Bio Senzo Ri
-
Upload
alex-alutzu -
Category
Documents
-
view
55 -
download
4
Transcript of Bio Senzo Ri
Bucureşti, 2011
BIOSENZORI PE BAZĂ DE NANOSTRUCTURI
CARBONICE FUNCŢIONALIZATE. APLICAŢII
Teză de doctorat
(Rezumat)
Doctorand: Ştefan-Marian IORDACHE
Coordonator Ştiinţific: Prof. Univ. Dr. Aurel POPESCU
Facultatea de Fizică - Universitatea din Bucureşti
Şcoala Doctorală de Fizică
Direcţia de studiu "BIOFIZICĂ ŞI FIZICĂ MEDICALĂ"
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-1-
Prefaţă
Teza de doctorat este structurată în cinci capitole, cuprizând un capitol de
introducere, două capitole teoretice, un capitol amplu prezentând cercetarea personală
şi rezultatele experimentale obţinute, capitolul final fiind dedicat concluziilor.
În primele trei capitole am consemnat cele mai importante date despre
biosenzori, mai precis consideraţiile generale, clasificarea în funcţie de principiul de
operare, modelul matematic, materialele necesare realizării, metodele de fabricare şi
tehnicile de caracterizare cele mai des utilizate pentru investigarea topografiei, a
structurii şi a sensibilităţii biosenzorilor.
În partea experimentală, descrisă în capitolul patru al lucrării, sunt prezentate în
detaliu rezultatele cercetărilor personale şi discuţia rezultatelor obţinute, la sfârşitul
fiecărui experiment fiind prezentate concluziile parţiale.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-2-
Cuprins
Prefaţă ............................................................................................................................. ................ - 1 -
Listă cu legendele figurilor ............................................................................................................ - 9 -
Listă cu legendele tabelelor .......................................................................................................... - 14 -
Listă de abrevieri ........................................................................................................................... - 15 -
1 Introducere ................................................................................................................................. - 20 -
1.1 Biosenzori – consideraţii generale şi clasificare ...................................................... - 20 -
1.2 Modelul matematic al unui biosenzor ....................................................................... - 27 -
1.3 Motivaţie .................................................................................................................... - 29 -
2 Materiale şi metode pentru realizarea biosenzorilor ................................................................ - 30 -
2.1 Materiale ................................................................................................................... - 30 -
2.1.1 Nanotuburi de carbon .............................................................................. - 30 -
2.1.2 Porfirine ................................................................................................... - 38 -
2.1.3 Polimeri conductori .................................................................................. - 44 -
2.1.4 Grafene ..................................................................................................... - 49 -
2.2 Metode de fabricare a biosenzorilor .......................................................................... - 53 -
2.2.1 Metoda serigrafică .................................................................................... - 53 -
2.2.2 Metoda MAPLE ......................................................................................... - 57 -
2.2.3 Metoda electropolimerizărilor ................................................................... - 60 -
2.2.4 Metoda polimerizărilor în plasmă .............................................................. - 65 -
3 Metode de caracterizare a biosenzorilor ...................................................................................... - 68 -
3.1 Spectroscopie FT-IR ..................................................................................................... - 68 -
3.2 Spectrometrie Raman ................................................................................................... - 70 -
3.3 Spectrofotometria UV-VIS ............................................................................................ - 72 -
3.4 Microscopie de forţe atomice ....................................................................................... - 74 -
3.5 Microscopia electronică de baleiaj .............................................................................. - 80 -
3.6 Calorimetria diferenţială de baleiaj ............................................................................. - 83 -
3.7 Analiza termogravimetrică ........................................................................................... - 85 -
3.8 Voltametria ................................................................................................................... - 89 -
4 Rezultate experimentale ................................................................................................................ - 93 -
4.1 Dezvoltarea de biosenzori pe bază de nanotuburi de carbon funcţionalizate………... - 93 -
4.1.1 Filme subţiri de porfirină funcţionalizată depuse prin metoda MAPLE ..... - 93 -
4.1.2 Caracterizarea substraturilor active imobilizate pe senzori serigrafici,
dezvoltate pentru detecţia agenţilor biochimici ................................................. - 104 -
4.1.3 Senzori serigrafici bazaţi pe nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine
pentru detecţia de neurotransmiţători ............................................................... - 112 -
4.1.4 Nanocompozite nanotuburi de carbon-polipirol pentru aplicaţii în
biosenzori.............................................................................................................- 122 -
4.1.5 Nanostructuri ADN-SWCNT formate prin legături non-covalente cu ajutorul
Nafionului depuse pe senzori serigrafici DS-220AT ......................................... - 126 -
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-3-
4.2 Dezvoltarea de biosenzori pe bază de porfirine ........................................................ - 131 -
4.2.1 Depunerea filmelor subţiri de Mn(III)-porfirină prin metoda MAPLE: Studii
electrochimice, de structură şi topografice ....................................................... - 131 -
4.2.2 Senzori serigrafici bazaţi pe porfirine pentru detecţia de compuşi
biologici............................................................................................................... - 140 -
4.2.3 Noi filme subţiri de porfirină nanostructurată conjugată depuse prin tehnica
MAPLE ..………………………………………………………………………. - 145 -
4.3 Dezvoltarea de biosenzori pe bază de polimeri conductori ....................................... - 153 -
4.3.1 Nanostructuri PANi – TiO2 pentru pile de combustie şi aplicaţii
senzoriale.............................................................................................................- 153 -
4.3.2 Detecţia unei neurotoxine, Deoxinivalenol, cu un senzor serigrafic pe bază de
polianilină............................................................................................................ - 163 -
4.3.3 Polimerizarea acridinei pe un senzor serigrafic - un nou biosenzor pentru
detecţia neurotransmiţătorilor ........................................................................... - 179 -
4.3.4 Biosenzori cu imprimare moleculară bazaţi pe polimerizarea
aminofenolului......................................................................................................- 185 -
4.3.5 Nanostructuri de polianilină, polipirol şi politiofenă dopate cu TiO2 pentru
senzori...................................................................................................................- 190 -
4.4 Dezvoltarea de biosenzori pe bază de grafene ........................................................... - 200 -
4.4.1 Senzori serigrafici cu grafene folosiţi ca senzori pentru detecţia de substanţe
toxice....................................................................................................................- 200 -
4.4.2 Heterostructuri de oxid de grafit-metaloporfirine (Zn, Co) pentru chemo-
detecţia gazelor/vaporilor .................................................................................. - 229 -
5 Concluzii generale ....................................................................................................................... - 235 -
Bibliografie ..................................................................................................................................... - 239 -
Anexă – Lista de comunicări ştiinţifice ......................................................................................... - 264 -
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-4-
1 Introducere
1.1 Biosenzori – consideraţii generale şi clasificare
Senzorii ne oferă o legatură importantă între realitate, lumea în care noi existăm,
şi virtualitate, lumea digitală a calculatoarelor, astfel spus senzori obţin informaţii în
timp real despre lucrurile pe care noi le vedem, atingem, mirosim, auzim, dar şi
despre alte lucruri pe care organismul uman nu le poate detecta (lucruri nocive sau
benefice).
Senzorul poate fi definit ca un dispozitiv ce detectează un analit prin intermediul unui
receptor care este cuplat la un traductor, interacţia dintre analit şi receptor producând
un schimb de electroni sau o emise/absorbţie de fotoni pe care traductorul îl
transformă într-un semnal electric sau fotonic, analogic sau digital.
În funcţie de principiul de operare, biosenzorii electrochimici pot avea
traductori potenţiometrici, amperometrici sau impedimetrici, care să convertească
informaţia chimică într-un semnal măsurabil.
a) Biosenzorii potenţiometrici
Biosenzorii potenţiometrici au la bază electrozi ion selectivi (ISE) şi tranzistori cu
efect de câmp ion selectivi (ISFET).
b) Biosenzorii amperometrici
Biosenzorii amperometrici sunt mai sensibili şi mai potriviţi pentru producerea la
scară largă, faţă de cei potenţiometrici [A. L. Ghindilis et al., 1998]. Electrodul de
lucru al biosenzorului amperometric este, de obicei, fie un metal nobil, fie un strat
serigrafic acoperit cu un component cu capacităţi de biorecunoaştere [J. Wang, 1999].
c) Biosenzorii impedimetrici.
Astfel de dispozitive înregistrează fie impedanţa (Z), fie rezistenţa (R) şi capacitanţa
(C) componentelor sale; în ceea ce priveşte inductanţa, aceasta are o influenţă minimă
în aranjamentul electrochimic tipic.
1.2 Modelul matematic al unui biosenzor
Se consideră un senzor izolat imersat într-un electrolit cu analit staţionar la t =
0. Suprafaţa senzorului este funcţionalizată cu receptori pentru moleculele ţintă, iar
viteza de conjugare dintre analiţi şi receptori este descrisă de ecuaţia următoare:
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-5-
(1.4)
unde N este densitatea de receptori conjugaţi, N0 este densitatea de receptori de pe
suprafaţa senzorului, kF şi kR sunt constantele de captură şi de disociere, ρS este
concentraţia de analiţi la suprafaţa senzorului care se determină prin combinare cu
ecuaţia de difuzie:
(1.5)
cu D coeficientul de difuzie al analitului din soluţie.
Fluxul de molecule de analit spre suprafaţa senzorului de arie AD:
(1.6)
unde I este fluxul incident de analit pe o arie AD. Răspunsul în timp este dat prin
rezolvarea ecuaţiilor 1.4 şi 1.5 unde este necesară cunoaşterea ratelor de captură
respectiv de detaşare a analitului la receptori. Luând în considerare dinamica capturii
de biomolecule dezvoltate în [H. C. Berg, 1993] cu raportul ratelor de regulă kF/kR ~
105 [J. Lohse et al., 1999] şi pentru concentraţii de N0 ~ 10
4/m
2 [J. Fritz et al., 2002]
ecuaţia cineticii 1.4 se reduce la:
(1.7)
iar fluxul în condiţii staţionare:
(1.8)
unde densitatea fluxului de analit, CD,SS este capacitanţa de difuzie echivalentă pentru
cazul când concentraţia ρ0 a analitului rămâne constantă la o distanţă W de suprafaţa
senzorului. Cum fluxul de analit trebuie să fie echilibrat de viteza de ataşare analit-
receptor avem condiţia j = dN/dt. Rezolvând ecuaţiile 1.7 şi 1.8 se obţine:
(1.9)
ecuaţie ce arată o dependenţă liniară a concentraţiei analitului cu timpul şi prin urmare
un răspuns liniar al senzorului în condiţii staţionare.
Cu aceste relaţii se poate estima răspunsul transient al unui senzor prin
perturbarea stării staţionare după cum urmează: cu cât reacţia de ataşare a analitului
progresează, concentraţia sa se diminuează în aproprierea suprafeţei senzorului
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-6-
datorită capturii; distanţa de sărăcire este unde n este
dimensionalitatea senzorului. Se poate defini un coeficient de dfuzie echivalent cu
capacitanţa, CD(t) ca funcţie de W(t) şi inserându-l direct în ecuaţia 1.9 se obţine:
(1.10)
care pentru kF→∞ conduce la timpul de saturaţie tS de a captura NS de molecule.
Pentru fiecare tip de senzor se obţine o relaţie de scalare unică:
(1.11)
unde MD şi kD sunt constante dependente de dimensionalitatea senzorului.
Relaţiile de mai sus conduc imediat la un număr de concluzii importante pentru
estimarea concentraţiei minime detectabile pentru un senzor planar, cilindric respectiv
sferic.
1.3 Motivaţie
În contextul actual se încadrează şi biosenzorii pe bază de nanostructuri
carbonice, aceştia prezentând caracteristici importante ca viteză de răspuns mare,
sensibilitate, selectivitate şi stabilitate. Scopul general al acestei lucrări este acela de a
contribui la îmbunătăţirea materialelor folosite ca substrat de detecţie pentru analiţi
prin modificarea structurii sau crearea de nanocompozite ultrasensibile. Obiectivele
cu ajutorul cărora am dus la bun sfârşit această sarcină, au fost următoarele: analizarea
stadiului actual de dezvoltare în domeniul biosenzorilor şi analizarea materialelor
folosite (extragerea avantajelor şi a dezavantajelor), experimentarea celor mai noi
tehnici de depunere a materialului sensibil pe suport, fabricarea de materiale
nanocompozite şi testarea lor la diferiţi analiţi, investigarea rezultatelor obţinute.
