Optical methods for the detection of phenolic pollutants in aqueous matrices
Author(s)
Conigliaro, Pauline
Date Issued
July 14, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Water pollution, especially by phenolic compounds such as phenol, bisphenol A, catechol, resorcinol
and hydroquinone, poses significant risks to both human health and the environment; consequently,
they are considered priority pollutants. In this framework, the interest in studying innovative schemes
for phenol compound detection based on optical methods is increasing because of the advantages in
terms of versatility and economic efficiency compared to other methods, such as traditional
chromatographic techniques, which are expensive and require specialised equipment and trained
personnel. The PhD project was devoted to investigating optical methods for the detection of phenolic
compounds by exploiting biosensing and sensing approaches, and to explore the potential of a better
understanding of the interaction of phenols with biomaterials (especially cell membranes) in the view
of an innovative optical detection scheme. In the PhD project, catechol, a common phenol derivative,
was selected and used as a model compound for detection. Regarding the biosensing approach, the
attention as a biological element was focused on utilising laccase from Trametes versicolor, which
can oxidize phenolic substrates, thereby transforming them into less toxic compounds, which have,
together with laccase, peculiar optical properties well suited for optical biosensing schemes. By
exploiting these properties, biosensing schemes, based on the use of laccase properties to monitor
catechol through absorbance and fluorescence measurements, were investigated, highlighting the
potential of fluorescence spectroscopy. For the optical sensing scheme, Surface-Enhanced Raman
spectroscopy (SERS), a variant of Raman spectroscopy based on the Raman signal enhancement by
using nanostructured substrates, was considered. Accordingly, a SERS-based sensing scheme was
studied, using both commercial and homemade SERS substrates to identify the most effective one for
detecting catechol in an aqueous matrix.
These processes were investigated to study the potential application of the effects of catechol
exposure on biological systems for designing sensing schemes. To this end, two models were tested:
one in a pure liquid-condensed phase and the other with coexisting liquid-condensed and liquidexpanded
phases. The impact of catechol exposure was evaluated using compressibility
measurements (π-A isotherms) and atomic force microscopy (AFM). The presence of catechol on
lipid monolayers causes evident effects, promising for understanding its influence on membrane
functionality and relevance in biological processes.
L'inquinamento delle acque, soprattutto da parte di composti fenolici come fenolo, bisfenolo A,
catecolo, resorcinolo e idrochinone, comporta rischi significativi sia per la salute umana che per
l'ambiente. Per questo motivo questi composti sono considerati inquinanti prioritari. In questo
contesto, l'interesse per lo studio di nuovi schemi di rilevamento dei composti fenolici basati su metodi
ottici è in aumento considerati i vantaggi in termini di versatilità ed efficienza economica di questi
metodi rispetto, ad esempio, alle tecniche cromatografiche tradizionali, che sono costose, richiedono
particolari attrezzature e personale qualificato. Obiettivo dell’attività di ricerca svolta durante il
dottorato è stato lo studio di diversi schemi di rivelazione di composti fenolici basati su metodi ottici,
anche investigando approcci basati su sistemi ibridi, ovvero basati anche sull’uso di elementi biologici
(biosensing). Inoltre, è stata investigata l'interazione dei fenoli con i biomateriali (in particolare le
membrane cellulari) per esplorare il potenziale della migliore descrizione di tali processi per lo
sviluppo di nuovi schemi di rilevamento.
Nel progetto di dottorato, il catecolo, un comune derivato del fenolo, è stato scelto e utilizzato come
composto modello per il rilevamento. Per quanto riguarda l'approccio basato sull’uso di sistemi ibridi,
l'attenzione come elemento biologico si è concentrata sulla laccasi da Trametes versicolor, in grado
di ossidare i substrati fenolici, trasformandoli così in composti meno tossici che, insieme alla laccasi,
possiedono proprietà ottiche peculiari. Sfruttando queste proprietà, sono stati studiati schemi di
rivelazione basati sull'uso delle proprietà della laccasi per monitorare il catecolo attraverso misure di
assorbanza e fluorescenza, i cui risultati hanno evidenziato il potenziale della spettroscopia di
fluorescenza. Per lo schema di rilevamento ottico, è stata presa in considerazione la tecnica SERS
(Surface-Enhanced Raman spectroscopy), una variante della spettroscopia Raman basata
sull’amplificazione del segnale mediante l’utilizzo di substrati nanostrutturati. Di conseguenza, è
stato studiato uno schema di rilevamento basato sul SERS, utilizzando substrati SERS commerciali e
fatti in casa, per identificare quello più efficace per rilevare il catecolo in una matrice acquosa. Inoltre,
sono stati studiati gli effetti dell'esposizione al catecolo in membrane modello, che imitano
l'organizzazione lipidica naturale, per comprendere le potenzialità di una migliore conoscenza di
questi processi nella realizzazione di nuovi approcci di sensing ottico. A tale fine sono stati testati
due modelli: uno in fase liquida-condensata pura e l'altro con fasi liquide-condensate e liquideespanse
coesistenti. L'impatto dell'esposizione al catecolo di tali sistemi è stato valutato mediante
misure di compressibilità (isoterme π-A) e microscopia a forza atomica (AFM). La presenza del
catecolo nei monostrati lipidici provoca effetti evidenti, promettenti per la comprensione della sua
influenza sulla funzionalità delle membrane e della sua rilevanza nei processi biologici.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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Size
4.91 MB
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