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The aim of this thesis is the development of solid contact ion selective electrodes, ISEs, where the transducer layer is made of a network of carbon nanotubes.Potentiometric classical ion selective electrodes (ISEs) have been used for analytical applications since the beginning of 1900's. Determination of pH by a glass membrane ion selective electrode emerged at the beginning, being the first ISEs developed. pH glass electrode is still one the most useful and robust sensors for routine measurements both in laboratories and industries.Throughout the years, new technologies, ideas and designs have been developed and incorporated successfully in the potentiometric fields so as to provide answers to the new society's needs. Therefore, the ion selective electrodes developed in this thesis are a step further in the progress of ISEs and must be considered as products of the scientific envisioning, growth, and interdisciplinary cooperation of many research teams over many years of continuous efforts. The sensing part can be regarded nowadays as well developed, although it has been during only the last few years when considerable improvements have taken place in the development of new polymeric membranes, ionophores and lipophilic ions. Moreover, the understanding of the theoretical sensing mechanism has been a powerful solid backbone in the rise of ISEs. Miniaturization of classical ISEs requires making all solid contact electrodes to avoid the intrinsic drawbacks of the inner solution. In this manner, the transduction layer has been the focus of attention for the two last decades. New solid contact transducers having the capacity to convert an ionic current into an electronic current have been emerging. Within them, conducting polymers have played an important role in the transduction of the potentiometric signal, being the most used in solid contact ion selective electrodes (SC-ISEs) up to now. However, the behaviour of conducting polymers can be further improved. For instance, their sensitivity to light one of main operational issues yet to be solved.In the present context of searching for new materials able to transduce potentiometric signals we selected and tested carbon nanotubes (CNTs). CNTs, which were rediscovered by Ijima in 1991, display excellent electronic properties in terms of signal transduction. In addition, due to their chemical reactivity CNTs can be easily functionalized with receptors or other functional groups. In fact, depending on the type of functionalization the macroscopic and microscopic properties of CNTs can be drastically changed. This nanostructured material had not been used previously as a solid contact material in ISEs.The main aim of this thesis is to demonstrate that CNTs can act as a clean and efficient transducer in SC-ISEs overcoming the drawbacks displayed by the previously assayed solid contact materials. The developed electrodes were used in different conditions to determine several ions in different sample types, demonstrating the capabilities of this nanostructured material.The thesis has been structured in different chapters, each one containing the following information:· Chapter 1 provides a short historical overview of potentiometric ISEs. The evolution from the "classical ISEs" to the SC-ISEs is briefly illustrated. Once the motivation for thesis is described, the general and specific objectives of the thesis are reported.· Chapter 2 reports the scientific foundations of the developed electrodes. All components of the ISE, sensing layer, transducers and detection systems are introduced. Analytical performance characteristics of ISEs are also described.· Chapter 3 corresponds to the experimental part. Reagents, protocols, procedures and instruments used in the thesis are reported.· Chapter 4 provides the demonstration that CNTs can act as a transducer layer in SC-ISEs. The first SC-ISEs based on CNTs are characterized by electrochemical and optical techniques.· Chapter 5 contains the experimental results that lead to the elucidation of the possible transduction mechanism of CNTs in SC-ISEs. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is employed as the main characterization technique. · Chapter 6 is composed of four sections reporting different analytical applications. In the first section, the common pH electrode is developed using a solid contact technology based on CNTs. In the second section, the development of SC-ISEs based on a new synthetic ionophore selective to choline, and CNTs as transducers is shown. In the third section, watertight and pressure-resistant SC-ISEs based on CNTs are developed and tested in aquatic research to obtain information about the gradient profiles along the depth of the lakes. In the fourth section, SC-ISEs based on CNTs are adapted for the on-line control of a denitrification catalytic process.· Chapter 7 reports the possibilities of miniaturization of the SC-ISEs based on CNTs to reach a nanometric electrode. Potentiometric and optical characterizations are described in this section. Moreover, a discussion about the limitations of the real miniaturization in potentiometry is undertaken.