Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19136
Title: Optosensor Based on Nanocomposite Sensing Probes and Composite Adsorbents for the Determination of Trace Organic Compounds in Foods and Beverages
Other Titles: เซนเซอร์ทางแสงโดยใช้ตัวตรวจวัดนาโนคอมโพสิทและตัวดูดซับคอมโพสิทสำหรับการวิเคราะห์สารอินทรีย์ปริมาณน้อยในอาหารและเครื่องดื่ม
Authors: Opas Bunkoed
Naphatsakorn Orachorn
Faculty of Science (Chemistry)
คณะวิทยาศาสตร์ ภาควิชาเคมี
Keywords: Optosensor;Sample preparation
Issue Date: 2023
Publisher: Prince of Songkla University
Abstract: This thesis aimed to develop optosensor using composite sensing probes and composite adsorbents for the determination of trace organic compounds in food and beverage samples. This thesis is composed of two parts including the optosensor and sample preparation method, which are divided into four sub-projects. The first part focused on the development of optosensor using nanocomposite probes based on the fluorescence quenching of molecularly imprinted polymer (MIP) composited with quantum dots (QDs) for the detection of organic compounds including lomefloxacin, mafenide and sulfisoxazole. Molecularly imprinted polymer was synthesized via a sol-gel polymerization method consisting of template molecules (lomefloxacin, mafenide and sulfisoxazole), a functional monomer (3-aminopropyltriethoxysilane) and a cross-linker (tetraethyl orthosilicate). After template removal from MIP layer, the specific imprinted cavities are generated that are complementary to the templates in terms of functional groups, shape and size. For the first sub-project, the fabricated fluorescent probe combined the high selectivity of molecularly imprinted polymer, excellent sensitivity of cadmium telluride quantum dots (CdTe QDs) and high adsorption ability of polyaniline (PANI) and graphene oxide (GOx). The nanocomposite PANI-GOx-MIP-CdTe QDs probe was successfully fabricated and employed for the detection of lomefloxacin. The fluorescence emission of the developed fluorescent probe was linearly reduced with increasing concentrations of lomefloxacin from 0.10 to 50.0 micrograms per liter, and the developed probe provided a low detection limit of 0.07 micrograms per liter. The developed optosensor can be utilized to detect lomefloxacin in milk, chicken meat and egg samples, and the obtained recoveries ranged from 81.5 to 99.6% with relative standard deviations (RSDs) below 7%. For the second sub-project, dual magnetic composite fluorescent probes were developed and fabricated by incorporating metal organic framework (MIL-101) with graphene quantum dots (GQDs) or cadmium telluride quantum dots into a magnetic molecularly imprinted polymer (MMIP) for the enrichment and simultaneous detection of mafenide and sulfisoxazole. The dual MIL101-MMIP-GQDs and MIL101-MMIP-CdTe QDs probes can detect mafenide and sulfisoxazole at the same time since their fluorescence emission intensities were different at 435 and 572 nm, respectively. Under optimal condition, the emission intensities of dual fluorescent probes were linearly decreased with increasing mafenide and sulfisoxazole concentrations ranging from 0.10 to 25.0 micrograms per liter with low detection limits of 0.10 micrograms per liter. The developed dual probes successfully detected ultra-trace levels of mafenide and sulfisoxazole in milk with satisfactory recoveries of 80.4 to 97.9% and RSDs lower than 5%. In addition, the accuracy of these developed optosensors was confirmed by comparing with that of the high performance liquid chromatography (HPLC) technique. The analytical results produced by the developed optosensor not only agreed well with HPLC method but also exhibited superior sensitivity. The developed optosensor of both sub-projects is a reliable and effective method for the determination of trace lomefloxacin, mafenide and sulfisoxazole in food and beverage samples. The outstanding properties of the developed optosensor are high selectivity, good sensitivity, simple fabrication, short analysis time, uncomplicated