23763

ساخت آپتاحسگر الكتروشيميايي HbA1c و توليد هيدروژن با بستر نانوكامپوزيت گرافن اكسيد كاهش يافته- طلا و كاربرد كبالت دي سولفيد براي توليد هيدروژن

دكتري

شيمي

1394

30/01/1400

دكتر علي غفاري نژاد

-

شيمي

هموگلوبينA1c (HbA1c) يك نشانگر زيستي استاندارد براي اندازه‌گيري غلظت ميانگين گلوكز در طولاني مدت (يك تا سه ماه) براي تشخيص و پايش ديابت است. روش‌هاي مختلفي براي اندازه‌گيري HbA1c گزارش شده است، با اين حال، تعيين دقيق غلظت آن به صورت قابل حمل هنوز هم چالش برانگيز است. در اينجا يك نانوزيست‌حسگر الكتروشيميايي بسيار حساس جديد براي تعيين HbA1c به طور گزينش‌پذير ساخته شده است. نانوكامپوزيتي از گرافن اكسيد كاهش يافته (rGO) و طلا (Au) با ساختار درخت مانند با مساحت سطح بالا به صورت الكتروشيميايي بر روي يك الكترود ورق گرافيت ارزان و انعطاف پذير لايه‌نشاني شد. اين نانوكامپوزيت باعث افزايش مساحت سطح الكترود براي اصلاح بيشتر، بهبود انتقال الكترون و افزايش علامت مي‌گردد. همچنين بستر مناسبي براي اتصال آپتامر DNA تيولدار به عنوان يك گيرنده‌ي زيستي بر روي سطح الكترود با پيوند كووالانسي قوي فراهم مي‌كند. تشخيص كمّي بدون برچسب به روش ولتامتري پالس تفاضلي در محلول بافر فسفات حاوي پروب ردوكس Fe(CN)6 3-/4- انجام شد. تشخيص براساس عايق شدن سطح الكترود در حضور HbA1c و كاهش جريان است كه مستقيماً با غلظت HbA1c ارتباط دارد. حسگر زيستي ساخته شده حساسيت بالا (µA. cm-2. M-1 2/269)، دامنه خطي وسيع (nM 1 تا µM 83/13) با حد تشخيص كم (nM 1) نشان داد. همچنين اين حسگر با موفقيت براي اندازه‌گيري HbA1c در نمونه واقعي خون استفاده شد. اين حسگر زيستي براي استفاده به عنوان بخشي از دستگاه قابل حمل به منظور غربالگري و كنترل ديابت به صورت كمتر تهاجمي نويدبخش است. هيدروژن به عنوان يكي از مهمترين حامل‌هاي انرژي در آينده در نظر گرفته مي شود. الكتروليز آب يك روش سبز براي توليد هيدروژن و فناوري ساده‌اي است كه محصولات بسيار پاك توليد مي‌كند. با اين حال، مشكل اصلي اين روش اين است كه سينتيك كندي دارد و نياز به اعمال اضافه پتانسيل بالايي است و الكتروكاتاليزگر‌هاي معمول و كارا براي رفع اين مشكلات كاتاليزگر‌هاي مبتني بر پلاتين (Pt) هستند كه ماده‌اي گران قيمت و كمياب است. استفاده از الكتروكاتاليزگر‌هاي در دسترس با شكل يا ساختار جديد، كه مي‌توانند اضافه ولتاژ بالاي واكنش آزادسازي هيدروژن را كاهش دهند، يكي از راه‌هاي افزايش كارايي الكتروليز كننده‌ها است. در اين رساله كارايي دو كاتاليزگر براي واكنش آزادسازي هيدروژن بررسي شده است. اول؛ يك ورق گرافيت با گرافن اكسيد اصلاح شده و سپس با كنترل شرايط لايه نشاني الكتروشيميايي، يك ساختار درخت مانند Au بر روي آن نشانش شد (بستر استفاده شده براي ساخت زيست حسگر در اين رساله كه در متن بالا ذكر شده است). سطح الكترود با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني (FE-SEM)، پراش اشعه X (XRD)، طيف سنجي پراكندگي انرژي اشعه X EDS)) و طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (FT-IR) مشخصه‌يابي شد. كارايي الكترود به دست آمده براي واكنش آزادسازي هيدروژن با ولتامتري روبش خطي و طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي ارزيابي شد. الكترود به دست آمده كارايي عالي با پتانسيل شروع نزديك صفر (mV 7/4)، اضافه پتانسيل پايين (mV 44) در چگالي جريان mA. cm-2 10، چگالي جريان بالا (mA. cm-2 9/127) در mV 200 و پايداري قابل قبول و خوبي نشان داد. دوم؛ نانوساختارهاي كبالت دي‌سولفيد (CoS2) با استفاده از روش هيدروترمال سنتز شدند. اثر پارامترهاي تجربي از جمله پيش‌ماده كبالت، زمان و دماي واكنش بر روي ساختار و خصوصيات الكتروكاتاليزگري CoS2 براي واكنش آزادسازي هيدروژن بررسي شد. كاتاليزگر‌هاي تهيه شده با استفاده از XRD، EDS، SEM، FT-IR و طيف سنجي فوتوالكترون اشعه X (XPS) مشخصه‌يابي شدند. كارايي كاتاليزگر‌هاي سنتز شده در شرايط مختلف براي واكنش آزادسازي هيدروژن با استفاده از روش ولتامتري روبش خطي و طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي در محلول M 5/0 H2SO4 بررسي شد. علاوه بر اين از كرونوآمپرومتري براي ارزيابي پايداري استفاده شد. كاتاليزگر به دست آمده از پيش ماده استات طي h 24 در دماي °C 200 بهترين خواص كاتاليزگري با پتانسيل شروع پايين (mV 3/139) و اضافه پتانسيل پايين (mV 3/197) در چگالي جريان mA. cm-2 10 و شيب تافل كوچك mV. dec-1 9/29 بود. اين تحقيق گامي رو به جلو براي فهميدن اثر پارامترهاي تجربي هيدروترمال بر كارايي واكنش آزادسازي هيدروژن و به دست آوردن شرايط بهينه براي سنتز CoS2 به عنوان كاتاليزگر متداول مي‌باشد.