În acest context, subiectul acestei teze este obţinerea de noi biosenzori bazaţi pe
nanostructuri carbonice funcţionalizate (nanotuburi de carbon funcţionalizate cu
porfirine sau cu acizi nucleici, polimeri conductori, polimeri conductori - TiO2,
grafene, grafene funcţionalizate cu porfirine). De astfel se vor folosi tehnici de
caracterizare, ca de exmplu: spectroscopia Raman şi FT-IR, spectrofotometria UV-
VIS, microscopia de forţă atomică şi electronică de baleiaj, analiza termică
(termogravimetrie şi calorimetrie diferenţială de baleiaj) şi voltametria.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-7-
2. Materiale şi metode pentru realizarea biosenzorilor
2.1. Materiale
2.1.1. Nanotuburi de carbon
Nanotuburile de carbon conţin sute de milioane de atomi de carbon, totul în
funcţie de lungimea lor. Nanotuburile de carbon sunt în principiu cilindri lungi
infiniţi, dar un nanotub perfect este închis la ambele capete de către semi-fulerene,
nelăsând legături izolate. Un nanotub de carbon cu un singur perete (SWNT) este
asemenea unui cilindru, în timp ce nanotuburile de carbon cu pereti multipli (MWNT)
sunt alcătuite din mai mulţi cilindri unul într-altul ale caror raze diferă prin spaţiul
interstrat de grafit. Diametrul minim al unui SWNT este limitat la ~ 0,4 nm [S. Iijima,
1991]. Un MWNT poate avea straturile exterioare în diametru mai mari de 30 nm.
Nanotuburile de carbon pot avea proprietăţi metalice comparabile sau mai bune
decât ale cuprului, sau pot fi semiconductori, ca siliciul în tranzistori, totul depinzând
de structura lor. Pot conduce de asemenea caldura aşa cum o conduce diamantul, şi
din moment ce este carbon, chimişti pot crea legături între atomii de carbon ai
fulerenelor şi alţi atomi sau molecule. Această “abilitate” de a lega/ataşa alte molecule
sau atomi de nanotuburi sau/şi buckyballs le fac să fie un nou nanomaterial ce se
poate folosi în sistemele biologice sau să fie legate în materialele compozite.
Teoreticienii au calculat că din nanotuburile de carbon se vor face cele mai
puternice fibre făcute vreodată (aproximativ de 100 de ori mai puternice ca oţelul), cu
doar 1/6 din greutatea lor. Nanotuburile de carbon şi buckyball-urile sunt cele mai
bune materiale descoperite în ultima decadă.
2.1.2. Porfirine
Metaloporfirinele, împreună cu proteinele globulare, îndeplinesc o serie de
funcţii biochimice foarte importante, din natură. Hemoglobina, mioglobina, clorofila,
citocromii, catalazele şi peroxidazele sunt exemple binecunoscute, a căror chimie se
bazează pe descrierea proprietăţilor redox ale metaloporfirinelor corespunzătoare şi pe
abilitatea de a transporta, stoca şi activa oxigenul molecular. În prezent, s-a reuşit
coordinarea majorităţii metalelor şi a câtorva semimetale, în interiorul cavităţii
porfirinice [J. W. Buchler, 1978]. Legarea atomului metalic în centrul inelului
porfirinic are loc prin intermediul a două interacţiuni: legătură de tip σ între metal şi
perechea de electroni liberi a doi atomi de azot opuşi şi legătură π între orbitalii de tip
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-8-
pπ şi/sau dπ cu orbitalii pπ ai celorlalţi doi atomi de azot [K. Tatsumi şi R. Hoffmann,
1981]. Cea mai utilizată tehnică spectroscopică, pentru studiul porfirinelor/metalo-
porfirinelor, este spectroscopia de absorbţie electronică. Un spectru obişnuit pentru o
metaloporfirină prezintă o bandă intensă la ~ 420 nm (banda B (Soret)) şi două benzi
mai puţin intense (Q (α, β)) între ~ 550 nm şi 600 nm [M. Gouterman, 1978; L. J.
Boucher, 1972]. Aceste absorbţii spectrale sunt determinate de tranziţiile π-π* din
inelele aromatice ale ligandului porfirinic. Modelul orbitalilor moleculari reuşeşte cel
mai bine corelarea cu spectrele electronice obţinute. Acest model consideră porfirina
ca un ciclu de poliene (ciclu de legături duble, conjugate), unde tranziţiile electronice
au loc între ultimele nivele electronice de legătură ocupate, a1u şi a2u, şi primii orbitali
moleculari dublu degeneraţi, de antilegătură, eg* [L. J. Boucher, 1972]. Reprezentarea
schematică a nivelelor energetice HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital –
ultimul nivel energetic ocupat cu electroni) şi LUMO (Lowest Unoccupied Molecular
Orbital – primul nivel energetic neocupat cu electroni) este ilustrată in Figura 2.8.
Tranziţiile permise, a1u→eg*, a2u eg*, sunt degenerate ca energie, o consecinţă a
acestui lucru fiind apariţia unor noi stări energetice în urma interacţiilor de
reconfigurare a stării iniţiale. Spectrul rezultat prezintă o bandă B, de energie înaltă,
pentru care dipolii de tranziţie sunt adunaţi (bandă intensă), şi o bandă Q, de energie
joasă, pentru care dipolii de tranziţie se anulează reciproc (bandă de intensitate joasă).
Cele două benzi Q sunt componentele vibraţionale ale aceleiaşi tranziţii electronice
[L. J. Boucher, 1972; M. Zerner şi M. Gouterman, 1966].
2.1.3. Polimeri conductori
Polimerii activ electrochimic se pot clasifica în diferite categorii care se bazează
pe modul de propagare a sarcinii care este strict legată de structura lor chimică. Cele
două categorii principale sunt: polimerii conductori de electroni şi polimerii
conductori de protoni (ioni). Polimerii conductori de electroni se impart în două clase
în funcţie de modul de transport al electronilor şi anume: polimeri redox şi polimeri
conductori electronici.
Polimerii redox conţin centri redox localizaţi electrostatic şi spaţial ce pot fi
oxidaţi sau reduşi, electronii putând fi transportaţi printr-o reacţie de schimb de
electroni (salt electronic) între centrii redox învecinaţi numai în cazul în care mişcarea
parţială le permite.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-9-
În cazul polimerilor conductori electronici (polimeri conductori intrinseci –
ICP), mişcarea electronilor delocalizaţi are loc în sisteme conjugate; totuşi,
mecanismul saltului electronic cel mai probabil lucrează între lanţuri şi defecte.
Transformările electrochimice duc în principiu la reorganizarea legăturilor polimerilor
obţinuţi prin polimerizarea oxidativă sau mai rar reducătoare a compuşilor
heterociclici şi benzoidici sau nonbenzoidici (amine). ). Câteva exemple de polimeri
conductori electronici: polianilina (PANi) şi derivaţii săi, polidifenilamina, poli-o-
fenilendiamina, poli-2-aminodifenilamina, polipirolul (PPy) şi derivaţii săi,
politiofena (PTh) şi derivaţii săi, poli-3,4-etilendioxitiofena (PEDOT) şi derivaţii săi,
polifenazina şi poli-1-hidroxifenazina, poliacridina; policarbazoli; politiazine; poli-o-
aminofenol; polifluorene, poliluminol, polirodamine, poliflavine, poli-p-fenilene şi
poli-fenilene-vinilene, politrifenilamine.
2.1.4. Grafene
André Geim şi Konstantin Novoselov au câştigat premiul Nobel pentru Fizică în
2010, în urma experimentelor efectuate pe grafene, experiente care au evidenţiat
proprietăţile extraordinare, avându-şi originea în fizica cuantică. Aceşti cercetători
sunt primii care au izolat straturile de grafenă – cel mai subţire şi mai dur material de
pe Pământ – şi au reuşit să o izoleze cu bandă adezivă! Experimentele lui Geim au
arătat că electronii din grafene au un comportament special, ei mişcându-se într-o
manieră relativistă, chiar dacă viteza lor este mai mică decât viteza luminii în vid [A.
H. Castro-Neto, 2010]. Caracteristica benzilor de energie le plasează între metal şi
semiconductor. Începând cu noiembrie 2010, articolele publicate se bazează tot mai
mult pe introducerea de heteroatomi în matricea grafenică, pentru a controla spectrul
de energie şi, implicit, caracteristicile electronice [Ovidiu Cretu et al., 2010].
În urma cercetărilor ulterioare asupra proprietăţilor acestui material, Geim,
Novoselov şi alţi cercetători au descoperit câteva lucruri interesante, ca duritatea
extraordinară şi capacitatea elastică, conductivitatea electrică şi termică foarte bună,
impermeabilitatea şi transparenţa. Există numeroase aplicaţii ale acestui material,
oamenii de ştiinţă aducând mereu noi şi noi inovaţii.
Grafenele sunt deja folosite pentru a înlocui capacitorii în stocarea energiei.
Noile textile pe bază de grafene sunt elastice şi pot fi spălate fără a perturba
proprietăţile electronice ale materialului. În viitorul apropiat putem încărca telefonul
cu ajutorul hainelor [http://www.wired.com/gadgetlab/2010/01/e-textile-charge/].
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-10-
2.2. Metode de fabricare a biosenzorilor
2.2.1. Metoda serigrafică
Tehnologia de serigrafiere este folosită intens în industria electronică, cât şi în
cea de printare publicitară. Această tehnologie este destul de avantajoasă pentru
producţie datorită flexibilităţii designului, procesului de automatizare, o bună
reproductibilitate, o gamă largă de materiale şi costuri de producţie foarte mici.
Această metodă este văzută ca o alternativă la producerea de biosenzori pe scală largă
la preţuri foarte scăzute. Prima apariţie a unui senzor fabricat prin această tehnologie a
fost relatată într-un patent din 1981 al lui Baumbach [P. L. Baumbach, 1981].
Matricea suport este materialul pe a cărui suprafaţă se imprimă parţile funcţionale şi
constructive ale senzorului.
Cernelurile sau pastele sunt depuse secvenţial prin măşti sau şabloane pe matricea
suport pentru formarea parţilor structurale şi funcţionale ale senzorului.
2.2.2. Metoda MAPLE
Caracteristic procesului MAPLE este utilizarea unei ţinte compozite criogenice
de porfirine sau de nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine, dizolvată intr-o
matrice de solvent cu o presiune de vapori relativ ridicată [R. Cristescu et al., 2011;
R. Cristescu et al., 2010; S. Iordache et al., 2010].
În tehnica MAPLE, la interacţiunea radiaţiei laser cu materialul se iniţiază două
procese fototermice şi anume: evaporarea ţintei compozite îngheţate şi ejectarea de
porfirine sau de nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine, după caz, în
cameră. Datorită concentraţiei scăzute de porfirine sau de nanotuburi de carbon
funcţionalizate cu porfirine în ţinta compozită de concentraţie (1 - 5) %, acţiunea
simultană de evaporare desoarbe uşor porfirinele sau nanotuburile de carbon
funcţionalizate cu porfirine. Energia fotonilor absorbită de solvent este convertită în
energie termică ce induce încălzirea porfirinelor sau a nanotuburilor de carbon
funcţionalizate cu porfirine şi evaporarea solventului. Moleculele de porfirină sau de
nanotuburi de carbon funcţionalizate cu porfirine ating o energie cinetică suficient de
mare care să le permită transformarea în fază de gaz prin ciocniri colective cu
moleculele solventului ce se evaporă. Prin optimizarea atentă a condiţiilor de
depunere MAPLE (lungime de undă, rată de repetiţie, tipul solventului, concentraţie,
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-11-
gaz reactiv şi presiunea gazului), acest proces poate decurge fără nici o descompunere
semnificativă a porfirinelor sau a nanotuburilor de carbon funcţionalizate cu porfirine.
2.2.3. Metoda electropolimerizărilor
Polimerizarea electrochimică a acestor polimeri este de fapt un proces foarte
simplu – este suficientă aplicarea unui potenţial pozitiv (Epolimer) în regim
potenţiostatic, sau aplicarea mai multor cicluri având o limită anodică suficient de
mare (de obicei potenţialul trebuie să depăşească Epolimer cu 100 – 200 mV), sau
aplicarea unui curent anodic într-o soluţie de monomer, proces care determină
creşterea progresivă a unui film polimeric corespunzător pe suprafaţa electrodului.
Pentru majoritatea monomerilor reprezentaţi ca molecule conjugate electrooxidarea
duce la formarea unor lanţuri polimerice liniare, formarea legăturilor chimice între
unităţile monomerice alăturate realizându-se prin menţinerea structurii conjugate (de
exemplu la pirol şi tiofenă polimerizarea se realizează în poziţiile 2 şi 5, iar pentru
benzen şi anilină în poziţia para).
Pentru fiecare monomer Epolimer şi viteza de depunere depind de concentraţia
monomerului: cu cât concentraţia este mai mare cu atât filmul polimeric creşte mai
repede (pentru o valoare fixă a Epolimer) sau Epolimer scade mai mult pentru aceaiaşi
viteză de creştere. Procesul este influenţat mai ales de solventul ales, de exemplu
oxidarea pirolului în soluţii apoase de acetonitril are ca rezultat filme polimerice de
polipirol cu proprietăţi diferite. Procesul mai este dependent şi de tipul de electrolit de
fond (electrolit fără transformări redox), deoarece componenţii electrolitului sunt
încapsulaţi în filmul polimeric şi afectează proprietăţile acestuia. Viteza de
polimerizare şi proprietăţile filmului depind de temperatură, pH, agitarea soluţiei şi
alţi factori.
