Membranes in Electrochemistry  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
124621
Type FK
Principal investigator Höfler, Lajos Tamás
Title in Hungarian Membránok az elektrokémiában
Title in English Membranes in Electrochemistry
Keywords in Hungarian szenzor, bioanalitika, ionszelektív elektród, jelölésmentes érzékelés, szeparátor, amperometria, véges-elem módszer, molekula dinamikai szimuláció, gépi tanulás
Keywords in English sensor, bioanalytics, ion-selective elektrode, label-free detection, separator, amperometry, finite element method, molecular dynamics simulation, machine learning
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Electroanalytics
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Inorganic and Analytical Chemistry (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 17.788
FTE (full time equivalent) 2.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A membránok felhasználása az elektrokémia területén igen sokrétű. Segítségükkel kémiai jelet tudunk könnyen feldolgozható elektromos jellé alakítani. Energiatároló eszközökben szeparátorokként találkozunk velük. Ahhoz, hogy új membrán típusokat és új érzékelési elveket tudjunk megalkotni, a gyakorlati megvalósítást alapos elméleti alátámasztásnak kell kísérnie. Ezért a kísérleti munka során előállított membránokban tapasztalható fizikai-kémiai folyamatokat véges-elem és molekula dinamikai módszerekkel kívánom vizsgálni. Elsődleges célom ionszelektív membránok (ISM) analitikai jellemzőinek javítására alkalmas új érzékelési elv kifejlesztése, amely olyan ionok esetében is alkalmazható, amelyekre nincs igazán szelektív ionofor. A módszer lényege, két ISM együttes alkalmazása. A két ISM közül, amik közrefogják a mintaoldatot, csak az egyik tartalmaz ionofort. Akkor várható potenciálválasz, ha a mérendő ion is jelen van a mintában. Kis ellenállású ISM-oknál az amperometria nagyságrendekkel jobb jel-zaj viszonnyal rendelkezhet, mint a hagyományos potenciometria. Ezért célom olyan ISM-ok kifejlesztése, amelyek szelektivitásuk megtartása mellett képesek az elsődleges ionokat nagy diffúziós együtthatóval átengedni. Ez a törekvés egybeesik az energiatároló eszközökben alkalmazott szeparátorokkal szemben támasztott követelményekkel, ezért tervezem a membránok fajlagos teljesítményét is optimálni. Másik célkitűzésem nanopórusos membránokon alapuló jelölésmentes, affinitási bioszenzorok fejlesztése. A javasolt elrendezés előnye, hogy a zavaró molekulák esetleges nem-specifikus adszorpciója a két membránfelületen hasonló mértékű potenciálváltozást okoz, azaz a jelre nincs hatásuk.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Összetett mintákban alapvető fontosságú a zavaró komponensek jelének a minimálása. A szelektív membránokat tartalmazó elektrokémiai szenzorok hatékony és olcsó megoldást kínálnak ionok és biológiailag fontos molekulák meghatározására. Manapság minden eddiginél több ion szelektív meghatározására alkalmas ionofor áll rendelkezésünkre. Azonban így is nagy számban vannak olyan biológiailag fontos ionok, amelyekre nincs megfelelő szelektivitású ionofor, többek közt ilyen az ammónium-, magnézium-, fluorid-, foszfát- és a nitrátion. Az általam javasolt kétmembrános elrendezés segítségével lehetővé válik a zavaró komponensek hatásának csökkentése. Hasonló