· Chapter 8 points out the conclusions of the thesis. In addition, future prospects are suggested.· Finally, several appendices are added to complete the doctoral thesis. / El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de electrodos selectivos de iones de contacto sólido, ESIs-CS, utilizando como capa transductora una red compuesta de nanotubos de carbono.Los electrodos potenciométricos selectivos de iones han sido utilizados en aplicaciones analíticas desde comienzos de 1900. La determinación de pH mediante electrodos de vidrio selectivo de iones fue el primer ESI desarrollado. Hoy en día, el electrodo de vidrio para la determinación de pH es todavía uno de los más útiles y robustos sensores utilizados en mediciones rutinarias tanto en laboratorios como en industrias.A lo largo de los años, nuevas tecnologías, ideas y diseños han sido desarrollados e incorporados satisfactoriamente en el campo potenciométrico proporcionando soluciones a las necesidades en continua evolución de la sociedad. De esta manera, los electrodos selectivos de iones desarrollados en esta tesis son un paso más en el progreso de los ESIs y deben ser considerados como el producto de una sólida base científica, del crecimiento y de la cooperación interdisciplinaria de diversos grupos de investigación durante varios años.La parte del sensor donde tiene lugar el reconocimiento químico y donde se genera el potencial dependiente de la muestra en estudio en los ESIs se puede considerar, en estos días, ampliamente desarrollada, aunque considerables mejoras han tenido lugar durante los últimos años, especialmente en el desarrollo de nuevas membranas poliméricas, ionóforos e iones lipofílicos. Sobretodo, el estudio y la comprensión del mecanismo teórico del sensor ha sido muy importante en el crecimiento y desarrollo de los ESIs.El concepto de electrodos selectivos de iones de estado sólido surge como requisito vital para evitar las intrínsecas desventajas de la solución interna, en el proceso de miniaturización de los ESIs clásicos. De esta forma, la capa transductora ha sido el principal punto de atención durante dos décadas. Así, nuevos transductores de contacto sólido con la capacidad de convertir una corriente iónica en una corriente electrónica han sido desarrollados. Entre ellos, los polímeros conductores han jugado un importante papel en la transducción de la señal potenciométrica, siendo éstos los más empleados en los electrodos selectivos de iones de contacto sólido (ESIs-CS). Sin embargo el comportamiento de los polímeros conductores puede ser mejorado. Por ejemplo, la sensibilidad hacia la luz de estos materiales es un inconveniente todavía no resuelto. En este contexto de investigación de nuevos materiales capaces de actuar como transductor de una señal potenciométrica, se han escogido y estudiado los nanotubos de carbono (NTCs) como transductores. Los NTCs fueros redescubiertos por Ijima en 1991, y muestran excelentes propiedades electrónicas en términos de traducción de señal. Además, debido a su reactividad química, los NTCs pueden ser fácilmente funcionalizados con receptores u otros grupos funcionales. De hecho, sus propiedades macroscópicas y microscópicas pueden ser afectadas drásticamente dependiendo del tipo y grado de funcionalización. Este material nanoestructurado no había sido previamente utilizado como transductor en ISEs.El principal propósito de esta tesis es demostrar que los nanotubos de carbono pueden actuar de forma eficiente como transductor en electrodos selectivos de iones de estado sólido logrando vencer las desventajas de los transductores previamente mencionados. Los electrodos desarrollados fueron usados en diferentes condiciones para determinar distintos iones en diversos tipos de sistemas, demostrando las extraordinarias capacidades de este material nanoestructurado. Esta tesis ha sido estructurada en capítulos que contienen la siguiente información:· El Capítulo 1 proporciona una breve visión histórica de lo electrodos potenciométricos selectivos de iones. Se ilustra la evolución desde los "clásicos ESIs" hasta los actuales "ESIs-CS". Además se señalan en esta sección los objetivos generales y específicos. · El Capitulo 2 contiene las bases científicas de los electrodos desarrollados. Se introducen todos los componentes que integran un ESI, tales como: capa reconocedora, capa transductora y sistema de detección. A continuación se describen los parámetros analíticos de calidad de los ESIs. · El Capitulo 3 describe la parte experimental. Se recogen los reactivos, protocolos, procedimientos e instrumentos usados a lo largo de la tesis.· El Capitulo 4 provee de la demostración de que los NTCs pueden actuar eficientemente como capa transductora en SC-ISEs. Se caracteriza el primer ESI-CS integrado por NTCs mediante técnicas ópticas y electroquímicas.