPF6 0.1 M.

Pag.58

4.2.2.2 Preparazione di membrane ionofore a base di sodio tetrafenilborato (NaTPB).

Pag.60

4.2.2.3 Valutazione delle attitudini potenziometriche degli ASS-ISE a base NaTPB4/politiofene.

Pag.61

4.2.3 Sensori a base di 4’- ((2,2’:5’,2’’-tertiofen-3’-il)metossi)-2,2’:6’,2’’terpiridina (TTT).

Pag.64

4.2.3.1 Elettropolimerizzazione della 4’- ((2,2’:5’,2’’-tertiofen-3’-il)metossi)2,2’:6’,2’’-terpiridina (TTT).

Pag.65

4.2.3.2 Preparazione della membrana ionofora a base di DOS e NaTPB.

Pag.67

Pag.47

Pag.58

4.2.3.3 Valutazione delle attitudini potenziometriche degli ASS-ISE a base NaTPB4/DOS/TPPP.

Pag.68

4.3 Preparazione di un single piece ASS-ISE tramite dispersione in una membrana ionofora a base di NaTPB e DOS di un film di PEDOT ottenuto tramite polimerizzazione elettrochimica.

Pag.70

4.4. Realizzazione di ASS-ISE privi di polimero conduttore.

Pag.72

Conclusioni

Pag.73

Riferimenti Bibliografici

Pag.75

The way I see it, every life is a pile of good things and bad things.

The good things don’t always soften the bad things, But vice versa the bad things don’t always spoil the good things And make them unimportant.

The Doctor

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Introduzione Il gruppo di ricerca presso il quale è stato svolto questo lavoro di tesi è da diversi anni attivo nell’ambito della sintesi e caratterizzazione di elettropolimeri conduttori a base tiofenica e dei metallopolimeri che da questi ne derivano. Durante il corso della ricerca sono stati sintetizzati una serie di derivati tertiofenici recanti nella posizione 3' un sostituente con potenzialità coordinanti nei confronti degli ioni di metalli di transizione.

Tra

questi ricordiamo

la

4’-[(2,2’:5’,2”-tertien-3’-il)metossi]-2,2’:6’,2”-terpiridina

(TTT)1 e la la 4’-(2,2’:5’,2”-tertien-3’-etinil)-2,2’:6’,2”-terpiridina (TAT)2. Tali derivati sono accomunati dal medesimo frammento coordinante, ma si differenziano tra loro per la natura dello spacer che li divide: saturo nel caso della TTT, insaturo (acetilenico) nella TAT.

S

S S

S

S

S O

N

C

N

N

N

N N

Figura 1. Strutture della TTT (a sinistra) e della TAT (a destra)

1

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Un altro monomero originale di sintesi prodotto all’interno del nostro gruppo è la 2(2,2’:5’,2’’-tertien-3’-il)-1,10-fenantrolina (TTF) 3. Rispetto ai due precedenti, questo derivato si caratterizza per il legame diretto tra sistema tertiofenico e nucleo 1,10fenantrolinico e per la presenza di un legante bidentato all’azoto dotato stavolta di grande rigidità. Successivamente sono stati sintetizzati anche monomeri ove l’unità tertiofenica è legata al sistema fenantrolinico nelle posizioni 4 o 5.

S

S

S

N

N

Figura 2. Struttura della TTF

Tali monomeri sono stati tipicamente caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche e voltammetriche, indi sottoposti ad elettropolimerizzazione. Tra i loro tanti potenziali impieghi, i polimeri conduttori così ottenuti possono anche essere utilizzati come agenti modificanti per la superficie elettrodica al fine di ottenere sensori potenziometrici ed amperometrici dotati di peculiari caratteristiche, ad esempio nel campo della rilevazione di tracce di metalli di transizione.

Nel solco della continuità con il precedente interesse per la messa a punto e caratterizzazione analitica di sensori elettrochimicamente modificati con film polimerici 2

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru conduttivi, questo lavoro di tesi segna tuttavia l’inizio della collaborazione con il Dipartimento di Medicina Clinica e Sperimentale, in modo particolare con il gruppo di ricerche in Farmacologia coordinato dal Professor Pier Andrea Serra. Uno dei primi obiettivi che ci si è prefissi riguarda eventuali possibili applicazioni di polimeri conduttori a base tiofenica nella messa a punto di sensori potenziometrici atti alla rilevazione di specifici analiti organici, con particolare riferimento alle neurotossine ed a loro metaboliti.

Nello specifico, l’obiettivo ultimo di questo lavoro di tesi è quello di mettere a punto un sensore potenziometrico capace di rilevare uno specifico analita, il catione N-metil-4fenilpiridinio (MPP+), noto metabolita della neurotossina 1-metil-4-fenil-1,2,3,6tetraidropiridina (MTPT). Queste due molecole determinano, negli animali, una sintomatologia paragonabile alla sindrome di Parkinson che colpisce gli esseri umani 4 e si pensa che composti strutturalmente simili a MTPT e MPP + possano essere una delle cause nell’eziologia del Parkinson. 5

N

N

CH3

CH3

Figura 3. Strutture di MTPT (a sinistra) e MPP+ (a destra)

3

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Capitolo 1 Stato dell’Arte 1.1 I sensori.

Il riconoscimento qualitativo della struttura chimica e l’analisi quantitativa di sostanze attraverso l’uso di sensori è un fenomeno la cui importanza è andata crescendo sempre più nel corso degli ultimi 30 anni; oggigiorno gli studi tesi sia alla scoperta di nuovi sensori che allo sviluppo di nuovi materiali che possano a tal scopo essere utilizzati costituiscono uno dei più aperti ed appetibili campi di ricerca su cui le comunità scientifiche di tutto il mondo ancora si confrontano. La rilevazione chimica tramite sensori è frutto dell’interrelazione di due aspetti fondamentali: il mero riconoscimento molecolare e la trasduzione del segnale generato all’interfase tra sensore e matrice contenente l’analita. Lo sviluppo di nuovi sensori risulta quindi essere strettamente correlato alla scoperta ed allo studio di nuovi materiali che possano essere usati sia per il riconoscimento molecolare che come efficienti trasduttori di segnale6.

Figura 1.1 Principi del riconoscimento chimico da parte di un sensore sia come trasduttore di segnale che nel campo del riconoscimento molecolare.

4

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru In questo contesto si inseriscono, rivendicando un ruolo di primo piano, i polimeri conduttori, a buon titolo considerati i materiali principi per la costruzione di sensori elettrochimici. In modo particolare si sono rilevati adatti a tale scopo quelli ottenuti per elettropolimerizzazione su substrati specifici di monomeri quali il pirrolo, l’anilina, il tiofene ed alcuni loro derivati. Il termine generico “polimero conduttore” si può riferire ad una serie di materiali polimerici che possiedono conduttività elettronica e/o ionica come i polimeri coniugati dopati, i polimeri redox, i materiali compositi e gli elettroliti a base polimerica.

Nonostante l’elettropolimerizzazione della forma nera della polianilina risalga al XIX secolo, rappresentando quindi il primo esempio di polimero conduttore riportato in letteratura, la scoperta che segna l’inizio degli studi recenti sui polimeri conduttori risale al 1976, quando si dimostrò che il poliacetilene sottoposto a doping con I 2 mostrava proprietà differenti da quelle di tutti i polimeri organici fino a quel momento conosciuti 7.

Figura 1.2 Effetto del doping sulla conduttività del poliacetilene.

Da quel momento in poi sono stati diversi i monomeri studiati e sottoposti a doping. La multifunzionalità di questi nuovi materiali polimerici deriva parzialmente dalla struttura chimica dello scheletro del polimero, che consente la presenza dei più svariati sostituenti; d’altra parte è la possibilità di intrappolare controioni (o molecole neutre) all’interno 5

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru della matrice polimerica che contribuisce a definire le caratteristiche del polimero conduttore risultante. Dal momento che i polimeri conduttori sono materiali elettroattivi si può dedurre che le proprietà del materiale varieranno a seconda del grado di ossidazione (p-doping) o di riduzione (n-doping) dello scheletro del polimero. Il doping elettrochimico dei polimeri coniugati segue il principio di carica e scarica di una pila, ed infatti questa era una delle prime applicazioni ritenute plausibili per questi materiali.

Ben presto, però, le particolari proprietà dei polimeri conduttori sia in campo elettrico che in campo elettrochimico ed ottico vennero sfruttate per convertire l’informazione chimica in segnale elettrico o ottico su un elettrodo allo stato solido.

L’informazione chimica contenuta nell’analita (la sua natura chimica o la sua concentrazione nella matrice considerata) presente in una fase fluida può essere quindi trasdotta in un segnale rilevabile e quantificabile. A riguardo i polimeri conduttori possono giocare un ruolo parimenti fondamentale sia nella fase di “riconoscimento” dell’analita e della conseguente formazione del segnale primario, sia in quella successiva di trasferire nella maniera più fedele tale segnale allo strumento di misura. Fattori quali la scelta dell’unità monomerica che si replica nello scheletro del polimero conduttore, il suo grado di doping, la natura degli ioni dopanti e/o di sostituenti sull’unità monomerica, in grado di conferire peculiari proprietà al polimero, consentono di avere polimeri conduttori assai versatili, con un ampio range di modulabilità di proprietà ottiche, elettriche e meccanico-tecnologiche.

I polimeri conduttori sono stati applicati in sensoristica sin dalla metà degli anni ’80. Il primo polimero a suscitare l’interesse dei gruppi di ricerca è stato il polipirrolo (PPy), che ha trovato diverse applicazioni all’interno di sensori atti alla rilevazione potenziometrica di alcoli alifatici8, alla determinazione amperometrica del glucosio 9, alla rilevazione sia di analiti gassosi10 che di alcuni ioni metallici11. Negli anni ’90 il ruolo dei polimeri 6

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru conduttori era prevalentemente concentrato sulla trasduzione elettrica del segnale 12 mentre attualmente si sta sviluppando anche una fiorente serie di sensori in cui i polimeri conduttori curano la trasduzione ottica 13 del segnale.

L’elettropolimerizzazione su materiali altamente conduttori come oro, platino e grafite offre una via pressoché unica per la realizzazione di sensori elettrochimici. Giacché i polimeri conduttori sono dei materiali con conduttività mista (quindi di I e II specie), essi possiedono sia conduttività elettronica che conduttività ionica e sono quindi in grado di trasdurre un segnale (che si forma ad esempio a seguito di processi di scambio ionico) in una corrente elettrica facilmente amplificabile e misurabile; questa proprietà è fondamentale per la costruzione di sensori potenziometrici. Le modifiche superficiali di elettrodi convenzionali con polimeri conduttori possono tuttavia determinare anche fenomeni di specifica elettroattività del sensore così modificato, atti ad esempio a garantire selettività nella determinazione amperometrica o voltammetrica di analiti o di classi di analiti.

Le possibilità d’immobilizzazione di ioni estranei al backbone polimerico conduttivo sono molteplici. Fenomeni di doping del film polimerico possono determinare interazioni elettrostatiche specifiche con gli ioni di segno opposto dell’elettrolita di supporto disciolto nel sistema solvente. Ovviamente la disponibilità di specie ioniche che possono contemporaneamente svolgere attività di recettore e di elettrolita di supporto riduce alquanto l’applicabilità di tale approccio, che comunque rimane di estremo interesse per la sua intrinseca semplicità. Un approccio più versatile è quello di funzionalizzare opportunamente i monomeri in maniera tale da legare chimicamente il recettore alla catena polimerica, oppure sfruttando effetti sterici o interazioni di tipo idrofobico. In questi casi la carica del polimero deve essere compensata da altri controioni, ad esempio provenienti da un polielettrolita anionico. Il recettore può essere quindi legato in maniera 7

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru covalente al monomero e poi subire l’elettropolimerizzazione (approccio più efficace, che garantisce un film con proprietà costanti), o può essere legato al polimero solo a polimerizzazione avvenuta; in questo caso non si può escludere che la funzionalizzazione avvenga solo sulla superficie del polimero, a causa di effetti sterici del recettore e conformazionali del film.

Il recettore può infine legarsi ad un anione incorporato nella matrice polimerica e fungere quindi, almeno in parte, da controione o – al limite - essere legato ad un film polimerico non carico, ma anche in questo caso serviranno delle altre cariche per compensare la carica del polimero dopato.

8

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1.2 I sensori potenziometrici.

I sensori potenziometrici e, in particolare, gli elettrodi ionoselettivi (ISE) sono una sottoclasse importante di sensori chimici. Un sensore potenziometrico si basa sulla rilevazione del potenziale del sensore stesso nei confronti di un elettrodo di riferimento il cui potenziale risulti essere costante nelle medesime condizioni. La misura viene fatta in condizioni di equilibrio elettrochimico attraverso l’uso di un potenziometro ad alta impedenza. La potenziometria è una tecnica di misurazione vantaggiosa da molti punti di vista, primo tra tutti quello economico; inoltre per le sue applicazioni pratiche, rispetto alla maggior parte delle altre tecniche analitiche, richiede solo una modesta alimentazione elettrica che ben si presta a soddisfare requisiti di portabilità e miniaturizzazione.