érzékelési elvvel a nanopórusos membránokon (NPM) alapuló szenzorok is költséghatékony alternatívát nyújthatnak a bioanalitikában gyakran használt, jelölésmentes módszereknek (felületi plazmon-rezonancia, kvarckristály mikromérleg). A NPM-hoz kovalensen kötött receptor lehet molekuláris felismerésre alkalmas molekula – ligandum, antitest, DNS oligomer – így a szenzor szelektív választ ad a meghatározandó komponensre, és az elrendezésből adódóan a nem-specifikus adszorpció is kompenzálható. A munka során olyan membránokat fogok vizsgálni (folyadékmembrán, polimer hordozós, nanostrukturált) kísérleti és elméleti módszerekkel, amelyekkel növelhető az analát hatására kialakuló jel. Megválaszolandó kérdés, hogy melyik membrán típus alkalmas arra, hogy az ellenállását csökkentsük anélkül, hogy a fázishatár potenciált nagymértékben befolyásolnánk. Fontos megoldandó probléma, hogy az elkészített szenzorok beépíthetők legyenek létező vér analizátorokba. Ehhez tervezem a rendszer miniatürizálását.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatási tervemben felsorolt célkitűzések megvalósítása esetén az általam javasolt érzékelési elv segítségével lehetőség nyílik olyan biológiailag fontos ionok és molekulák gazdaságos és hatékony meghatározására, amelyek eddig nem voltak mintaelőkészítés nélkül egyszerűen mérhetők. A vér analizátorok piaca világszinten meghaladja az 1 milliárd dollárt. Ezért az olyan érzékelési módok, amelyek a szelektíven detektálható ionok és molekulák számát növelik, tudományos jelentőségük mellett gazdasági hasznosíthatósággal is biztatnak. A teljesség igénye nélkül az ammóniumion meghatározása fontos lehet a májelégtelenség kimutatásához, a magnéziumion és a foszfátion jellemző a vesefunkcióra, és a nem-specifikus kötődés kiküszöbölésével fontos biomolekulák mérése válhat költséghatékonyabbá. Ehhez szükség lesz olyan membránok előállítására, amelyeknél az analát koncentrációjának változása minél nagyobb elektrokémiai jellel jár (potenciál, áram, kapacitás, vezetés). A vizsgált membránok elméleti modellezése hozzájárul a jelmeghatározó folyamatok megértéséhez. A véges-elem módszerek és a molekuladinamikai számítások területén szerzett tapasztalataimat szeretném hasznosítani a gyakran összetett és időfüggő transzportfolyamatok leírásához. A versenytársakhoz képest nagy hangsúlyt kívánok helyezni az új érzékelési elvek kifejlesztésére. A pályázatomban egyedi még, hogy az ionok hagyományos potenciometriás detektálását fel kívánom váltani amperometriával, amitől kis ellenállású membránok esetén a kimutatási határ javulását várom. A rendszer méretének csökkentéséhez szilárd belső elvezetésű elektródokat fogok fejleszteni. Ezekhez fel kívánom használni a legújabb nanostrukturált elektród fejlesztéseket, amelyekre a versenytársakkal szemben nem csak lágyított polimer membránt immobilizálnék, hanem kovalensen kötném ki a szelektív meghatározást biztosító molekulákat. A szenzor élettartamának növelésén túl az általam javasolt két szilárd elektródos elrendezés további előnye, hogy nincs szükség a nehezen miniatürizálható referencia elektródra, hiszen a szelektivitást biztosító molekulán kívül minden szempontból azonos két membránnal módosított elektród közötti jel különbségét mérjük.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.

