Sensoren krijgen een laservorm

Een eenvoudige methode die bij KAUST is ontwikkeld, maakt gebruik van laserstralen om grafeenelektroden te maken die betere prestaties leveren dan die welke met oudere methoden worden geproduceerd.

Elektroden die bestaan ​​uit grafeen, een atypische vorm van koolstof, kunnen de manier veranderen waarop elektroactieve stoffen worden gedetecteerd en gemeten op tal van gebieden, variërend van voedselveiligheid en klinische diagnose tot milieumonitoring.

Grafeen bestaat uit meerdere ultradunne en zeer geordende vellen onderling verbonden honingraatvormige ringen van koolstofatomen. Deze meerlagige architectuur geeft het materiaal uitzonderlijke elektronische eigenschappen, met name elektrische geleidbaarheid en elektrokatalytische activiteit, evenals fysieke kenmerken die nuttig zijn voor het maken van elektrochemische sensoren.

Typisch worden grafeenelektroden geproduceerd door afzonderlijke vellen van grafiet af te pellen of door een reactief gasvormig mengsel van precursors op een substraat af te zetten. Deze benaderingen omvatten echter tijdrovende, meerstaps synthese- en isolatieprocessen; Bovendien hebben ze moeite om het stapelen en oxideren van de platen te beheersen.

Om technisch uitdagende en dure benaderingen te verbeteren, ontwikkelden onderzoekers van het laboratorium van Khaled Salama, in samenwerking met anderen, een eenvoudige en schaalbare methode die polymere of koolstofvoorloperfilms omzet in grafeenelektroden met behulp van een laserstraal. Deze maskervrije methode produceert uniforme, driedimensionale meerlagige elektroden die een hoge porositeit en een hoog oppervlak combineren, wat nodig is voor de volgende generatie elektrochemische sensor- en biosensorplatforms.

Salama’s team en medewerkers van de Hassan II Universiteit van Casablanca, Marokko, hebben laser-afgeleide grafeen (LDG) elektroden ingebouwd in detectieplatforms voor belangrijke bronnen van antioxidanten, fenolische verbindingen en gerelateerde elektroactieve biomoleculen genaamd.

Alle geteste verbindingen vertoonden een hogere elektrokatalytische activiteit op de op grafeen gebaseerde platforms dan op conventionele systemen met koolstofelektroden.

“De op grafeen gebaseerde platforms lieten uitstekende prestaties zien voor het detecteren van paracetamol, een veelgebruikt medicijn”, zegt Abdellatif Ait Lahcen, een postdoc van Salama’s Lab. Ze onderscheidden ook paracetamol in een in de handel verkrijgbare tablet die het medicijn combineert met het antioxidant ascorbinezuur, dat vaak interferenties veroorzaakt bij typische elektrochemische analyses.

Een evaluatie van het elektrochemische gedrag van een reeks hormonen en neurotransmitters, catecholamines genaamd, leverde ook inzicht op in de mechanismen van oxidatie-reductiereacties van deze verbindingen.

Er zijn veel benaderingen voor elektrodemodificatie die de sensorprestaties kunnen verbeteren. Biologische receptoren, zoals enzymen, nucleïnezuren en antilichamen, leveren doelspecifieke sensoren, maar ze vereisen complexe technieken voor oppervlakte-immobilisatie.

Voor deze natuurlijke receptoren zijn mogelijke alternatieven in opkomst. Synthetische polymeren die bekend staan ​​als moleculair opgedrukte polymeren (MIP’s) zijn duurzaam en gemakkelijk te bereiden. KAUST-onderzoekers zijn van plan de fabricage van de sensoren te optimaliseren en hun toepassingen uit te breiden naar andere biomoleculen en ziektebiomarkers. “We ontwikkelen MIP-gemodificeerde biomimetische sensoren voor de vroege detectie van biomarkers voor borstkanker”, zegt Ait Lahcen.

De onderzoekers modificeerden LDG-elektroden met MIP’s om een ​​goedkope sensor te maken voor de detectie van bisfenol A (BPA) in water- en plastic monsters. De modificatie omvatte het synthetiseren van polypyrrool onder aangelegde spanning in de aanwezigheid van BPA-moleculen, die fungeerden als sjablonen en afdrukken achterlieten in het polymeer wanneer ze werden verwijderd. De sensor vertoonde een hogere gevoeligheid en selectiviteit voor BPA dan vergelijkbare stoffen, zoals estradiol, epinefrine en bisfenol F.

“De combinatie van LDG-elektroden met MIP’s zal leiden tot nieuwe zeer gevoelige en selectieve elektrochemische sensoren”, zegt Tutku Beduk, een Ph.D. student van Salama’s lab.

Salama gelooft dat deze op MIP gebaseerde sensoren zullen helpen ervoor te zorgen dat water schoon, zuiver en vrij van gifstoffen blijft.