· El Capitulo 5 contiene los resultados experimentales que permiten la posible elucidación del mecanismo de transducción de los NTCs en los ESIs-CS. La Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (ESI) es utilizada como la principal técnica de caracterización. · El Capitulo 6 está integrado por cuatro secciones con diferentes aplicaciones analíticas. En la primera sección, se desarrolla un electrodo de pH que usa NTCs como nueva tecnología transductora en ESIs-CS. En la segunda sección se muestra el desarrollo de un ESI-CS integrado por un ionóforo sintético selectivo a colina, y NTCs como transductores. En la tercera sección, ESIs-CS basados en NTCs, resistentes a altas presiones y totalmente herméticos, se desarrollan y prueban en investigaciones acuáticas con la finalidad de obtener información sobre los gradientes de concentración de iones en función de la profundidad de un lago. En la cuarta sección ESIs-CS basados en NTCs se adaptan para el control on-line de un proceso catalítico de desnitrificación.· El Capitulo 7 presenta la posibilidad de la miniaturización de los ESIs-CS basados en NTCs logrando obtener un electrodo nanométrico. Se muestran en esta sección la caracterización óptica y potentiométrica. Además, se discuten las limitaciones de la miniaturización real de los ESIs en potenciometría.· El Capitulo 8 contiene las conclusiones de la tesis. Adicionalmente, se sugieren las perspectivas futuras del trabajo presentado.· Finalmente, se añaden algunos apéndices como complemento de la tesis doctoral.

The object of this research was to develop an arsenic(V) selective electrode. The electrode is based on a solid state membrane prepared by pressing a precipitate of silver arsenate-silver sulfide into a pellet. After the electrode was made, experiments were designed to check for three general characteristics of the electrodes: dependence of potential on pH for constant arsenic(V) concentration; dependence of potential on arsenic(V) concentrations at constant pH and extent of interference due to phosphate and arsenic(III) ions. From these measurements, it was found that Ag2HAs04 was formed originally in the membranes containing a small fraction of arsenic(V) and that this compound was converted to Ag3As04 on the electrode surface in alkaline solutions.

O presente trabalho visou a construção e avaliação de eletrodos de membrana sólida cristalina seletivos a cobre e prata. Obteve-se o sulfeto de prata, material eletroativo usado na preparação de membranas seletivas a íons Ag+, por precipitação com gás sulfídrico em meio ácido. Eletrodos com membranas de 1,0 e 0,50 mm de espessura apresentaram respectivamente limites nernstianos de 10-4 e 10-5 Mol.L-1 e precisão de ± 0,1 e 1 mV nas leituras de potencial. Os sulfetos de cobre e prata, usados na preparação de membranas seletivas para determinação de cobre, foram obtidos por precipitação simultânea com gás sulfídrico, tioacetamida em meio ácido e tiouréia em meio amoniacal. Difratogramas de Raios X revelaram que o material obtido com tiouréia corresponde ao sulfeto ternário, Cu2S.3Ag2S ou Ag1,55Cu0,45S, responsável pela resposta seletiva do sensor em soluções de Cu2+. O eletrodo construído a partir deste sulfeto, onde o cobre aparece no estado monovalente, apresentou limite nernstiano da ordem de10-7Mol.L-1, fornecendo resultados satisfatórios na determinação deste metal em amostras de aguardente e álcool. Cálculos termodinâmicos mostraram que quando membrana é constituída de CuS, um contacto elétrico efetuado através de cobre ou prata é instável, uma vez que ocorre a formação de Cu2S. Os resultados experimentais conduziram a um novo modelo para explicar o mecanismo de resposta do eletrodo, o qual se baseia na reação: Cu2S (memb) + Cu2+ (sol) ↔ CuS (memb) + 2 Cu + (sol). A atividade de Cu+ na interface eletrodo / solução é controlada pela atividade de Cu2+ nas soluções de medida, de modo que o sensor funciona como um eletrodo de Cu2S/CuS em contacto com o sistema Cu2+/Cu+. / Present work deals with the assembling and testing of solid membrane electrodes for copper and silver. The silver sulphide used to prepare the membrane selective to Ag+ was precipitated with hydrogen sulphide in acidic medium. Electrodes 1,0 and 0,50 mm thick present Nernstian limits of 10-4 and 10-5 Mol.L-1 order with a ± 0,1 and 1 mV respectively. A mixture of silver sulphide and copper sulphides were used for the copper (II) selective electrode. This solid was prepared from Cu2+ and Ag+ in the same solution with hydrogen sulphide or thioacetamide both in acid medium and with thiourea in ammoniacal medium. X-Ray diffractograms shows that the solid prepared from thiourea solutions presents significant contribution of jalpaite Ag1,55Cu0, 45S (in fact Cu2S.3Ag2S). An important finding was the presence of copper (I) in the matrix and this has been also found to the responsible for the higher performance of this electrode with a limiting response to 10-7 Mol.L-1 copper (II). In fact thermodinamic calculation has show instability of a contact of Ag or Cu with CuS solid, as Cu2S must be formed in any case. On this basis, the theory of the electrode is based in the following reaction which takes place on the electrode surface: Cu2S (memb) +CU2+ (sol) ↔ CuS (memb) + 2 Cu+(aq) K = 10-13 M. On this basis the Cu+ activity at the electrode / solution interface is controled by the activity of Cu2+ of the solution and the Cu2+/ Cu+ system in contact with the solid matrix is defined.