Elektrokémiai eszközöknek olyan rendszereket tekintünk, amelyek képesek kémiai információt/energiát átalakítani elektromos információvá/energiává. Ezek jelentősége a XXI. században várhatóan tovább fog növekedni. Az elektrokémiai szenzorok nagy előnye, hogy költséghatékonyak, kisméretűek és könnyen integrálhatóak internetes hálózatokba. A dolgok internete (Internet of Things) egy olyan szenzorokkal teli világot vetít előre, amelyben ilyen eszközökkel lehetséges lesz valós időben, több ponton követni eddig csak nehezen mérhető folyamatokat (pl. folyó szennyeződésének terjedése, vér elektrolit szintje). Ezen eszközök lelke sokszor egy membrán, ahol a kémiai jel elektromos jellé alakul. A legnagyobb felhasználási területük a klinikai kémia, energiatároló eszközök, ipari folyamatszabályozás és a környezetvédelmi analitika. A vér analizátorok piaca, amelynek legfontosabb részei ezek a membránok, több mint 1 milliárd dollár értékű. Ennek megfelelően olyan érzékelési módok, amelyek a mérhető molekulák és ionok számát növelik, tudományos jelentőségük mellett gazdasági hasznosíthatósággal is biztatnak. A kutatási tervem célja, hogy újfajta membránokon alapuló szenzorokat és mérési elveket vizsgáljak elméleti és gyakorlati szempontokból. Az egyik általam javasolt módszer lényege, hogy az érzékelő két membránt tartalmaz, amik közrefogják a mintaoldatot. A két membrán közül csak az egyik tartalmazza a vizsgálandó iont/molekulát felismerő alkotót, ettől eltekintve teljesen azonosak. A zavaró molekulák jelenlétére a két membrán hasonló mértékben válaszol, azaz a jelre nincs hatásuk. Mérhető jel csak akkor alakul ki, ha vizsgálandó ion/molekula is található a mintában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Membranes find diverse applications in the field of electrochemistry. Their role in sensors is to convert chemical signal into electrical signal and they can be found in most energy storage devices. In order to create new membrane types and novel detection principles, practical implementation must be accompanied by theoretical support. Therefore, I plan to investigate the physical-chemical properties of membranes produced in the proposed experimental work by finite-element and molecular dynamics methods. The first objective of this newly proposed research effort is to enhance the detection limit of ion-selective sensors for a variety of ions for which there are no good ionophores. Two ion-selective membranes (ISM) are used, which sandwich the sample solution. These two ISMs are identical except for one detail: one of them contains ionophore. Analytical signal is only expected, if the measured ion is present in the sample. Amperometry may offer orders of magnitude better signal-to-noise ratio than conventional potentiometry for ISMs with low resistance. Therefore, my goal is the development of ISMs, which simultaneously offer high selectivity and high diffusion coefficient of primary ions. This effort coincides with the requirements for separators used in energy storage devices, so I plan to optimize the specific performance of the prepared membranes. Another objective of my research is the development of label-free biosensors based on nanoporous membranes. The advantage of the proposed arrangement is that the non-specific adsorption of interfering molecules cause similar phase-boundary potential change at the two solution|ISM interfaces, therefore they cancel out.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In most analytical samples it is essential to minimize the effect of interfering components to the analytical signal. Electrochemical sensors with selective membranes offer effective and inexpensive solution for the determination of biologically important molecules and ions. Today, researchers have more ionophores than ever at their disposal. However, there are still large numbers of biologically important ions for which no suitable selective ionophore are available, including ammonium, magnesium, fluoride, chloride, phosphate and nitrate. The application of the proposed two membrane arrangement helps the reduction of the effect of interfering components. Similarly, sensors based on nanoporous membranes (NPM) are cost-effective alternatives to widely used label-free methods (surface plasmon resonance, quartz crystal microbalance). Receptor molecules can be covalently bound to the NPM – e.g., ligand, antibody, DNA oligomer – consequently the sensor responds selectively and owing to the proposed arrangement the non-specific adsorption is also compensated for. During the work my focus will be to develop – by experimental and theoretical means – membranes (liquid membranes, polymer supported, and nanostructured) that maximize the analytical signal for the analyte. Accordingly, an important question to answer is which type of membrane is optimal for reducing the resistance without greatly influencing the phase-boundary potential. A crucial problem to solve is the integration of the sensors into existing blood analyzers. Therefore, I plan the miniaturization of the system.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Meeting the objectives set out in my research proposal would make the detection of many biologically important ions/molecules possible without the need for sample preparation. The global market of blood analyzers is more than $1 billion. Therefore, detection principles that increase the number of selectively detectable ions/molecules not only have scientific significance but also significant economic impact. Without being exhaustive, ammonium ion level is important in the detection of liver failure, magnesium and phosphate ion levels are characteristic of renal function, and the elimination of non-specific binding may offer cost-effective alternative for the measurement of important biomolecules. This will require the preparation of membranes for which the change in the analyte concentration causes a large electrochemical signal (potential, current, capacitance, conductivity). The theoretical modeling of studied membranes is expected to contribute to the fundamental understanding of the dominant processes. I plan to utilize my experience in the fields of finite element methods and molecular dynamics for the description of the complex and time-dependent processes. Compared to the competitors, I wish to place great emphasis on the development of new detection principles. For instance, I propose to use amperometric detection instead of the traditional potentiometry, where reduction of LOD for membranes with low resistance is expected. In order to reduce the size of the system I will develop solid contact electrodes (SCE). I plan to use the latest results in nanostructured electrode research, but unlike the competitors who use the nanostructured layer only to stabilize the potential and use immobilized plasticized polymeric membrane for the detection, I will covalently attach the molecules responsible for selective detection. In addition to the expected extension of the longevity, further advantage of the proposed SCE arrangement is that there is no need for a solid reference electrode, since the signal is measured between two membranes that are identical in every respect expect for the presence of the molecule responsible for the selectivity.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.