2.2.4. Metoda polimerizărilor în plasmă
Un polimer obtinut prin polimerizare în plasmă se referă la un material care este
creat ca rezultat al trecerii unui gaz sau vapor organic printr-o descărcare
incandescentă – mai precis printr-o descărcare electrică într-un gaz organic. Este
obţinut, de cele mai multe ori un film subţire. Materialele obţinute prin polimerizarea
în plasmă sunt o nouă clasă de materiale deoarece acest tip de polimerizare creează
lanţuri scurte cu catene alăturate ramificate care înglobează mulţi radicali liberi; aceşti
radicali liberi leagă oxigenul şi vaporii de apă din atmosferă în urma expunerii la aer,
acest fenomen putând fi observat mai ales în cazul polimerilor îmbătrâniţi. Aceste
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-12-
materiale polimerice au o structură dezordonată dependentă de intensitatea şi energia
speciilor care bombardează filmul polimeric în creştere.
Procesul de polimerizare în plasmă este realizat la presiune şi temperatură joasă.
Există trei clase de sisteme folosite în polimerizarea în plasmă, şi anume: reactoare cu
electrozi interni, reactoare cu electrozi externi şi reactoare cu microunde sau frecvenţe
înalte (nu se folosesc electrozi).
3. Metode de caracterizare a biosenzorilor
3.1. Spectroscopie FT-IR
Spectroscopia în infraroşu este o tehnică de investigare des folosită în studierea
atât a materialelor organice, cât şi a celor anorganice. În principiu, se bazează pe
măsurarea absorbţiei undelor electromagnetice IR într-un anumit interval de
frecvenţe. Undele electromagnetice folosite în spectroscopia IR au frecvenţe cuprinse
în intervalul 1.9 × 1013
- 1.2 × 1014
Hz, corespunzând unor energii a fotonilor situate
în intervalul 0.078 - 0.5 eV, conform relaţiei Plank: unde h este constanta lui
Planck, iar frecvenţa.
Acest nivel de energie nu poate excita electronii, dar poate induce excitarea
vibraţională a legăturilor covalente dintre atomi sau grupări funcţionale. Frecvenţele
pentru care are loc absorbţia sunt în directă legătură cu structura moleculelor sau a
speciilor de atomi, cu tipul legăturii şi cu modurile posibile de vibraţie („stretching”-
întinderi, „scissoring”- forfecări, „rocking”- legănări şi „twisting”- răsuciri). Pentru
obţinerea unui spectru IR tipic, proba de studiat este expusă la un fascicul de lumină
în infraroşu, iar fasciculul transmis este colectat şi analizat. Folosind frecvenţele de
absorbţie caracteristice, diferite grupări funcţionale pot fi identificate rapid. În Tabelul
3.1. sunt listate frecvenţele de absorbţiei pentru câteva grupări funcţionale [A. D.
Cross, 1964].
Tabel 3.1. Exemple de frecvenţe de absorbţie pentru câteva grupări funcţionale.
Grupări funcţionale Banda de absorbţie (cm-1
)
O-H, N-H, stretching >3200
P=O (liber) 1175-1350
P=O (legat de H) 1150-1250
P-OR esteri 900-1050
P-H stretching 2350-2440
P-OH 2560-2700
PO43-
, HPO42-
, H2PO4- 950-1100
NO3- 1340-1410, 800-860
B-O 1310-1350
B-N 1330-1380
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-13-
3.2. Spectrometrie Raman
Efectul Raman este un efect de împraştiere neelastică a radiaţiei electro-
magnetice la interacţiunea acesteia cu substanţa, când pot avea loc următoarele
fenomene:
Emisie de radiaţie datorită oscilaţiilor electronilor, cauzate de unda electro-
magnetică;
Molecula devine polarizată la frecvenţa radiaţiei incidente;
Au loc trei tipuri de împrăştiere: Tyndall (interacţia luminii, preponderent cu
particulele coloidale, decât cu moleculele mici), Rayleigh (împrăştierea elastică a
luminii, fără modificarea lungimii de undă, este proporţională cu inversul puterii
a patra a lungimii de undă), Raman (împrăştiere inelastică, cu modificarea
frecvenţei, este mult mai slabă, în ceea ce priveşte intensitatea, decât împrăştiere
de tip Rayleigh şi, este una dintre principalele metode de analiză chimică
nedistructivă).
Din spectrele Raman ale moleculelor se pot obţine următoarele informaţii:
- Oferă informaţii despre grupările nepolare;
- Tehnica Raman este complementară tehnicii IR;
- O moleculă centrosimetrică nu are benzi comune IR şi Raman;
- Determinarea structurii moleculare;
- Studiul sistemelor amorfe şi cristaline;
- Caracterizarea materialelor.
3.3. Spectrofotometrie UV-VIS
Spectrofotometria este o ramura a spectroscopiei moleculare ce se ocupa cu
analiza calitativa si cantitativa a spectrelor de absorbtie a radiaţiilor electromagnetice
in domeniul de lungimi de undǎ 200 - 1100 nm de cǎtre speciile absorbante aflate de
obicei in soluţii. Din cauza faptului ca in domeniul UV-VIS nu toate substantele si
elementele chimice au spectre de absorbtie cu maxime clare, analiza calitativa nu este
atat de reprezentativa ca cea cantitativa. Legea de bază folosită în analizele sau
determinările spectrofotometrice, care descrie fenomenul de absorbţie, a fost găsită
experimental şi fundamentată teoretic de către Bouguer (1729), constituind o legătură
între cantitatea de lumină absorbită şi proprietăţiile soluţiei pe care o străbate.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-14-
Enunţul Legii Lambert-Beer: Intensitatea fasciculului luminos care străbate un mediu
absorbant scade exponenţial cu concentraţia mediului respectiv precum şi cu
grosimea stratului străbătut.
Expresia matematicǎ:
unde k este o constantă
Prin convenţie, se numeşte transmitanţă fracţia transmisă, I a intensităţii,
raportată la I0, prin cuva cu soluţie, adică:
iar legea Lambert - Beer mai poate fi scrisă şi:
Convenim de asemenea să numim absorbanţă, notată A, logaritmul natural, cu
semn schimbat al transmitanţei:
Introducând absorbanţa A, în ecuaţia precedentă, legea Lambert-Beer mai poate
fi scrisă:
unde A - absorbanţa, k - coeficientul de absorbţie, b - lungimea parcursă de lumină
prin mediul colorat sau lungimea celulei.
3.4. Microscopie de forţe atomice
Primul STM a fost inventat în 1981, iar mai tarziu în 1986, aceiaşi inventatorii,
Gert Binning şi Heinrich Rohrer de la Laboratorul de Cercetare IBM Zürich, obţin
premiul Nobel în Fizică. STM foloseşte un vârf conductor ascuţit, între el şi suprafaţa
probei studiate fiind aplicată o tensiune de polarizare [P. E. West, 2009].
Mai târziu, a aparut microscopul de forţe atomice (AFM), microscop care a avut ca
punct de plecare schema de funcţionare a STM. Daca în cazul STM-ului, era măsurat
curentul de tunelare, AFM-ul foloseşte forţa exercitată între vârf şi suprafaţa probei.
AFM-ul poate fi folosit atât în mod static (mod contact), cât şi dinamic (tapping şi
non-contact). Ca şi STM-ul, AFM-ul se bazează pe o tehnică de baleiere pentru a
produce imagini 3D ale suprafeţei probei la rezoluţii mari. Se măsoară forţe foarte
mici (mai puţin de 1 nN) între suprafaţa vârfului şi suprafaţa probei prin detectarea
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-15-
mişcării cantileverului flexibil, urmărindu-se astfel profilul probei. În timp ce în cazul
STM, trebuie ca probele investigate să fie conductoare, AFM-ul poate fi folosit şi
pentru orice tip de suprafaţă- conductor sau izolator [G. Binnig şi H. Rohrer, 1987].
Vârful AFM este foarte ascuţit, are de regulă mai puţin de 50 nm în diametru, iar
suprafeţele investigate sunt de dimensiuni de sub 100 µm. Timpul de scanare poate
varia de la câteva secunde la zeci de minute în funcţie de dimensiunea de scanare şi de
înalţimea denivelărilor de pe suprafaţa probei. „Mărirea” obţinută este între 100 X şi
100.000.000 X pe axa orizontală (x-y) şi pe verticală.
3.5. Microscopie electronică de baleiaj
Un microscop electronic este un tip de microscop care utilizeaza un fascicul de
electroni pentru a ilumina specimenul si produce o imagine marita. Microscoapele
electronice au o putere mai mare decat un microscop optic, deoarece electronii au o
lungime de unda in jur de 100.000 de ori mai mica decat lumina vizibila (fotoni) si
pot realiza mai mult de 50 pm rezolutie si o marire de pana la aproximativ 10.000.000
de ori, pe cand un microscop optic este limitat la o rezolutie de aproximativ 200 nm si
o putere de marire de 2000 de ori. Microscopul electronic foloseste lentile
electrostatice si electromagnetice pentru a controla fasciculul de electroni pe care il
concentreaza pentru a forma o imagine. Aceste lentile sunt analoage, dar diferite de
lentilele de sticla a unui microscop optic care formeaza o imagine marita,
concentrandu-se pe lumina sau prin specimen. Microscoapele electronice sunt folosite
pentru a observa o gama larga de probe biologice si anorganice, inclusiv
microorganisme, celule, molecule mari, probe de biopsie, metale si cristale. Industrial,
microscopul electronic este adesea folosit pentru controlul calitatii si analizarea
defectelor de fabricatie de marimi foarte mici/microscopice [R. Erni et al., 2009].
3.6. Calorimetrie diferenţială de baleiaj
Calorimetria diferenţială de baleiaj (DSC) este o tehnică prin care se măsoară
energia necesară pentru a stabili o diferenţă aproape zero între o substanţă şi un
material inert ce sunt supuse unor regimuri de temperatură identice într-un mediu
încălzit sau răcit cu o rată controlată [L. E. Nielsen şi R. F. Landel, 1994; J. D. Ferry,
1980; L. E. Nielsen, 1965]. Temperatura este măsurată în mod continuu şi este
folosită o tehnică diferenţială pentru controlarea fluxului de căldură către probă şi
pentru a echilibra diferenţele de căldură dintre probă şi referinţă.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-16-
3.7. Analiza termogravimetrică
Analiza termogravimetrică (TGA) este o metodă analitică folosită pentru
studierea stabilităţii termice a materialelor şi pentru determinarea fracţiei de
componente volatile prin monitorizarea modificării masei la încalzire. Măsurătorile
pot fi efectuate în aer sau în atmosferă controlată de gaz inert, iar masa este
înregistrată în funcţie de temperatură.
Această metodă se bazează pe analiza dependenţei pierderii de masă de
temperatura unei probe de material când acesta este încălzit cu o viteză dată,
constantă, până la finalizarea procesului de degradare (masa rămasă rămâne constantă
cu creşterea temperaturii) - aprox. 900 °C [H. G. Wiedemann, 1964]. Este o metodă
larg utilizată în studiul materialelor polimerice, deoarece oferă informaţii asupra
creşterii stabilităţii termooxidative a materialului, deci o îmbunătăţire a
performanţelor sale. Aparatul care permite determinarea continuă a masei unei probe
în timpul programului de temperatură se numeşte termobalanţă.
3.8. Voltametrie
În voltametrie se măsoară curentul rezultat într-o celulă de electroliză în urma
aplicării, unei diferenţe controlate de potenţial între un electrod indicator uşor
polarizabil, numit electrod de lucru, şi un electrod cu potenţial constant numit electrod
de referinţă.
Voltametria cuprinde un grup de metode electroanalitice în care informaţia
despre analit se obţine din analiza curbei intensitate - potenţial (voltamograma)
înregistrată pentru un sistem electrochimic.
Această tehnică furnizează atât informaţii calitative cât şi cantitative despre
sistemul care este studiat. Prin voltametrie se pot obţine informaţii privind
mecanismul de desfăşurare a unei reacţii chimice. De asemnea se pot obţine
informaţii şi despre cinetica procesului; permite deasemenea calculul mărimilor ce
intervin în proces (ca exemplu, coeficienţii de difuzie ai speciilor electroactive din
sistem).
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-17-
4. Rezultate experimentale
4.1. Dezvoltarea de biosenzori pe bază de nanotuburi de carbon
funcţionalizate
4.1.1. Filme subţiri de porfirină funcţionalizată depuse prin metoda MAPLE
Materiale şi Metode. Preparerea Zn(II)-5,10,15,20-tetrakis-(4-piridil)porfirinei
(ZnTPyP) s-a realizat, conform informaţiilor din literatură [Fleischer, 1962], folosind
0,108 g (0,175 mmoli) TPyP (Aviezer et al., 2000) şi 0,173 g (0,87 mmoli) acetat de
zinc, încălzit la reflux pentru 2 ore într-un amestec de 20 mL acid acetic glacial şi 20
mL DMF. Dupa răcire, cristalele au fost spălate cu apă pentru a îndepărta excesul de
acetat de zinc, iar după uscare, au fost purificate prin trecerea printr-o coloană
cromatografică, folosind ca fază staţionară Al2O3 şi ca eluent un amestec de 95 %
CHCl3 şi 5 % CH3-OH.
