Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Miniaturized Na-selective electrode which could be used for in-vivo measurements

Szymon Owczarek

Abstract

The main goal of this work was to develop miniaturized Na-selective electrode which could be used for in-vivo measurements. The main assumptions included biocompatible electrodes without any toxic substances. The appropriate membrane composition was achieved by using sodium ionophore X and never tested before in such composition polyurethane Tecoflex SG-80A, without any plasticizer. In first steps membranes were tested in classical electrodes bodies. Selectivity coefficients were designated by using FIM method. Electrodes containing membranes without plasticizer exhibited better parameters in comparison to those with the plasticizer. In order to miniaturize the electrodes several metals were tested as internal electrodes for coated-wire type electrode. Tested materials were: surgical steel, gold, platinum and silver chloride. Due to the fact, that the surgical steel exhibited the best parameters among all other metals and it is a very cheap material in comparison to other tested metals, it was selected for further research. To increase electrodes stability all-solid-state electrodes were prepared. Steel was covered with a layer of PEDOT:PSS polymer or carboxylated carbon nanotubes. Addition of PEDOT:PSS increased the stability of a response. Slightly better responses were observed for electrodes covered with carbon nanotubes, though they were more fragile. Electrodes were tested in K+, Ca2+, Mg2+, NH4+ or Li+ containing solutions. All tested electrodes showed very similar selectivity and slope in the rectilinear ranges of about 50 mV/decade for less interfering ions and about 30 mV/decade for more interfering ions. In the next step, in one solution containing all mentioned ions in their concentrations corresponding to the upper concentrations in human blood, steel electrodes coated with PEDOT:PSS and membranes of different content of ionic additives were tested. One of the membranes contained 30% and other 50% of KTFPB in molar relation to the ionophore. The results showed that electrodes with membranes containing 30% KTFPB worked better than those containing 50% of the ionic salts. In the last phase of the study all-solid-state electrodes with polymer PEDOT:PSS were tested under flow conditions. It was shown, that the flow similar to the flow in blood vessels does not adversely affect the functioning of the electrodes. It was shown that a miniaturized electrode with a Na-selective membrane with good working parameters and biocompatible components can be created. This electrode can be installed in a device capable of measuring sodium ions in a human blood. The untested before composition of the membrane containing, among others, sodium ionophore X and polyurethane Tecoflex SG-80A, without plasticizer is characterized with good responses, appropriate selectivity and slope of about 50mV/decade.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Szymon Owczarek (FC) Szymon Owczarek,, Faculty of Chemistry (FC)
Title in Polish
Miniaturowe elektrody Na-selektywne do oznaczeń in-vivo w płynach ustrojowych
Supervisor
Mariusz Pietrzak (FC/CMB) Mariusz Pietrzak,, Chair of Medical Biotechnology (FC/CMB)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Chair of Medical Biotechnology (FC/CMB)
Study subject / specialization
, Biotechnologia
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
31-01-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Mariusz Pietrzak (FC/CMB) Mariusz Pietrzak,, Chair of Medical Biotechnology (FC/CMB)Faculty of Chemistry (FC) Urszula Wawrzyniak (FC/CMB) Urszula Wawrzyniak,, Chair of Medical Biotechnology (FC/CMB)Faculty of Chemistry (FC)
Keywords in Polish
All-Solid-State, elektrody powlekane, analiza sodu we krwi, poliuretany, jonoselektywne, bez plastyfikatora, biokompatybilne, nanorurki, PEDOT:PSS
Keywords in English
All-Solid-State, coated-wire, sodium ions measurement, polyurethanes, ISE, without plasticizer, biocompatible, carbon nanotubes, PEDOT:PSS.
Abstract in Polish
Praca polegała na opracowaniu miniaturowych elektrod Na-selektywnych do oznaczeń in-vivo w płynach ustrojowych. Główne założenia obejmowały wykonanie elektrod biokompatybilnych, zminiaturyzowanych i pozbawionych toksycznych substancji. Poszukiwano odpowiedniego składu membrany, wykorzystując jonofor sodowy X i nietestowany z nim wcześniej poliuretan Tecoflex SG-80A, chcąc wyeliminować obecność plastyfikatora. Na pierwszym etapie badań testowano membrany w korpusach elektrod klasycznych, a do wyznaczenia współczynników selektywności stosowano metodę FIM. Elektrody z membraną pozbawioną plastyfikatora cechowały się wysokimi skokami potencjału na skutek dodatków jonów głównych i poprawnym nachyleniem krzywych kalibracji. Celem zminiaturyzowania układu wykonano elektrody powlekane, testując szereg metali w funkcji elektrod wyprowadzających. W wyniku badań wybrano stal chirurgiczną jako najtańszy z testowanych, a jednocześnie spełniający wymagania materiał elektrody wyprowadzającej. Celem stabilizacji odpowiedzi elektrod pokryto je polimerem PEDOT:PSS lub karboksylowanymi nanorurkami węgla. Pokrycie polimerem PEDOT:PSS zapewniało trwałość i stabilność elektrod przy dobrych odpowiedziach i nachyleniu krzywych kalibracji rzędu 50 mV/dekadę. Pokrycie nanorurkami węglowymi karboksylowanymi zapewniło dobrą selektywność, nachylenie około 51 mV/dekadę, lecz jednocześnie obniżyło powtarzalność wyników. Chcąc sprawdzić działanie elektrod powlekanych oraz elektrod typu all-solid-state pokrytych polimerem PEDOT:PSS i nanorurkami w roztworach jonów przeszkadzających, testowano je w roztworach jonów K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Li+. Wszystkie przetestowane elektrody wykazywały bardzo zbliżone wyniki selektywności i nachylenia zakresów prostoliniowych wynoszące około 50 mV/dekadę dla jonów mniej przeszkadzających i około 30 mV/dekadę dla jonów bardziej przeszkadzających. Następnie w jednym roztworze wcześniej wspomnianych jonów w stężeniach odpowiadających górnemu stężeniu granicznemu we krwi człowieka, przetestowano elektrody o wyprowadzeniu stalowym, pokryte polimerem PEDOT:PSS z membranami o różnej zawartości dodatków jonowych – 30% i 50% molowych KTFPB względem jonoforu. Wyniki wskazały, że elektrody z membranami o zawartości 30% KTFPB działały lepiej niż te o zawartości 50% KTFPB, W ostatniej fazie badań przetestowano elektrody typu all-solid-state z polimerem PEDOT:PSS w układzie przepływowym. Wykazano, że przepływ zbliżony do przepływu w naczyniach krwionośnych w stanie spoczynku człowieka, nie wpływa negatywnie na działanie elektrod. Wykazano, że można stworzyć zminiaturyzowaną elektrodę z membraną Na-selektywną o dobrych parametrach i biokompatybilnych komponentach. Elektroda ta może zostać zamontowana w urządzeniu do mierzenia poziomu jonów sodu we krwi in-vivo. Zbadano nietestowany dotąd skład membrany zawierającej m.in. jonofor sodowy X i poliuretan Tecoflex SG-80A, bez plastyfikatora, dla którego to, otrzymana membrana charakteryzuje się dobrymi odpowiedziami, odpowiednią selektywnością i nachyleniem około 50mV/dekadę.
File
  • File: 1
    inż._Owczarek_Szymon_276208.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 28360

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTa473df8b01534e57a95017421d104828/
URN
urn:pw-repo:WUTa473df8b01534e57a95017421d104828

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page