Figura 1.3 Diversi tipi di sensori. Da sinistra a destra: ISE convenzionale con riferimento interno e soluzione di filling interna, ISE coated-wire, ISE con contatto idrogel, ISE con polimero conduttore come trasduttore di segnale, ISE con polimero conduttore dissolto nella membrana e ISE con polimero conduttore usato anche come membrana.

9

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Ovviamente i polimeri conduttori rappresentano una importante categoria di materiali per conferire ai sensori potenziometrici specifiche proprietà.14 Gli ISE basati su questi materiali spesso operano in combinazione con carrier neutri o ionici e sono ad oggi i sensori maggiormente utilizzati nell’analisi clinica15. L’interesse nei confronti di questo tipo di sensori è andato crescendo nel tempo poiché è stato dimostrato che il limite di rilevabilità raggiungibile da tali ISE può raggiungere addirittura livelli di concentrazione picomolari, 16 aprendo quindi la strada all’indagine potenziometrica in tracce17.

Tra i diversi tipi di ISE disponibili particolare interesse è rivolto agli all solid state ISEs (ASS – ISEs) che risultano richiedere minore manutenzione, garantendo nel contempo più durata e maggiore facilità di miniaturizzazione rispetto ai classici elettrodi con una soluzione al loro interno. Il predecessore degli ASS – ISEs, scoperto oramai più di 30 anni fa, è il cosiddetto elettrodo “coated wire” che soffriva, come del resto gli elettrodi contenenti al loro interno una soluzione filler, di problemi di instabilità del potenziale.

Una prima soluzione a questo problema venne trovata inserendo all’interno del elettrodo stesso un riferimento interno (ad esempio Ag/AgCl) e rimpiazzando la soluzione interna con un elettrolita basato su idrogel18. Questi sensori però soffrono di problemi relativi a fenomeni di rilascio d’acqua che, in dipendenza delle concentrazioni di sali all’interno dell’idrogel, ne modificano lo spessore dello strato. Contemporaneamente si pensò di modificare il coated wire electrode inserendo uno strato di materiale con opportune proprietà di scambio ionico ed elettronico tra il conduttore elettronico e la membrana ionoselettiva, e tramite questo inserimento si riuscì ad ottenere risultati migliori dal punto di vista quantitativo, superando parte delle difficoltà di rilevazione dovute alla diluizione dell’analita e ai flussi che vanno a crearsi in soluzione 19. Dal momento che questo processo però è di tipo asimmetrico, il materiale doveva possedere un’elevata capacitanza 10

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru redox per minimizzare la polarizzabilità del conduttore elettronico; per questo motivo i polimeri conduttori sono stati considerati dei candidati ideali come trasduttori allo stato solido20.

In linea di principio il processo di trasduzione da ione ad elettrone può essere scritto come segue: M+ A- + e-

M + A-

ove M+ rappresenta uno ione metallico o un’unità polimerica ossidata, e - è un elettrone, A- rappresenta un anione e M è il metallo, o l’unità polimerica, neutra.

I polimeri conduttori sono degli ottimi trasduttori di segnale per diverse ragioni: 

Sono materiali conduttori di elettroni che possono fare contatto ohmico con materiali altamente conduttori come Au, Pt e grafite.



Possono essere facilmente depositati sul conduttore elettronico tramite elettropolimerizzazione del monomero corrispondente.



Molti di questi polimeri sono anche solubili in un buon numero di solventi e possono essere depositati a partire da una loro soluzione per evaporazione del solvente.



Infine la loro conduttività mista (ionica ed elettronica) li rende in grado di poter essere utilizzati nella realizzazione di trasduttori allo stato solido.

La selettività ionica in questo particolare tipo di sensori potenziometrici può essere ottenuta attraverso due vie differenti. La prima è quella di utilizzare il polimero conduttore come mero trasduttore di segnale in combinazione con una membrana ionica selettiva, cui sono interamente demandate le proprietà di sensore 21. La figura 1.4 riporta

11

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru ad esempio gli ASS – ISE funzionanti secondo questo principio, in grado di potere esplicitare carattere di selettività anionica o cationica.

Figura 1.4 Meccanismo di funzionamento di un ASS – ISE sia per il riconoscimento di cationi che di anioni. (EC = conduttore elettrico; CP= polimero conduttore; ISM= membrana ionoselettiva; S= soluzione; L= sito di riconoscimento dello ione).

L’eventuale solubilità del polimero conduttore nello stesso solvente in cui si prepara la membrana permette di costruire un sensore chiamato “single-piece” ISE dove il polimero conduttore, che agisce comunque da trasduttore, si trova nella stessa fase della membrana ionoselettiva22.

L’altro approccio per indurre selettività consiste invece nell’incorporare i siti di riconoscimento sul polimero conduttore stesso, dopandolo con ioni che contengono gruppi complessanti o legando in maniera covalente i siti di riconoscimento sullo scheletro del polimero 23. Questo tipo di approccio richiede un controllo praticamente 12

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru totale delle proprietà di trasporto ed elettroniche della membrana per poter ottimizzare la trasduzione ed il riconoscimento degli analiti. Il più grande problema collegato a questo tipo di approccio sta nel mantenere una elevata selettività minimizzando le interferenze redox. Nonostante le criticità appena prospettate, i benefici che si possono trarre dal perfezionamento di questa tecnica sono notevoli e, considerato che gli studi su questo argomento sono appena agli albori, non è difficile credere che in un prossimo futuro questa possa diventare la tecnica principale di costruzione degli ISE. Tale via offre inoltre l’interessante possibilità di costruire sensori potenziometrici che abbinino alla trasduzione del segnale anche il riconoscimento molecolare, aspetto che può essere sfruttato nello sviluppo di sensori ad elevato grado di miniaturizzazione (micro e nanodimensionali).

Figura 1.5 Meccanismo di funzionamento di un ISE in cui il CP funge anche da scambiatore ionico.

Dal punto di vista dell’applicabilità in campo clinico è necessario superare una criticità che contraddistingue la maggior parte dei film polimerici conduttivi, ovvero la loro scarsa 13

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru solubilitĂ e stabilitĂ in solventi acquosi. Per questo motivo le ricerche si sono concentrate sullo studio di polimeri conduttori quali il polipirrolo, la polianilina ed i derivati funzionalizzati del politiofene, su tutti il poli(3,4-etilendiossi)tiofene (PEDOT), questi ultimi sono quelli che hanno mostrato solubilitĂ in soluzione acquosa.

14

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

1.3 I Politiofeni.

Il presente lavoro di tesi ha posto la sua attenzione in maniera principale ai film di poli(tiofene) e dei suoi derivati. Quando sottoposti a doping i politiofeni presentano elevata stabilità, sia termica che ambientale, un’alta conducibilità ed una buona solubilità, motivo per il quale sono divenuti una delle tre classi di polimeri conduttori maggiormente studiati.

Il poli(tiofene) (PT) può essere sintetizzato per via elettrochimica attraverso un processo di ossidazione anodica che porta ad un politiofene drogato come quelo mostrato nello schema sotto riportato.

Figura 1.6 Struttura del poli(tiofene) (PT). A- rappresenta un anione atto a compensare la carica netta positiva del backbone polimerico.

Come in ogni elettropolimerizzazione anodica, l’agente ossidante risulta essere la superficie dell’elettrodo polarizzata ad un adeguato valore di potenziale. Uno specifico problema nell’elettropolimerizzazione del tiofene è il cosiddetto paradosso del tiofene 24.

E’ stato infatti dimostrato che il potenziale a cui il monomero si ossida e, quindi, polimerizza è un potenziale troppo alto per il polimero che, nelle stesse condizioni, va a sovraossidarsi compromettendo così le sue le proprietà fisiche e chimiche. Risulta

15

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru evidente quindi che se, la polimerizzazione viene effettuata in condizioni potenziostatiche o galvanostatiche si otterrà una miscela di politiofene e politiofene sovraossidato.

Figura 1.7 Sovraossidazione del politiofene.

Sono state quindi pensate diverse strategie per evitare questo fenomeno, come l’aggiunta di sostituenti alchilici25 sulle posizioni non polimerizzanti del tiofene, o l’utilizzo di oligomeri come il bi- o tertiofene26, che consentono di abbassare il potenziale al quale effettuare la polimerizzazione evitando di incorrere nella sovraossidazione. Generalmente i politiofeni vengono elettropolimerizzati in solventi organici anidri poiché la presenza anche di tracce di H2O va a compromettere le proprietà del polimero27.

In

controtendenza, su questo aspetto, si posiziona il poli(etilendiossitiofene) (PEDOT), il cui monomero mostra addirittura solubilità in soluzione acquosa.

Assieme al PT, il PEDOT è stato il polimero maggiormente oggetto dello studio condotto all’interno di questa tesi. Esso appartiene ad una classe di elettropolimeri relativamente nuova, e la capacità di poter essere polimerizzato in soluzione acquosa lo rende un materiale oltremodo adatto alla costruzione di sensori adatti ad essere utilizzati nei fluidi biologici. Film di PEDOT elettrodepositati in presenza di anioni di poli(4-stirensulfonato) trovano applicazione come sensori per la rilevazione di cationi come K+

28

e Ag+

29

,

mentre in presenza di anioni tetrafenilborato i film di PEDOT ottenuti si sono rivelati utili come sensori per la rilevazione dei cationi di molecole organiche aromatiche 30. E’ proprio 16

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru grazie a questo risultato che si è deciso di studiare, nell’ambito di questo lavoro di Tesi, le proprietà di film polimerici di PEDOT ricoperti di opportune membrane plastiche caricate con lo ionoforo a base di PVC. I film a base di PEDOT sono inoltre tra i più resistenti all’azione dell’ossigeno atmosferico e alla presenza di CO2 in soluzione, opponendosi quindi ai cambiamenti di pH che possono avvenire nella stessa durante lo svolgimento dell’analisi. Infine questo tipo di polimero è tra i meno inclini a subire degradazione dovuta a stress elettrochimico 31.

Figura 1.7 Struttura del PEDOT

17

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

1.4 La Sindrome di Parkinson.

Il morbo di Parkinson (PD) è una malattia neurodegenerativa del sistema nervoso centrale (SNC) la cui incidenza sulla popolazione mondiale è seconda, tra le patologie neurodegenerative, solo alla malattia di Alzheimer32 e colpisce - nella quasi totalità dei casi - soggetti con più di 50 anni di età. Tra i primi sintomi che questa patologia oggettiva, i più comuni sono quelli tipo motorio, infatti solo in uno stadio avanzato della malattia subentrano sintomi di altro tipo come turbe della sfera psichica o perdita di memoria. Altri sintomi, meno diffusi, riguardano turbe del sonno o della sfera comportamentale in generale. L’intera sintomatologia motoria è definita Parkinsonismo.

A livello cerebrale il morbo di Parkinson è caratterizzato dalla distruzione, all’interno del cervello e - in modo particolare - nella zona chiamata substantia nigra, dei neuroni dopaminergici (DA) e dalla formazione di aggregati ubiquitari positivi noti come corpi di Lewy33. Sfortunatamente ad oggi la diagnosi della patologia risulta oggettivabile solo quando un numero assai elevato (tra il 70 e l’80%) dei neuroni dopaminergici risulta essere già compromesso 34. La sindrome di Parkinson viene definita dalla comunità medica “sindrome idiopatica”, in quanto essa è una patologia non associabile ad una specifica origine eziologica. Solo in un limitato numero di casi è possibile invocarne l’origine genetica. In essi sono stati identificati una serie di geni ritenuti responsabili della degenerazione neuronale ma, ad oggi, non è comunque stato possibile definire il meccanismo che attiva la condizione patologica nell’uomo. Sebbene la sindrome di Parkinson non sia a pieno titolo classificata come una malattia genetica, è stato comunque riscontrato che - nel 15% dei casi - almeno un congiunto di primo grado soffre, o ha 18

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru sofferto in vita, della stessa patologia35. Ad oggi si è stabilito che circa il 5% dei pazienti affetti da Parkinson soffre di tale patologia a causa della mutazione di uno o più geni specifici che codificano per determinate proteine quali l’α-sinucleina (codificata da SNCA), la parkina (PRKN) e la dardarina (LRRK2). Tra queste il ruolo dell’αsinucleina36 pare essere predominante, in quanto è stata riconosciuta essere componente principale dei corpi di Lewy. Mutazioni di tipo missense sul gene che codifica la SNCA sono state riscontrate in diversi gruppi di pazienti affetti da Parkinson di tipo familiare, anche se queste mutazioni avvengono solo nel 2% dei casi. Modificazioni del gene LRRK2 sono la causa comune più conosciuta di Parkinson sporadico e familiare, riconducibile a circa il 5% dei casi totali di Parkinson di origine genetica37. Sono però possibili svariate mutazioni di questo gene, e quindi non sempre è possibile identificarlo in maniera univoca come causa della patologia. Non essendo il Parkinson patologia classificabile come esclusivamente di origine genetica, gli studi sulle sue possibili cause hanno riguardato anche tutta una serie di fattori di rischio ambientale come l’esposizione ad inquinanti come ad esempio pesticidi ed erbicidi.