Electrochemical devices are useful for their ability to convert chemical information/energy into electrical information/energy. Their significance in the 21st century is expected to grow. The great advantage of electrochemical sensors is that they are cost-effective, compact and easy to integrate into networks. The Internet of Things foreshadows a world full of sensors, which will open the possibility to measure real-time, in massively parallel ways in environments that were difficult to monitor (e.g., spread of pollution in rivers, blood electrolyte levels). A membrane is often at the hearth of sensors in which the chemical signal is converted into an electrical signal. The largest user cases of these membranes are in clinical chemistry, energy storage devices, industrial process control and environmental analysis. The blood analyzers market, in which membranes play an important role, is worth more than $1 billion. Accordingly, detection principles that increase the number of detectable ions and molecules not only have scientific significance but also significant economic impact. The proposed research plan aims to investigate new types of membranes and novel detection principles from both theoretical and practical perspectives. One of the proposed sensors consists of two membranes, which sandwich the sample solution. These two membranes are identical except for one detail: one of them contains a molecule capable of selective recognition of a certain ion or molecule. The two membranes respond to interfering molecules similarly, therefore they do not affect the signal. Analytical signal is only expected, if the measured ion/molecule is present in the sample.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Elektrokémiai eszközöknek olyan rendszereket tekintünk, amelyek képesek kémiai információt/energiát átalakítani elektromos információvá/energiává. Ezek jelentősége a XXI. században várhatóan tovább fog növekedni. Az elektrokémiai szenzorok nagy előnye, hogy költséghatékonyak, kisméretűek és könnyen integrálhatóak internetes hálózatokba. A dolgok internete (IoT) egy olyan szenzorokkal teli világot vetít előre, amelyben ilyen eszközökkel lehetséges lesz valós időben, több ponton követni eddig csak nehezen mérhető folyamatokat. Ezen eszközök lelke sokszor egy membrán, ahol a kémiai jel elektromos jellé alakul. A legnagyobb felhasználási területük a klinikai kémia, energiatároló eszközök, ipari folyamatszabályozás és a környezetvédelmi analitika. A projekt megvalósítása során újfajta membránokon alapuló érzékelőket és mérési elveket vezettünk be, és vizsgáltuk őket kísérleti és elméleti szempontokból. Például az általunk kifejlesztett differenciális szenzorokkal sikerült ammóniumion fiziológiailag releváns koncentrációit mérni úgy, hogy a leginkább zavaró ionok (pl. káliumion) jele gyakorlatilag nullára csökkent. Kísérleti munka, elméleti modellek és gépi tanulás összekapcsolásával először sikerült szenzor membránok összes fontos tulajdonságának (pl. diffúziós együtthatók) együttes meghatározását megvalósítanunk. Az eredményeket D1 és Q1 besorolású folyóiratokban publikáltuk. A projektnek köszönhetően több akadémiai és ipari partnerrel indult gyümölcsöző együttműködés.