Metoda de sinteză pentru Co(II)-5,10,15,20-tetrakis-(4-metoxifenil)-porfirina
(CoTMeOPP). Complexul a fost sintetizat potrivit informaţiilor din literatură [Bakker
et al., 1994; Dorough et al., 1951], prin fierberea unui amestec de 5,10,15,20-
tetrakis(4-metoxifenil) porfirină (Walker, 1970; Adler et al., 1967) şi acetat de cobalt
în acid acetic glacial. Pentru depunerea, atât a ZnTPyP, cât şi a CoTMeOPP, cu
ajutorul sistemului MAPLE, s-a folosit ca matrice cloroformul. Filmele subţiri de
ZnTPyP şi CoTMeOPP au fost caracterizate prin spectroscopie Raman şi voltametrie
ciclică.
Rezultate şi discuţii
Filmele depuse sub formă de picatură şi prin metoda MAPLE au o linie de bază
constantă, extrasă din spectru şi indicată în Figura 4.4. Pentru o fluenţă de 200 mJ/cm2
(b), filmele depuse cu sistemul MAPLE au păstrat, în general, structura originală a
ZnTPyP. Mărind fluenţa la 300 mJ/cm2 (c), se observă o structură originală ca cea a
depunerii în picatură. Mărind în continuare fluenţa la 500 mJ/cm-1
(d), se observă
lărgirea benzilor din regiunea (1400 - 1500) cm-1
, până aproape de dispariţia acestora,
datorită schimbărilor majore din conformaţia lanţului şi rearanjării moleculare.
Lărgimea benzii de la 1004 cm-1
, observată după depunerea MAPLE în spectrul
Raman, se datorează scindării dintre moleculele tautomere de N-N faţă de modul
obişnuit ν(Cα-Cm) [Sato şi Kitagawa, 1994].
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-18-
Figura 4.1. Spectrul Raman tipic al ZnTPyP dropcast (a) şi filmelor depuse prin MAPLE la: 200
mJ/cm2 (b), 300 mJ/cm2 (c), şi 500 mJ/cm2
(d).
Figura 4.2. Spectrul Raman tipic al CoTMeOPP dropcast (a) şi filmelor depuse prin MAPLE la: 500
mJ/cm2 (b), şi 300 mJ/cm2 (c).
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-19-
Figura 4.3. Voltamograma ciclică tipică a ZnTPyP dropcast şi filmelor depuse prin MAPLE la: 300
mJ/cm2 şi 500 mJ/cm2 pe electrozi de lucru din nanotuburi de carbon.
După cum poate fi observat şi în Figura 4.6, valoarea oxidării pentru curba
obţinuta la o fluenţă de 300 mJ/cm2 este de 180 mV. Densităţile curentului de oxidare
corespunzătoare sunt: 12 μA/cm2 pentru o fluenţă de 500 mJ/cm
2, 34 μA/cm
2 pentru
electrodul de lucru din CNT şi 44 μA/cm2 pentru o fluenţă de 300 mJ/cm
2. În aceste
condiţii, este evident că la o tensiune dată, sensibilitatea la 300 mJ/cm2 este mult mai
bună decât cea corespunzătoare unei fluenţe de 500 mJ/cm2.
Figura 4.4. Voltamograma ciclică tipică a CoTMeOPP dropcast şi filmelor depuse prin MAPLE la:
300 mJ/cm2 si 500 mJ/cm2 pe electrozi cu nanotuburi de carbon.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-20-
În figura 4.7 sunt redate voltamogramele ciclice tipice pentru CoTMeOPP atât
pentru filmele depuse în picătură cât şi cele depuse cu metoda MAPLE la 300 mJ/cm2
şi la 500 mJ/cm2 pe electrozi electrozi de lucru din CNT. Aşa cum se observă din
figură, valoarea curentului de oxidare este de 100 mV pentru 300 mJ/cm2. Valorile
pentru densităţile de curent ale oxidării sunt urmatoarele: 5 μA/cm2, pentru o fluenţă
de 500 mJ/cm2, 22 μA/cm
2 pentru electrodul de lucru din CNT şi 27 μA/cm
2 pentru o
fluenţă de 300 mJ/cm2. Scopul este folosirea unor intermediari care sunt nu numai
sensibili dar care dau un semnal puternic atunci când tensiunea de oxidare este
apropiată de 0.
4.1.2. Caracterizarea substraturilor active imobilizate pe senzori serigrafici,
dezvoltate pentru detecţia agenţilor biochimici
Detalii experimentale. În această parte, sunt prezentate două metode de
imobilizare a substratului activ de Mn-porfirină pe suprafaţa electrodului de lucru din
Au al senzorului serigrafic, metoda dropcast şi metoda MAPLE. Gradul de
imobilizare a fost investigat electrochimic, prin voltametrie ciclică. Nanotuburile de
carbon cu un singur perete (SWCNT) au fost tăiate folosind o soluţie 3:1 (v/v) H2SO4
şi HNO3 concentrat [Marshall et al., 2006]. Funcţionalizarea SWCNT cu
metaloporfirina a fost făcută, în mai multe etape: Prima etapă: 5 mg SWCNT şi 5 mg
metaloporfirină au fost dispersate în 4 mL N,N-dimetilformamidă (DMF) prin agitare
ultrasonică, timp de 20 minute [Wu, 2010]; Etapa a doua: Modificarea electrodului de
lucru din Au s-a realizat prin picurarea a 10 μL soluţie SWCNT-porfirină-DMF pe
suprafaţa lui. Dispersia astfel depusă a fost lăsată la uscat în etuvă, la 50 °C.
Rezultate şi discuţii
Figura 4.11 Influenţa pH-ului asupra formei spectrului de absorbţie UV-VIS al Mn(III)-porfirinei, în
sistemul acetonă-apă
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-21-
Stabilitatea porfirinei de Mn a fost investigată la diferite valori ale pH-ului (în
domeniul 1,5 - 8,0), rezultatele fiind prezentate în Figura 4.11. Poziţia benzilor III, IV
şi V rămâne aceeaşi, dar intensitatea benzii de absorbţie descreşte, în mediu acid
(caracter hipocromic) şi descreşte chiar şi mai mult, în mediu bazic. Com-parativ cu
(MnTPP)Cl simplă, spectrul de absorbţie al SWCNT-(MnTPP)Cl-DMF este deplasat
spre stânga (caracter hipsocromic).
Figura 4.13 Voltamogramele pentru SPE-Au modificat cu SWCNT-(MnTPPCl)-DMF prin MAPLE: (1)
Dopamină, (2) Serotonină şi (3) Soluţie tampon de pH 7..
Spectroscopia Raman şi spectrofotometria UV-VIS au confirmat
funcţionalizarea SWCNT cu (MnTPP)Cl, iar măsurătorile voltametrice au indicat că
depunerea SWCNT-(MnTPP)Cl prin MAPLE nu este potrivită pentru detecţia
neurotransmiţătorilor, în timp ce, tehnica de depunere dropcast a dat cele mai bune
rezultate electrochimice, la detecţia neurotransmiţătorilor, dopamină şi serotonină.
4.1.3. Senzori serigrafici bazaţi pe nanotuburi de carbon funcţionalizate cu
porfirine pentru detecţia de neurotransmiţători
Detalii experimentale. SWCNT au fost tăiate şi modificate chimic prin
carboxilare, folosind reţete adaptate din literatură [Marshall et al., 2006; Rosca et al.,
2005; Smith Jr. et al., 2003]. SWCNT-urile modificate chimic, au fost funcţionalizate
cu metaloporfirine astfel: 5 mg SWCNT şi 5 mg metaloporfirine (Co-, Mn-, Zn-) au
fost dispersate în 4 mL N,N-dimetilformamidă (DMF) timp de 20 minute, într-o baie
de ultrasunete şi sub incidenţa luminii verzi, dată de un sistem iluminator cu patru
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-22-
LED-uri, de 100 lumeni fiecare, sistem adaptat după [Wu, 2010]. Modificarea
senzorilor serigrafici s-a făcut prin tehnica dropcast, picurând 10 μL amestec
SWCNT-porfirine-DMF pe suprafaţa electrodului de lucru din Au. Pentru fiecare tip
de neurotransmiţător (dopamină, serotonină şi epinefrină) au fost pregătite soluţii de
concentraţie 10-7 M, în PBS, care au fot păstrate, la întuneric, pentru a nu se
fotodegrada.
Rezultate şi discuţii
Figura 4.22 Spectrele Raman ale celor trei nanostructuri SWCNT-metaloporfirine (Mn-, Zn- şi Co-),
SWCNT şi DMF
În figura 4.22, sunt reprezentate spectrele Raman pentru cele trei tipuri de
nanostructuri SWCNT-porfirine-DMF. S-a reuşit atribuirea unor benzi din spectru
pentru SWCNT-ZnTPyP-DMF după cum urmează:
[ν(Cα-Cm)] la 1004 cm-1
[piridina δ(C-H)] la 1030 cm-1
[δ(Cβ-H)] la 1080 cm-1
[ν(Cα-H)] la 1384 cm-1
[ν(Cα-Cβ)] la 1450 cm-1
şi 1491cm-1
[ν(Cα-Cβ) şi (Cα-Cβ)] la 1550 cm-1
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-23-
Figura 4.25 prezintă caracteristicile voltamogramelor, pentru dopamina,
serotonina si epinefrina. Răspunsul dopaminei (având o concentraţie de 10-7
M) la
senzorul serigrafic modificat cu SWCNT-ZnTPyP, prin depunere dropcast, a
prezentat un pic de oxidare bine definit la potenţialul de 352,8 mV şi un pic de
reducere, în jurul valorii de -157 mV (Figura 4.25, curba 1). Răspunsul serotoninei
(tot o concentraţie de 10-7
M) la acelaşi electrod modificat a prezentat un pic de
oxidare la 266,7 mV şi un pic de reducere la potenţialul de -50 mV (Figura 4.25,
curba 2). Răspunsul epinefrinei (tot o concentraţie de 10-7
M) la acelaşi electrod
modificat a prezentat un pic de oxidare la 420,8 mV şi doua picuri de reducere la
potenţialul de 0 mV şi -550 mV (Figura 4.25, curba 3). Senzorul serigrafic pe bază de
SWCNT-ZnTPyP, este foarte bun pentru detecţia celor trei neurotransmiţători
(dopamină, serotonină şi epinefrină).
Figura 4.5 Voltamogramele pentru senzorul serigrafic modificat cu SWCNT- ZnTPyP cu
răspunsul la:(1)Dopamina, (2) Serotonina, (3) Epinefrină şi (4) Soluţie buffer de pH 7
4.1.4. Nanocompozite nanotuburi de carbon-polipirol pentru aplicaţii în
biosenzori
Preparea probelor. O mică cantitate de pirol, distilat, a fost adăugată la o
soluţie de Na2CO3 10%, ţinută, în prealabil, la 5 °C, într-o baie de gheaţă, timp de 4 h.
La această soluţie, a fost adăugată, apoi, o soluţie de formaldehidă 37% şi ţinută timp
de 1h la 5 °C, pe o baie de gheaţă. Solidul alb rezultat a fost păstrat la rece, în
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-24-
congelator, pentru încă 1,5 h; după acestă perioadă, solidul a fost filtrat şi s-a adăugat
o soluţie de HCl 0,15 N, pirol şi SWCNT. Reacţia a decurs la temperatură scăzută (4
– 5 °C). După 48 h, soluţia a fost centrifugată, iar SWCNT-urile modificate au fost
colectate într-o cantitate minimă de apă, fiind apoi dispersate cu ajutorul băii de
ultrasunete în 5 mL apă (soluţia a fost folosită ca soluţie-stoc). Pentru analize s-a
folosit 100 μL soluţie-stoc amestecată cu 100 μL dietileter sau etanol.
Rezultate şi discuţii
Analiza FT-IR (Figura 4.27) a indicat un caracter hipercromic (mărirea
intensităţii benzii) pentru benzile din domeniul 1800 - 2800 cm-1
şi un caracter
hipocromic (scăderea intensităţii benzii) pentru benzile din restul spectrului.
Figura 4.6 Spectrele FT-IR ale SWCNT, Pirol şi nanocompozitele SWCNT-PPy
Microscopia electronică de baleiaj a pus în evidenţă funcţionalizarea
nanotuburilor de carbon cu un singur perete cu polipirol aşa cum se poate vedea în
Figura 4.28. Punctele albe care se observă pe structura SWCNT sunt moleculele de
polipirol care s-au format în jurul SWCNT.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-25-
Figura 4.7 Imaginea SEM a nanocompozitelor SWCNT-PPy
4.1.5. Nanostructuri ADN-SWCNT formate prin legături non-covalente cu
ajutorul Nafionului depuse pe senzori serigrafici DS-220AT
Tratamentele chimice induc pe suprafaţa SWCNT grupări funcţionale (de
exemplu, grupări carboxil) şi defecte topologice (pentagoane, heptagoane), cu
densităţi mari de sarcină. Astfel, SWCNT devin hidrofilice, punând bazele unor
derivări ulterioare şi pentru imobilizarea covalentă/fizică a diferitelor biomolecule
folosite în designul biosenzorilor specifici. Nanotuburile de carbon cu un singur
perete au rolul de interfaţă între biomolecule şi electrodul de lucru, mai precis, au rol
de traductor. Pe de altă parte, senzorii serigrafici DS-220AT, cu electrod de lucru din
aur, pe lângă versatilitatea electrochimică pe care o au în imobilizarea componentelor
senzoriale, îmbunătăţesc semnalul Raman de suprafaţă.