measurement and cost-effectiveness. The second part focused on the development of composite adsorbents for the simultaneous extraction and enrichment of multiple target compounds including phthalate esters and nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) coupled with chromatographic analysis. For the third sub-project, a composite adsorbent of graphene oxide, metal organic framework and silica-modified magnetite (Fe3O4-SiO2) incorporated into alginate hydrogel fiber was fabricated and utilized as dispersive magnetic solid-phase extraction (D-MSPE) adsorbent for the extraction, enrichment and determination of four phthalate esters including dibutyl phthalate (DBP), bis(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), benzyl butyl phthalate (BBP) and di-n-octyl phthalate (DNOP). Alginate hydrogel was employed as a non-toxic and biodegradable supporting material, which can be created in various shapes and readily entrap other composite materials. GOx and MIL-101 were utilized as the primary adsorption materials to adsorb phthalate esters through hydrogen bonding, hydrophobic and pi-pi interactions. The Fe3O4-SiO2 nanoparticles incorporated in hydrogel fiber facilitated rapid isolation of adsorbent from sample solution using an external magnet. The applied composite GOx/MIL-101/Fe3O4-SiO2 alginate hydrogel fiber for the extraction of phthalate esters and quantitative analysis by HPLC method exhibited wide linear response in the range of 5.0 to 250.0 micrograms per liter for DEHP and DNOP and 3.0 to 250.0 micrograms per liter for BBP and DBP. The limit of detections were achieved in the range of 3.0 to 5.0 micrograms per liter. The developed method was successfully utilized to extract and determine phthalate esters in tea, water and juice samples, and the acquired recoveries were satisfactory in the range of 80.7 to 89.9% with RSDs below 8%. In addition, the developed composite hydrogel adsorbent had excellent stability which can be reused up to 16 times. The fourth sub-project was a composite magnetic adsorbent of graphene quantum dots, silica-modified magnetite and mesoporous carbon (MPC) embedded into a molecularly imprinted polymer for the extraction of NSAIDs. The composite GQDs/Fe3O4-SiO2/MPC/MIP adsorbent was successfully fabricated and applied as D-MSPE adsorbent for the extraction, enrichment and determination of three NSAIDs. The selectivity of the adsorbent can be enhanced with MIP, which produced specific imprinted cavities for NSAIDs. In addition, GQDs and MPC enabled increasing adsorption ability between the composite adsorbent and NSAIDs via pi-pi stacking, hydrophobic interaction and hydrogen bonding. The extracted NSAIDs were identified and determined by HPLC. Under optimal condition, the developed method exhibited good linearity with ranges of 0.5 to 100.0 micrograms per liter for diflunisal and mefenamic acid and 1.0 to 100 micrograms per liter for flurbiprofen. The limit of detections were acquired from 0.5 to 1.0 micrograms per liter. The satisfactory recoveries of composite magnetic MIP adsorbent for NSAIDs extraction in milk samples were achieved from 81.4 to 93.7% with RSDs lower than 7%. Furthermore, the fabricated GQDs/Fe3O4-SiO2/MPC/MIP adsorbent can be effectively used to extract NSAIDs up to 6 cycles. The distinctive advantages of the developed composite adsorbents are high extraction efficiency, simple preparation, low solvent consumption, good reproducibility and reusability. In conclusion, the developed optosensor with composite fluorescent probes and the developed D-MSPE with composite adsorbents in this thesis were successfully applied for the determination of trace organic compounds in foods and beverages with good analytical performances. The developed methods have numerous advantages including simple fabrication, good sensitivity, high selectivity, low toxicity, ease of use and cost-effectiveness. In addition, they can be adapted as alternative strategies for the determination of other organic compounds in a variety of complex samples.
