Sensorer får en laserform op

En simpel metode udviklet på KAUST bruger laserstråler til at skabe grafenelektroder, der har bedre ydeevne end dem, der er produceret gennem ældre metoder.

Elektroder bestående af grafen, en atypisk form for kulstof, kan ændre den måde, elektroaktive stoffer påvises og måles på på adskillige områder lige fra fødevaresikkerhed og klinisk diagnose til miljøovervågning.

Grafen består af flere ultratynde og højt ordnede plader af indbyrdes forbundne honeycomb-formede ringe af kulstofatomer. Denne flerlagsarkitektur giver materialet exceptionelle elektroniske egenskaber, især elektrisk ledningsevne og elektrokatalytisk aktivitet, samt fysiske egenskaber, der er nyttige til fremstilling af elektrokemiske sensorer.

Typisk, grafenelektroder fremstilles ved at pille individuelle plader af grafit eller afsætte en reaktiv gasformig blanding af prækursorer på et substrat. Imidlertid, disse tilgange involverer tidskrævende, flertrins syntese og isoleringsprocesser; plus, de kæmper for at kontrollere stabling og oxidation af arkene.

For at forbedre teknisk udfordrende og dyre tilgange, forskere fra Khaled Salamas laboratorium, i samarbejde med andre, udviklet en enkel og skalerbar metode, der omdanner polymer- eller kulstof-precursorfilm til grafenelektroder ved hjælp af en laserstråle. Denne maskefri metode giver ensartet, tredimensionelle flerlagselektroder, der kombinerer høj porøsitet og overfladeareal, nødvendigt for næste generation af elektrokemiske sensor- og biosensorplatforme.

Salamas team og samarbejdspartnere fra Hassan II University of Casablanca, Marokko, indbygget laser-afledte grafen (LDG) elektroder i sensing platforme for store kilder til antioxidanter kaldet phenoliske forbindelser og relaterede elektroaktive biomolekyler.

Alle testede forbindelser viste højere elektrokatalytisk aktivitet på de grafenbaserede platforme end på konventionelle systemer, der anvender kulelektroder.

"De grafenbaserede platforme viste fremragende ydeevne til at detektere paracetamol, et almindeligt stof, " siger Abdellatif Ait Lahcen, en postdoc fra Salamas Lab. De skelnede også paracetamol i en kommercielt tilgængelig tablet, der kombinerer lægemidlet med antioxidanten ascorbinsyre, som ofte giver interferens i typiske elektrokemiske analyser.

En evaluering af den elektrokemiske adfærd af et sæt hormoner og neurotransmittere kaldet katekolaminer gav også indsigt i mekanismerne for oxidations-reduktionsreaktioner af disse forbindelser.

Der er mange elektrodemodifikationsmetoder, der kan øge sensorens ydeevne. Biologiske receptorer, såsom enzymer, nukleinsyrer og antistoffer, levere målspecifikke sensorer, men de kræver komplekse overfladeimmobiliseringsteknikker.

Potentielle alternativer dukker op for disse naturlige receptorer. Syntetiske polymerer kendt som molekylært prægede polymerer (MIP'er) er holdbare og nemme at fremstille. KAUST-forskere planlægger at optimere fremstillingen af ​​sensorerne og udvide deres applikationer til andre biomolekyler og sygdomsbiomarkører. "Vi udvikler MIP-modificerede biomimetiske sensorer til tidlig påvisning af brystkræftbiomarkører, " siger Ait Lahcen.

Forskerne modificerede LDG-elektroder med MIP'er for at fremstille en billig sensor til påvisning af bisphenol A (BPA) i vand- og plastikprøver. Modifikationen involverede syntetisering af polypyrrol under påført spænding i nærvær af BPA-molekyler, som fungerede som skabeloner og efterlod aftryk i polymeren, når den blev fjernet. Sensoren viste højere følsomhed og selektivitet over for BPA end lignende stoffer, såsom østradiol, epinephrin og bisphenol F.

"Kombinering af LDG-elektroder med MIP'er vil føre til nye meget følsomme og selektive elektrokemiske sensorer, " siger Tutku Beduk, en ph.d. studerende fra Salamas laboratorium.

Salama mener, at disse MIP-baserede sensorer vil hjælpe med at sikre, at vandet forbliver rent, ren og toksinfri.