SUPERVISOR
Alireza Alafchian,Mahshid Kharaziha-esfahani,Fatallah Karimzadeh
عليرضا علافچيان (استاد مشاور) مهشيد خرازيهاي اصفهاني (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Zahra Khosroshahi
زهرا خسروشاهي
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.
ديابت نتيجه افزايش گلوکز خون از مقدار طبيعي (7-4 ميلي‌مولار) است و عدمکنترل آن باعث مشکلات خطرناکي چون نابينايي، بيماري‌هاي کليوي و قلبي، قطع عضو ومرگ مي‌شود. يکي از راه‌هاي مؤثر براي کنترل ديابت، استفاده ازحسگرهاي زيستي است. هدف از اين پژوهش ساخت حسگر زيستي بدونآنزيم بر پايه فوم گرافن سه‌بعدي- نانوذرات پايه مس به عنوان يکنانوکامپوزيت الکتروکاتاليست براي تشخيص ولتامتري گلوکز است. در اين راستا ابتدا نانوکامپوزيتاکسيد گرافن احيا شده- نانوذرات پايه مس با استفاده از عامل‌هاي احيايي متفاوت (هيدرازين،آسکوربيک اسيد، آلوئه‌ورا، آسکوربيک اسيد/ آلوئه‌ورا) سنتز و عاملاحيايي بهينه توسط آزمون‌هاي پراش پرتوايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، ولتامتريچرخه‌اي و طيف‌سنجي امپدانس الکتروشيمايي تعيين شد.نتايج نشان داد که عامل احيايي آسکوربيک اسيد باعث ايجاد نانوکامپوزيت با توزيعيکنواخت نانوذرات Cu 2 O (131±633 نانومتر) بر روي اکسيد گرافن احياشده مي‌شود. همچنين به دليل توزيع يکنواخت‌تر با غلظت بيش‌تر نانوذرات برروي اکسيد گرافن احيا شده براي اين کامپوزيت، داشتن کم‌ترين ميزان مقاومت انتقالبار بين سطح الکترود و محلول (05/0±22/3 کيلواهم) و بيش‌ترين فعاليتالکتروکاتاليستي، عامل احيايي آسکوربيک اسيد به عنوان عامل احيايي بهينه براي سنتزنانوذرات پايه مس انتخاب شد. در ادامه فوم گرافن سه‌بعدي با روش قالبفداشونده ذرات کروي پلي‌استايرن (4/0±3/2 ميکرومتر) و دو نسبت اکسيد گرافنبه پلي‌استايرن متفاوت 5:95 و 15:85 سنتز و نسبت بهينه 5:95 باتوجه به خروج کامل قالب فداشونده و عدم تغيير شکل قالب در حين فرايند، انتخاب شد.اين فوم داراي ساختار سه‌بعدي مزو و ميکرومتخلخل با اندازه 250-200 نانومترو 2-8/1 ميکرومتر از صفحات گرافن است. پس از آن، فوم نانوکامپوزيتي گرافن سه‌بعدي- نانوذراتپايه مس با استفاده از عامل احيايي آسکوربيک اسيد و محلول پيش‌ساز مس (کلريدمس دو آبه) با غلظت‌هاي مختلف سنتز شد. آناليز اين فوم توسط آزمون‌هاي پراش پرتوايکس، ميکروسکوپ الکتروني عبوري و روبشي، طيف‌سنجي رامان و طيف‌سنجي مادونقرمز تبديل فوريه نشان‌دهنده وابسته بودن نوع و اندازه نانوذرات پايه مسبه غلظت محلول پيش‌ساز مس است. به طوري که براي محلول پيش‌ساز مس با کم‌ترين غلظت (05/0مولار)، نانوذرات Cu-Cu 2 O با کم‌ترين اندازه (40-30نانومتر با اندازه آگلومره 38±260 نانومتر) روي سطح گرافن سه‌بعدي سنتز شد.ويژگي‌هاي الکتروشيمياي و توانايي تشخيص گلوکز توسط آزمون‌هاي طيف‌سنجي امپدانس الکتروشيميايي، ولتامتريچرخه‌اي و لتامتري پالس تفاضلي ارزيابي شد. وجود پاسخ الکتروشيمياييبراي حسگر زيستي بر پايه فوم گرافن سه‌بعدي- نانوذرات پايه مس بعد از افزودنگلوکز نسبت به گرافن سه‌بعدي، توانايي اين فوم به تشخيص بدون آنزيم گلوکزرا به دليل وجود نانوذرت پايه مس نشان مي‌دهد. همچنين ارزيابي فعاليت الکتروشيمياييفوم گرافن سه‌بعدي- نانوذرات پايه مس با غلظت‌هاي مختلف پيش‌ساز مس نشان‌دهنده بالاترينفعاليت الکتروکاتاليستي و چگالي جريان پيک اکسيداسيون گلوکز براي فوم گرافن سه‌بعدي- نانوذراتCu-Cu 2 O با کم‌ترين غلظت محلول پيش‌ساز مس (05/0 مولار)است. علت اين مشاهده افزايش خاصيت الکتروکاتاليستي و توانايي انتقال الکترونفوم به دليل تشکيل نانوذرات Cu-Cu 2 O با اندازه ريزتر است. بنابراين، فوم فوم گرافن سه‌بعدي- نانوذراتCu-Cu 2 O با غلظت پيش‌ساز مس 05/0 مولار داراي عملکرد عاليبراي تشخيص الکتروشيمايي بدون آنزيم گلوکز است. به طوري که حسگر زيستي ساخته شدهبا اين فوم داراي حساسيت بالاي 89/230 ميکروآمپر بر ميلي‌مولار بر سانتي‌متر مربع،محدوده خطي وسيع 10-8/0 ميلي‌مولار، حد تشخيص پايين 16 ميکرومولار وگزينش‌پذيري عالي در حضور عوامل مزاحم موجود در نمونه واقعي است. کلمات کليدي: حسگر زيستي الکتروشيميايي، گلوکز، گرافن سه‌بعدي،حسگر غير آنزيمي، نانوذرات پايه مس.