E-cHeMA : electrochemical platform for heavy metal analysis

This research study is carried out in collaboration with Papautsky’s Laboratory at the University of Illinois at Chicago, IL, US. Heavy metal contamination in the environment and its adverse effects on human health has emerged as a major issue in the last few decades. Their impairment can potentially affect every organ with special concern on the nervous system, with a significative correlation to mental retards in children and neurodegenerative diseases in adults when excessive intake occurs, even at low levels. One of the main routes of exposure turns out to be drinking water. It is therefore clear how valuable can be the design of a ‘point of use’ platform for direct on the field monitoring of these pollutants. No discrimination should occur; as stated by the WHO : “all people, whatever their stage of development and their social and economic condition, have the right to have access to an adequate supply of safe drinking water” [16]. Current gold standard techniques employed in this analytical field are Atomic Absorption Spectrometry (AAS) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Despite their superior performances in terms of limit of detection and selectivity over a wide range of elements, they both require bulky, costly and complex instruments. Moreover, analysis can only be performed by well trained personnel. All these features keep these methods confined into centralized laboratories, making on the field applications unfeasible for them. On the other side, Electrochemical techniques seem to be the most promising path for ‘point-of-use’ quantitation of heavy metals in environmental water samples. Miniaturization, inexpensive fabrication and relatively simple use of the developed electrochemical platform make it a highly valuable candidate to exit research laboratories and spread into single house level. Furthermore, this study can pave the way for ‘point-of-care’ systems for direct detection in human blood. In the presented work, two main target analytes are considered: Manganese (Mn) and Lead (Pb).Manganese monitoring, both in the environment and in biological samples, came out as a crucial matter due to the subtle border between the need for some minimum amount of Mn in the diet, as an essential element in several enzymatic processes, and its toxicity when over-exposure occurs. Manganese contamination of drinking water arises both naturally and human-induced. Surface and groundwater may present high Manganese levels due to erosion of soils and rocks with a high Mn content. The current levels of concern for public health set by the WHO (World Health Organization) and the EPA (Environmental Protection Agency) for Mn in drinking water corresponds to 50μg/L (50ppb).On the other side, Lead toxicity and environmental pollution has always been of significant interest. US banned Lead based paints in 1978 and its use as a gasoline additive in 1995, with the aim of reducing its presence in the environment, but anthropogenic sources still represent the main cause of Lead poisoning [5]. More specifically, corrosive water together with Lead-based soldered joints and pipes can locally increase the Pb content in tap water at single houses level, making its on the field monitoring of paramount importance. Furthermore, it has been assessed that even low environmental exposure can cause adverse effects on human health, particularly in children. The updated action level for drinking water set by the EPA for Lead is 15μg/L (15ppb)[19]. Here it is reported the development of a cost-effective electrochemical platform for the potential on the field detection of Manganese and Lead in environmental samples. It comprises the following components: i) commercially available sensors with the active electrode (i.e. working electrode, WE) made of Platinum or Gold for Mn or Pb quantitation, respectively; ii) 3D printed interface; iii) circuitry to introduce vibration; iv) commercial potentiostat for signal generation and acquisition. The system leverages the electrochemical technique of square wave stripping voltammetry for the detection of trace amount of the target analytes. The advantages of this method are two-fold : first the presence of the preconcentration (or deposition) step allows for the accumulation of the element of interest onto the surface of the WE , second the square wave stripping provides rejection of the unwanted noise (in terms of current signal). These two features are essential to reach low limits of detection (LOD)and limits of quantitation (LOQ) even in small 10/12 μL sample droplets. Both for Manganese and Lead the limit of quantitation in water samples attained by the system is 6ppb, fully compatible with the actual EPA standard levels of concern in drinking water. Further research is still needed to improve the capabilities of the outlined system, particularly in terms of reduction in the variability, accuracy at low concentrations, automation of post processing steps and background issues for Lead analysis, but it is shown that the ‘on the field’ transition for heavy metal testing can be made feasible in the nearest future.