O presente trabalho visou a construção e avaliação de eletrodos de membrana sólida cristalina seletivos a cobre e prata. Obteve-se o sulfeto de prata, material eletroativo usado na preparação de membranas seletivas a íons Ag+, por precipitação com gás sulfídrico em meio ácido. Eletrodos com membranas de 1,0 e 0,50 mm de espessura apresentaram respectivamente limites nernstianos de 10-4 e 10-5 Mol.L-1 e precisão de ± 0,1 e 1 mV nas leituras de potencial. Os sulfetos de cobre e prata, usados na preparação de membranas seletivas para determinação de cobre, foram obtidos por precipitação simultânea com gás sulfídrico, tioacetamida em meio ácido e tiouréia em meio amoniacal. Difratogramas de Raios X revelaram que o material obtido com tiouréia corresponde ao sulfeto ternário, Cu2S.3Ag2S ou Ag1,55Cu0,45S, responsável pela resposta seletiva do sensor em soluções de Cu2+. O eletrodo construído a partir deste sulfeto, onde o cobre aparece no estado monovalente, apresentou limite nernstiano da ordem de10-7Mol.L-1, fornecendo resultados satisfatórios na determinação deste metal em amostras de aguardente e álcool. Cálculos termodinâmicos mostraram que quando membrana é constituída de CuS, um contacto elétrico efetuado através de cobre ou prata é instável, uma vez que ocorre a formação de Cu2S. Os resultados experimentais conduziram a um novo modelo para explicar o mecanismo de resposta do eletrodo, o qual se baseia na reação: Cu2S (memb) + Cu2+ (sol) ↔ CuS (memb) + 2 Cu + (sol). A atividade de Cu+ na interface eletrodo / solução é controlada pela atividade de Cu2+ nas soluções de medida, de modo que o sensor funciona como um eletrodo de Cu2S/CuS em contacto com o sistema Cu2+/Cu+. / Present work deals with the assembling and testing of solid membrane electrodes for copper and silver. The silver sulphide used to prepare the membrane selective to Ag+ was precipitated with hydrogen sulphide in acidic medium. Electrodes 1,0 and 0,50 mm thick present Nernstian limits of 10-4 and 10-5 Mol.L-1 order with a ± 0,1 and 1 mV respectively. A mixture of silver sulphide and copper sulphides were used for the copper (II) selective electrode. This solid was prepared from Cu2+ and Ag+ in the same solution with hydrogen sulphide or thioacetamide both in acid medium and with thiourea in ammoniacal medium. X-Ray diffractograms shows that the solid prepared from thiourea solutions presents significant contribution of jalpaite Ag1,55Cu0, 45S (in fact Cu2S.3Ag2S). An important finding was the presence of copper (I) in the matrix and this has been also found to the responsible for the higher performance of this electrode with a limiting response to 10-7 Mol.L-1 copper (II). In fact thermodinamic calculation has show instability of a contact of Ag or Cu with CuS solid, as Cu2S must be formed in any case. On this basis, the theory of the electrode is based in the following reaction which takes place on the electrode surface: Cu2S (memb) +CU2+ (sol) ↔ CuS (memb) + 2 Cu+(aq) K = 10-13 M. On this basis the Cu+ activity at the electrode / solution interface is controled by the activity of Cu2+ of the solution and the Cu2+/ Cu+ system in contact with the solid matrix is defined.