Abstract(Thai): วิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาเซนเซอร์ทางแสงโดยใช้ตัวตรวจวัดคอมโพสิทและตัวดูดซับคอมโพสิทสำหรับตรวจวิเคราะห์สารอินทรีย์ปริมาณน้อยในตัวอย่างอาหารและเครื่องดื่ม ซึ่งประกอบด้วย 2 ส่วนคือ เซนเซอร์ทางแสง และเทคนิคการเตรียมตัวอย่าง โดยแบ่งออกเป็น 4 งานวิจัยย่อย ส่วนแรกเป็นการพัฒนาเซนเซอร์ทางแสงโดยใช้ตัวตรวจวัดนาโนคอมโพสิท โดยวัดสัญญาณฟลูออเรสเซนต์ที่ลดลงของพอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุลคอมโพสิทร่วมกับควอนตัมดอทสำหรับตรวจวิเคราะห์สารอินทรีย์ ได้แก่ โลมีฟล็อกซาซิน เมฟีไนด์ และซัลฟิโซซาโซล โดยสังเคราะห์พอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุลผ่านกระบวนการโซลเจลพอลิเมอไรเซชัน โดยใช้สารที่ต้องการวิเคราะห์เป็นโมเลกุลแม่แบบ 3-อะมิโนโพรพิลไตรเอทอกซีไซเลนเป็นมอนอเมอร์ และเตตระเอทิลออร์โธซิลิเกตเป็นสารเชื่อมขวาง หลังจากกำจัดโมเลกุลแม่แบบออกจากชั้นพอลิเมอร์ทำให้เกิดช่องการจดจำที่จำเพาะเจาะจงต่อสารที่ต้องการวิเคราะห์ทั้งหมู่ฟังก์ชัน รูปร่าง และขนาด ในงานวิจัยแรกเป็นการพัฒนาตัวตรวจวัดทางแสงฟลูออเรสเซนต์ที่ประกอบด้วยพอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุลที่มีความจำเพาะเจาะจง แคดเมียมเทลลูไรด์ควอนตัมดอทที่มีความไววิเคราะห์สูง และพอลิอะนิลีนร่วมกับแกรฟีนออกไซด์ที่มีประสิทธิภาพในการจับกับสารโลมีฟล็อกซาซิน สัญญาณฟลูออเรสเซนต์ของตัวตรวจวัดทางแสงที่พัฒนาขึ้นลดลงเมื่อความเข้มข้นของโลมีฟล็อกซาซินเพิ่มขึ้น ซึ่งให้ช่วงความเป็นเส้นตรงตั้งแต่ 0.10 ถึง 50.0 ไมโครกรัมต่อลิตร และมีขีดจำกัดการตรวจวัดเท่ากับ 0.07 ไมโครกรัมต่อลิตร เซนเซอร์ทางแสงที่พัฒนาขึ้นสามารถประยุกต์ใช้ในการตรวจวิเคราะห์โลมีฟล็อกซาซินในตัวอย่างนม เนื้อไก่ และไข่ โดยให้ค่าร้อยละการได้กลับคืนอยู่ในช่วง 81.5 ถึง 99.6 และมีค่าร้อยละเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์ต่ำกว่า 7 งานวิจัยที่สองเป็นการพัฒนาตัวตรวจวัดทางแสงแม่เหล็กคอมโพสิทแบบคู่ โดยการประยุกต์ใช้ควอนตัมดอทสองชนิดคือ แกรฟีนควอนตัมดอท และแคดเมียมเทลลูไรด์ควอนตัมดอทคอมโพสิทร่วมกับพอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุลแบบแม่เหล็กและวัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ สำหรับการเพิ่มความเข้มข้นและตรวจวัดเมฟีไนด์และซัลฟิโซซาโซลได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งตัวตรวจวัดทางแสงแบบคู่นี้สามารถตรวจวัดสารที่ต้องการวิเคราะห์สองชนิดได้พร้อมกัน เนื่องจากตัวตรวจวัดให้สัญญาณการเปล่งแสงฟลูออเรสเซนต์แตกต่างกันที่ 435 และ 572 นาโนเมตร ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมพบว่าสัญญาณฟลูออเรสเซนต์ของตัวตรวจวัดทางแสงลดลงเมื่อมีสารเมฟีไนด์และซัลฟิโซซาโซลเพิ่มขึ้น ให้ช่วงความเป็นเส้นตรงตั้งแต่ 0.10 ถึง 25.0 ไมโครกรัมต่อลิตร และขีดจำกัดการตรวจวัดเท่ากับ 0.10 ไมโครกรัมต่อลิตร ตัวตรวจวัดทางแสงที่พัฒนาขึ้นสามารถตรวจวัดเมฟีไนด์และซัลฟิโซซาโซลปริมาณน้อยในตัวอย่างนม