SUPERVISOR
Alireza Alafchian,Mahshid Kharaziha-esfahani,Fatallah Karimzadeh
علیرضا علافچیان (استاد مشاور) مهشید خرازیهای اصفهانی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Zahra Khosroshahi
زهرا خسروشاهی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Non-enzymatic electrochemical biosensor based on three-dimensional graphene foam decorated by Cu based nanoparticles for glucose detection
Diabetes is adisease in which blood glucose more than its normal (4-7 mM). Control ofdiabetes is necessary to avoid the greater life-threatening conditions such ascardiac, nervous, renal, ocular, cerebral and peripheral vascular diseases.Therefore, the aim of this research is to fabricate a non-enzymatic biosensorbased on three-dimensional graphene (3DG) foam decorated by Cu basednanoparticles (NPs) as electrocatalytic nanocomposite for voltammetric glucosedetection. First, Cu based @rGO nanocomposite was synthesized by differentreductant agents (hydrazine, Aloe vera, ascorbic acid, and ascorbic acid/ Aloevera), and the effects of reduction agents on properties of as-preparednanocomposites were evaluated by scanning electron microscopy (SEM),Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray powder diffraction (XRD), andelectrochemical method. The results showed that the composite synthesized byascorbic acid displayed much enhanced performance (i.e. more concentration ofCu based with size of 633±131 nm on surface of rGO nanosheets, betterelectrocatalytic activity, least charge transfer resistance (3.22±0.05 K?), andantibacterial activity).After that, 3DG foam were synthesized with 2?m Polystyrene(PS) particle as template guide and with graphene oxide (GO) to PS ratio of95:5 and 85:15 and the ratio of 95:15 were detected as optimized due tocompletely removed of PS template. Next, the Cu based @3DG foam wassynthesized using ascorbic acid and different concentrations of Cu precursor.As-prepared foams were evaluated by scanning electron microscopy (SEM),Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray powder diffraction (XRD),Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), andAdsorption/Desorption Porosimetry (BET). The results showed decrease of CuPrecursor led to formation of Cu-Cu2O nanoparticle with minimum size (30-40 nmand agglomeration size of 260±38 nm) on the 3DG foam surface. Theelectrochemical properties and glucose detection were evaluated by cyclicvoltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), andDifferential pulse voltammetry (DPV) tests. Existence of more electrochemicalresponse for Cu based @3DG foams than 3DG after addition of glucose showedhigher ability of Cu based @3DG foam than 3DG for glucose detection due toCu based . Furthuremore, the Cu based @3DG foam with minimum Cu precursorconcentration (0.05 M) has more electrocatalytic activity and glucose oxidationpeak current due to having Cu-Cu2O with least size. Therefore, Cu-Cu 2 O@3DG foam with Cu precursor concentration of 0.05 M revealed excellentperformance toward glucose detection. Such that, the biosensor fabricated withthis foam has the high sensitivity of 230.89 ?A.mM -1 .cm -2 and selectivity in a linear range of 0.8-10 mM (R2=0.9951) and detection limitof 16 ?M. Keywords: Electrochemical sensor, Glucose, Three dimensional graphene,Non-enzymatic sensor, Cu-based nanoparticles.