Results in English
Electrochemical devices are systems that convert chemical information/energy into electrical information/energy. Their importance is expected to grow in the 21st century. A major advantage of electrochemical sensors is that they are cost-effective, small in size, and easy to integrate into networks. The Internet of Things foresees a world of sensors that will make it possible to monitor processes in real-time at multiple points that have been difficult to measure. The heart of these devices is often a membrane, where a chemical signal is converted into an electrical signal. Their main applications are in clinical chemistry, energy storage devices, industrial process control, and environmental analysis. In the project, novel membrane-based sensors and measurement principles were introduced and investigated from experimental and theoretical perspectives. For example, with the differential sensors we have developed, we have succeeded in measuring physiologically relevant concentrations of ammonium ions with the signal of the most interfering ions (e.g., potassium ions) reduced to practically zero. By combining experimental work, theoretical models and machine learning, we have succeeded for the first time in achieving the simultaneous determination of all important properties of sensor membranes (e.g., diffusion coefficients). The research findings were published in D1 and Q1 journals. The project has led to fruitful collaborations with several academic and industrial partners.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124621
Decision
Yes





 

List of publications

 
Kovács Miklós Márton, Höfler Lajos: Effect of Kinetic and Thermodynamic Properties of Solid Contact Ion-Selective Electrodes on the Electrochemical Impedance Spectroscopy Response, Journal of The Electrochemical Society, 2022
Kovács Miklós Márton, Kis Martin, Höfler Lajos: Detection of Marginally Discriminated Ions with Differential Solid Contact Ion-Selective Electrodes, Journal of The Electrochemical Society, 2022
Kovács Miklós Márton, Höfler Lajos: Modeling and Learning the Complex Impedance of Solid Contact Ion-Selective Electrodes, Matrafured 2019, International Meeting on Chemical Sensors, 2019
Forrest Tara, Höfler Lajos, Bakker Eric: Dialysis membranes as liquid junction materials: Simplified model based on the phase boundary potential, Journal of Electroanalytical Chemistry, 2022
Kis Martin, Höfler Lajos: Differenciális elrendezésű ionszelektív szenzorok elektrokémiai vizsgálata, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 2019
Dávid Pocsai, Lajos Höfler: Application of Potentiometric Ion-Breakthrough Experiment to Assess Individual Diffusion Coefficients of Ions in Ion-Selective Membranes, Journal of The Electrochemical Society, 2020
Kishonti Pál, Höfler Lajos: Fémkomplexek transzport tulajdonságainak vizsgálata, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 2020
Kovács Miklós Márton, Pocsai Dávid, Kis Martin, Höfler Lajos: Szenzormembránok kinetikai és termodinamikai paramétereinek meghatározása gépi tanulás támogatásával, Kémiai Szenzorok Workshop VII., 2021
Höfler Lajos: The Device that Revolutionized Electrochemical Energy Storage, Electrochemistry V4 Workshop, 2021
Kis Martin, Höfler Lajos: Investigating Electrochemical Devices with the Synergistic Combination of Experimental, Numerical and Machine Learning Methods, Mátrafüred 2022 International Conference on Chemical Sensors, 2022
Kis Martin, Höfler Lajos: Investigating Electrochemical Devices in the 21st Century: Experimental Approaches and Machine Learning Methods, IV. Oláh György Konferencia, 2022
Kis Martin, Höfler Lajos: Fehérjék vizsgálata differenciális elrendezésű elektrokémiai szenzorokkal, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 2022
Pocsai Dávid, Höfler Lajos: Polimer alapú ionszelektív membránok előállítása és iontranszport tulajdonságainak vizsgálata, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 2018
Kovács Miklós Márton, Höfler Lajos: Differenciális elrendezésű ionszelektív szenzorok miniatürizálása, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 2018




Back »