New Concepts Targeting Decentralized Electrochemical Sensing Applications in the Environmental and Wellbeing Domains

QC 20250930

Abstract

Jämfört med konventionella analytiska tekniker erbjuder elektroanalytiska teknologier kontinuerlig, snabb och tillförlitlig detektion med portabla, bärbara och reagensfria analysenheter. I denna avhandling har nya elektrokemiska sensorer och aktuatorer utvecklats och designats för att uppfylla specifika behov inom personanpassad hälsovård, sportprestanda och miljöövervakning. I den första delen av avhandlingen utvecklades bärbara elektrokemiska biosensorer för on-demand, realtidsmätning av laktat i svett för personanpassad hälsovård och bedömning av sportprestanda. Genom att koppla ihop det laktatoxidasbaserade avkänningselementet och det permslektiva diffusionsmembranet minimerades krossinterferens från andra komponenter i svett, och precis detektion av laktat inom det fysiologiska intervallet för laktat (1 – 50 mM) uppnåddes. När de integrerades i fullt bärbara kroppsburna plattformar visade de bärbara laktatbiosensorerna en responstid på <90 s, god stabilitet, låg interferens från andra svettkomponenter och god tillförlitlighet under långvarig kontinuerlig användning. Omfattande validering på elitidrottare visade stark korrelation mellan svettlaktatmätningar och etablerade blodlaktattester samt andra fysiologiska indikatorer på fysisk ansträngning, vilket bekräftar effektiviteten av att använda de utvecklade laktatbiosensorerna som bärbara verktyg för hälso-diagnostik och prestandaövervakning.  I den andra delen utvecklades portabla och reagensfria elektrokemiska analysenheter för in situ-detektion av upplöst oorganiskt fosfat (DIP), en av de mest relevanta föroreningar i vatten som orsakar övergödning. En integrerad aktuator-sensorplattform etablerades där polyanilin (PANI)-baserade protonpumpar och elektrokemiskt styrd molybdatjonsleverans kombinerades för att bilda detekterbara fosfomolybdatskomplex inom en begränsad elektrokemisk tunnskiktscell. Enheten fungerade helt reagensfritt och kvantifierade pålitligt DIP-koncentrationen från 0,1 till 20 µM i komplexa matriser såsom havsvatten, och resultaten validerades med traditionell kromatografisk analys. Tack vare sin kompakta storlek och goda funktionalitet bör enheten vara väl lämpad för rutinmässig användning i vattenmiljöer och möjliggör för framtida decentraliserade mätningar av DIP för övervakning av vattenkvalitet. I den tredje delen undersöktes ytterligare tillämpningar av PANI-baserade elektrokemiska aktuatorer inom reagensfria försurningsstrategier. Bulkexperiment visade att de PANI-belagda stålnätselektroder effektivt och hållbart kunde försura stora volymer av vattenprover utan tillsats av syrereagenser för potentiell återanvändning i portabla miljöskyddande detektionsenheter. Samtidigt undersöktes aktuatorns mikrostruktir med skannande elektrokemisk mikroskopi (SECM), och sambandet mellan polymermorfologi och protonpumps-prestanda klarlades för att guida ytterligare rationell justering av polymerbaserade aktuatorer för använding inom försurningsstrategier. Sådana aktuatorer skulle vara värdefulla verktyg för miniatyriserade elektrokemiska aktorer.  Sammanfattningsvis har denna avhandling avancerat utvecklingen av portabla, bärbara och reagensfria elektrokemiska avkännings- och aktutorteknologier och demonstrerat deras djupgående potential inom personanpassad hälsoövervakning, bedömning av sportprestanda och miljöskydd genom nya analytiska tillvägagångssätt.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-370635