Elektrochemiczne narzędzia diagnostyczne w pomiarach gazowego nadtlenku wodoru

Abstract

Hydrogen peroxide is one of the most important reactive oxygen species and plays a significant role in numerous biological and chemical processes. In the human body, it participates in biosynthesis, cellular signaling, and immune defense mechanisms. However, excessive accumulation of hydrogen peroxide and its elevated concentration in exhaled breath have been associated with impaired physiological function and may serve as potential biomarkers of diseases, including asthma and lung cancer. Therefore, accurate determination of gaseous hydrogen peroxide is important for modern medical diagnostics and environmental monitoring. This Ph.D. dissertation focuses on the development of new electrochemical methods for the detection of gaseous hydrogen peroxide and the investigation of factors influencing the analytical performance of the sensing systems. The research involved the elucidation of electrode processes associated with the electrochemical reduction of hydrogen peroxide in the presence of copper(II) ions acting as an electrocatalyst, evaluation of screen-printed electrodes and surface modification strategies, and investigation of the influence of supporting electrolyte composition on the properties of the developed sensors. A key element of the work was the development of a measuring system based on the three-phase boundary concept and the implementation of advanced electrochemical techniques to improve sensitivity. The conducted research led to new strategies for the determination of gaseous hydrogen peroxide, offering high sensitivity, good repeatability, and the capability for real-time measurements. The findings contributed to a better understanding of the mechanisms of electrochemical hydrogen peroxide reduction and provided new approaches that may be applied in the design of sensitive gas sensors.

Nadtlenek wodoru należy do grupy reaktywnych form tlenu i odgrywa istotną rolę w wielu procesach biologicznych oraz chemicznych. W organizmie człowieka uczestniczy między innymi w procesach biosyntezy, przekazywaniu i regulacji sygnałów komórkowych, a także w mechanizmach odpowiedzi immunologicznej. Jednocześnie jego nadmierna akumulacja i podwyższone stężenie w wydychanym powietrzu mogą świadczyć o zaburzeniu prawidłowego funkcjonowania organizmu i stanowić potencjalny wskaźnik wielu chorób, w tym astmy i raka płuc. Z tego też względu dokładna kontrola jego stężenia w fazie gazowej stanowi bardzo ważny element współczesnej diagnostyki oraz analizy środowiska. Niniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest opracowaniu nowych elektrochemicznych metod detekcji gazowego nadtlenku wodoru oraz określeniu czynników wpływających na właściwości analityczne projektowanych układów pomiarowych. Badania obejmowały poznanie mechanizmów procesów elektrodowych zachodzących podczas elektrochemicznej redukcji nadtlenku wodoru w obecności elektrokatalizatora w postaci jonów miedzi(II), ocenę możliwości wykorzystania elektrod sitodrukowanych wraz z modyfikatorami ich powierzchni aktywnej oraz określenie wpływu składu elektrolitu podstawowego na właściwości analityczne opracowanych sensorów. Kluczowym elementem pracy było również opracowanie układu pomiarowego wykorzystującego granicę trzech faz oraz zastosowanie zaawansowanych technik elektrochemicznych w celu zwiększenia czułości i poprawy parametrów detekcyjnych. Przeprowadzone badania doprowadziły do opracowania nowych strategii oznaczania gazowego nadtlenku wodoru, charakteryzujących się wysoką czułością, dobrą powtarzalnością oraz możliwością prowadzenia pomiarów w czasie rzeczywistym. Uzyskane w niniejszej pracy wyniki pozwoliły na lepsze poznanie mechanizmów elektrochemicznej redukcji nadtlenku wodoru oraz wskazały nowe rozwiązania, które mogą znaleźć zastosowanie w konstrukcji wysoko czułych sensorów gazowych.