19

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

1.5 MTPT, MPP+ e Parkinson.

Nell’ambito di questi studi è stato quasi casualmente scoperto che la somministrazione sistemica della neurotossina 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MTPT) negli umani porta sia alla comparsa di tutta una serie di sintomi ascrivibili in maniera univoca sia alla sindrome di Parkinson che alla distruzione della substantia nigra. Di conseguenza la somministrazione di MTPT a modelli animali è stata utilizzata in maniera estensiva per poter studiare il susseguirsi degli eventi degenerativi all’interno del cervello, così come per valutare la possibilità di nuove terapie per la cura del PD 38. L’effetto induttore del Parkinsonismo di MTPT è stato scoperto accidentalmente nel 1983 39 a seguito dell’assunzione, da parte di un gruppo di giovani tossicodipendenti, dell’oppiaceo 1metil-4-fenilpropionossipiperidina (MPPP), un agente analgesico molto potente, come alternativa all’eroina. Nonostante MTPT non abbia le caratteristiche di un oppiaceo, esso è un sottoprodotto della sintesi di MPPP. Proprio a causa dell’assunzione di questa droga contaminata da MTPT si è potuto risalire alla correlazione tra la molecola e la patologia del Parkinson poiché, dopo pochi giorni dall’assunzione della droga, i tossicodipendenti mostravano sintomi paragonabili a quelli dei pazienti affetti da Parkinson in stadio avanzato.

N CH3

Figura 1.8 Struttura della 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MTPT) 20

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Risulta essere ormai acclarato il fatto che la

causa della tossicità di MTPT sia

principalmente dovuta alla sua trasformazione, sia in vitro che all’interno dei tessuti animali e umani, in un suo metabolita di tipo piridinico, il catione 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+), che risulta essere poi intrappolato all’interno del cervello in maniera intraneuronale. MTPT risulta quindi non essere tossico di per se stesso ma, in quanto composto lipofilico, è capace di attraversare la barriera ematoencefalica e convertirsi nel cervello in MPP+, fortemente neurotossico. Questa conversione sembra essere un processo che decorre in due stadi: il primo, noto e studiato comporta l’ossidazione, ad opera della forma B dell’enzima monoamminossidasi (MAO-B), di MTPT a 1-metil-4fenil-2,3-diidropiridinio (MDPD+) che viene a sua volta ossidata a MPP+ con un meccanismo ancora non noto che avviene principalmente all’interno delle cellule gliali.

Una volta che l’ossidazione è avvenuta MPP+ viene rilasciato dalle cellule gliali ed entra selettivamente nel bottone sinaptico dei neuroni dopaminergici attraverso uno specifico sistema di re-uptake che sfrutta un trasporto attivo contro gradiente di concentrazione (DAT, dopamine transporter).

21

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Figura 1.9 Ossidazione di MTPT a MPP+ e sua azione neurotossica all’interno di un terminale dopaminergico.

MPP+ agisce a diversi livelli all’interno dei neuroni. In primo luogo esso risulta essere un inibitore del complesso I della catena di trasporto degli elettroni all’interno dei mitocondri; sue elevate concentrazioni sono fonte di degenerazione neuronale, come risultato di un insufficiente approvvigionamento di ATP all’interno delle cellule stesse.

L’effetto di MPP+ sulla NADH deidrogenasi non è stato ancora del tutto studiato; si presume che questo effetto possa essere collegato ad alcuni agenti derivanti dalla bioriduzione dello stesso MPP+; le conseguenze di questa probabile bioriduzione sarebbero perdita di energia della cellula stessa, a causa dell’ossidazione delle proteine da parte di MPP+, danni al DNA tramite la produzione di specie radicali che contenenti ossigeno e promuovendo l’eccitotossicità glutammatergica 40,41. È altresì da sottolineare 22

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru il fatto che le cellule gliali siano più resistenti all’azione dell’MPP+ rispetto ai neuroni, e che gli effetti di MPP+ sulla catena di respirazione degli elettroni dei mitocondri sembrano essere gli stessi a prescindere dalla natura della cellula in cui esso viene iniettato. Studi in altri sistemi biologici hanno poi rilevato che, in presenza di MPP+, le cellule gliali sono capaci di sopravvivere anche in condizioni di anaerobiosi mentre basse concentrazioni di MPP+ sembrano essere in grado di indurre la proliferazine di cellule neuronali in vitro. L’accumulo di MPP+ all’interno dei mitocondri è stato visto inizialmente come la risposta ad un gradiente di potenziale che si va a formare all’interno della matrice dei mitocondri. Studi pionieristici condotti nella seconda metà degli anni ’80 suggerivano che l’uptake all’interno dei mitocondri fosse apparentemente saturabile, suggerendo che fosse un processo mediato da un carrier 42. Studi successivi invece mostrarono che analoghi strutturali di MPP+, sia carichi che neutri, venivano passivamente trasportati all’interno dei mitocondri in dipendenza da un gradiente di energia, con ciò suggerendo che il processo non fosse mediato da carrier. Queste evidenze

furono

ulteriormente

supportata

dalla

dimostrazione

che

l’anione

tetrafenilborato (TPB-) stimola il trasporto di MPP+ mediante un processo di concentrazione dipendente dall’energia attraverso la membrana mitocondriale interna, guidato da un gradiente di potenziale trans membrana (AiO) 43 che innalza l’effetto inibitorio nei mitocondri tramite un accesso facilitato ad un sito idrofobico sulla NADHubichinone ossido reduttasi. MTPT è stato utilizzato in maniera estensiva su svariati mammiferi per produrre un modello sperimentale del Parkinson idiopatico 44. Negli esseri umani e nei primati una iniezione sistemica di MTPT produce una sindrome parkinsoniana irreversibile e di forte entità , caratterizzata da tutti i sintomi del PD, incluso il tremore, la rigidità, la lentezza di movimento, l’instabilità posturale e la paralisi.

23

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Capitolo 2 Parte sperimentale

2.1 Reagenti.

I reagenti utilizzati per la sintesi di N-metil-4-fenilpiridin ioduro e di N-metil-4fenilpiridin esafluorofosfato (4-fenilpiridina, ioduro di metile e esafluorofosfato d’argento), tutti della Sigma Aldrich, sono stati utilizzati tal quali senza ulteriori purificazioni. I monomeri utilizzati per le elettropolimerizzazioni, 3,4-etilendiossitiofene (EDOT, Aldrich) e 2,2’-bitiofene (Lancaster) sono stati utilizzati tal quali, mentre la 4’[(2,2’:5’,2”-tertien-3’-il)metossi]-2,2’:6’,2”-terpiridina (TTT) è stata precedentemente sintetizzata da questo stesso gruppo di ricerca.

Gli

elettroliti

di

supporto

tetrabutilammonio

esafluorofosfato

(TBAPF6)

e

tetraetilammonio esafluorofosfato (TEAPF6) (Fluka, puriss. electrochemical grade) e conservati in essiccatore da vuoto, mentre il tetrafenilborato di sodio (NaTPB) (Aldrich pur. ≥99.5%, Selectophore®) ed il cloruro di potassio sono stati utilizzati tal quali. I solventi organici utilizzati per le caratterizzazioni elettrochimiche (CH 2Cl2 e CH3CN, Aldrich, H2O residua <0.0050% ), conservati sotto Ar, sono stati utilizzati tal quali prelevandoli dalla bottiglia con setto in teflon perforabile mediante aspirazione con siringa.

I reattivi per la costruzione delle membrane scambiatrici ioniche polivinilcloruro (PVC), NaTPB, bis(2-etilesil)sebacato (o diottilsebacato DOS) e 2-nitrofenilottil etere (σ-NPOE) 24

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru (Aldrich) sono stati utilizzati tal quali senza ulteriori purificazioni. Anche il tetraidrofurano (THF) (Riedel-de Haën, CHROMASOLV®) utilizzato per la preparazione delle membrane è stato utilizzato senza alcuna purificazione.

Le soluzioni per le prove potenziometriche sono state preparate con acqua distillata ultrapura e nitrato di potassio (Riedel-de Haën, ACS).

2.2 Strumentazione e apparecchiature.

Le deposizioni dei film polimerici di politiofene, PEDOT e poli(TTT) sono state effettuate su un sistema computerizzato AUTOLAB PGSTAT 12 (Echochemie, The Netherlands) interfacciato con un personal computer in ambiente Windows 98, usando il software di gestione GPES. Tutti gli esperimenti a potenziale controllato (voltammetria ciclica e cronoamperometria) sono stati effettuati in una cella in vetro a bicchiere dotata di un sistema di degasaggio, di agitatore magnetico e di un tappo a tre coni dove alloggiare gli elettrodi: 

Elettrodo lavorante (disco di Pt, 2 mm di diametro per le deposizioni di politiofene e poli(TTT), disco di grafite, 3 mm di diametro per le deposizioni di PEDOT)



Elettrodo di riferimento (Ag/AgCl)



Controelettrodo (filo di Pt o barretta di grafite)

25

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Figura 2.1. Cella per CV e cronoamperometria Gli spettri di risonanza magnetica nucleare 1H NMR sono stati registrati con uno spettrofotometro Varian VXR 300 operante a 300.0 MHz, usando come riferimento i segnali protonici residui del solvente dimetilsolfossido deuterato (DMSO-d6).

Le analisi elementari sono state effettuate tramite un analizzatore elementare Perkin Elmer 240B. La registrazione degli spettri IR è stata effettuata con uno spettrofotometro JASCO FT/IR â&#x20AC;&#x201C; 480 Plus in sospensione di Nujol su pastiglie di NaCl. Le determinazioni potenziometriche sono state effettuate con un mV-metro Orion Model 720 A, utilizzando come elettrodo di riferimento un elettrodo ad Ag/AgCl acquoso, su soluzioni di KNO3 0.1 M tenute sotto costante agitazione mediante un agitatore magnetico.

26

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2.3 Tecniche elettroanalitiche.

2.3.1 Voltammetria ciclica Le tecniche voltammetriche si basano sulla misura della corrente che attraversa un elettrodo normalmente polarizzato, solido o metallico (elettrodo lavorante), immerso in una soluzione contenente specie elettroattive. Se ad esso viene applicata una rampa lineare di

potenziale, sarà possibile osservare tutti i processi di ossidazione (o di

riduzione) che avvengono in quella scansione lineare di potenziale. E’ parimenti vero che, travalicato un picco di corrente che denota la presenza di un processo faradico, sarà normalmente possibile invertire il verso di scansione del potenziale, cercando di far avvenire la reazione associata al processo di trasferimento elettronico sino ad allora osservato. In presenza di reversibilità dello stesso, sarà quindi possibile un secondo picco (picco associato), relativo al processo redox che decorre sulla specie appena elettrogenerata. La voltammetria ciclica (CV) è quindi una potente tecnica a potenziale controllato volta a definire la natura e le proprietà di processi redox di specie presenti in una soluzione. La tecnica è assai versatile, in quanto si può avvalere di parecchi sistemi solventi e di numerosi materiali elettrodici. Il parametro discriminante della tecnica è in genere la velocità di scansione del potenziale, che può variare entro limiti assai estesi (da qualche mV/s ad anche milioni di V/s!!). Il tipico responso in CV è un diagramma corrente/tensione nel quale la presenza di specie elettroattive è oggettivata da picchi di corrente, cui possono essere associabili (o meno) picchi che denotano il decorso del processo elettromotore sulla specie elettrogenerata. Le condizioni di trasporto di materia all’elettrodo sono in genere esclusivamente diffusive e – in regime di diffusione lineare semiinfinita – sono regolate dalle leggi di Fick.