โดยมีค่าร้อยละการได้กลับคืนอยู่ในช่วง 80.4 ถึง 97.9 และมีค่าร้อยละเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์ต่ำกว่า 5 นอกจากนี้เมื่อนำเซนเซอร์ทางแสงที่พัฒนาขึ้นมาทดสอบเปรียบเทียบกับเทคนิคโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง พบว่าผลการวิเคราะห์จากสองวิธีนี้มีความสอดคล้องกัน แต่เซนเซอร์ทางแสงให้ค่าความไววิเคราะห์ที่สูงกว่า แสดงว่าเซนเซอร์ทางแสงที่พัฒนาขึ้นเป็นวิธีที่มีความน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจวิเคราะห์โลมีฟล็อกซาซิน เมฟีไนด์ และซัลฟิโซซาโซลปริมาณน้อยในตัวอย่างอาหารและเครื่องดื่ม นอกจากนี้เซนเซอร์ทางแสงที่พัฒนาขึ้นมีคุณสมบัติที่โดดเด่นคือ มีความจำเพาะเจาะจงต่อสารที่ต้องการวิเคราะห์ มีความไววิเคราะห์สูง สามารถสังเคราะห์ได้ง่าย ตรวจวิเคราะห์ได้รวดเร็ว ใช้งานง่าย และราคาถูก ในส่วนที่สองเป็นการพัฒนาตัวดูดซับคอมโพสิทสำหรับการสกัดและเพิ่มความเข้มข้นสารอินทรีย์หลายชนิดพร้อมกัน ได้แก่ กลุ่มพทาเลตเอสเทอร์ และกลุ่มยาต้านอักเสบชนิดที่ไม่ใช่สเตียรอยด์ ร่วมกับการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคทางด้านโครมาโทกราฟี งานวิจัยที่สามเป็นการพัฒนาตัวดูดซับคอมโพสิทแกรฟีนออกไซด์ วัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ และอนุภาคแม่เหล็กเคลือบด้วยซิลิกาที่กักอยู่ในเส้นใยอัลจิเนตไฮโดรเจลสำหรับสกัดเพิ่มความเข้มข้นและตรวจวิเคราะห์สารกลุ่มพทาเลตเอสเทอร์สี่ชนิด ได้แก่ ไดบิวทิลพทาเลต บิส(2-เอทิลเฮกซิล)พทาเลต เบนซิลบิวทิลพทาเลต และไดนอร์มอลออกทิลพทาเลต โดยอัลจิเนตไฮโดรเจลถูกนำมาใช้เป็นวัสดุหลักในการสังเคราะห์ตัวดูดซับ เนื่องจากมีข้อดีคือ ไม่เป็นพิษ ย่อยสลายได้ง่าย ออกแบบรูปทรงได้หลากหลาย และสามารถคอมโพสิทกับวัสดุดูดซับอื่นๆได้ง่าย แกรฟีนออกไซด์และวัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์สามารถดูดซับสารกลุ่มพทาเลตเอสเทอร์ได้ด้วยพันธะไฮโดรเจน อันตรกิริยาแบบไฮโดรโฟบิค และอันตรกิริยาแบบ - นอกจากนี้อนุภาคแม่เหล็กเคลือบด้วยซิลิกาที่กักอยู่ในเส้นใยไฮโดรเจลช่วยให้สามารถแยกตัวดูดซับออกจากสารละลายตัวอย่างได้อย่างรวดเร็วโดยการใช้แท่งแม่เหล็กภายนอก ตัวดูดซับคอมโพสิทเส้นใยอัลจิเนตไฮโดรเจลที่ประยุกต์ใช้สำหรับสกัดสารกลุ่มพทาเลตเอสเทอร์ และตรวจวิเคราะห์ด้วยเทคนิคโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง ให้ช่วงความเป็นเส้นตรงตั้งแต่ 5.0 ถึง 250.0 ไมโครกรัมต่อลิตร สำหรับบิส(2-เอทิลเฮกซิล)พทาเลตและไดนอร์มอลออกทิลพทาเลต และ 3.0 ถึง 250.0 ไมโครกรัมต่อลิตร สำหรับเบนซิลบิวทิลพทาเลตและไดบิวทิลพทาเลต มีขีดจำกัดการตรวจวัดอยู่ในช่วง 3.0 ถึง 5.0 ไมโครกรัมต่อลิตร วิธีที่พัฒนาขึ้นสามารถประยุกต์ใช้สำหรับสกัดและตรวจวิเคราะห์สารกลุ่มพทาเลตเอสเทอร์ในตัวอย่างชา น้ำ และน้ำผลไม้ โดยให้ค่าร้อยละการได้กลับคืนที่ยอมรับได้อยู่ในช่วง 80.7 ถึง 89.9 และมีค่าร้อยละเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์ต่ำกว่า 8 