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Orientadores: Carlos Emílio Levy, José Dirceu Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Made available in DSpace on 2018-08-23T21:33:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Goncalves_AlineCristina_M.pdf: 2485320 bytes, checksum: 5804a728c4482b025babf1bea314fbb3 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Introdução: Fibrose cística (FC) é uma doença genética autossômica recessiva mais comum entre caucasianos. Caracterizam-se pelo defeito no transporte iônico através da membrana celular nas células epiteliais das vias aéreas, pâncreas, glândulas salivares, sudoríparas, intestino e aparelho reprodutor. As secreções mucosas ficam espessas e viscosas, causando obstrução ao nível de ductos e canalículos glandulares. Objetivo: Verificar os parâmetros bioquímicos da saliva, a saúde gengival e dental de pacientes com FC e analisar sua relação com a gravidade da doença e medicações. Casuística e método: Estudo prospectivo de pacientes atendidos no ambulatório de FC do HC Unicamp e indivíduos saudáveis. Destes pacientes foram comparados os parâmetros bioquímicos da saliva com os de indivíduos saudáveis, pela técnica de eletrodo íon seletiva, aparelho de gasometria ABL835®. Foi realizado um estudo descritivo de alguns indicadores da saúde bucal, microbiota salivar e do escarro de pacientes com FC e analisados com a gravidade da doença pelo escore de Shwachman. Resultados: Os íons cloro e sódio na saliva foram estatisticamente maiores, nos pacientes com fibrose cística que nos controles. Com aplicação da curva ROC determinamos, respectivamente para o sódio e cloro Cut-off de 13,5 mmol/L e 20 mmol/L; Sensibilidade:73,4% e 68,1% e Especificidade:70,6% e 72,9%. Com relação ao índice gengival (IG), observamos uma relação direta com o índice de placa (IP), contudo, não houve correlação entre o índice de placa ou índice gengival com o escore de Shwachman, uso crônico de antimicrobianos e de dornase alfa. Conclusões: Observou-se baixa prevalência de cárie nas crianças com FC e quantidade significativa de defeitos de esmalte, acúmulo de cálculo dental ou tártaro, que não há correlação entre IP e IG e escore de Shwachman, e entre IP e IG e uso de Dornase Alfa e uso crônico de antimicrobianos. Não houve correlação entre as concentrações de Cl- e Na+ na saliva com o escore clínico de Shwachman. No grupo FC os níveis de sódio, cloro, potássio e o pH encontraram-se aumentados e o volume de saliva foi menor que o observado no grupo controle. Novos estudos serão necessários para esclarecer a real utilidade da avaliação dos parâmetros bioquímicos na saliva para diagnóstico da FC. Na avaliação da microbiota da saliva com o material do trato respiratório, a saliva não apresenta boa relação com a presença de patógenos pulmonares crônicos e não deve ser utilizada para este fim / Abstract: Background: Cystic fibrosis (CF) is an autosomal recessive genetic disease most common among Caucasians. Characterized by a defect in ion transport across the cell membrane in airway epithelial cells, pancreas, salivary glands, sweat glands, intestine, and reproductive tract. Mucous secretions become thick and viscous, causing obstruction at the level of ducts and glandular tubules. Objective: To investigate the biochemical parameters of saliva, gingival health and dental patients with CF and analyze its relationship with disease severity and medications. Patients and methods: Prospective study of CF patients in attended of Hospital de Clínicas da Unicamp, and healthy subjects. These patients were compared biochemical parameters of saliva with healthy subjects, the technique of ionselective electrode, Radiometer blood gas analyzer ABL835®. We conducted a descriptive study of some indicators of oral health, salivary microbiota and sputum of CF patients and analyzed with the severity of the disease by the Shwachman score. Results: The chloride and sodium ions in saliva were significantly higher in patients with cystic fibrosis than in controls. With application of the ROC curve determined respectively for sodium and chlorine Cut-off 13.5 mmol/L and 20 mmol/L; Sensitivity 73.4% and 68.1% and Specificity 70.6% and 72 9%. With respect to gingival index, we observed a direct relationship with the index plaque, however, there was no correlation between plaque index and gingival index with Shwachman, chronic use of antibiotics and DNase. Conclusions: We found a low prevalence of caries in children with CF and significant amount of enamel defects, accumulation of dental calculus, no correlation between plaque index (PI) and gingival inflammation index (GI) and score Shwachman, and between PI and GI and use of dornase alpha and chronic use of antimicrobials. There was no correlation between the concentrations of Cl- and Na+ in saliva with Shwachman clinical score. In the CF group levels of sodium, chloride, potassium and pH were found increased and the volume of saliva was lower than that observed in the control group. Further studies are needed to clarify the usefulness of the assessment of biochemical parameters in saliva for diagnosis of CF. In assessing the salivary microflora with the material of the respiratory tract, saliva does not show good correlation with the presence of chronic lung pathogens and should not be used for this purpose / Mestrado / Saude da Criança e do Adolescente / Mestra em Ciências