27

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 2.3.2 Cronoamperometria

La cronoamperometria è una delle tecniche elettroanalitiche all’interfase più semplici. In questa tecnica di tipo potenziostatico, un elettrodo lavorante viene immerso in una soluzione quiescente, contenente un elettrolita di supporto ed opportunamente termostatata, e viene sottoposto ad un potenziale al quale non passa corrente faradica; all’istante zero si applica istantaneamente un potenziale tale da garantire un decorso significativo della reazione elettrodica; detto potenziale verrà mantenuto per tutta la durata della cronoamperometria. La corrente associata al processo elettromotore decade in funzione del reciproco della radice quadrata del tempo. L’andamento della corrente nei confronti del tempo segue infatti la legge di Cottrell: i(t)=nFAD01/2CbR-1/2t-1/2 dove:



n= numero di elettroni scambiati



F= costante di Faraday



A= area della superficie elettronica



Do = coefficiente di diffusione della specie attiva



Cb = concentrazione nel bulk della soluzione dell’analita

Esiste quindi una proporzionalità tra la corrente e la concentrazione della specie in esame nel bulk ma, diversamente dalla voltammetria ciclica, l’andamento dipende anche dal tempo per il quale viene applicato il potenziale che risulta essere responsabile dell’andamento del responso cronoamperometrico; al passare del tempo infatti diminuisce la concentrazione di analita nei pressi della superficie elettrodica e quindi l’analita dovrà

28

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru diffondere da distanze superiori; di conseguenza diminuirà la velocità con cui la specie elettroattiva raggiunge l’elettrodo ed il grafico presenterà un tipico andamento asintotico.

La cronoamperometria permette in genere di ottenere film polimerici di migliore qualità di quelli ottenuti in voltammetria ciclica: infatti, operando a un potenziale costante opportunamente scelto si evita di passare per potenziali ai quali potrebbero avvenire altri processi collaterali.

2.4 Determinazione dello spessore dei film polimerici

Lo spessore di tutti i film polimerici elettrogenerati (d) è stato calcolato a partire dal valore, noto per ogni singola elettropolimerizzazione, della carica di deposizione (Q dep) attraverso la seguente relazione: d(nm)= α Qdep/A (mC/cm2 ) dove A rappresenta l’area superficiale dell’elettrodo e α è un parametro caratteristico dipendente dalla natura del monomero. Per diverso tempo è stato utilizzato un valore medio di α=245 mentre ora, alla luce di una serie di risultati sperimentali calcolati attraverso la correlazione tra spessori di film depositati e carica Qdep di deposizione durante l’elettropolimerizzazione 46, α è considerato pari a 2.5 nm·cm2/mC. Alla luce di queste considerazioni lo spessore dei film polimerici ottenuti nel corso di questo lavoro sono stati calcolati nel seguente modo: d(nm) = 2.5 Qdep/( π (0.1)2) per i depositi su elettrodo di platino d(nm)= 2.5Qdep/ (π (0.15)2) per i depositi su elettrodo di grafite.

29

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Capitolo 3 Sintesi

3.1 Sintesi di [MPP][I]47.

H3C

5x

I

I

r.t., N2, 24h

N

N CH3

In un pallone a due colli da 250 ml, posto sotto agitazione magnetica, è stata preparata una soluzione di 4-fenilpiridina (2.0001 g, pari a 0.0128 mol) in 30 ml di acetone.

Tramite l’uso di un imbuto gocciolatore è stato aggiunto lo ioduro di metile (4 ml, 0.0644 mol), in largo eccesso (cinque volte il numero di moli di fenilpiridina usate), anch’esso solubilizzato in 20 ml di acetone. Al termine del gocciolamento si lascia l’imbuto completamente aperto. Dopo 20 minuti dal termine del gocciolamento si può notare la formazione di un precipitato giallo tenue di ioduro di N-metilpiridinio. Si lascia andare la reazione a completezza per circa 24 h e poi si filtra sotto vuoto il precipitato con acetone

30

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru freddo. Il precipitato ottenuto viene essiccato sotto vuoto per circa 3 ore e poi pesato, ottenendo una resa del 76.52%.

Il prodotto ottenuto è stato poi analizzato tramite analisi elementare, spettroscopia IR e spettroscopia 1H NMR in dimetilsolfossido deuterato (DMSO). Il prodotto appare puro allâ&#x20AC;&#x2122;NMR protonico, pertanto si è deciso di non sottoporlo ad alcuna ulteriore elaborazione.

1

H NMR (DMSO d6, ppm): 9,02 (d, J= 6.6 Hz, 2H); 8.51(d, J=6.6 Hz, 2H); 8.09 (m, 2H);

7.64 (m, 3H); 4.32(s, 3H).

31

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3.2 Reazione di scambio anionico tra [MPP][I] e AgPF6.

I

AgPF6

PF6

AgI

MeOH, r.t., 1h

N

N

CH3

CH3

In un pallone ad un collo si solubilizza [MPP][I] (0.2001 g, 0.6731 mmol) in 30 ml di metanolo e si tiene la soluzione sotto costante agitazione magnetica. In un altro pallone, tenuto al riparo dalla luce, viene invece solubilizzato in 20 ml di CH 3OH l’esafluorofosfato d’argento (AgPF6, 0.1814 g, 0.7067 mmol) in eccesso del 5% rispetto a [MPP][I]. Le due soluzioni vengono poi unite e vengono lasciate sotto agitazione magnetica a reagire per circa un’ora a temperatura ambiente. In questo passaggio è fondamentale evitare che la miscela di reazione entri a contatto con la luce solare poiché i sali d’argento sono fotosensibili e bisogna – per quanto possibile - evitare la formazione di Ag elementare all’interno della miscela.

Dopo un’ora si provvede a filtrare su filtro a pieghe (Whatman 42), conservando le acque madri e portandole a secchezza sotto vuoto. La procedura appena descritta è stata ripetuta finché non sono state eliminate tutte le tracce di argento elementare dal prodotto. A questo punto si è solubilizzato il prodotto nella minima quantità di metanolo e lo si è precipitato da etere etilico (Et 2O).

32

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Si è quindi filtrato su imbuto di Hirsch ad ottenere un precipitato bianco che è stato asciugato sotto vuoto e poi caratterizzato tramite analisi elementare, spettroscopia IR e spettroscopia 1H NMR. 1

H NMR (DMSO d6, ppm): 9.01 (d, J= 6.6, 2H), 8.51 (d, J= 6.6, 2H), 8.08 (m, 2H), 7.66

(m, 2H), 4.32 (s, 3H)

33

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Capitolo 4 Risultati e discussione

4.1 Preparazione di ASS-ISE costituiti da polimeri conduttori con proprietà di shape selectivity elettropolimerizzati su elettrodi metallici.

La prima parte della nostra attività di ricerca è stata volta al tentativo di costruire dei dispositivi formati da una membrana di polimero conduttivo che mostrassero attività potenziometrica nei confronti del catione MPP +. La scelta iniziale è stata fatta sulla base della semplicità costruttiva e della robustezza intrinseca di sensori di tale tipo. Le variabili operative da ottimizzare in tale studio sono state la natura del solvente, dell’elettrolita di supporto e del film polimerico elettrodepositato.

Il modus operandi da noi adottato ha previsto la realizzazione di un elettrodo solido (disco di Pt da 2 mm di diametro o di grafite da 3 mm di diametro) (elettro)chimicamente modificato per elettrodeposizione di un opportuno film polimerico conduttivo da una soluzione di un certo solvente (diclorometano, acetonitrile o acqua) ed un certo elettrolita di supporto (TBAPF6, TEAPF6, NaPF6, TBABF4 o HCl) contenente il relativo monomero in concentrazione tipicamente compresa tra 0.1 ed 1x10 -3 M. Il film polimerico viene tipicamente caratterizzato in assenza del monomero progenitore nello stesso sistema solvente da cui è stato sintetizzato, e le performances potenziometriche vengono solitamente misurate contro soluzioni acquose diluite dell’analita, contenenti KNO 3 come tampone di forza ionica, che coprono un range di almeno un ordine di grandezza di concentrazione.

34

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Definita preliminarmente una risposta potenziometrica “a livello zero”, ossia la risposta intrinsecamente associabile al polimero conduttore sintetizzato in completa assenza di ioni che possono conferire al film le auspicate proprietà ionospecifiche, per ogni combinazione solvente/elettrolita di supporto/polimero conduttivo si è provveduto a realizzare una serie di elettrodi modificati con film polimerici elettrosintetizzati in presenza di sistemi solventi stavolta contenenti - come coelettrolita di supporto - quote progressivamente crescenti (dall’1% al 50% in moli) di [MPP]PF6. Ciascuno dei sensori così ottenuti è stato testato per saggiarne le attitudini potenziometriche nella determinazione del catione MPP +. Sono stati pertanto preparati e saggiati in tal modo parecchie decine di sensori differenti. Nei paragrafi successivi si darà conto della tipica procedura operativa da noi utilizzata per la realizzazione di tali sistemi.

4.1.1 Polimerizzazione

elettrochimica

del

2,2’-bitiofene

su

disco

di

Pt

in

CH2Cl2/TBAPF6 0.1M. Una soluzione 0.1 M dell’elettrolita di supporto, tetrabutilammonio esafluorofosfato (TBAPF6), viene preparata come segue: l’elettrolita di supporto viene introdotto dapprima in un pallone da 50 ml munito di rubinetto laterale per il degasaggio, quindi vi si aggiunge il solvente (CH2Cl2) prelevato in atmosfera inerte di N2. La soluzione così preparata viene trasferita nella cella elettrochimica, precedentemente asciugata in stufa a 100 °C e fatta raffreddare sempre in flusso di gas inerte. L’elettrodo di lavoro utilizzato è un disco di Pt (diametro 2 mm), l’elettrodo di riferimento un Ag/AgCl acquoso, l’elettrodo ausiliario un filo di platino. Prima della polimerizzazione l’elettrodo di lavoro è stato pulito con Al2O3 (0.3 µm), lavato con acqua distillata e infine sonicato.

Prima di ogni caratterizzazione gli elettrodi sono stati lavati con acetone e disposti nella cella, dove è stato fatto gorgogliare Ar anidro per circa 15 minuti. È stato quindi registrato il 35

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru voltammogramma del sistema solvente (fondo), in una finestra catoanodica compresa tra 1.8 e +1.8 V. Il responso del fondo è considerato accettabile solo se si è in assenza di responsi catoanodici che mostrino corrente di picco non superiore a 10 volte la deviazione standard del segnale medio della linea di base.

Dopo l’acquisizione del responso del fondo, alla soluzione di CH 2Cl2/TBAPF6 0.1 M è stato aggiunto il 2,2’-bitiofene in concentrazione pari a 2x10-3 M; la soluzione è stata quindi degasata con Ar per altri 15 minuti, ed è stato registrato il responso voltammetrico, avendo cura di conservare l’atmosfera inerte all’interno della cella. La caratterizzazione voltammetrica del 2,2’-bitiofene, riportata nella figura sottostante, mostra la presenza di un picco anodico irreversibile a 1.35 V, attribuibile all’ossidazione del frammento tiofenico.

0.225x10 0.200x10 0.175x10 0.150x10 i / A 0.125x10 0.100x10 0.075x10 0.050x10 0.025x10

-4 -4 -4 -4 -4 -4 -4 -4 -4

0 -0.025x10

-4

50

0.500

0.750

1.000

1.250

1.500

E/V

Figura 4.1 Caratterizzazione anodica del 2,2’-bitiofene in CH2Cl2/TBAPF6 0.1 M. WE= Pt, RE=Ag/AgCl, CE=Pt, v=100mV/s La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo in cui avviene effettivamente l’elettropolimerizzazione, polarizzando l’elettrodo lavorante WE ad un potenziale pari a 1.35 V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore di carica prefissato (circa 3 mC) per ottenere una serie di film polimerici tutti ad uno stesso spessore, pari a circa 150 nm, e quindi confrontabili, ed un secondo step, in cui il polimero 36

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru conduttore politiofenico ottenuto viene neutralizzato, portando WE ad un potenziale pari a 0.00 V per 60 secondi. In figura è rappresentato un tipico responso cronoamperometrico di elettropolimerizzazione.

0.200x10 -4 -0.050x10 -4 i/A -0.300x10 -4 -0.550x10 -4 -0.800x10 -4

0

100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 700.000 t/s

Figura 4.2. Polimerizzazione elettrochimica di una soluzione 2x10 -3 M di 2,2’-bitiofene in CH2Cl2/TBAPF6 0.1 M. WE=Pt, RE=Ag/AgCl, CE=Pt.

Il deposito polimerico di poli(tiofene) così ottenuto è stato infine caratterizzato in una soluzione contenente il solo sistema solvente utilizzato per l’elettrosintesi, ossia CH2Cl2/TBAPF6 0.1 M. La caratterizzazione voltammetrica in campo anodico del polimero elettrodepositato, riportata in figura 4.3, mostra la presenza di un responso anodico a circa 1.1 V, con un responso catodico associato a 0.5 V, attribuibili rispettivamente ai processi di doping e de-doping del polimero.