Materiale folosite
ADN monocatenar: 5’-TCA GGC TTG CGC CCA T-3’, 10 ppm.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-26-
SWCNT: achiziţionate de la NTP, China.
Nafion: soluţie 5% achiziţionată de la NTP, China.
Senzori serigrafici: DS-220AT achiziţionaţi de la DropSens, Spania
Rezultate şi discuţii
Spectrul prezintă o bandă D (la 1293 cm-1
), atribuită modului de vibraţie Raman
pentru carbonul amorf sau/şi mişcării dezordonate din straturile de grafene.
Intensitatea mare a benzii G (la 1567 cm-1
), comparativ cu banda D, indică o puritate
mare a probei. Apariţia unui umăr în banda G, la 1540 cm-1
indică apariţia de grupări
carboxilice. Banda de la 1059 este atribuită de asemenea grupărilor carboxilice. Apare
o nouă bandă la 810,4 cm-1
care este atribuită lanţului principal fosfat-riboză în
conformaţie de tip A. AFM-ul este o unealtă puternică pentru studiul suprafeţei
senzorilor serigrafici modificaţi, mai ales pentru asigurarea unui flux constant de
informaţii asupra suprafeţei modificate. Rezultatele obţinute indică o suprafaţă
autoasamblată, unde SWCNT şi ADN/SWCNT sunt uniform distribuite în matricea
de Nafion (Figura 4.33 şi Figura 4.34). Spectrele Raman au indicat faptul că suprafaţa
senzorilor serigrafici a îmbunătăţit semnalul prin atenuarea fluorescenţei, efect similar
spectroscopiei Raman de suprafaţă.
Figura 4.8 Spectrul Raman al (1) SWCNT de la NTP, (2) SWCNT purificate şi (3) SWCNT-ADN fixate
în Nafion
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-27-
Figura 4.9 Topografie AFM in modul semicontact: SWCNT-ADN pe aur (în fundal topografie în
contrast de fază)
Figura 4.10 Topografie AFM in modul semicontact: detalii ale distribuţiei ADN în jurul SWCNT
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-28-
4.2. Dezvoltarea de biosenzori pe bază de porfirine
4.2.1. Depunerea filmelor subţiri de Mn(III)-porfirină prin metoda MAPLE:
Studii electrochimice, de structură şi topografice
Materiale folosite. Descrierea metodei de sinteză a (MnTPP)Cl, cât şi
caracteristicile fizico-chimice ale materialului sunt prezentate mai jos, dar şi în
referinţele [Fagadar-Cosma et al., 2009; Curet-Arana et al., 2008; Banfi et al., 2003;
Khorasani et al., 2002; Bedioui et al., 1996]. (MnTPP)Cl este solubilă şi stabilă (într-
un domeniu larg de pH 6 - 13,5) în acetonitril, N,N-dimetilformamidă,
dimetilsulfoxid, diclorometan, dicloroetan, tetrahidrofuran şi cloroform. Pentru a
obţine o ţintă cât mai precisă pentru MAPLE, (MnTPP)Cl a fost dizolvată într-o
soluţie de 1% cloroform.
Rezultate şi discuţii. Micrografiile AFM pentru filmele subţiri de (MnTPP)Cl,
obţinute prin depunere MAPLE la o fluenţă de 200 mJ/cm2 (a), 300 mJ/cm
2 (b) şi 500
mJ/cm2 (c), sunt prezentate în Figura 4.35. Au fost observate structuri globulare,
având diametre descrescătoare pe măsură ce valorile fluenţei laser cresc. În cazul unei
fluenţe laser de 200 mJ/cm2, s-a observat atât o morfologie uniformă (62,07 nm RMS
relativ) cât şi o orientare preferenţială a suprafeţei. Pentru o fluenţă de 300 mJ/cm2,
imaginile AFM au indicat prezenţa atât a unei tendinţe de aliniere cât şi o tendinţă de
creştere sub formă de coloană a globulelor. Diametrul mediu înregistrat a fost de 100
nm, cu un RMS de 139,48 nm. La 500 mJ/cm2 fluenţă, structurile globulare se
aranjează într-o formă colonară, obţinându-se o valoare a RMS-ului de 80,58 nm.
Figura 4.11 Micrografiile AFM pentru filmele subţiri de (MnTPP)Cl, obţinute prin depunere MAPLE
la o fluenţă de 200 mJ/cm2 (a), 300 mJ/cm
2 (b) şi 500 mJ/cm
2 (c)
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-29-
Figura 4.12. Spectrele Raman pentru (MnTPP)Cl depusă prin tehnica dropcast (a), pentru
filmele subţiri obţinute prin tehnica MAPLE şi depuse pe un substrat de Si, la o fluenţă de 200 mJ/cm2
(b), 300 mJ/cm2 (c), 500 mJ/cm
2 (d) şi pentru senzorul serigrafic DS-220AT depus cu (MnTPP)Cl sub o
fluenţă de 300 mJ/cm2 (e)
Spectrele Raman pentru porfirine şi metaloporfirine sunt complicate datorită
structurii complexe. Chiar şi pentru porfirinele simple, pure, datele de referinţă pentru
mişcarea de vibraţie, calculate prin analiza DFT-SQM (mecanica cuantică calibrată cu
ajutorul teoriei densităţii funcţionale) [Rush III et al., 2000] au un spectru complex.
Pentru metaloporfirine, spectrul de vibraţie depinde de natura ionului metalic central.
S-a observat o legătură între numărul de undă la care apare excitaţia şi ionul metalic
central, dar şi de tipul substituienţilor grefaţi pe inelul fenilic [Sun et al., 2008; Saini,
2006; Odo et al., 1991; Spiro et al., 1988; Kitagawa şi Ozaki, 1987]. Dintre
metaloporfirine, cele mai studiate au fot cele de Ni, Co, Mg, Zn, Cu, unde
predominante sunt stările de oxidare bivalente sau fundamentale. Mişcările de vibraţie
care apar între 1600 - 1900 cm-1
sunt datorate naturii ionului central, liganzilor axiali
şi densităţii electronice pe ionul metalic central. În această privinţă şi (MnTPP)Cl are
un comportament asemănător. Identificarea mişcărilor de vibraţie în spectrul Raman
pentru complexul (MnTPP)Cl este discutată pe baza modificărilor care apar între
spectrele (MnTPP)Cl depusă în filme subţiri faţă de cea depusă prin tehnica dropcast,
la numere de undă mari (1550 - 1600 cm-1
). Primul lucru care se observă este
influenţa substratului pe care este depusă porfirina. Pentru tehnica dropcast,
(MnTPP)Cl prezintă un spectru Raman în care benzile pot fi mai greu atribuite unor
mişcări de vibraţie specifice. Pentru porfirina depusă prin tehnica MAPLE, pe substrat
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-30-
de Si ultrapur şi pe substrat de Au-SPE, spectrele Raman prezintă o rezoluţie mai
mare şi o amplificare a intensităţii benzilor. În domeniul de variaţie a fluenţei, de la
200 la 500 mJ/cm2, spectrele Raman înregistrate au fost similare cu cele obţinute
pentru (MnTPP)Cl depusă prin tehnica dropcast; singura diferenţă observată a fost
pentru morfologia şi topografia filmelor, prezentată în Figura 4.36.
Comportamentul electrochimic al dopaminei a fost investigat pe un senzor
serigrafic DS-220AT, şi pe un senzor serigrafic DS-220AT având depus un film de
(MnTPP)Cl prin tehnica MAPLE. Imaginile obţinute sunt prezentate în Figura 4.37.
Răspunsul dopaminei la senzorul serigrafic DS-220AT a prezentat un pic de oxidare
bine definit, la 104 mV, şi un pic de reducere, mai mare, în jurul valorii de 50 mV.
Figura 4.37. Comportamentul electrochimic al dopaminei,pe un senzor serigrafic cu electrod de lucru
din aur, funcţionalizat cu Mn(III)-porfirină.
Voltametria ciclică pentru (MnTPP)Cl depusă prin tehnica MAPLE pe senzori
serigrafici de aur, la o fluenţă a laserului de 300 mJ/cm2 şi folosind dopamina ca
analit, a evidenţiat deplasarea picului anodic, pentru aceşti senzori modificaţi, spre
potenţiale mai mari. În aceste condiţii, se poate trage concluzia că senzorul DS-
220AT, modificat cu (MnTPP)Cl poate fi folosit ca mediator pentru detecţia
dopaminei.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-31-
4.2.2. Senzori serigrafici bazaţi pe porfirine pentru detecţia de compuşi
biologici
Materiale folosite şi prepararea probelor. În lucrarea de faţă a fost utilizată o nouă
structură porfirinică: 5(4-carboxifenil)-10,15,20-tris(4-fenoxifenil)-porfirină
(CPPOPP) (a se vedea Figura 4.38) sintetizată conform literaturii [Vlasici et al., 2012;
Fagadar-Cosma et al., 2012], prin condensarea unui amestec de pirol şi benzaldehidă,
4-carboximetilbenzaldehidă şi 4-fenoxibenzaldehidă (raport 1/3). Metilesterul a fost
hidrolizat în soluţie bazică, apoi a fost neutralizat cu HCl diluat [Fagadar-Cosma et
al., 2007]. S-a utilizat o soluţie tampon pe bază de fosfat, care să funcţioneze ca
soluţie electrolit şi o răşină polifosfatică pentru imobilizarea porfirinei pe suprafaţa
electrodului de lucru din aur (s-au utilizat senzori serigrafici de tipul SPE DS-220AT).
(CPPOPP) a fost amestecată cu răşina şi depusă prin tehnica dropcast pe electrodul de
lucru, şi apoi a fost lăsată la uscat la 50 °C.
Rezultate şi discuţii
Imaginea AFM a CPPOPP, obţinută prin metoda dropcast pe suprafaţa din aur a
electrodului de lucru este prezentată în Figura 4.39. S-a obţinut o distribuţie
cvasiuniformă a nanoparticulelor de porfirină, aceste nanoparticule avand formă
sferică de diferite mărimi in funcţie de gradul lor de aglomerare.
Figura 4.13 Imaginile AFM ale porfirinei depuse pe electrodul de lucru din aur
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-32-
Figura 4.14 Răspunsul apei (1) şi al dopaminei de concentraţie 10-4
M (2) la senzorul serigrafic DS-
220AT depus cu CPPOPP
Comportamentul electrochimic al dopaminei a fost investigat pe un senzor
serigrafic DS-220AT având depusă prin dropcast CPPOPP. Voltamograma ciclică
obţinută este prezentată în Figura 4.42. Răspunsul dopaminei de concentraţie 10-4
M
la senzorul serigrafic DS-220AT depus cu CPPOPP a prezentat un pic de oxidare bine
definit, la 160,6 mV, şi un pic de reducere, în jurul valorii de 234,6 mV (Figura 4.42).
4.2.3. Noi filme subţiri de porfirină nanostructurată conjugată depuse
prin tehnica MAPLE
Materiale folosite. În această lucrare, componenta activă folosită a fost o
porfirină substituită A3B, şi anume 5-(4-carboxifenil)-10,15,20-tris(4-fenoxifenil)-
porfirnă (CPPOPP) (Figura 4.43), sintetizată conform literaturii [Vlasici et al., 2012;
Fagadar-Cosma et al., 2012], prin condensarea unui amestec de pirol şi benzaldehidă,
4-carboximetilbenzaldehidă şi 4-fenoxibenzaldehidă (raport 1/3). Metilesterul a fost
hidrolizat în soluţie bazică, apoi a fost neutralizat cu HCl diluat [Fagadar-Cosma et
al., 2007]. S-au preparat soluţii 1% CPPOPP în cloroform, care au fost folosite
ulterior ca ţinte pentru MAPLE. Soluţiile lichide au fost turnate într-un creuzet
prerăcit la 173 K, apoi fiind imersate în azot lichid timp de 30 de minute.
Rezultate şi discuţii. Imaginile AFM ale filmelor subţiri de CPPOPP, obţinute la
energie a laserului de 10 mJ (a), 30 mJ (b), 40 mJ (c) şi 50 mJ (d) sunt prezentate în
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-33-
Figura 4.44. Pentru primul caz, cel al energiei de 10 mJ s-a obţinut o distribuţie
cvasiuniformă a nanoparticulelor (RMS relativ a fost de 96,7 nm). Pentru 30 mJ, s-a
observat o uşoară tendinţă de aglomerare/coalescenţă a particulelor (RMS de 61,6 nm).
La 40 mJ, topografia suprafeţei s-a modificat drastic, observându-se o aglomerare
accentuată (RMS de 109,6 nm) şi structuri distincte având forma de conopidă. Pentru o
fluenţă a laserului de 50 mJ, s-a observat apariţia unor structuri globulare aglomerate,
valoarea RMS pentru acestă fluenţă fiind de 294,07 nm.