O trabalho teve o objetivo de investigar técnicas de sensoriamento de solo e analisar o potencial de utilização das mesmas diretamente no campo. Quatro etapas distintas foram desenvolvidas para atender aos seguintes objetivos: a) comparar e avaliar o potencial de predição de atributos do solo de três espectrômetros portáteis (vis-NIR) em ambiente controlado; b) avaliar a predição em movimento de pH, P e K utilizando técnicas de sensoriamento óptico (reflectância vis-NIR) e eletroquímico (eletrodos íon-seletivos de pH e K) em uma área experimental com variabilidade induzida; c) montar e testar uma plataforma de campo com sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos; d) avaliar o potencial de predição de textura do solo utilizando um equipamento portátil de espectroscopia de fluorescência de raios X. Na primeira etapa as leituras de reflectância espectral vis-NIR dos três equipamentos avaliados mostraram-se muito semelhantes, com coeficientes de correlação acima de 0,86 na faixa de 400 a 1800 nm. Quando comparados nesta região espectral os equipamentos produziram modelos de predição muito semelhantes, com leve superioridade para o sistema FieldSpec. Os modelos mostraram-se mais promissores para a predição da textura do solo em relação aos atributos químicos. Na segunda etapa as leituras de campo utilizando eletrodos íon-seletivos de pH e K apresentaram uma alta correlação com as análises de laboratório. As avaliações permitiram observar que condições de solo com baixa umidade prejudicam sensivelmente as leituras. Apesar da alta correlação, os valores de campo precisam ser corrigidos para a metodologia de laboratório desejada. Os modelos de predição de P, K e pH utilizando espectrometria vis-NIR no campo apresentaram baixa precisão. Os testes da Plataforma Multisensores de Solo (PMS) na terceira etapa demonstraram ser possível a utilização de sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos em uma mesma plataforma. As leituras de condutividade elétrica aparente do solo (CEa) demonstraram que este parâmetro está relacionado com a textura, atuando como um indicador da variabilidade e possibilitando a identificação dos locais de transição de textura. O pH mensurado pela PMS exibiu correlações abaixo das verificadas na segunda etapa. No entanto, alguns resultados atípicos foram verificados, como a correlação maior entre pH em CaCl2 com a PMS do que em relação ao método em H2O. As leituras de reflectância vis-NIR utilizando a PMS apresentaram bons modelos de predição de areia e argila, permitindo a criação de mapas de alta resolução destes parâmetros. A espectroscopia de fluorescência de raios X portátil foi eficiente para estimar a textura do solo. Os teores de areia e argila foram estimados tanto por meio de regressões lineares simples como regressões múltiplas com valores de R2 acima de 0,60. O Fe total foi o principal elemento utilizado nesses modelos de regressão. / The objective of this work was to investigate soil sensing techniques and to analyze the potential for their use directly in the field. Four distinct steps were developed to meet the following objectives: a) to compare and evaluate the potential of predicting soil attributes with three portable spectrometers (vis-NIR) in a controlled environment; B) to evaluate the on-the-go prediction of pH, P and K using optical sensors (vis-NIR reflectance) and electrochemical techniques (ion-selective pH and K electrodes) in an experimental area with induced variability; C) assemble and test a field platform with electrical, electrochemical and optical sensors; D) to evaluate the potential of predicting soil texture using a portable X-ray fluorescence spectroscopy equipment. In the first step the vis-NIR spectral reflectance readings of the three equipments evaluated were very similar, with correlation coefficients above 0.86 in the 400 to 1800 nm range. When compared in this spectral region, the equipment produced very similar prediction models, with slight superiority for the FieldSpec system. The models showed to be more promising for the prediction of soil texture in relation to chemical attributes. In the second step the field readings using ion-selective pH and K