37

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

0.125x10 -3 0.100x10 -3 0.075x10 -3 0.050x10 -3 i / A0.025x10 -3 0 -0.025x10 -3 -0.050x10 -3 -0.075x10 -3 -0.100x10 -3

0

0.250

0.500

0.750 E/V

1.000

1.250

1.500

Figura 4.3.Caratterizzazione voltammetrica anodica del poli(tiofene) su elettrodo di Pt in CH2Cl2/TBAPF6 0.1 M. v=100 mV/s.

4.1.2 Risposta potenziometrica “a livello zero” al catione MPP+da parte di un sensore di Pt ricoperto di poli(tiofene).

La risposta potenziometrica dei sensori da noi costruiti è stata preliminarmente saggiata in 20 ml di una soluzione di KNO3 0.1 M, alla quale sono state aggiunte quantità crescenti di una soluzione standard a 1000 ppm di [MPP]PF6 tali da ottenerne soluzioni finali comprese tra 1 e 10 ppm di MPP+, concentrazioni abbastanza tipiche nei casi di somministrazione cronica del precursore MTPT in modelli animali che studino il PD 48. Tutte le soluzioni sono state preparate utilizzando acqua ultrapura come solvente. L’elettrodo modificato per elettrodeposizione del politiofene è stato lavato con il solvente con cui è stata effettuata la deposizione (CH2Cl2)e immediatamente immerso nelle soluzioni target senza subire alcun tipo di condizionamento, ovvero senza essere preliminarmente immersi, per un lasso di tempo determinato, in una soluzione contenente concentrazioni definite dell’analita da rilevare. Questa pratica è fondamentale quando si costruisce un ISE dotato di membrana

38

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru ionofora (vedi capitolo 4.2 e seguenti). I risultati della prova potenziometrica che questo tipo di elettrodo ha dato sono riportati nella tabella 1.

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

mV

6,35·10-5

1

-4.19

450.5

1.91·10-4

3

-3.71

451.0

3.19·10-4

5

-3.50

451.2

5.12·10-4

8

-3.29

451.2

6.41·10-4

10

-3.19

451.7

Tabella 1. Risposta potenziometrica “a livello zero” nell’intervallo di concentrazione dell’analita compreso tra 1 e 10 ppm di un film politiofenico elettrodepositato su disco di platino da 2 mm di diametro. Sistema solvente: CH2Cl2/TBAPF6 0.1 M Come lecito attendersi, è evidente l’invarianza del potenziale al variare dell’attività dell’analita, indice inequivocabile della pressoché totale assenza di risposta potenziometrica del sensore nell’intervallo di concentrazione di MPP+ compreso tra 1 e 10 ppm.

39

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.1.3

Preparazione

di

un

sensore

potenziometrico

tramite

polimerizzazione

elettrochimica del 2,2’-bitiofene con elettrolita di supporto misto TBAPF6/ [MPP]PF6.

E’ noto in letteratura49 che in certi casi è possibile suscitare in un materiale polimerico conduttivo una risposta potenziometrica specifica per opportuno incorporamento, nel framework polimerico, di ioni della specie da determinare. A seconda delle loro caratteristiche e di quelle del polimero conduttore, essi potranno permanere nel reticolo tridimensionale del polimero, determinando una interazione selettiva con ioni simili, o essere espulsi dalla matrice polimerica, ivi lasciando comunque delle “cavità” che – in casi fortunati - possono esplicare una certa shape selectivity.

Nello specifico della situazione della quale ora si dà conto si è deciso di introdurre, nell’ambiente elettrochimico ove il film polimerico viene generato, il catione MPP + come ione costituente un coelettrolita di supporto ([MPP][PF6) che parzialmente rimpiazza, in rapporti molari relativi che vanno dall’1 al 50%, l’elettrolita di supporto utilizzato per l’elettrosintesi del film polimerico conduttore “a livello zero”.

Per ogni tipologia di candidato ASS-ISE single piece sono stati quindi preparati 5 diversi film politiofenici, ciascuno ottenuto per elettrodeposizione realizzata in maniera del tutto simile a quella presentata al punto 4.1.1 fuorché nella composizione dell’elettrolita di supporto, che stavolta risulta esser costituito da una miscela dell’elettrolita di supporto utilizzato per la preparazione dei film polimerici a “livello zero” e [MPP] PF6. Per ciascuna combinazione di solvente/elettrolita di supporto/monomero sono stati preparati cinque sensori potenziometrici da sistemi solventi contenenti – come coelettrolita di supporto rispettivamente l’1, il 5, il 10, il 20 ed il 50% in moli di [MPP]PF6.

40

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Ovviamente la presenza del catione MPP+ ha portato ad una modificazione morfologica della finestra di lavoro catoanodica; fortunatamente la maggior differenza è ascrivibile alla parte catodica del voltammogramma (la scarica del fondo inizia a potenziali poco superiori a -1.1 V vs Ag/AgCl), ossia in una regione non significativa ai fini del buon esito dell’elettropolimerizzazione. A titolo esemplificativo si riporta il voltammogramma del sistema solvente in acetonitrile contenente solo l’1% del catione 4-fenil-N-metilpiridinio.

0.175x10-4 0.125x10-4 0.075x10-4 i / A0.025x10-4 -0.025x10-4 -0.075x10-4 -0.125x10-4 -0.175x10-4 -2.000 -1.500 -1.000 -0.500

0 0.500 1.000 1.500 2.000 E/V

Figura 4.4 Voltammogramma di confronto del sistema solvente contenente 0.1 moli/litro di TBAPF6 in CH3CN (in rosso) e del sistema solvente contenente 0.1 moli/litro di una miscela di TBAPF6 (99%) [MPP][PF6] (1%) in CH3CN. Per entrambe WE= Pt, RE= Ag/AgCl, CE=Pt. v= 100mV.

L’elettropolimerizzazione è stata effettuata in condizioni del tutto analoghe a quelle descritte nel capitolo 4.1.1. Parimenti il comportamento voltammetrico dell’elettrodo modificato appare del tutto analogo a quello precedentemente descritto sempre nel capitolo 4.1.1.

41

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

4.1.4 Risposta potenziometrica al catione 4-fenil-N-metilpiridinio con un sensore metallico ricoperto di politiofene elettropolimerizzato in presenza di catione MPP+.

I test potenziometrici effettuati sui sensori in tal modo preparati non hanno quasi mai evidenziato una risposta del sistema a variazioni di attività del catione MPP +. Solo in un’unica circostanza, che corrisponde ad un poli(tiofene) elettrodepositato da diclorometano contenente l’1% molare di [MPP]PF6 ed il 99% di TBAPF6, si è avuto modo di osservare una significativa risposta potenziometrica, che purtroppo non si è riusciti né a notare su altri sistemi simili (ad esempio, provenienti da elettrodeposizioni realizzate con maggior concentrazione di [MPP]PF6), né – più semplicemente – a replicare tout court con nuove preparazioni dello stesso sensore.

La tabella 2 riporta i responsi di quella “fortunata” preparazione.

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

mV

6,35·10-5

1

-4.19

410.1

1.91·10-4

3

-3.71

412.3

3.19·10-4

5

-3.50

418.3

5.12·10-4

8

-3.29

423.7

6.41·10-4

10

-3.19

430.1

42

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Tabella 2. Risposta potenziometrica di un film politiofenico elettrodepositato su disco di platino da 2 mm di diametro nell’intervallo di concentrazione dell’analita compreso tra 1 e 10 ppm. Sistema solvente: CH2Cl2/(1%[MPP]PF6-99%TBAPF6) 0.1 M

435,00 430,00

E=mVe

425,00 420,00

415,00 410,00 405,00 -5

-4

-3

-2

-1

0

log [MPP+]

Grafico 2. Retta di calibrazione per la rilevazione del catione MPP + da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di Pt modificato con un film politiofenico elettropolimerizzato in presenza di [MPP+] all’1%.

Come risulta evidente dal grafico sopra la retta di calibrazione risulta avere una pendenza sì inferiore alla pendenza teorica Nernstiana per un catione monovalente (circa 32 mV contro i 59.16 mV teorici), ma non troppo lontana da quella reale mostrata da analoghi dispositivi descritti in letteratura. Anche il termine R2 assume valori interessanti, pari a circa 0.97.

Purtroppo – come già detto - questo risultato ha rappresentato un unicum: in tutte le altre situazioni, incluse anche le repliche del sensore precedentemente discusso, non si è oggettivata alcuna risposta potenziometrica. La tabella 3 ad esempio oggettiva il comportamento potenziometrico di un altro sensore, del tutto simile a quello precedentemente discusso, che mostra potenziale invariabilmente costante al variare della concentrazione di MPP+.

43

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru [MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

mV

6,35·10-5

1

-4.19

431.4

1.91·10-4

3

-3.71

431.4

3.19·10-4

5

-3.50

431.5

5.12·10-4

8

-3.29

431.6

6.41·10-4

10

-3.19

431.6

Tabella 3. Risposta potenziometrica di un film politiofenico elettrodepositato su disco di platino da 2 mm di diametro nell’intervallo di concentrazione dell’analita compreso tra 1 e 10 ppm (replica del film descritto in tabella 2). Sistema solvente: CH 2Cl2/(1%[MPP]PF699%TBAPF6) 0.1 M

Per completezza di informazione, si ritiene opportuno presentare nei successivi paragrafi anche le caratteristiche voltammetriche dei film polimerici conduttivi “a livello zero” ottenuti da altri monomeri, quali l’anilina e l’N-metilpirrolo.

44

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.1.5 Polimerizzazione elettrochimica dell’anilina su disco di grafite in soluzione acquosa 2M di HCl. In accordo con quanto descritto da Pandey et al, 50 10 ml di soluzione 2 M di HCl sono stati trasferiti in una cella e sottoposti a degasaggio sotto flusso di argon per circa 15 minuti.

L’elettrodo di lavoro utilizzato è un disco di grafite (diametro 3 mm), l’elettrodo di riferimento un Ag/AgCl acquoso, l’elettrodo ausiliario un filo di platino. Prima della polimerizzazione l’elettrodo di lavoro è stato pulito con Al2O3 (0.3 µm), lavato con acqua distillata e infine lavato in un bagno ad ultrasuoni. È stato quindi registrato il voltammogramma del sistema solvente (fondo), in una finestra catoanodica compresa tra 2.0 e +2.0 V.

Figura 4.5 Voltammogramma del sistema solvente contenente una soluzione 2M di HCl. WE= Pt, RE= Ag/AgCl, CE=Pt. v= 100mV Dopo l’acquisizione del responso del fondo, alla soluzione 2 M di HCl è stata aggiunta anilina in concentrazione pari a 2x10-1 M; la soluzione è stata nuovamente degasata con Ar per altri 15 minuti, ed è stato registrato il responso voltammetrico, avendo cura di conservare l’atmosfera inerte all’interno della cella. La caratterizzazione voltammetrica dell’anilina, riportata nella figura sotto, mostra la presenza di un picco anodico reversibile a 45

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 0.5 V ed un pre - picco a circa 0.2V tipico di una delle forme della polianilina, ovvero la forma smeraldina.

-3 0.100x10 -3 0.075x10

i/A

0.050x10-3 -3 0.025x10

0 -3 -0.025x10 -0.250

0

0.250

0.500 E/V

0.750

1.000

Figura 4.6 Caratterizzazione anodica dellâ&#x20AC;&#x2122;anilina in soluzione acquosa 2M di HCl. WE=GC, RE=Ag/AgCl, Ce=Pt, v=100mV/s.

La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo ad un potenziale pari a 0.5 V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore carica prefissato (circa 3mC), ed un secondo a 0.0 V per 60 secondi. In figura è rappresentato un responso cronoamperometrico di elettropolimerizzazione.

0.175x10

-3

0.150x10

-3

0.125x10

-3

i / A0.100x10 0.075x10

-3

0.050x10

-3

0.025x10

-3

-3

0 -0.025x10

-3

0

25

50

75

100

125

150

175

t/s

Figura 4.7 Polimerizzazione elettrochimica di una soluzione 2x10 -2 M di anilina in soluzione acquosa di HCl 2M. WE=GC, Re=Ag/AgCl CE=Pt.

46

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Il film polimerico così ottenuto è stato caratterizzato per via voltammetrica in una soluzione acquosa di HCl 2M priva di monomero.

0.700x10

-4

0.450x10 i/A

-4

0.200x10

-4

-0.050x10

-4

-0.300x10

-4

-0.250

0

0.250

0.500

0.750

1.000

t/s

Figura 4.8 Caratterizzazione anodica di un film di polianilina su elettrodo di GC in soluzione acquosa di HCl 2 M. v=100 mV/s.

I picchi risultanti dal voltammogramma sopra sono in accordo con i valori riportati in letteratura per questo metodica di elettropolimerizzazione dell’anilina 51 in cui in conseguenza della crescita del film polimerico in HCl 2M, il voltammogramma tende a modificarsi assumendo sembianze simili a quello del monomero.