دیابت نتیجه افزایش گلوکز خون از مقدار طبیعی (7-4 میلی‌مولار) است و عدمکنترل آن باعث مشکلات خطرناکی چون نابینایی، بیماری‌های کلیوی و قلبی، قطع عضو ومرگ می‌شود. یکی از راه‌های مؤثر برای کنترل دیابت، استفاده ازحسگرهای زیستی است. هدف از این پژوهش ساخت حسگر زیستی بدونآنزیم بر پایه فوم گرافن سه‌بعدی- نانوذرات پایه مس به عنوان یکنانوکامپوزیت الکتروکاتالیست برای تشخیص ولتامتری گلوکز است. در این راستا ابتدا نانوکامپوزیتاکسید گرافن احیا شده- نانوذرات پایه مس با استفاده از عامل‌های احیایی متفاوت (هیدرازین،آسکوربیک اسید، آلوئه‌ورا، آسکوربیک اسید/ آلوئه‌ورا) سنتز و عاملاحیایی بهینه توسط آزمون‌های پراش پرتوایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، ولتامتریچرخه‌ای و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمایی تعیین شد.نتایج نشان داد که عامل احیایی آسکوربیک اسید باعث ایجاد نانوکامپوزیت با توزیعیکنواخت نانوذرات Cu 2 O (131±633 نانومتر) بر روی اکسید گرافن احیاشده می‌شود. همچنین به دلیل توزیع یکنواخت‌تر با غلظت بیش‌تر نانوذرات برروی اکسید گرافن احیا شده برای این کامپوزیت، داشتن کم‌ترین میزان مقاومت انتقالبار بین سطح الکترود و محلول (05/0±22/3 کیلواهم) و بیش‌ترین فعالیتالکتروکاتالیستی، عامل احیایی آسکوربیک اسید به عنوان عامل احیایی بهینه برای سنتزنانوذرات پایه مس انتخاب شد. در ادامه فوم گرافن سه‌بعدی با روش قالبفداشونده ذرات کروی پلی‌استایرن (4/0±3/2 میکرومتر) و دو نسبت اکسید گرافنبه پلی‌استایرن متفاوت 5:95 و 15:85 سنتز و نسبت بهینه 5:95 باتوجه به خروج کامل قالب فداشونده و عدم تغییر شکل قالب در حین فرایند، انتخاب شد.این فوم دارای ساختار سه‌بعدی مزو و میکرومتخلخل با اندازه 250-200 نانومترو 2-8/1 میکرومتر از صفحات گرافن است. پس از آن، فوم نانوکامپوزیتی گرافن سه‌بعدی- نانوذراتپایه مس با استفاده از عامل احیایی آسکوربیک اسید و محلول پیش‌ساز مس (کلریدمس دو آبه) با غلظت‌های مختلف سنتز شد. آنالیز این فوم توسط آزمون‌های پراش پرتوایکس، میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی، طیف‌سنجی رامان و طیف‌سنجی مادونقرمز تبدیل فوریه نشان‌دهنده وابسته بودن نوع و اندازه نانوذرات پایه مسبه غلظت محلول پیش‌ساز مس است. به طوری که برای محلول پیش‌ساز مس با کم‌ترین غلظت (05/0مولار)، نانوذرات Cu-Cu 2 O با کم‌ترین اندازه (40-30نانومتر با اندازه آگلومره 38±260 نانومتر) روی سطح گرافن سه‌بعدی سنتز شد.ویژگی‌های الکتروشیمیای و توانایی تشخیص گلوکز توسط آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، ولتامتریچرخه‌ای و لتامتری پالس تفاضلی ارزیابی شد. وجود پاسخ الکتروشیمیاییبرای حسگر زیستی بر پایه فوم گرافن سه‌بعدی- نانوذرات پایه مس بعد از افزودنگلوکز نسبت به گرافن سه‌بعدی، توانایی این فوم به تشخیص بدون آنزیم گلوکزرا به دلیل وجود نانوذرت پایه مس نشان می‌دهد. همچنین ارزیابی فعالیت الکتروشیمیاییفوم گرافن سه‌بعدی- نانوذرات پایه مس با غلظت‌های مختلف پیش‌ساز مس نشان‌دهنده بالاترینفعالیت الکتروکاتالیستی و چگالی جریان پیک اکسیداسیون گلوکز برای فوم گرافن سه‌بعدی- نانوذراتCu-Cu 2 O با کم‌ترین غلظت محلول پیش‌ساز مس (05/0 مولار)است. علت این مشاهده افزایش خاصیت الکتروکاتالیستی و توانایی انتقال الکترونفوم به دلیل تشکیل نانوذرات Cu-Cu 2 O با اندازه ریزتر است. بنابراین، فوم فوم گرافن سه‌بعدی- نانوذراتCu-Cu 2 O با غلظت پیش‌ساز مس 05/0 مولار دارای عملکرد عالیبرای تشخیص الکتروشیمایی بدون آنزیم گلوکز است. به طوری که حسگر زیستی ساخته شدهبا این فوم دارای حساسیت بالای 89/230 میکروآمپر بر میلی‌مولار بر سانتی‌متر مربع،محدوده خطی وسیع 10-8/0 میلی‌مولار، حد تشخیص پایین 16 میکرومولار وگزینش‌پذیری عالی در حضور عوامل مزاحم موجود در نمونه واقعی است. کلمات کلیدی: حسگر زیستی الکتروشیمیایی، گلوکز، گرافن سه‌بعدی،حسگر غیر آنزیمی، نانوذرات پایه مس.