Figura 4.15. Imaginile AFM ale porfirinei depuse prin MAPLE la fluenţe de 10 mJ (a), 30 mJ (b), 40
mJ (c) şi 50 mJ (d).
Figura 4.16 Spectrele Raman pentru compusul CPPOPP, depus prin tehnica dropcast (a) şi prin
tehnica MAPLE, la o fluenţă de 10 mJ (b), 30 mJ (c), 40 mJ (d) şi 50 mJ (e)
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-34-
Figura 4.45 prezintă spectrele Raman pentru compusul CPPOPP, depus prin
tehnica dropcast (a) şi prin tehnica MAPLE, la o fluenţă de 10 mJ (b), 30 mJ (c), 40 mJ
(d) şi 50 mJ (e). Benzile Raman între 1000 şi 1600 cm-1
sunt benzi tipice pentru
structura CPPOPP, atribuite mişcării de vibraţie-întindere a legăturii C-C şi C-N, în
inelul porfirinic.
4.3. Dezvoltarea de biosenzori pe bază de polimeri conductori
4.3.1. Nanostructuri PANi – TiO2 pentru pile de combustie şi aplicaţii senzoriale
Materiale folosite. S-a folosit TiO2 sub formă de pulbere de dimensiuni
nanometrice (80 - 100 nm) de provenienţă Sigma-Aldrich. Anilina de puritate analitică
a fost achiziţionată de la Merck, dupa care a fost pusă la distilat la 184 °C, înainte de a
fi utilizată. Sulfatul de anilină a fost obţinut prin reacţia anilinei cu acid sulfuric, sub
agitare continuă timp de 20 de minute, după care precipitatul obţinut a fost filtrat.
0,852 g sulfat de anilină şi 0,018 g TiO2 nanopulbere au fost amestecate cu 25 mL
soluţie H2SO4.
Rezultate şi discuţii
Figura 4.17 Densitatea de curent în funcţie de timp pentru nanostructura polimeră PANi - TiO2
imersată în metanol
În figura 4.57 este reprezentată densitatea de curent în funcţie de timp pentru
nanostructura polimeră PANi- TiO2 imersată în metanol.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-35-
Figura 4.18 Densitatea de curent în funcţie de timp pentru nanostructura polimeră PANi - TiO2 la
vaporii de metanol la temperatura camerei
În figura 4.58 este reprezentată densitatea de curent în funcţie de timp pentru
nanostructura polimeră PANi - TiO2 la vaporii de metanol la temperatura camerei.
Se poate observa că densitatea de curent a crescut folosindu-se un potenţial de
200 mV, timp de 3 minute, datorită vaporilor de metanol.
4.3.2. Detecţia unei neurotoxine, Deoxinivalenol, cu un senzor serigrafic pe
bază de polianilină
Materiale
Monomer: sulfat de anilină monohidrat comercializat de Alfa Aesar folosit pentru
sinteză.
Senzor serigrafic (SPE), model DS-220AT, cu geometrie plană care are electrod de
lucru şi auxiliar din aur, respectiv electrod de referinţă din pseudoargint; achiziţionat
de la firma DropSens, Spania.
Toxină: deoxinivalenol (DON) de diferite concentraţii (de la 10-9
M la 10-4
M),
preparată în soluţie tampon fosfat la pH neutru, achiziţionată de la Institutul Naţional
de Cercetare - Dezvoltare pentru Biologie şi Nutriţie Animală – Baloteşti, judeţul
Ilfov.
Alte materiale: apă distilată ultrapură, hârtie de filtru Millipore.
Rezultate şi discuţii
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-36-
Figura 4.19 Voltamograma răspunsului micotoxinei DON pe senzorul serigrafic DS-220AT (1),
respectiv SPE DS-220AT-PANi (2) la o concentraţie de 10-6
M
Pentru electrodul SPE DS-220AT-PANi este observată o electroactivitate
specifică pentru DON în apropierea valorilor potenţialului de 1000 mV, respectiv 400
mV pentru picul de reducere. De asemenea se mai pot observa două picuri secundare,
unul de oxidare la -213 mV şi altul de reducere la - 624 mV asimilate unui compus
intermediar care este presupus a fi dezvoltat la interfaţa Au – PANi ca rezultat al
grupărilor sulfat funcţionalizate de aur.
4.3.3. Polimerizarea acridinei pe un senzor serigrafic - un nou biosenzor pentru
detecţia neurotransmiţătorilor
Materiale folosite
Acridină-oranj a fost achiziţionată de la Merck.
Pentru prepararea soluţiilor a fost folosită apă deionizată, de înaltă puritate (18 MΩ).
Ca electrolit a fost folosită o soluţie tampon de fosfat, adusă la pH =7,4.
Senzorul serigrafic DS-220AT a fost curăţat înainte de folosire prin voltametrie ciclică
în soluţie de H2SO4 0,5 M (între -0,2 – 1,5 V, timp de 100 de cicluri, la o viteză de
scanare de 100 mV/s).
Rezultate şi discuţii. Microscopia de forţă atomică a aratat că poliacridina are
o structură globulară destul de uniformă (Figura 4.72). Diametrul structurilor
globulare este cuprins între 0,13 - 0,2 µm.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-37-
Figura 4.20 Topografia AFM a poliacridinei
Se poate observa că această structură urmează un model tipic al polimerizării
electrochimice a acridinei-oranj; polimerizare strat cu strat.
Comportamentul electrochimic al dopaminei a fost investigat pe un senzor
serigrafic DS-220AT modificat cu poliacridină-oranj. Voltamograma ciclică obţinută
este prezentată în Figura 4.75. Răspunsul dopaminei de concentraţie 10-4
M la
senzorul serigrafic DS-220AT modificat cu poliacridină-oranj a prezentat un pic de
oxidare bine definit, la 239,7 mV, şi un pic de reducere, la 372,5 mV. Picul de
reducere de la -271,4 mV este datorat aurului.
Figura 4.21 Raspunsul senzorului serigrafic modificat cu poliacridină-oranj la (1) apă şi (2) dopamină
10-4
M
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-38-
4.3.4. Biosenzori cu imprimare moleculară bazaţi pe polimerizarea
aminofenolului
Materiale folosite
p-Aminofenolul a fost achiziţionat de la Merck.
Pentru prepararea soluţiilor a fost folosită apă deionizată, de înaltă puritate (18 MΩ).
Ca electrolit a fost folosită o soluţie tampon de fosfat, adusă la pH =7,4.
Senzorul serigrafic DS-220AT a fost curăţat înainte de folosire prin voltametrie ciclică
în soluţie de H2SO4 0,5 M (între -0,2 – 1,5 V, timp de 100 de cicluri, la o viteză de
scanare de 100 mV/s).
Rezultate şi discuţii. Microscopia de forţă atomică a aratat că poli-p-
aminofenolul are o structură ca de “conopidă”(Figura 4.77). Fiecare strat dinspre
suprafaţă este varianta miniaturizată a stratului de poli-p-aminofenol precedent.
Figura 4.22 Topografia AFM a poli-p-aminofenolului
Comportamentul electrochimic al dopaminei a fost investigat pe un senzor
serigrafic DS-220AT modificat cu poli-p-aminofenol. Voltamograma ciclică obţinută
este prezentată în Figura 4.80. Răspunsul dopaminei de concentraţie 10-4
M la
senzorul serigrafic DS-220AT modificat cu poli-p-aminofenol a prezentat două picuri
de oxidare bine definite, la 535 mV şi 113 mV, şi un pic de reducere, la 306 mV.
Picul de oxidare de la 535 mV este datorat aurului.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-39-
Figura 4.23 Raspunsul senzorului serigrafic modificat cu poli-p-aminofenol la (1) apă şi (2) dopamină
10-4
M
4.3.5. Nanostructuri de polianilină, polipirol şi politiofenă dopate cu TiO2
pentru senzori
Materiale şi proceduri experimentale. Tiofena, pirolul şi anilina, având o
puritate de peste 97% au fost achiziţionate de la Merck şi folosite pentru polimerizare,
fără purificare. Nanopulberea de oxid de titan (IV), de puritate 99,7% a fost
achiziţionată de la Aldrich, la fel şi substraturile de Si <1,0,0>.
Amestecul de reacţie a fost făcut conform reţetei: 1,5 mg TiO2 a fost amestecat
cu 0,5 mL din fiecare monomer. Suspensia astfel obţinută a fost ultrasonată timp de
10 minute.
Un flux continuu de Ar (99,9999% puritate) a fost purjat în sistemul de
polimerizare în plasmă. 0,5 mL din fiecare soluţie a fost pulverizată în plasmă cu
ajutorul unei seringi hipodermice de 1 mL. Presiunea din sistemul de polimerizare a
fost menţinută în intervalul 4·10-1
- 7·10-1
mbar, cu ajutorul unei pompe de tipul
Vacuubrand Pumping Unit PC 3. Curentul a fost menţinut la valoarea de 5 mA, iar
potenţialul la o valoare constantă de 120 V, pentru a obţine plasma.
Rezultate şi discuţii
Particulele de TiO2 sunt acoperite de polimeri pentru a forma nanostructuri
multi-particulă, datorită interacţiilor slabe dintre ele. Toate probele prezintă
morfologie globulară (Figurile 4.81 (b), 4.82 (b), 4.83 (b)). Nanostructurile PTh- TiO2
sunt aranjate uniform pe suprafaţă şi omogen în volum. În tabelul 4.6 sunt prezentate
rugozitatea medie şi media pătratică a rugozităţii pentru fiecare nanostructură.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-40-
(a) (b)
Figura 4.24 Imaginile AFM ale nanostructurilor de a) PANi şi b) PANi-TiO2
(a) (b)
Figura 4.25 Imaginile AFM ale nanostructurilor de a) PPY; b) PPY-TiO2
(a) (b)
Figura 4.26 Imaginile AFM ale nanostructurilor de a) PTh; b) PTh-TiO2
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-41-
Caracteristicile curent-tensiune au fost obţinute prin aplicarea unui potenţial în
domeniul (-10 - 10) V şi măsurarea curentului electric. Din figura 4.90 reiese ca
filmele de polianilină şi politiofenă prezintă o reistivitate mare, în timp ce filmul de
polipirol are o rezistivitate mică. Din figura 4.91 se observă că odată cu introducerea
oxidului de titan rezistivitatea filmelor creşte considerabil. Se poate spune că
polimerul este dopat cu oxidul de titan, si deci se foloseşte în construcţia de senzori
pentru gaze.
Figura 4.27 Caracteristica I-V pentru cei trei polimeri: PANi, PPy şi PTh
Figura 4.28 Caracteristica I-V pentru cei trei polimeri: PANi-TiO2, PPy-TiO2 şi PTh-TiO2
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-42-
4.4. Dezvoltarea de biosenzori pe bază de grafene
4.4.1. Senzori serigrafici cu grafene folosiţi ca senzori pentru detecţia de substanţe
toxice
Materiale
Deoxynivalenol (DON) de diferite concentraţii ( de la 10-9
la 10-4
), preparat în soluţie
tampon fosfat la pH neutru;
Zearalenone (ZEA) de diferite concentraţii (de la 10-7
la 10-4
);
Aflatoxină de diferite concentraţii (1μM şi 100μM).
Senzor serigrafic: (SPE) în geometrie plană cu electrod de lucru din grafene, electrod
auxiliar din pastă carbonică, respectiv electrod de referinţă din argint, de la firma
DropSens, Spania.
Grafene obţinute din grafit expandat prin tehnica fluidelor supercritice.
Rezultate şi discuţii
Figura 4.29 Răspunsul senzorului serigrafic pe bază de grafene la 1 µm şi 100 µM aflatoxine
Pentru a studia activitatea electrochimică a senzorului serigrafic pe bază de
grafene s-au înregistrat voltamograme ciclice la diferite viteze de scanare.
Determinările de voltametrie ciclică cu senzorul serigrafic pe bază de grafene s-au
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-43-
făcut într-un interval al variaţiei potenţialului de la -1 V la 1 V în direcţie anodică şi
apoi polarizarea s-a inversat în direcţie catodică înapoi la -1 V, având o viteză de
scanare variabilă (50 mV/s, 75 mV/s, 100 mV/s, 125 mV/s, 150 mV/s). Toate
rezultatele voltametrice se referă la caracteristicile obţinute în cadrul celui de-al
treilea ciclu unde s-a obţinut o stare stabilă.
Figura 4.30 Răspunsul senzorului serigrafic pe bază de grafene la deoxinivalenol de diferite
concentraţii (10-6
M, 10-7
M şi 10-9
M)
Pentru a studia activitatea electrochimică a senzorului serigrafic pe bază de
grafene s-au înregistrat voltamograme ciclice la diferite viteze de scanare.
Determinările de voltametrie ciclică cu senzorul serigrafic pe bază de grafene s-au
făcut într-un interval al variaţiei potenţialului de la -1 V la 1 V în direcţie anodică şi
apoi polarizarea s-a inversat în direcţie catodică înapoi la -1 V, având o viteză de
scanare variabilă (50 mV/s, 75 mV/s, 100 mV/s, 125 mV/s, 150 mV/s). Toate
rezultatele voltametrice se referă la caracteristicile obţinute în cadrul celui de-al
treilea ciclu unde s-a obţinut o stare stabilă.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-44-
Figura 4.31 Răspunsul senzorului serigrafic pe bază de grafene la ZEA
Pentru a studia activitatea electrochimică a senzorului serigrafic pe bază de
grafene s-au înregistrat voltamograme ciclice la diferite viteze de scanare.