4.1.6 Polimerizzazione elettrochimica

dell’N-metilpirrolo

su

disco di

Pt

in

CH3CN/TBAPF6 0.1M. Sono stati preparati 10 ml di soluzione di TBAPF6 0.1M in CH3CN in un pallone dotato di rubinetto per il degasaggio e trasferiti in una cella dove sono stati sottoposti a degasaggio sotto flusso di argon per circa 15 minuti. L’elettrodo di lavoro utilizzato è un disco di platino (diametro 2 mm), l’elettrodo di riferimento un Ag/AgCl acquoso, l’elettrodo ausiliario un filo di platino. È stato quindi registrato il voltammogramma del fondo, in una finestra catoanodica compresa tra -2.0 e +2.0 V. 47

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru Dopo l’acquisizione del responso del fondo, alla soluzione di TBAPF6 0.1M in CH3CN è stato aggiunto N-metilpirrolo in concentrazione pari a 1x10-1 M; la soluzione è stata nuovamente degasata sotto flusso di Ar per altri 15 minuti, ed è stato registrato il responso voltammetrico, avendo cura di conservare l’atmosfera inerte all’interno della cella. La caratterizzazione voltammetrica di N-metilpirrolo mostra la presenza di un picco anodico attorno a 1.25V.

0.800x10 0.700x10 0.600x10 0.500x10 i / A0.400x10 0.300x10 0.200x10 0.100x10

-3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3

0 -0.100x10

-3

-0.500

-0.250

0

0.250

0.500

0.750

1.000

1.250

1.500

E/V

Figura 4.9 Caratterizzazione anodica di N-metilpirrolo in CH3CN/TBAPF6 0.1M. WE=Pt, RE=Ag/AgCl, CE=Pt. v=100mV/s.

La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo ad un potenziale pari a 1.25V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore carica prefissato (circa 3 mC), ed un secondo a 0.0V per 60 secondi. In figura è rappresentato il responso cronoamperometrico di elettropolimerizzazione.

48

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

0.300x10

-3

0.200x10

-3

0.100x10 i/A

-3

0 -0.100x10

-3

-0.200x10

-3

-0.300x10

-3

0

25

50

75

100

125

t/s

Figura 4.10 Polimerizzazione elettrochimica di una soluzione 1x10-1 M di N-metilpirrolo in CH3CN/TBAPF6 0.1M. WE=Pt, Re=Ag/AgCl, CE=Pt.

Il film polimerico cosĂŹ ottenuto è stato caratterizzato in una soluzione di TBAPF6 0.1M in CH3CN senza lâ&#x20AC;&#x2122;aggiunta di monomero per via voltammetrica. Si nota un brutto responso anodico attorno a 0.9V ed un responso catodico attorno a 0.3V.

Figura 4.11 Caratterizzazione anodica di un film di poli N-metilpirrolo su elettrodo di Pt in CH3CN/TBAPF6 0.1M. v=100 mV/s.

Anche in questo caso il comportamento anodico del film di (poli)N-metilpirrolo sono in accordo con i valori noti in letteratura.52

49

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

4.2 Preparazione e proprietà potenziometriche di ASS-ISE costituiti dall’accoppiamento di membrane ionofore con film polimerici conduttivi depositati su elettrodo solido.

Nel precedente capitolo è stata predisposta una intensa attività sperimentale volta al tentativo di realizzare ASS-ISE che demandassero al solo film polimerico conduttivo ambedue le proprietà di trasduzione ionica ed elettronica. I risultati di tale sforzo non sono stati purtroppo coronati da successo: solo in una circostanza - isolata e non ripetuta – si è registrata una risposta potenziometrica di carattere subnernstiano dotata di una certa linearità. Appare pertanto evidente che difficilmente questa strategia operativa potrà rivelarsi foriera di sviluppi positivi, quindi si è deciso di non reiterare ulteriormente gli sforzi in tal senso, canalizzando invece le attività di ricerca verso un altro approccio costruttivo, quello che differenzia i siti ove si realizzano le due attività di trasduzione.

I dispositivi realizzati in questo capitolo presentano, rispetto a quelli precedentemente costruiti, l’introduzione di una nuova fase, una membrana ionofora, cui viene interamente demandata l’attività di trasduzione ionica; essa è posta a contatto con il film polimerico conduttivo che a sua volta viene elettrodepositato sul materiale elettrodico prescelto.

Le principali variabili operative critiche in tale attività sono state la natura del film polimerico, della membrana ionofora, e la fase di condizionamento del sensore in tal modo realizzato.

50

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

4.2.1 Sensori a base di PEDOT. 4.2.1.1 Polimerizzazione elettrochimica di 3,4-etilendiossitiofene (EDOT) su grafite in KCl acquoso 0.1 M.

Frequenti sono le applicazioni descritte in letteratura di film polimerici conduttivi di PEDOT,

polimero

etilendiossitiofene

conduttore (EDOT),

derivante

anche

in

dall’elettropolimerizzazione

contesti

correlabili

alla

del

3,4-

determinazione

potenziometrica degli ioni, sia di natura inorganica come Ag + 53, sia di natura organica. come ad esempio l’ascorbato e la forma protonata della dopamina 54,. Rispetto ad altri monomeri di natura tiofenica, la presenza di sostituenti idrofilici nella molecola di EDOT conferisce alla specie in oggetto una notevole idrosolubilità. L’elettrodo di lavoro utilizzato per questa elettropolimerizzazione è un disco di grafite (diametro 3 mm), mentre l’elettrodo di riferimento è un elettrodo ad Ag/AgCl acquoso e l’elettrodo ausiliario è una barretta di grafite. Prima della polimerizzazione l’elettrodo di lavoro è stato pulito con Al2O3 (0.3 µm), lavato con acqua distillata e infine sonicato. Il sistema solvente è costituito da una soluzione acquosa 0.1 M di KCl. La soluzione nella cella è stata fatta degasare per circa 15 minuti sotto flusso di Argon e si è poi provveduto a registrare il voltammogramma del fondo. A questo punto si è proceduto ad aggiungere 0,0071 g di EDOT, realizzando in tal modo una sua concentrazione pari a 0.01 M. La soluzione è stata fatta degasare per altri 15 minuti e poi si è provveduto ad acquisire il responso voltammetrico del monomero che, in campo anodico, oggettiva un picco anodico irreversibile a 1.2 V attribuibile all’ossidazione del sistema tiofenico dell’EDOT.

51

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

0.350x10

-3

0.300x10

-3

0.250x10

-3

0.200x10 i/A 0.150x10

-3

0.100x10

-3

0.050x10

-3

-3

0 -0.050x10

-3

-0.250

0

0.250

0.500

0.750

1.000

1.250

1.500

t/s

Figura 4.12 Caratterizzazione anodica di una soluzione 0.01M di 3,4-etilendiossitiofene in soluzione acquosa di KCl 0.1 M. WE= GC, RE= Ag/AgCl, CE= GC. v=100mV.

La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo, mantenendo l’elettrodo lavorante ad un potenziale pari a 1.2V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore di carica prefissato pari a 10 mC, dato riportato in letteratura55 come valore ottimale dello spessore dei film di PEDOT, ed un secondo step,di neutralizzazione del polimero, ove l’elettrodo lavorante è tenuto a 0.0 V per 60 secondi. In figura è rappresentato un tipico responso cronoamperometrico di elettropolimerizzazione.

52

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

0.800x10 -4 0.550x10 -4 i

/ 0.300x10 -4 0.050x10 -4 -0.200x10 -4

0

50

100

150

200

250

t / s0

Figura 4.13 Polimerizzazione elettrochimica di una soluzione 1x10-2 M di 3,4etilendiosstiofene in H2O/KCl 0.1 M. WE=GC, Re=Ag/AgCl, CE=GC.

Il deposito polimerico di polietilendiossitiofene (PEDOT) cosÏ ottenuto è stato infine caratterizzato in assenza di monomero in una soluzione di H2O/KCl 0.1 M. La caratterizzazione voltammetrica del polimero elettrodepositato, riportata in figura 4.7, mostra la presenza di un responso anodico a circa 0.8 V, con un responso catodico associato a 0.5 V, attribuibili rispettivamente ai processi di doping e de-doping del polimero.

0.700x10-3 -3

0.450x10 i/A

0.200x10-3

-0.050x10-3 -0.300x10-3 -0.250

0

0.250

0.500

0.750

1.000

1.250

t/s

Figura 4.14 Caratterizzazione di un film polimerico di PEDOT su GC in KCl 0.1M.

53

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.2.1.2 Preparazione della membrana ionofora a base di sodio tetrafenilborato (NaTPB).

La membrana ionofora è costituita da tre componenti fondamentali: un supporto polimerico, normalmente costituito da PVC, un agente plastificante, normalmente presente come costituente prevalente, ed un opportuno scambiatore ionico, scelto in base allo ione da determinare. Nello specifico la membrana ionofora è stata preparata unendo 0.0577 g di PVC, 0.44 ml (pari a 0.4644 g) di agente plastificante 2-nitrofenil ottil etere (σ-NPOE) e 0.0095 g di scambiatore ionico sodio tetrafenilborato (NaTPB)56, anche noto in letteratura per interagire con lo ione MPP+57, che sono stati solubilizzati in 2 ml di THF. 70 l della soluzione così ottenuta sono stati trasferiti sulla superficie dell’elettrodo sul quale era stato precedentemente elettrodepositato un film di PEDOT; si è quindi provveduto a far evaporare il solvente ed il sensore così ottenuto è stato utilizzato per i test potenziometrici.

4.2.1.3

Valutazione

delle

attitudini

potenziometriche

dell’ASS-ISE

a

base

NaTB4/PEDOT.

I test potenziometrici sono stati effettuati su 20 ml di una soluzione di KNO3 0.1 M, alla quale sono state aggiunte quantità crescenti e predeterminate di una soluzione acquosa a 1000 ppm di [MPP]PF6. L’elettrodo modificato per deposizione di PEDOT per via cronoamperometrica è stato preliminarmente lavato con il solvente con cui è stata effettuata la deposizione (H2O distillata) ed immediatamente utilizzato tal quale (ossia senza alcuna forma di condizionamento) nelle misure potenziometriche.

La tabella 9 dà conto della risposta potenziometrica osservata.

54

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

123.7

1.91·10-4

3

-3.71

126.6

3.19·10-4

5

-3.50

130.9

5.12·10-4

8

-3.29

133.8

6.41·10-4

10

-3.19

135.0

mV

Tabella 9. Variazioni del potenziale elettrodico osservate per un ASS-ISE a base NaTB4/PEDOT su grafite nell’intervallo di concentrazione di MPP + compreso tra 1 e 10 ppm

136,00 134,00 132,00 y = 11,732x + 171,95 R² = 0,95

E=mV

130,00 128,00 126,00 124,00 122,00

-5

-4

-3

-2

-1

0

log [MPP+]

Grafico 9. Retta di calibrazione nel range 1 – 10 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di grafite modificato con un film di PEDOT con membrana ionofora contenente NaTPB. 55

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

I dati riportati in tabella 9 e – ancor più visibilmente – nel grafico 9 oggettivano una risposta elettrodica, ancorché di tipo subnerstiana. Il valore della pendenza della retta di calibrazione è infatti pari a 11.73 mV. Dal momento che frequentemente evidenze di letteratura riportano, per sensori di tal tipo, significativi aumenti di risposta in funzione di azioni di condizionamento della membrana elettrodica, si è deciso di immergere il sensore in una soluzione di [MPP]PF6 1x10-2M per ventiquattro ore. Si è poi ripetuto il test potenziometrico nelle stesse condizioni descritte in precedenza. I risultati sono riportati nella tabella 10 e nel grafico 10.

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

66.3

1.91·10-4

3

-3.71

84.5

3.19·10-4

5

-3.50

91.1

5.12·10-4

8

-3.29

104.9

6.41·10-4

10

-3.19

126.9

mV

Tabella 10. Variazioni del potenziale elettrodico osservate per un ASS-ISE a base NaTB4/PEDOT su grafite nell’intervallo di concentrazione di MPP + compreso tra 1 e 10 ppm (dopo condizionamento del sensore per 24 ore in soluzione di [MPP]PF 6 0.01 M).

56

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 140,00 120,00 y = 53,644x + 286,57 R² = 0,8803

100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00

-5

-4

-3

-2

-1

0

Grafico 10. Retta di calibrazione nel range 1 – 10 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di grafite modificato con un film di PEDOT con membrana ionofora contenente NaTPB lasciata a condizionare per 24h in una soluzione 0.01 M di [MPP]PF6.

Il valore della pendenza sperimentale della retta di calibrazione è quasi Nernstiano, ovvero 53,64 mV. Il dato assume ancor più importanza ove si consideri che si è operato in range di concentrazioni piuttosto bassi, ossia in una zona ove anche elettrodi ISE altamente performanti iniziano a mostrare comportamenti che si discostano alquanto dalla nernstianità.