Il progetto di tesi descritto nelle seguenti pagine e’ stato svolto in collaborazione con il laboratorio Microfluidic BioMicrosystems del prof.Ian Papautsky, University of Illinois at Chicago , IL, US. L’inquinamento ambientale e gli effetti negativi relativi ai metalli pesanti hanno riscontrato significativo interesse negli ultimi decenni. La pericolosita’ di tali elementi e’ legata al potenziale intaccamento di tutti i sistemi del corpo umano, con particolare riguardo verso il sistema nervoso, grazie all’abilita’ di attraversare la barriera emato-encefalica. Una delle principali fonti di esposizione a tali inquinanti risiede nell’acqua potabile, a livello di ciascuna singola abitazione. Risulta quindi di primaria importanza lo sviluppo di una piattaforma ‘pronta all’uso’ per il monitoraggio localizzato delle concentrazioni dei suddetti elementi. Nessuna eccezione dovrebbe sussistere, come riportato dalla WHO (World Health Organization) : “all people, whatever their stage of development and their social and economic condition, have the right to have access to an adequate supply of safe drinking water” [16]. Le attuali tecniche di riferimento sono la Spettrometria di Assorbimento Atomico (AAS) e la Spettrometria (ICP-MS). Performance analitiche di tali metodologie, in termini di limiti di detezione, sensitivita’ e selettivita’ risultano insuperati, ma vanno di pari passo con la necessita’ di strumenti ingombranti, costosi e dal funzionamento complesso, utilizzabili da personale adeguatamente formato. Tali caratteristiche confinano l’impiego in laboratori centralizzati e ne prevengono la diretta applicazione sul sito di rilevamento. Al contrario, tecniche elettrochimiche sembrano la strada piu’ promettente per la realizzazione di sistemi analitici per detezione di metalli pesanti applicabili sul campo. Le principali caratteristiche che avvicinano la piattaforma elettrochimica descritta verso la diretta applicazione al di fuori di laboratori scientifici sono : miniaturizzazione dei componenti, piccoli volumi dei campioni, ridotti costi di fabbricazione e relativa semplicita’ d’uso. Due principali elementi target sono stati presi in considerazione per una preliminare validazione del sistema sviluppato : Manganese (Mn) e Piombo (Pb). La significativita’ del monitoraggio dei livelli di Manganese nasce dal fragile equilibrio tra il necessario apporto richiesto dal corpo umano per permettere il funzionamento di diversi meccanismi enzimatici e il rischio di sovraesposizione, con danni irreversibili soprattutto al sistema nervoso e sviluppo di una sindrome simil-Parkinson. Contaminazione di Manganese nell’acqua potabile puo’ avere origini sia naturali,dall’erosione di rocce e terreni ad alto contenuto di Mn, sia antropogeniche. Attualmente l’EPA e l’WHO hanno fissato il livello di attenzione per Mn in acqua potabile ad una concentrazione pari a 50μg/L (50ppb). L’interesse verso l’eccessiva presenza di Piombo nell’ambiente ed il conseguente rischio di sovraesposizione presenta una storia piu’ lunga, dimostrata dall’abolizione negli Stati Uniti delle pitture a base di piombo nel 1987 e dell’aggiunta di tale metallo alla benzina nel 1995. Nello specifico, apporto di Piombo nell’acqua potabile nasce dalla corrosione delle tubature o delle giunzioni saldate contenenti tale elemento. La piu’ aggiornata norma stabilita dall’EPA fissa la soglia di sicurezza di Piombo nell’acqua potabile a 15μg/L (15ppb)[19]. E’ riportata l’implementazione di una ‘piattaforma elettrochimica’ potenzialmente applicabile sul campo per la detezione di Manganese e Piombo. Essa comprende i seguenti componenti : i) sensori elettrochimici commercialmente disponibili con WE in oro (Au) e platino (Pt) per quantificare Piombo e Manganese, rispettivamente, ii) interfaccia realizzata mediante stampa 3D, iii) circuiti per l’introduzione di vibrazioni, iv) potenziostato per il controllo degli elettrodi e l’acquisizione dei segnali. Il sistema impiega la tecnica di Square Wave Stripping Voltammetry (SWSV) . I principali vantaggi garantiti da tale metodo sono i seguenti : i) presenza di una fase di preconcentrazione (deposition) che permette accumulo dell’elemento target sulla superificie del WE, ii) ‘stripping’ ad onda quadra che garantisce reiezione delle componenti spurie del segnale di corrente, non direttamente correlabili alla concentrazione del metallo di interesse. Tali proprieta’ consentono il raggiungimento di adeguati limiti di detezione in ridotti volumi, pari a 10/12μL. I limiti di quantificazione (LOQ) raggiungibili dal sistema descritto sono 6μg/L (6ppb) sia per il Manganese sia per il Piombo, a pieno compatibili con gli attuali livelli di sicurezza relativi al contenuto di tali elementi target nell’acqua potabile. Miglioramenti del sistema debbono essere oggetto di ulteriori ricerche, soprattutto in termini di riduzione della variabilita’ (intorno al 10%), accuratezza a concentrazioni prossime al LOQ, automatizzazione delle procedure di post-processing dei segnali e calcolo della concentrazione ed eliminazione del segnale di fondo per quantificazione del Piombo, ma il sistema descritto delinea come la transizione verso innovativi ‘metallometri’ applicabili sul campo sia possibile in un futuro alquanto prossimo.