1400/03/06

Fabrication of HbA1c electrochemical aptasensor and hydrogen evolution reaction (HER) with reduced graphene oxide- gold nanocomposite substrate and application of cobalt disulfide for HER

1/1/1900 12:00:00 AM

Hemoglobin A1c (HbA1c) is a standard biomarker to measure long-term average glucose concentration for diagnosis and monitoring of diabetes. Various methods have been reported for measuring HbA1c, however, a portable and precise determination is still challenging. Herein, a new highly sensitive electrochemical nanobiosensor is developed for the specific determination of HbA1c. A nanocomposite of reduced graphene oxide (rGO) and gold with a hierarchical architecture structure was electrochemically deposited on a cheap and flexible graphite sheet (GS) electrode. The nanocomposite increased the surface area, improved the electron transfer on the electrode surface, and augmented the signal. It also provided a suitable substrate for linkage of thiolated DNA aptamer as a bioreceptor on the electrode surface by strong covalent bonding. The quantitative label-free detection was carried out by differential pulse voltammetry (DPV) in a phosphate-buffered saline (PBS) solution containing redox probe Fe(CN)6 3-/4-. The detection is based on insulating the surface in presence of HbA1c and decreasing the current, which is directly related to the HbA1c concentration. The nanobiosensor demonstrated high sensitivity of 269.2 µA. cm-2, wide linear range of 1 nM to 13.83 µM with a low detection limit of 1 nM. The biosensor was successfully used for measuring HbA1c in a blood real sample. Furthermore, it is promising to use it as a part of a point of care device for low-invasive screening and management of diabetes. Hydrogen is considered the most important energy carrier for the future. Water electrolysis is a green method for hydrogen production and simple technology that produces very clean products. However, the main problems with this method are that this process possesses slow kinetic, consumes many energies and its common electrocatalyst is platinum (Pt) based which is an expensive and rare substance. The use of accessible electrocatalyst materials with new shapes or structures, which can reduce the overpotential for the hydrogen evolution reaction (HER) is one of the ways to increase the efficiency of the electrolyzers. In this thesis, the efficiency of two catalysts for HER is investigated. First, a GS was modified with graphene oxide (GO) and then a hyperbranched structure of gold was electrodeposited on it by controlling the electrodeposition conditions (The substrate used to build the biosensor in this thesis, which is mentioned above). The electrode surface was characterized by scanning electron microscopy (SEM), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The HER performance of the prepared electrodes was evaluated using linear sweep voltammetry (LSV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) methods in a 0.5 M H2SO4 solution. The as-prepared electrode revealed outstanding HER performance with a near-zero onset overpotential (4.7 mV), overpotential of 44 mV at 10 mA. cm-2, a high current density of 127.9 mA. cm-2 at 200 mV and also satisfactory stability. Such results suggest that this electrocatalyst is promising for generating clean energy on an industrial scale. Second (as the second catalyst for HER), cobalt disulfide (CoS2) nanostructures are synthesized using a simple hydrothermal method. The effects of experimental parameters including cobalt precursor, reaction times, and reaction temperatures are investigated on the structure, morphology, and electrocatalytic properties of CoS2 for hydrogen evolution reaction (HER). The characterization of as-prepared catalysts is performed using X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The HER efficiency of the catalysts is examined using linear sweep voltammetry (LSV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) methods in a 0.5 M H2SO4 solution. Furthermore, chronoamperometry (CA) is used for stability evaluation. The catalyst obtained from cobalt acetate precursor, within 24 h at 200 °C exhibits superior electrocatalytic activity with a low onset potential (139.3 mV), low overpotential (197.3 mV) at 10 mA. cm-2 and a small Tafel slope of 29.9 mV dec-1. This study is a step toward understanding the effect of experimental parameters of the hydrothermal method on HER performance and developing optimal design approaches for the synthesis of CoS2 as a common electrocatalyst.

زيست حسگر الكتروشيميايي، هموگلوبينA1c، آپتامر، واكنش آزاد سازي هيدروژن (HER)، نانوكامپوزيت، گرافن اكسايد، ساختار درخت مانند طلا، كبالت دي سولفيد (CoS2)

Electrochemical biosensor, Hemoglobin A1c (HbA1c), Aptamer, Hydrogen evolution reaction (HER), Nanocomposite, Reduced graphene oxide, Hyperbranched gold, Cobalt disulfide (CoS2)