E’ parimenti doveroso sottolineare che la linearità del responso è piuttosto lontana dall’idealità, ma è possibile che ulteriori affinamenti sia della pratica di realizzazione dei sensori che della conduzione dei test potenziometrici possano portare a tangibili miglioramenti di tale parametro.

Riepilogando, l’adozione di una configurazione che prevede l’accoppiamento di una membrana ionoforica contenente un efficiente scambiatore di ioni quale l’NaTPB ed un polimero conduttore quale il PEDOT permette di oggettivare risposta potenziometrica, che 57

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru viene massimizzata ove si lasci condizionare l’elettrodo per 24 ore in una soluzione diluita dell’analita. Mossi pertanto dal risultato positivo della prova di cui si è ora dato conto, si è cercato di costruire nuovi ASS-ISE variando sia la natura dei polimeri conduttori a base tiofenica che quella del plastificante presente nella membrana ionomerica.

4.2.2 Sensori a base di poli(tiofene).

4.2.2.1 Elettropolimerizzazione di 2,2’-bitiofene su Pt in MeCN/TEAPF6 0.1 M.

L’elettropolimerizzazione è stata condotta analogamente a quanto precedentemente riportato al paragrafo 4.1.1, tranne che per la natura del sistema solvente utilizzato (stavolta CH3CN/TEAPF6 0.1 M). La caratterizzazione voltammetrica del monomero evidenzia un picco in anodica attorno a 1.3 V attribuibile all’ossidazione del sistema tiofenico.

0.125x10-3 0.100x10-3 0.075x10-3 i/A

0.050x10-3 0.025x10-3 0

-0.025x10-3

0

0.250

0.500

0.750 t/s

1.000

1.250

1.500

Figura 4.15 Caratterizzazione anodica del 2,2’-bitiofene in MeCN/TEAPF6 0.1 M. WE=Pt, RE=Ag/AgCl, CE=Pt. v=100mV/s.

58

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo, polarizzando WE ad un potenziale pari a 1.1 V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore di carica prefissato (circa 3 mC) ed un secondo, portando l’elettrodo lavorante ad un potenziale di 0.0V per 60 secondi. Nella figura sotto riportata è mostrato il responso cronoamperometrico di polimerizzazione del 2,2’-bitiofene.

0.300x10

-4

0.250x10

-4

0.200x10

-4

0.150x10 i/A 0.100x10

-4

0.050x10

-4

-4

0 -0.050x10

-4

-0.100x10

-4

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

t/s

Figura 4.16 Polimerizzazione elettrochimica di una soluzione 2x10 -3 M di 2,2’-bitiofene in CH3CN di TBAPF60.1 M. WE=Pt, Re=Ag/AgCl, CE=GC. Il film polimerico ottenuto è stato caratterizzato per via voltammetrica nello stesso sistema solvente usato per la sua elettrogenerazione, ovviamente in assenza della specie monomerica. La caratterizzazione voltammetrica in anodica del polimero elettrodepositato mostra la presenza di un responso anodico a circa 1.2 V, con un responso catodico associato attorno a 0.5 V, attribuibili rispettivamente ai processi di doping e de-doping del polimero.

59

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Figura 4.17 Caratterizzazione anodica di un film di politiofene elettrodepositato su elettrodo di Pt in una soluzione di TBAPF6 0.1 M in CH3CN. v=100 mV/s.

4.2.2.2 Preparazione di membrane ionofore a base di sodio tetrafenilborato (NaTPB).

Su due depositi diversi di politiofene sono state preparate due membrane ionofore, differenti tra loro per la natura del plastificante utilizzato. La prima membrana è del tutto analoga a quella preparata al punto 4.2.1.2 (plastificante σ-NPOE), mentre la seconda membrana ionofora è stata preparata solubilizzando in 2 ml di THF 0.0011g di NaTPB, 0.0563 g di PVC e 0.7903 g di bis(2-etilesilsebacato) (DOS). Anche in questo caso 70 µl della membrana così ottenuta sono stati trasferiti sulla superficie dell’elettrodo ricoperto dallo strato di politiofene. Entrambe le membrane sono state fatte asciugare e poste a condizionare per 24 h in una soluzione 1x10-2 M di [MPP]PF6. Successivamente i sensori sono stati lavati in acqua distillata e si è proceduto alla loro prova potenziometrica.

60

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.2.2.3 Valutazione delle attitudini potenziometriche degli ASS-ISE a base NaTPB4/politiofene.

Le determinazioni potenziometriche di MPP+ sono state eseguite su 20 ml di una soluzione di KNO3 0.1 M, alla quale sono state aggiunte quantità crescenti e predeterminate di una soluzione acquosa a 1000 ppm di [MPP]PF6.

Gli elettrodi modificati per deposizione di 2,2’-bitiofene per via cronoamperometrica sono stati lavati con CH3CN ed utilizzati nelle misure potenziometriche sempre previa condizionamento della membrana. Le tabelle ed i grafici sottostanti danno conto dei potenziali misurati con tale sistema.

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

132.6

1.91·10-4

3

-3.71

134.9

3.19·10-4

5

-3.50

135.4

5.12·10-4

8

-3.29

135.9

6.41·10-4

10

-3.19

137.4

mV

Tabella 11a. Variazioni del potenziale elettrodico di un film politiofenico su Pt sormontato da membrana a base di σ-NPOE nell’intervallo di concentrazione di MPP+ compreso tra 1 e 10 ppm..

61

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru [MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

221.2

1.91·10-4

3

-3.71

226.7

3.19·10-4

5

-3.50

232.4

5.12·10-4

8

-3.29

236.5

6.41·10-4

10

-3.19

241.7

6.41·10-3

100

-2.19

275.9

[MPP+]

mV

(moli/l)

Tabella 11b. Variazioni del potenziale elettrodico di un film politiofenico su Pt sormontato da membrana a base di DOS nell’intervallo di concentrazione di MPP + compreso tra 1 e 100 ppm.

138,00 y = 4,2773x + 150,54 R² = 0,9461

137,00 136,00 135,00

E=mV

134,00

133,00 132,00 -5

-4

-3

-2

-1

0

log [MPP+]

Grafico 11a. Retta di calibrazione nel range 1 – 10 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di Pt modificato con un film di politiofene con membrana ionofora a base di σ-NPOE contenente NaTPB. 62

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

140,00 120,00 100,00

y = 35,52x + 208,41 R² = 0,993

80,00

E=mV 60,00 40,00 20,00 0,00 -4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

log[MPP+]

Grafico 11b. Retta di calibrazione nel range 1 – 100 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di Pt modificato con un film di politiofene con membrana ionofora a base di DOS contenente NaTPB.

I dati ottenuti oggettivano che il politiofene è un polimero conduttore meno performante del PEDOT nella costituzione di sensori per l’MPP +, come evidenziato dal raffronto tra tabella e grafico 10 (PEDOT) e tabella e grafico 11a (politiofene). In particolare, la risposta potenziometrica si riduce a meno di un decimo passando da PEDOT a politiofene. Il confronto tra grafici e tabelle 11 evidenzia invece che, a parità di natura di elettrodo e di polimero conduttore ivi elettrodepositato, le membrane ionoforiche plastificate con DOS hanno una risposta largamente superiore a quelle plastificate con σ-NPOE.

63

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

4.2.3 Sensori a base di 4’- ((2,2’:5’,2’’-tertiofen-3’-il)metossi)-2,2’:6’,2’’-terpiridina (TTT).

Nel paragrafo precedente abbiamo avuto modo di vedere che la modifica della natura del film polimerico (da PEDOT a politiofene) ha avuto importanti conseguenze nel deprimere la sensibilità potenziometrica dei sistemi ASS-ISE a membrana ionofora associata a film polimerico conduttivo. Una delle le possibili differenze tra le due situazioni è quella della morfologia del film elettrodepositato che, nel caso del PEDOT, può esser meno compatto di quello costituito esclusivamente da politiofene non sostituito. E quindi possibile che la presenza di sostituenti lungo la catena politiofenica dotati di notevole ingombro sterico possano in qualche modo giocare un ruolo di rilievo nel favorire la sensibilità elettrodica nei confronti dell’MPP+. Per tale ragione si è deciso di elettropolimerizzare su Pt un film di un monomero tertiofenico a suo tempo sintetizzato per la prima volta nei nostri laboratori, la 4’((2,2’:5’,2’’-tertiofen-3’-il)metossi)-2,2’:6’,2’’-terpiridina

(TTT).

Tale

molecola,

che

elettropolimerizza senza problemi attraverso le posizioni 2 e 5” del sistema tertiofenico, reca, in posizione 4’, un sostituente dotato di elevato ingombro sterico (una terpiridina), che si lega attraverso un frammento metossilico alla struttura tertiofenica. Ove la sensibilità potenziometrica dell’ASS-ISE sia elettivamente determinata da fattori sterici che insorgono a livello dell’elettropolimerizzazione dei monomeri tiofenici, il polimero conduttore formato per l’elettropolimerizzazione della (TTT) potrebbe comportarsi, da un punto di vista della sensibilità dell’ASS-ISE risultante, in maniera del tutto analoga a quanto prima evidenziato dal PEDOT.

64

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.2.3.1 Elettropolimerizzazione della 4’-((2,2’:5’,2’’-tertiofen-3’-il)metossi)-2,2’:6’,2’’terpiridina (TTT).

L’elettrodo di lavoro utilizzato per questa elettropolimerizzazione è un disco di platino (diametro 2 mm), l’elettrodo di riferimento è un elettrodo ad Ag/AgCl acquoso, l’elettrodo ausiliario una barretta di grafite. Prima della polimerizzazione l’elettrodo di lavoro è stato pulito con Al2O3 (0.3 µm), lavato con acqua distillata e infine lavato in un bagno ad ultrasuoni.

5 ml di una soluzione di CH3CN/TEAPF6 0.1 M sono stati trasferiti nella cella elettrochimica. La soluzione è ivi stata fatta degasare per circa 15 minuti sotto flusso di Argon e si è poi provveduto a registrare il voltammogramma del fondo. Si è quindi proceduto ad aggiungere il monomero TTT in concentrazione 5x10 -3 M, la soluzione è stata fatta degasare per altri 15 minuti e poi il monomero è stato caratterizzato per via voltammetrica rilevando un picco anodico irreversibile a circa 1.2 V, attribuibile all’ossidazione del frammento tertiofenico, un secondo picco anodico irreversibile a 1.39 V, attribuibile al sistema terpiridinico, ed un largo e basso segnale catodico attorno a +0.75 V, associabile presumibilmente al primo processo anodico.

Figura 4.18 Caratterizzazione anodica della TTT in MeCN/TEAPF6 0.1 M. WE=Pt, RE= Ag/AgCl, CE= GC. v=100mV. 65

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

La polimerizzazione elettrochimica è stata eseguita per via cronoamperometrica in due step: un primo portando l’elettrodo lavorante ad un potenziale pari a 1.2 V per il tempo necessario ad arrivare ad un valore carica prefissato e pari a circa 3 mC, ed un secondo step di neutralizzazione del polimero, realizzato portando a 0.0 V l’elettrodo lavorante per 60 secondi.

In figura è rappresentato

un tipico responso cronoamperometrico di

elettropolimerizzazione.

Figura 4.19 Elettropolimerizzazione di TTT (C = 5x10-3 M) in CH3CN/TEAPF6 0.1 M. WE=GC, Re=Ag/AgCl, CE=GC.

Il deposito polimerico di poli(TTT) così ottenuto è stato infine caratterizzato in una soluzione priva di monomero di CH3CN/TEAPF6 0.1 M. La caratterizzazione voltammetrica del polimero elettrodepositato, riportata in figura 4.20, mostra la presenza di un responso anodico a 1.1 V, con un responso catodico associato a circa 1.0 V, attribuibili rispettivamente ai processi di doping e de-doping del polimero.

66

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

0.150x10 -3 0.125x10 -3 0.100x10 -3 0.075x10 -3 -3 i / A0.050x10 -3 0.025x10 0 -0.025x10 -3 -0.050x10 -3 -0.075x10 -3 -0.100x10 -3 -0.500

-0.250

0

0.250

0.500 E/V

0.750

1.000

1.250

Figura 4.20 Caratterizzazione di un film polimerico di poli(TTT) depositato su Pt in CH3CN/TEAPF6 0.1M.

4.2.3.2 Preparazione della membrana ionofora a base di DOS e NaTPB. La membrana ionofora a base di DOS e NaTPB è stata preparata e trasferita sul film polimerico come precedentemente descritto al punto 4.2.2.2.