Determinările de voltametrie ciclică cu senzorul serigrafic pe bază de grafene s-au
făcut într-un interval al variaţiei potenţialului de la -1 V la 1 V în direcţie anodică şi
apoi polarizarea s-a inversat în direcţie catodică înapoi la -1 V, având o viteză de
scanare variabilă (50 mV/s, 75 mV/s, 100 mV/s, 125 mV/s, 150 mV/s). Toate
rezultatele voltametrice se referă la caracteristicile obţinute în cadrul celui de-al
treilea ciclu unde s-a obţinut o stare stabilă.
4.4.2. Heterostructuri de oxid de grafit-metaloporfirine (Zn, Co) pentru
chemodetecţia gazelor/vaporilor
Materiale folosite
Oxidul de grafit: (GOx) a fost obţinut prin tehnica fluidelor supercritice.
Porfirine: au fost utilizate doua tipuri de metaloporfirine - Co(II) 5,10,15,20-tetrakis-
(4-metoxifenil)-porfirină (CoTMeOPP) (Figura ) şi Zn(II) 5,10,15,20-tetrakis-(4-
piridil)-porfirină (ZnTPyP) (Fig.1b).
Lac fotopolimerizabil: 1,4-dicloro-2-butină.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-45-
Rezultate şi discuţii
Din figura 4.117, se poate observa că nanocompozitul GOx-CoTMeOPP este de
forma unor plachete aşezate paralel, una peste alta. În figura 4.118, este prezentată
topografia nanostructurii GOx-ZnTPyP. Se poate observa că această nanostructură ia
forma de conopidă, structură ce îi permite o suprafaţă specifică mare.
4.32 Topografia AFM a GOx-CoTMeOPP
4.33 Topografia AFM a GOx-ZnTPyP
Spectroscopia electrochimică de impedanţă a fost realizată prin baleierea
potentialului între, 1 V şi 10 V, la o frecvenţă fixă de 100 kHz. S-a analizat răspunsul
senzorului la vaporii uleiului de mentă (Mentha piperita) prin observarea de-a lungul
timpului a modificării capacitanţei nanocompozitului. S-a observat că senzorul are un
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-46-
răspuns foarte rapid la vaporii de mentă şi o descreştere foarte lentă, datorită
absorbţiei componentului gazos pe electrod. Acest lucru sugerează existenţa unui
contact electric foarte bun între electrodul metalic (de Au) şi GOx funcţionalizat cu
metaloporfirine.
Figura 4.34 Răspunsul la vaporii de mentă, pentru fiecare tip de senzor
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-47-
5. Concluzii generale
S-a demonstrat că tehnica MAPLE este adecvată pentru a depune Zn(II)-
5,10,15,20-tetrakis(4-piridil)-porfirina şi Co(II)-5,10,15,20-tetrakis(4-metoxi-fenil)-
porfirina, funcţionale, în filme subţiri. S-au putut atribui benzile din spectre, pentru
ZnTPyP şi pentru CoTMeOPP, optimul fiind atins pentru filmele depuse prin metoda
MAPLE, la o valoare a fluenţei de 300 mJ/cm2. Totodată, s-au investigat cu
voltametria ciclică, filmele de ZnTPyP şi CoTMeOPP depuse pe senzori serigrafici
bazaţi pe nanotuburi de carbon, la o fluenţă de 300 mJ/cm2 folosind dopamină ca
analit. S-a determinat că, în cazul filmelor de CoTMeOPP, s-au obţinut cele mai bune
proprietăţi de sensibilitate, necesare la cel mai înalt nivel, în detecţia poten-ţialilor
agenţi de luptă.
Spectroscopia Raman şi spectrofotometria UV-VIS au confirmat funcţio-
nalizarea SWCNT cu (MnTPP)Cl, iar măsurătorile voltametrice au indicat faptul că
depunerea SWCNT-(MnTPP)Cl, prin MAPLE, nu este adecvată pentru detecţia
neurotransmiţătorilor, în timp ce, tehnica de depunere dropcast a dat cele mai bune
rezultate electrochimice, la detecţia neurotransmiţătorilor, dopamină şi serotonină.
Este nevoie de o selecţie specifică, atât a ionului metalic central, cât şi a
grupărilor funcţionale de pe laturile inelului porfirinic, pentru a induce o legare, cât
mai bună (legături covalente sau necovalente) de suprafaţa SWCNT, dar şi legarea
nanocompozitului de suprafaţa electrodului de lucru. Spectroscopia Raman şi
spectrofotometria UV-VIS au confirmat funcţio-nalizarea SWCNT cu cele trei tipuri
de porfirine în parte. Măsurătorile voltametrice au indicat faptul că senzorul serigrafic
cu SWCNT-(MnTPP)Cl, respectiv, SWCNT-ZnTPyP sunt potriviţi pentru detecţia
celor 3 neuro-transmiţători, în timp ce, senzorul serigrafic cu SWCNT-CoTMeOPP a
indicat răspuns doar pentru dopamină.
Compozitul, SWCNT-PPy, a fost preparat prin sinteză chimică şi polimerizare
spontană. Prin spectroscopia Raman şi FT-IR s-a studiat structura compozitului şi
modificările care apar, în comparaţie cu substanţele pure, confirmându-se faptul că
suprafaţa SWCNT a fost acoperită cu molecule de polipirol. Microscopia electronică
de baleiaj a pus în evidenţă funcţionalizarea nanotuburilor de carbon, cu un singur
perete, cu polipirol. Aceste noi nanocompozite pot fi folosite, cu success, în aplicaţii
senzoriale.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-48-
Prin studiul de spectroscopie Raman, s-a pus în evidenţă ataşarea covalentă a
ADN-ului de nanotubul de carbon, cu un singur perete. Spectrele Raman au indicat
faptul că, suprafaţa senzorilor serigrafici a îmbunătăţit semnalul, prin atenuarea
fluorescenţei, efect similar observat şi prin spectroscopie Raman de suprafaţă.
Microscopia de forţe atomice a arătat că ansamblurile SWCNT-ADN sunt distribuite
unifom în matricea de raşină, Nafion.
S-a demonstrat eficienţa depunerii clorurii de (5,10,15,20-tetrafenil)-
porfinatomangan(III), prin tehnica MAPLE, în filme subţiri. Micrografiile AFM au
identificat prezenţa structurilor globulare, având diametre medii ce descresc odată cu
creşterea fluenţei. Amprentele caracteristice grupării (MnTPP)Cl pure au fost
identificate prin spectroscopia Raman, pentru filmele subţiri depuse prin tehnica
MAPLE, la diferite fluenţe ale laserului (200 - 500) mJ/cm2. Pentru o fluenţă a
laserului de 300 mJ/cm2 a fost observat şi efectul Raman de suprafaţă. Creşterea
fluenţei laserului, peste 300 mJ/cm2, a declanşat apariţia modificărilor
conformaţionale, mai ales, în cazul grupurilor vibraţionale (simetrie/asimetrie).
Voltametria ciclică pentru (MnTPP)Cl, depusă prin tehnica MAPLE, pe senzori
serigrafici de Au, la o fluenţă a laserului de 300 mJ/cm2 şi folosind dopamina, ca
analit, a evidenţiat deplasarea picului anodic, pentru aceşti senzori modificaţi, spre
potenţiale mai mari. În aceste condiţii, se poate trage concluzia că senzorul DS-
220AT, modificat cu (MnTPP)Cl, poate fi folosit ca mediator pentru detecţia
dopaminei.
Spectroscopia Raman şi FT-IR au confirmat imobilizarea porfirinei pe
electrodul de lucru din Au. Topografia AFM a prezentat structura porfirinei
imobilizate, de formă globulară. Voltametria ciclică a senzorului modificat, a
prezentat un răspuns bun, la o concentraţie de dopamină de minim, 10-4
M.
S-a demonstrat că, tehnica MAPLE este adecvată, pentru imobilizarea filmelor
subţiri de porfirină funcţionalizată, anume 5(4-carboxifenil)-10,15,20-tris(4-
fenoxifenil) porfirină. Investigaţiile AFM au arătat că filmele subţiri, depuse la 30 mJ,
prezintă o morfologie uniformă şi continuă. Spectroscopia Raman a confirmat
conservarea structurii chimice a porfirinei, în timpul depunerii MAPLE, în domeniul
de energii (20 – 40) mJ. Voltamogramele ciclice au demonstrat că porfirina, fără ion
metalic central, este un mediator potrivit pentru glucoză, în cazul senzorilor serigrafici
cu electrod de lucru din pastă de carbon, sugerând o potenţială aplicaţie în domeniul
recunoaşterii şi determinării hipoglicemiei. S-a demonstrat că, metoda MAPLE, de
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-49-
depunere a filmelor subţiri de porfirină, este o tehnică blândă de depunere a filmelor
de material sensibil. Luându-se în considerare limită inferioară de detecţie a glucozei
(~ 18 mg/dL), este nevoie de o extindere a cercetărilor spre sisteme porfirinice
complexe.
Filmele de PANi - TiO2 au fost preparate prin polimerizare electrochimică a
anilinei, în prezenţa de nanoparticule de TiO2 depuse pe hârtie carbonică, unde a fost
monitorizat răspunsul la diferite concentraţii de metanol. Rezultatele au arătat o
dependenţă liniară a concentraţiei de metanol, pentru caracteristica, I-V. Se poate
observa, cu uşurinţă că, densitatea de curent creşte în funcţie de timp, ceea ce
înseamnă că produsul obţinut este un senzor pentru metanol.
S-a obţinut un biosenzor pe bază de polimeri conductori (PANi) ce a fost
folosit pentru a detecta o micotoxină (DON), produsă de către fungi în hrana
animalelor. Polimerul semiconductor a fost obţinut prin electropolimerizarea
monomerului, sulfat de anilină. SPE DS-220AT-PANi evidenţiază o nouă direcţie
pentru detectarea toxinelor, la o concentraţie foarte scăzută, de ordinul nM. Mulţi
senzori şi biosenzori bazaţi pe polimeri semiconductori sunt folosiţi ca mediatori sau
pentru imobilizarea unor specii care au rolul de a detecta componentul analitului.
Rezultatele experimentale au arătat că, senzorul serigrafic, DS-220AT, electrodepus
cu PANi prezintă unui răspuns bun şi o sensibilitate ridicată, chiar şi la o concentraţie
foarte scăzută de DON, în comparaţie cu senzorul serigrafic, DS-220AT simplu, care
a prezentat un răspuns mai slab la această micotoxină. Prin realizarea acestui
biosenzor, pe bază de polianilină s-a observat o creştere a sensitivităţii biosenzorului
modificat cu PANi, până la o limită a detecţiei de 10-9
M de micotoxina DON.
Aşadar, SPE DS-220AT electrodepus cu polianilină poate fi utilizat pentru aplicaţii de
detectare, chiar şi la o concentraţie scăzută a toxinelor. Ca şi în cazul de studiu 1, şi în
acest caz, senzorul serigrafic, DS-110-PANi, evidenţiază o nouă direcţie pentru
detectarea toxinelor, la o concentraţie foarte scăzută de ordinul nM. Rezultatele
experimentale au arătat că, senzorul serigrafic, DS-110-PANi, prezintă unui răspuns
electrochimic bun, în special, pe curba de reducere având o densitate de curent de -40
μA/cm2. În cazul concentraţiilor mai mari de 10
-7 M DON, răspunsul electrochimic al
senzorului scade, tinzând spre saturare (odată cu creşterea concentraţiei).
Măsurătorile efectuate (Spectroscopie Raman, FT-IR, AFM) au relevat faptul
că polimerizarea acridinei-oranj, pe suprafaţa electrodului de lucru din Au prezintă
diferite topografii şi proprietăţi. Voltametria ciclică a poliacridinei-oranj depuse pe
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-50-
senzorul serigrafic, DS-220AT, a indicat un răspuns semnificativ, pentru o
concentraţie de dopamină de 10-4
M.
Topografia AFM a dezvăluit modalitatea de împachetare a p-aminofenolului
electropolimerizat, care se prezintă sub formă de conopidă. Spectroscopia Raman şi
FT-IR au indicat gradul de polimerizare al substanţei. Voltametria ciclică pentru
senzorul serigrafic, DS-220AT modificat cu poli-p-aminofenol, a dat un răspuns bun
la o concentraţie de dopamină de 10-4
M.
S-au depus pe placuţe de Si <100>, prin polimerizare în plasmă, monomeri
simpli şi monomeri cu TiO2. Polimerii conductori simpli şi dopati cu TiO2 au fost
caracterizaţi prin spectroscopie FT-IR şi UV-VIS-NIR, microscopie de forţe atomice
şi măsurători I-V. Spectroscopia FT-IR şi UV-VIS-NIR au indicat polimerizarea
monomerilor simpli şi a monomerilor dopaţi cu TiO2. Microscopia de forţe atomice a
pus în evidenţă gradul de polimerizare al nanostructurilor. Caracteristicile, I-V, au
demonstrat că aceste nanostructuri, dopate cu TiO2, sunt folositoare în dezvoltarea de
noi biosenzori pentru detecţia de gaze.
