Een eenvoudige methode die bij KAUST is ontwikkeld, maakt gebruik van laserstralen om grafeenelektroden te maken die beter presteren dan die welke met oudere methoden zijn geproduceerd.

Elektroden bestaande uit grafeen, een atypische vorm van koolstof, kan 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, vooral elektrische geleidbaarheid en elektrokatalytische activiteit, evenals fysieke kenmerken die nuttig zijn voor het maken van elektrochemische sensoren.

Typisch, grafeenelektroden worden geproduceerd door afzonderlijke vellen van grafiet af te pellen of een reactief gasvormig mengsel van voorlopers op een substraat af te zetten. Echter, deze benaderingen omvatten tijdrovende, meerstapssynthese en isolatieprocessen; plus, ze hebben moeite om het stapelen en de oxidatie van de platen onder controle te houden.

Om technisch uitdagende en dure benaderingen te verbeteren, onderzoekers van het laboratorium van Khaled Salama, in samenwerking met anderen, ontwikkelde een eenvoudige en schaalbare methode die polymeer- of koolstofprecursorfilms omzet in grafeenelektroden met behulp van een laserstraal. Deze maskervrije methode produceert uniforme, driedimensionale meerlagige elektroden die een hoge porositeit en oppervlakte combineren, noodzakelijk voor de volgende generatie elektrochemische sensor- en biosensorplatforms.

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

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 vertoonden uitstekende prestaties voor het detecteren van paracetamol, een veelvoorkomend 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, die vaak interferenties veroorzaakt in typische elektrochemische analyses.

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

Er zijn veel benaderingen voor het aanpassen van de elektroden die de prestaties van de sensor kunnen verbeteren. biologische receptoren, zoals enzymen, nucleïnezuren en antilichamen, bieden doelspecifieke sensoren, maar ze vereisen complexe oppervlakte-immobilisatietechnieken.

Potentiële alternatieven zijn in opkomst voor deze natuurlijke receptoren. Synthetische polymeren die bekend staan ​​als moleculaire imprinted 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 biomarkers voor ziekten. "We ontwikkelen MIP-gemodificeerde biomimetische sensoren voor de vroege detectie van biomarkers voor borstkanker, ' zegt Aït Lahcen.

De onderzoekers wijzigden LDG-elektroden met MIP's om een ​​goedkope sensor te maken voor de detectie van bisfenol A (BPA) in water- en plasticmonsters. De modificatie omvatte het synthetiseren van polypyrrool onder aangelegde spanning in aanwezigheid van BPA-moleculen, die als sjablonen fungeerden en afdrukken in het polymeer achterlieten bij verwijdering. De sensor vertoonde een hogere gevoeligheid en selectiviteit ten opzichte van BPA dan vergelijkbare stoffen, zoals oestradiol, epinefrine en bisfenol F.

"Het combineren van LDG-elektroden met MIP's zal leiden tot nieuwe zeer gevoelige en selectieve elektrochemische sensoren, " zegt Tutku Beduk, een doctoraat student van Salama's lab.

Salama gelooft dat deze op MIP gebaseerde sensoren ervoor zullen zorgen dat het water schoon blijft, puur en gifvrij.