67

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

4.2.3.3 Valutazione delle attitudini potenziometriche degli ASS-ISE a base NaTPB4/DOS/poli(TTT).

Le determinazioni potenziometriche di MPP+ sono state eseguite su 20 ml di una soluzione di KNO3 0.1 M, alla quale sono state aggiunte quantità crescenti e predeterminate di una soluzione acquosa a 1000 ppm di [MPP]PF6.

L’elettrodo con il film polimerico di poli(TTT) ottenuto per via cronoamperometrica è stato lavato con CH3CN ed utilizzato nelle misure potenziometriche sempre previa condizionamento della membrana. La tabella 12 ed il grafico 12 danno conto della risposta elettrodica del sistema.

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

348.9

1.91·10-4

3

-3.71

352.7

3.19·10-4

5

-3.50

355.4

5.12·10-4

8

-3.29

358.2

6.41·10-4

10

-3.19

363.5

6.41·10-3

100

-2.19

387.0

mV

Tabella 12. Variazioni del potenziale elettrodico nell’intervallo di concentrazione di MPP + compreso tra 1 e 10 ppm. Film di poli(TTT) sormontato da membrana a base di DOS.

68

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 390,00 385,00 380,00 375,00 E=mV

y = 19,883x + 427,46 R² = 0,9421

370,00 365,00 360,00 355,00 350,00 345,00 340,00

-5

-4

-3

-2

-1

0

log [MPP+]

Grafico 12. Retta di calibrazione nel range 1 – 100 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo di Pt modificato con un film di poli(TTT) con membrana ionofora a base di DOS contenente NaTPB.

I dati mostrano senza possibilità di dubbio il peggioramento delle performances potenziometriche passando da un polimero conduttore politiofenico completamente lineare ad uno recante sostituenti ad elevato ingombro sterico. E’ evidente che i buoni risultati oggettivati dal comportamento potenziometrico dei sensori basati su film di PEDOT non dipendono dall’ingombro sterico dei sostituenti che sono presenti lungo la catena politiofenica, ma da altre cause ancora da definire.

69

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru 4.3 Preparazione di un single piece ASS-ISE tramite dispersione in una membrana ionofora a base di NaTPB e DOS di un film di PEDOT ottenuto tramite polimerizzazione elettrochimica.

Nell’ambito dei tentativi effettuati per cercare di ottimizzare la risposta potenziometrica, e sulla base di spunti bibliografici58 conseguenti a studi su problematiche affini, si è cercato di realizzare un single piece ASS-ISE in cui il polimero conduttore non fosse presente in maniera interposta tra metallo e membrana, ma entrasse a costituire parte integrante della membrana stessa. A tal scopo è stato elettropolimerizzato un film di PEDOT su un elettrodo di GC nelle stesse condizioni descritte nel paragrafo 4.2.1.1, ma il deposito polimerico è stato rimosso dalla superficie elettrodica ed incorporato all’interno della soluzione tetraidrofuranica che, per evaporazione, genera la membrana ionoforica. 70 µl di tale soluzione in THF sono stati depositati con l’aiuto di una micro pipetta sulla superficie elettrodica. La membrana è stata fatta asciugare ed il sensore così ottenuto è stato messo a condizionare in una soluzione 1x10-2 M di [MPP]PF6 per 24h.

Al termine delle 24h si è proceduto alla prova potenziometrica. La determinazione potenziometrica di MPP+ è stata effettuata come consueto per soluzioni di analita nel range 1 – 100 ppm.

La tabella 13 ed il grafico 13 danno conto dei risultati ottenuti.

70

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

[MPP+] (moli/l)

[MPP+] (ppm)

log[MPP+]

6,35·10-5

1

-4.19

84.8

1.91·10-4

3

-3.71

87.1

3.19·10-4

5

-3.50

89.9

5.12·10-4

8

-3.29

92.1

6.41·10-4

10

-3.19

94.0

6.41·10-3

100

-2.19

122.0

mV

Tabella 12. Variazioni del potenziale elettrodico nell’intervallo di concentrazione di MPP + compreso tra 1 e 100 ppm su single piece ASS-ISE con membrana NaTPB/DOS/PEDOT.

140,00

120,00 100,00 80,00

y = 19,335x + 159,66 R² = 0,8966

E=mV

60,00 40,00 20,00 0,00

-5

-4

-3

-2

-1

0

log [MPP+]

Grafico 12. Retta di calibrazione nel range 1 – 100 ppm di MPP+ da parte di un sensore potenziometrico costruito a partire da un elettrodo single piece ASS-ISE con membrana NaTPB/DOS/PEDOT.

71

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

La prova ha dato esito in parte positivo. E’ stata oggettivata una certa risposta potenziometrica, prossima ai 20 mV per decade di concentrazione. Ovviamente è necessaria una opportuna ottimizzazione del metodo di preparazione del sensore, soprattutto per quel che concerne il quantitativo di polimero conduttore da aggiungere alla membrana.

4.4. Realizzazione di ASS-ISE privi di polimero conduttore.

Sebbene i dati sinora raccolti fornissero in maniera abbastanza ampia evidenza sperimentale del ruolo fondamentale svolto dal polimero conduttore nella trasduzione elettronica del segnale, si è voluto conseguire prova diretta di tale ruolo mettendo a punto un sensore ove la membrana ionofora (priva di polimero conduttore) venisse direttamente depositata sulla superficie elettrodica nuda. Su di un elettrodo lavorante a disco di Pt del diametro di 2 mm sono stati depositati 70 µl di membrana ionofora contenente come agente plastificante DOS. La membrana ionofora a base di DOS è stata preparata seguendo la procedura descritta al punto 4.2.2.2. Una volta depositata sull’elettrodo metallico, la membrana è stata fatta asciugare e posta a condizionare per 24 h in una soluzione 1x10 -2 M di [MPP]PF6.

Successivamente il sensore è stato lavato in acqua distillata e si è proceduto alla prova potenziometrica come da prassi consolidata. A riprova del ruolo fondamentale svolto dal film polimerico conduttivo, non è mai stato possibile leggere un potenziale stabile per alcuna delle soluzioni sottoposte ad analisi.

72

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

Conclusioni Questo lavoro di Tesi è voluto essere il primo atto di una collaborazione scientifica intraAteneo tra il nostro gruppo di ricerca e quello di Neuroscienze coordinato dal Prof. Pier Andrea Serra.

Obiettivo ultimo del lavoro era quello di realizzare un sensore potenziometrico atto alla determinazione del catione organico neurotossico N-metil-4-fenilpiridinio (MPP+). L’attività di ricerca è andata avanti cercando di superare le difficoltà con le quali naturalmente ci si deve confrontare ogniqualvolta si affronta una nuova tematica di studi. Nello specifico, il gruppo di ricerca presso il quale l’attività di Tesi è stata svolta non si era in passato mai confrontato con la costruzione di sensori potenziometrici, ed i primi mesi dell’attività di laboratorio sono serviti per acquisire quella indispensabile manualità necessaria per ottenere sensori dotati di un minimo di riproducibilità. Al termine di questo periodo possiamo comunque dire che – se non gli obiettivi ultimi della ricerca – almeno quelli che ci eravamo prefissati a livello di questa Tesi di Laurea sono stati certamente raggiunti: la valutazione preliminare di materiali e metodologie operative atte alla costruzione di diverse categorie di sensori potenziometrici ci ha permesso di poter discernere tra gli approcci operativi che solo difficilmente potranno essere forieri di successo e quelli che oggettivamente appaiono promettenti. In particolare, si è avuto modo di oggettivare il ruolo fondamentale svolto dal film polimerico conduttivo nella preparazione di ASS-ISE (l’assenza di polimero conduttivo rende di fatto impossibile la stabilizzazione del potenziale elettrodico). D’altro canto, è di fatto svanita la prospettiva di mettere a punto un sensore riproducibile in cui lo strato polimerico conduttivo assolvesse contemporaneamente il ruolo di scambiatore di ioni e di elettroni: la risposta potenziometrica associabile a diversi polimeri conduttori è rimasta sempre pressoché assente al variare dei più significativi parametri sperimentali. Decisamente più promettente appare essere la strategia operativa che accoppia una membrana ionofora al film polimerico conduttivo depositato su un opportuno elettrodo lavorante. I materiali più promettenti a riguardo paiono essere 73

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru il poli(3,4-etilendiossitiofene), PEDOT, il plastificante bis(2-etilesilsebacato), DOS, ed il tetrafenilborato di sodio come scambiatore ionico. La natura del polimero conduttore pare essere decisiva nel determinare le proprietà di scambio ionico: fattori come l’idrosolubilità e l’effetto sterico di eventuali sostituenti dell’unità monomerica sono stati compiutamente valutati in questo studio preliminare. Si è anche messo a punto un sensore dotato di una buona risposta potenziometrica a bassi livelli di concentrazione di analita, ma la sua tecnica di preparazione deve essere ancora ottimizzata al fine di poter acquisire la necessaria linearità di risposta, attualmente inadeguata all’impiego analitico. Da un punto di vista puramente operativo, è stata infine oggettivata la necessità di provvedere ad una adeguata attivazione della membrana ionofora previa immersione per 24 ore in una soluzione diluita dell’analita: la mancata attivazione del sensore ne fa decadere la risposta analitica di almeno un ordine di grandezza.

Le prospettive future dello studio paiono essere più che confortanti: appare prossimamente raggiungibile il traguardo della realizzazione di un sensore ASS-ISE a membrana ionofora in grado di determinare con sufficiente affidabilità analitica concentrazioni di MPP + dell’ordine delle ppm, mentre pare solo di poco discosta nel tempo la possibilità di ottenere analogo sensore con una tecnologia single piece ASS-ISE, inglobando il film polimerico conduttore nella membrana ionoforica.

74

Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

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Tesi di laurea di Maria Stefania Arru

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Questo lavoro di tesi è il frutto del mio lavoro di un anno ma, senza l’aiuto e la collaborazione di tante alter persone non mi ritroverei a scrivere questi ringraziamenti.

Ringrazio innanzitutto il mio relatore, il professor Gavino Sanna, persona di sconfinata conoscenza sempre pronto ad indicarmi nuove strategie anche quando credevo di trovarmi davanti ad un vicolo cieco.

Ringrazio la dottoressa Maria Pilo perché sempre presente e disposta ad ascoltare ed aiutare anche quando oberata da mille impegni.

Ringrazio tutto il gruppo di ricerca, Paola, Nadia, Marco, Severin nessuno escluso per avermi accolta tra loro e tra due chiacchiere ed un consiglio su come lavorare al meglio mi hanno aiutata a trascorrere questo anno nel migliore dei modi.

Tantissime grazie al professor Azzena ed al suo gruppo di ricerca per l’aiuto nella sintesi organica e per avermi ospitata nei loro laboratori; ho passato due settimane molto piacevoli con loro.

Un ringraziamento fondamentale va al professor Pier Andrea Serra ed al suo gruppo di ricerca, questo lavoro di tesi esiste grazie alla collaborazione che si è venuta a creare tra i due gruppi di ricerca.

Ringrazio tutti i tesisti che hanno condiviso con me il tempo di questa tesi: abbiamo tutti da imparare qualcosa dagli altri, io per prima.

Un grazie con tutto il cuore va alla mia famiglia che mi ha seguita e subita in questo percorso che è stato duro e pieno di ostacoli, che mi ha incoraggiata e sopportata, mi ha consolata e rimproverata quando necessario e che mi ha spinta a continuare anche quando pensavo di non avere più la forza di andare avanti. Voi siete la mia forza e non dovrei mai

dimenticarlo. Spero di potervi ridare indietro questa forza quando ne avrete bisogno. Spero di potervi rendere orgogliosi di me. Vi voglio bene anche se non ve lo dico mai.

Grazie a tutti i miei parenti che pazientemente hanno aspettato questo giorno, senza farmi troppe domande, capendo che questo voleva essere un mio momento. Grazie in modo particolare a mio padrino e alle mie madrine, grazie ai miei zii, alle mie zie ed ai miei cugini tutti.

Non ho parole per ringraziare i miei amici e le mie amiche, sono persone veramente pazienti per sopportare me, sia dal vivo che a distanza. Grazie quindi ad Antonella, che ha “seguito” le mie vicissitudini da Torino, grazie a Silvia, che non ha mai spesso di ripetermi che ce l’avrei fatta, grazie a Jenni, dall’altra parte della Sardegna ma sempre qui vicino, grazie a Marisa, perché quando sto con lei rido sempre. Grazie a Antonio, Andrea, Paola e Sebastiano, a Liliana, Davide, Cinzia e Mariangela perché con loro parlare è un piacere ed ascoltare ancora di più. Grazie ad una persona che inizialmente divideva il laboratorio con me e poi è diventata un’amica: sì Elisabetta, sei tu.

Grazie alla musica, nella forma della banda, che è la mia più grande valvola di sfogo.

Grazie a tutti coloro che ho amato e non ci sono più, ma che vivono nel mio cuore, non vi dimenticherò mai.

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