electrodes presented a high correlation with the laboratory analyzes. The evaluations showed that soil conditions with low moisture significantly affect the readings. Despite the high correlation, the field values need to be corrected for the desired laboratory methodology. Prediction models of P, K and pH using field-vis-NIR spectrometry showed low precision. The tests of the Multisensors Soil Platform (MSP) in the third stage demonstrated that it is possible to use electric, electrochemical and optical sensors in the same platform. The electrical conductivity (EC) readings showed that this parameter was related with soil texture, acting as an indicator of variability and allowing the identification of texture transitions. The pH measured by MSP exhibited correlations below those verified in the second step. However, some atypical results were verified, such as the higher correlation between pH in CaCl2 and MSP than in H2O. The vis-NIR reflectance readings using the MSP resulted in good sand and clay prediction models, allowing the creation of high resolution maps of these parameters. Portable X-ray fluorescence spectroscopy was efficient for estimating soil texture. The sand and clay contents were estimated both by simple linear regressions and multiple regressions with R2 values above 0.60. Total Fe was the main element used in these regression models.

O trabalho teve o objetivo de investigar técnicas de sensoriamento de solo e analisar o potencial de utilização das mesmas diretamente no campo. Quatro etapas distintas foram desenvolvidas para atender aos seguintes objetivos: a) comparar e avaliar o potencial de predição de atributos do solo de três espectrômetros portáteis (vis-NIR) em ambiente controlado; b) avaliar a predição em movimento de pH, P e K utilizando técnicas de sensoriamento óptico (reflectância vis-NIR) e eletroquímico (eletrodos íon-seletivos de pH e K) em uma área experimental com variabilidade induzida; c) montar e testar uma plataforma de campo com sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos; d) avaliar o potencial de predição de textura do solo utilizando um equipamento portátil de espectroscopia de fluorescência de raios X. Na primeira etapa as leituras de reflectância espectral vis-NIR dos três equipamentos avaliados mostraram-se muito semelhantes, com coeficientes de correlação acima de 0,86 na faixa de 400 a 1800 nm. Quando comparados nesta região espectral os equipamentos produziram modelos de predição muito semelhantes, com leve superioridade para o sistema FieldSpec. Os modelos mostraram-se mais promissores para a predição da textura do solo em relação aos atributos químicos. Na segunda etapa as leituras de campo utilizando eletrodos íon-seletivos de pH e K apresentaram uma alta correlação com as análises de laboratório. As avaliações permitiram observar que condições de solo com baixa umidade prejudicam sensivelmente as leituras. Apesar da alta correlação, os valores de campo precisam ser corrigidos para a metodologia de laboratório desejada. Os modelos de predição de P, K e pH utilizando espectrometria vis-NIR no campo apresentaram baixa precisão. Os testes da Plataforma Multisensores de Solo (PMS) na terceira etapa demonstraram ser possível a utilização de sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos em uma mesma plataforma. As leituras de condutividade elétrica aparente do solo (CEa) demonstraram que este parâmetro está relacionado com a textura, atuando como um indicador da variabilidade e possibilitando a identificação dos locais de transição de textura. O pH mensurado pela PMS exibiu correlações abaixo das verificadas na segunda etapa. No entanto, alguns resultados atípicos foram verificados, como a correlação maior entre pH em CaCl2 com a PMS do que em relação ao método em H2O. As leituras de reflectância vis-NIR utilizando a PMS apresentaram bons modelos de predição de areia e argila, permitindo a criação de mapas de alta resolução destes parâmetros. A espectroscopia de fluorescência de raios X portátil foi eficiente para estimar a textura do solo. Os teores de areia e argila foram estimados tanto por meio de regressões lineares simples como regressões múltiplas com valores de R2 acima de 0,60. O Fe total foi o principal elemento utilizado nesses modelos de regressão. / The objective of this work was to investigate soil sensing techniques and to analyze the potential for their use directly in the field. Four distinct steps were developed to meet the following objectives: a) to compare and evaluate the potential of predicting soil attributes with three portable spectrometers (vis-NIR) in a controlled environment; B) to evaluate the on-the-go prediction of pH, P and K using optical sensors (vis-NIR reflectance) and electrochemical techniques (ion-selective pH and K electrodes) in