นอกจากนี้ตัวดูดซับคอมโพสิทไฮโดรเจลมีเสถียรภาพที่ดี ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้ถึง 16 ครั้ง งานวิจัยที่สี่เป็นการพัฒนาตัวดูดซับคอมโพสิทที่ประกอบด้วยแกรฟีนควอนตัมดอท อนุภาคแม่เหล็กเคลือบด้วยซิลิกา คาร์บอนรูพรุนระดับเมโซ และพอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุล สำหรับสกัด เพิ่มความเข้มข้นและตรวจวิเคราะห์สารกลุ่มยาต้านอักเสบชนิดที่ไม่ใช่สเตียรอยด์สามชนิด พอลิเมอร์ลอกแบบโมเลกุลสามารถเพิ่มความจำเพาะเจาะจงของตัวดูดซับได้ เนื่องจากมีช่องการจดจำที่จำเพาะเจาะจงต่อสารที่ต้องการวิเคราะห์ นอกจากนี้แกรฟีนควอนตัมดอทและคาร์บอนรูพรุนระดับเมโซช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับระหว่างตัวดูดซับคอมโพสิทและสารกลุ่มยาต้านอักเสบชนิดที่ไม่ใช่สเตียรอยด์โดยเกิดอันตรกิริยาแบบ pi-pi อันตรกิริยาแบบไฮโดรโฟบิค และพันธะไฮโดรเจน หลังจากสกัดด้วยตัวดูดซับคอมโพสิทที่พัฒนาขึ้นได้วิเคราะห์ยาต้านอักเสบชนิดที่ไม่ใช่สเตียรอยด์ด้วยเทคนิคโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง ภายใต้สภาวะการสกัดที่เหมาะสมให้ช่วงความเป็นเส้นตรงตั้งแต่ 0.5 ถึง 100.0 ไมโครกรัมต่อลิตรสำหรับไดฟลูนิซอลและเมเฟนามิค แอซิด และ 1.0 ถึง 100.0 ไมโครกรัมต่อลิตรสำหรับเฟอร์บิโพรเฟน และมีขีดจำกัดการตรวจวัดอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 1.0 ไมโครกรัมต่อลิตร ตัวดูดซับคอมโพสิทที่พัฒนาขึ้นสามารถนำไปประยุกต์ใช้สำหรับสกัดสารกลุ่มยาต้านอักเสบชนิดที่ไม่ใช่ สเตียรอยด์ในตัวอย่างนม โดยให้ค่าร้อยละการได้กลับคืนที่ยอมรับได้อยู่ในช่วง 81.4 ถึง 93.7 และมีค่าร้อยละเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์ต่ำกว่า 7 นอกจากนี้ตัวดูดซับคอมโพสิทที่พัฒนาขึ้นสามารถนำกลับมาใช้ในการสกัดซ้ำอย่างมีประสิทธิภาพได้ถึง 6 ครั้ง ข้อดีที่โดดเด่นของตัวดูดซับคอมโพสิทที่พัฒนาขึ้นเหล่านี้คือ มีประสิทธิภาพในการสกัดสูง สามารถเตรียมได้ง่าย ใช้ปริมาณตัวทำละลายอินทรีย์น้อย และมีความสามารถในการทำซ้ำและใช้ซ้ำที่ดี โดยสรุปผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ทางแสงและเทคนิคการเตรียมตัวอย่างที่พัฒนาขึ้นในวิทยานิพนธ์นี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้สำหรับตรวจวิเคราะห์สารอินทรีย์ปริมาณน้อยในอาหารและเครื่องดื่มได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิธีที่พัฒนาขึ้นมีข้อดีคือ สังเคราะห์ได้ง่าย มีความไววิเคราะห์และความจำเพาะเจาะจงสูง ความเป็นพิษน้อย ใช้งานง่ายและราคาถูก ซึ่งสามารถนำไปปรับใช้เป็นกลยุทธ์ทางเลือกสำหรับตรวจวิเคราะห์สารอินทรีย์ชนิดอื่นในตัวอย่างที่มีความซับซ้อนต่างๆได้
Description: Doctor of Philosophy (Chemistry(International Program)), 2023
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19136
Appears in Collections:324 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
6110230013.pdf82.91 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons