Improving the stability of an oxime based electrochemical microsensor for organo-phosphate vapor detection

A micro gas sensor has been developed by our group for the detection of organo-phosphate vapors using an aqueous oxime solution. The analyte diffuses from the high flow rate gas stream through a porous membrane to the low flow rate aqueous phase. It reacts with the oxime PBO (1-Phenyl-1,2,3,-butanetrione 2-oxime) to produce cyanide ions, which are then detected electrochemically from the change in solution potential. Previous work on this oxime based electrochemistry indicated that the optimal buffer pH for the aqueous solution was approximately 10. A basic environment is needed for the oxime anion to form and the detection reaction to take place. At this specific pH, the potential response of the sensor to an analyte (such as acetic anhydride) is maximized. However, sensor response slowly decreases as the aqueous oxime solution ages, by as much as 80% in first 24 hours. The decrease in sensor response is due to cyanide which is produced during the oxime degradation process, as evidenced by the cyanide selective electrode. Solid phase micro-extraction carried out on the oxime solution found several other possible degradation products, including acetic acid, N-hydroxy benzamide, benzoic acid, benzoyl cyanide, 1-Phenyl 1,3-butadione, 2-isonitrosoacetophenone and an imine derived from the oxime. It was concluded that degradation occurred through nucleophilic attack by a hydroxide or oxime anion to produce cyanide, as well as a nitrogen atom rearrangement similar to Beckmann rearrangement. The stability of the oxime in organic solvents is most likely due to the lack of water, and specifically hydroxide ions. The reaction between oxime and organo-phosphate to produce cyanide ions requires hydroxide ions, and therefore pure organic solvents are not compatible with the current micro-sensor electrochemistry. By combining a concentrated organic oxime solution with the basic aqueous buffer just prior to being used in the detection process, oxime degradation can be avoided while preserving the original electrochemical detection scheme. Based on beaker cell experiments with selective cyanide sensitive electrodes, ethanol was chosen as the best organic solvent due to its stabilizing effect on the oxime, minimal interference with the aqueous electrochemistry, and compatibility with the current microsensor material (PMMA). Further studies showed that ethanol had a small effect on micro-sensor performance by reducing the rate of cyanide production and decreasing the overall response time. To avoid incomplete mixing of the aqueous and organic solutions, they were pre-mixed externally at a 10:1 ratio, respectively. To adapt the microsensor design to allow for mixing to take place within the device, a small serpentine channel component was fabricated with the same dimensions and material as the original sensor. This allowed for seamless integration of the microsensor with the serpentine mixing channel. Mixing in the serpentine microchannel takes place via diffusion. Both detector potential response and diffusional mixing improve with increased liquid residence time, and thus decreased liquid flowrate. Micromixer performance was studies at a 10:1 aqueous buffer to organic solution flow rate ratio, for a total rate of 5.5 μL/min. It was found that the sensor response utilizing the integrated micromixer was nearly identical to the response when the solutions were premixed and fed at the same rate.

Redução do Impacto Ambiental de Poluentes Orgânicos Persistentes

Nos dias de hoje a contaminação dos solos e águas subterrâneas com pesticidas através da agricultura tornou-se um problema. Problema este, considerado ainda maior nas áreas onde o abastecimento de água potável é quase totalmente à base de água subterrânea, causando deste modo risco para a saúde humana devido à exposição directa de possíveis resíduos de pesticidas na água potável. É certo que a persistência dos pesticidas no solo é importante para obter um bom controlo sob as ervas daninhas durante a sua época de crescimento, contudo o uso desses pesticidas contamina não só o solo como as águas superficiais. As questões acerca do uso de pesticidas na actualidade continuarão a persistir, uma vez que existem muitos factores e características inerentes a este processo que necessitam de ser abordadas e mais importante que isso estudadas, como por exemplo a sua degradação e toxicidade. Neste trabalho efectuou-se o encapsulamento de pesticidas em moléculas de β – ciclodextrina (β-CD). O que se pretende com este encapsulamento, é aumentar a hidrofilicidade do pesticida de forma a garantir que este persista o tempo suficiente permitindo um bom controlo das ervas daninhas, tendo sempre em conta as preocupações inerentes ao uso dos pesticidas, como por exemplo a dificuldade de biodegradação. O estudo centrou-se em torno de dois dos pesticidas mais utilizados em Portugal: MCPA e Bentazona. Estes herbicidas foram encapsulados individualmente na β-CD formando assim complexos, mais solúveis e eventualmente mais estáveis quimicamente garantindo uma redução dos efeitos dos pesticidas no meio ambiente. Este estudo foi dividido essencialmente em duas partes: a síntese e caracterização dos complexos pesticida-β-CD e posteriormente a avaliação da estabilidade química em solução aquosa e da solubilidade dos complexos formados. A utilização de diversas técnicas analíticas nomeadamente DSC, FTIR, Espectrofotometria de UV, HPLC e Electroquímica permitiram concluir que o pesticida MCPA encapsula pela acção da β-CD aquando do complexo formado em solução etanólica e numa proporção estequiométrica MCPA:β-CD de 1:2 respectivamente. Obteve-se para as várias soluções estudadas, todas elas com concentrações diferentes de β-CD, uma constante de estabilidade de 102,4. No caso da Bentazona, os resultados preliminares obtidos indiciam claramente a formação de um complexo com a β-CD para o complexo formado em solução etanólica.

Modelagem eletroquímica e do distúrbio ácido-básico em atletas de karatê participantes do campeonato mundial WKO 2014

The objective of this study was to analyze the electrochemical and acid-base disorders in high performance athletes during the World Karate Championship hosted by the WKO (World Karate Organization) in 2014. In this study 19 male athletes were analyzed (age 34 ± 8), black belts and with over 5 years of experience in the sport. Capillary blood samples from the digital pulp of the finger were collected in three stages: rest, 5 minutes after and 10 minutes after fighting (kumite). The sample was analyzed using blood gas analyzer GEM Premier 3000, using the parameters pH, Na+, K+, Ca2+, lactate e HCO3−. The values related to acid-base disturbance presented statistical differences (p <0.05) in most of the collected moments. The lactate levels found were 2.77 ± 0.97mmol / L in rest, 6.57 ± 2.1 for 5 minutes after and 4.06 ± 1.55 for 10 minutes after combat. The samples collected for the electrolytic markers showed no statistical differences in their values (p <0.05). Through the data collected, we conjecture that the sport can be characterized as a high-intensity exercise and with a predominance of the glycolytic system. The analysis of acid-base disturbance is an efficient method to assist in the control of training loads.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Hydroxyamidinates et polymères de coordination : suspicions et valences mixtes

Dans un contexte où l’énergie représente un enjeu majeur pour les pays et organisations à économies émergentes et développées, la recherche de nouvelles sources renouvelables et la démocratisation des vecteurs énergétiques permettant l’approvisionnement mondial de façon durable constitue un devoir pour la communauté scientifique internationale. D’ailleurs, il serait essentiel que les nombreuses disciplines de la chimie concertent leurs efforts. Plus particulièrement, la croissance de la recherche en chimie de coordination orientée vers la photosynthèse artificielle ainsi que le développement de matériaux fonctionnels démontre l’importance indéniable de ce champ de recherche. Ce travail présente dans un premier temps l’étude des différentes voies de synthèse d’hydroxyamidines, un ligand chélatant aux propriétés de coordination prometteuses ne recevant que très peu d’attention de la part de la communauté scientifique. Dans un deuxième temps, nous présenterons le développement d’une stratégie d’assemblage de leurs complexes supramoléculaires impliquant des métaux de transition abondants et peu dispendieux de la première rangée. Dans un troisième temps, il sera question de l’investigation de leurs propriétés photophysiques et électrochimiques à des fins d’applications au sein de matériaux fonctionnels. Pour ce faire, les différentes voies de synthèse des hydroxyamidines et de leurs amidines correspondantes qui ont précédemment été étudiées par les membres du groupe seront tout d’abord perfectionnées, puis investiguées afin de déterminer leur versatilité. Ensuite, les propriétés de complexation des amox résultantes comportant des motifs sélectionnés seront déterminées pour enfin étudier les propriétés photophysiques et électrochimiques d’une série de complexes de métaux de transition de la première rangée. En somme, plusieurs designs qu’offrent les amox et bis-amox sont étudiés et les propriétés des architectures résultantes de leur auto-assemblage sont déterminées.