an experimental area with induced variability; C) assemble and test a field platform with electrical, electrochemical and optical sensors; D) to evaluate the potential of predicting soil texture using a portable X-ray fluorescence spectroscopy equipment. In the first step the vis-NIR spectral reflectance readings of the three equipments evaluated were very similar, with correlation coefficients above 0.86 in the 400 to 1800 nm range. When compared in this spectral region, the equipment produced very similar prediction models, with slight superiority for the FieldSpec system. The models showed to be more promising for the prediction of soil texture in relation to chemical attributes. In the second step the field readings using ion-selective pH and K electrodes presented a high correlation with the laboratory analyzes. The evaluations showed that soil conditions with low moisture significantly affect the readings. Despite the high correlation, the field values need to be corrected for the desired laboratory methodology. Prediction models of P, K and pH using field-vis-NIR spectrometry showed low precision. The tests of the Multisensors Soil Platform (MSP) in the third stage demonstrated that it is possible to use electric, electrochemical and optical sensors in the same platform. The electrical conductivity (EC) readings showed that this parameter was related with soil texture, acting as an indicator of variability and allowing the identification of texture transitions. The pH measured by MSP exhibited correlations below those verified in the second step. However, some atypical results were verified, such as the higher correlation between pH in CaCl2 and MSP than in H2O. The vis-NIR reflectance readings using the MSP resulted in good sand and clay prediction models, allowing the creation of high resolution maps of these parameters. Portable X-ray fluorescence spectroscopy was efficient for estimating soil texture. The sand and clay contents were estimated both by simple linear regressions and multiple regressions with R2 values above 0.60. Total Fe was the main element used in these regression models.

Highly selective and sensitive phosphate sensors have been fabricated by constructing a solid membrane disk consisting of variable mixtures of aluminium powder (Al), aluminium phosphate (AlPO4) and powdered copper (Cu). Both binary and ternary electrode systems are produced depending on their composition. The ternary membranes exhibit greater selectivity over a wide range of concentrations. The ternary electrode with the composition 25% AlPO4, 25% Cu and 50% Al was selected as our preferred electrode. The newly fabricated ternary membrane phosphate selective electrodes exhibited linear potential response in the concentration range of 1.0 × 10−6 to 1.0 × 10−1 mol L−1. The electrodes also exhibit a fast response time of <60 s. Their detection limit is 1.0 × 10−6 mol L−1. The unique feature of the described electrodes is their ability to maintain a steady and reproducible response in the absence of an ionic strength control. The electrodes have a long lifetime and can be stored in air when not in use. The selectivity of the new phosphate selective electrodes with respect to other common ions is excellent. The results obtained provide further insight into the working principles of the newly fabricated phosphate selective electrodes. Dephosphorylation and phosphorylation reactions were monitored using the preferred phosphate selective electrode. The following reactions were studied and inferences drawn; (a) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[OH(PO2O)]2- for 1:1, 2:1 and 3:1 *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[OH(PO2O)]2- ratios.(b) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[O2NC6H4PO2(O)(OH)]- for 1:1, 2:1 and 3:1 *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[O2NC6H4PO2(O)(OH)]- ratios. (c) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[(OH)2(PO2)2O]2- for 1:1, 2:1 and 3:1 [{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[(OH)2(PO2)2O]2- ratios, and (d) the reactions between *[{CoN4(OH)(OH2)}]2+ and *[(OH)2(PO2)3O2]3- for the 1:1, 2:1 and 3:1 [{CoN4(OH)(OH2)}]2+ to *[(OH)2(PO2)3O2]3- ratios. Further insight into dephosphorylation and phosphorylation reactions is unravelled by the novel phosphate selective electrode monitoring. *For clarity of the complexes utilized, see chapter 4, table 4.1. KEY WORDS; Dephosphorylation, phosphorylation, ion selective electrodes, phosphate ion selective electrode, decontamination, electromotive force, potential difference, activity, concentration, selectivity coefficient, calibration, ionic strength, hydrolysis, inorganic phosphates, nitrophenylphosphate, pyrophosphate, tripolyphosphate, organophosphate esters. / Chemistry / D.Phil (Chemistry)