Grafenele folosite au fost caracterizate prin spectroscopie Raman şi FT-IR,
calorimetrie diferenţială de baleiaj şi analiză termogravimetrică, microscopie de forţe
atomice, microscopie electronică de baleiaj şi voltametrie ciclică. Biosenzorii
seigrafici au fost supuşi testării, la diferite concentraţii de toxine (precum,
deoxinivalenol, zearalenone, aflatoxină), 2-PAM, fenol, metanol şi NaOH. S-a
demonstrat că, biosenzorul serigrafic cu grafene este un senzor adecvat pentru detecţia
de toxine şi substanţe toxice.
Studiile AFM au arătat că, în cazul compozitului GOx-CoTMeOPP, structura
este asemănătoare plachetelor, în timp ce, pentru GOx-ZnTPyP, structura adoptă
forma unei conopide. Spectroscopia Raman a confirmat legarea metaloporfirinelor la
GOx. Spectroscopia electrochimică de impedanţă a indicat o scădere a capacitanţei
componenţilor, în timp, datorită absorbţiei componentului gazos pe electrod. Acest
lucru sugerează existenţa unui contact electric foarte bun între electrodul metalic şi
GOx funcţionalizat. Capacitanţa ambilor senzori a scăzut, în urma expunerii la vaporii
uleiului de mentă (Mentha piperita). Această scădere a fost atribuită interacţiilor
electronice dintre grupările –COOH, ale uleiului volatil, chemisorbite pe suprafaţa
semi-conductoare, de tip p, a electrodului modificat. Timpul de răspuns al acestui tip
de senzor capacitiv este rapid.
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-51-
Bibliografie selectivă
Adler AD, Longo FR, Finarelli JD, Goldmacher J, Assour J, Korsakoff L, The
Journal of Organic Chemistry 32 (2), 476-487 (1967)
Aviezer D, Cotton S, David M, Segev A, Khaselev N, Galili N, Gross Z, Yayon A,
Cancer Research 60, 2973 (2000)
Bakker E, Malinowska E, Schiller RD, Meyerhoff ME, Talanta 41, 881-890
(1994).
Banfi S, Cassani E, Caruso E, Cazzaro M, Bioorg. Med. Chem. 11 (17), 3595-3605
(2003).
Baumbach PL, U.K. Patent No. 2073891 (1981).
Bedioui F, Devynck J, Bied-Charreton C, J. Mol. Catal. A: Chem. 113 (1-2), 3-11
(1996)
Berg HC, Random Walks in Biology, Princeton University Press, NJ, (1993).
Binnig G and Rohrer H, Rev. of Mod. Phys. 59 (3) Part 1, 615 (1987).
Boucher LJ, Coord. Chem. Rev. 7, 289 (1972).
Buchler JW, The porphyrins, D. Dolphin (Ed:), Academic, New York, Vol. 1, Part
A, Structure and Synthesis, (1978).
Castro-Neto AH, Materials Today 13 (3), 12-17 (2010).
Creţu O, Krasheninnikov AV, Rodríguez-Manzo JA, Sun L, Nieminen RM and
Banhart F, Phyical Review Letters 105 (19), 6102 (2010).
Cristescu R, Popescu C, Popescu AC, Grigorescu S, Mihailescu I N, Ciucu AA,
Iordache S, Andronie A, Stamatin I, Fagadar-Cosma E, Chrisey DB, Appl.
Surf. Sci. 257 (12), 5293-5297 (2011).
Cristescu R, Popescu C, Popescu AC, Mihailescu IN, Ciucu AA, Andronie A,
Iordache S, Stamatin I, Fagadar-Cosma E, Chrisey DB, Mater. Sci. Eng. B.-
Adv. 169 (1-3), 106-110 (2010)
Cross AD, An introduction to practical infra-red spectroscopy, (1964) Butterworth &
CO. (Publisher) Ltd. London.
Curet-Arana MC, Snurr RQ, Broadbelt LJ, Quantum chemical analysis of the
reaction pathway for styrene epoxidation catalyzed by Mn-porphyrins, in: T.
Oyama (Ed.), Mechanisms in Homogeneous and Heterogeneous Epoxidation
Catalysis, Elsevier, Amsterdam, pag. 471-486, (2008).
Dorough GD, Miller JR, Huennekens FM, J. Am. Chem.Soc. 73, 4315-4320 (1951).
Fagadar-Cosma E, Fagadar-Cosma G, Vasile M and Enache C, Current Organic
Chemistry 16, 931-941 (2012).
Fagadar-Cosma E, Cseh L, Badea V, Fagadar-Cosma G, Vlascici D, Com. Chem.
High T. Scr. 10, 466-472 (2007).
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-52-
Fagadar-Cosma E, Mirica MC, Balcu I, Bucovicean C, Cretu C, Armeanu I,
Fagadar-Cosma G, Molecules 14, 1370-1388 (2009).
Ferry JD, Viscoelastic Properties of Polymers, 3rd ed., Wiley, New York, (1980)
Fleischer EB, Inorg. Chem. 3, 493-495 (1962).
Fritz J, Cooper EB, Gaudet S, Sorger PK, Manalis SR, PNAS 99, 14142 (2002).
Ghindilis AL, Atanasov P, Wilkins M, Wilkins E, Biosens. Bioelectron. 13,113-131
(1998).
Gouterman M, The Porphyrins, D. Dolphin (Ed:), Academic, New York, Vol 111,
Part A, Physical Chemistry, (1978).
Iijima S, Nature 354, 56-58 (1991).
Iordache S, Ducu A-M, Cucu A, Andronie A, Stamatin S, Ceaus C, Popescu A,
Fagadar-Cosma E, Cristescu R, Stamatin I, Journal of Optoelectronics and
Advanced Materials 12 (9), 1946-1951 (2010)
Khorasani JH, Amini MK, Motaghi H, Tangestaninejad S, Moghadam M, Sens.
Actuators B: Chem. 87 (3), 448-456 (2002).
Kitagawa T, Ozaki Y, Infrared Raman spectra of metalloporphyrins, in: Metal
Complexes with Tetrapyrrole Ligands I, Book Series, Structure & Bond, vol.
64, Springer, (1987)
Lohse J, Dahl O, Nielsen PE, Proc. Natl. Acad. Sci (PNAS) 96,11804 (1999)
Marshall MW, Popa-Nita S, Shapter JG, Carbon 44, 1137-1141 (2006).
Nielsen LE, Landel RF, Mechanical Properties of Polymers and Composites, 2nd
ed., revised and expanded, CRC Press, Boca Raton (1994).
Nielsen LE, Mechanical Properties of Polymers, Van Nostrand Reinhold, New York,
(1965).
Odo J, Mifune M, Iwado A, Karasudani T, Hashimoto H, Motohashi N, Tanaka
Y, Saito Y, Anal. Sci. 7, 555-559 (1991).
Rosca ID, Watari F, Uo M, Akasaka T, Carbon 43 (15), 3124-3131 (2005).
Rush III TS, Kozlowski PM, Piffat CA, Kumble R, Zgierski MZ, Spiro TG, J.
Phys. Chem. B 104, 5020-5034 (2000).
Saini GSS, Spectrochim. Acta A 64, 981-986 (2006).
Sato S, Kitagawa T, Appl. Phys. B 59, 415-431 (1994).
Smith Jr. MR, Hedges SW, LaCount R, Kern D, Shah N, Huffman GP, Bockrath
B, Carbon 41 (6), 1221-1230 (2003).
Spiro TG, Li XY, Resonance Raman Spectroscopy of Metalloporphyrins, in: T.G.
Spiro (Ed.), Biological Applications of Raman Spectroscopy, vol. 3, Wiley-
Interscience, New York, (1988).
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-53-
Sun E, Shi Y, Zhang P, Zhou M, Zhang Y, Tang X, Shi T, J. Mol. Struct. 889, 28-
34 (2008).
Tatsumi K and Hoffmann R, J. Am. Chem. Soc. 103, 3328 (1981).
Vlascici D, Fagadar-Cosma E, Popa I, Chiriac V, Gil-Agusti M, Sensors 12, 8193-
8203 (2012).
Walker FA, J. Am. Chem. Soc. 92, 4235-4244 (1970).
Wang J, J. Pharm. Biomed. Anal. 19, 47-53 (1999).
West PE, Ph.D., An introduction to Atomic Force Microscopy: Teory, Practice,
Applications. (2009) - http://www.paulwestphd.com/download.html.
Wiedemann HG, Achema kongress, Frankfurt, Germany, June 26, 1964.
Zerner M and Gouterman M, Theoret. Chim. Acta 4, 44 (1966)
Wu Y, Food Chemistry 121 (2), 580-584 (2010)
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-54-
Anexă – Lista de comunicări ştiinţifice
1. S. IORDACHE, R. Cristescu, C. E. Popescu, A. Popescu, G. Dorcioman, I. N.
Mihailescu, A. A. Ciucu, A. Balan, I. Stamatin, E. Fagadar-Cosma, and D.B.
Chrisey, Novel nanostructured porphyrin conjugate thin films deposited by
MAPLE, trimis spre publicare la Applied Surface Science, 2012
2. E. Gatin, C. Luculescu, S. IORDACHE, I. Patrascu, AFM nanomicrography with
application to dental ceramics, trimis spre publicare la Particulate Science and
Technology, 2012
3. E. Gatin, E. Matei, D.A. Pirvu, B. M. Galbinasu, S. IORDACHE, Comparative
survey of the most used self-adhesive dental cements based on resin composites,
Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol. 7, No. 1, p. 207 - 215,
January - March 2012;
4. E.C. Serban, N. Banu, A.C. Marinescu, A. M. I. Trefilov, A. Andronie-Balan, S.
Stamatin, S. M. IORDACHE, A. Cucu, C. Ceaus, O. Cinteza, I. Stamatin,
Catalyst FeNi supported on nanometric mezoporous oxide for PEMFC
applications, Optoelectronics and advanced materials – Rapid communications
Vol. 5, No. 11, p. 1248 – 1251, 2011;
5. N. Banu, E.C. Serban, A. Marinescu, A. M. I. Trefilov, A. Andronie-Balan, A.
Cucu, S. Stamatin, S. IORDACHE, C. Ceaus, O. Cinteza, I. Stamatin, A.
Ciocanea, Pt supported on nanosized oxides for electrocatalyst used in Polymer
Electrolyte Fuel Cells, Optoelectronics and advanced materials – Rapid
communications Vol. 5, No. 11, p. 1186 – 1189, 2011;
6. R. Cristescu, C. Popescu, A.C. Popescu, S. Grigorescu, I.N. Mihailescu, A.A.
Ciucu, S. IORDACHE, A. Andronie, I. Stamatin, E. Fagadar-Cosma and D.B.
Chrisey, MAPLE deposition of Mn(III) metalloporphyrin thin films: Structural,
topographical and electrochemical investigations, Applied Surface Science
257(12) 5293-5297, 2011;
7. R. Cristescu, C. Popescu, A.C. Popescu, I.N. Mihailescu, A.A. Ciucu, A.
Andronie, S. IORDACHE, I. Stamatin, E. Fagadar-Cosma, D.B. Chrisey,
Functional porphyrin thin films deposited by matrix assisted pulsed laser
evaporation, Materials Science and Engineering B - Advanced Functional Solid-
State Materials 169(1-3) 106-110, 2010;
8. A. Andronie, S. Antohe, S. IORDACHE, S. Stamatin, A. Cucu, A. Ciocanea, A.
Emandi, E. Ur, I. Stamatin, Proton exchange membrane based on
polyperfluorosulfonic acid modified with sulfonamide groups, Optoelectronics
and Advanced Materials – Rapid Communications 4(11) 1807–1810, 2010;
9. A. M. I. Trefilov, A. Cucu, S. IORDACHE, E. C. Serban, N. Banu, A.
Marinescu, A. Andronie, C. Ceaus, S. Stamatin, M. Ceaus, A. Emandi, G. Nan, I.
Stamatin, Electrochemical activity of Nickel Raney nanoparticles with
applications in fuel cells, Optoelectronics and Advanced Materials – Rapid
Communications 4(11) 1733 – 1735, 2010;
10. A. Andronie, S. Antohe, S. IORDACHE, A. Cucu, S. Stamatin, A. Ciocanea, A.
Emandi, G. Nan, C. Berlic, G. A. Rimbu, I. Stamatin, Study of the conduction
mechanisms in poly-perfluoro-sulfonated membranes impregnated with intrinsic
„Biosenzori pe bază de nanostructuri carbonice funcţionalizate. Aplicaţii”
Ştefan-Marian IORDACHE
-55-
semiconducting polymers, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials,
12(11) 2288- 2295, 2010;
11. S. IORDACHE, A.-M. Ducu, A. Cucu, A. Andronie, S. Stamatin, C. Ceaus, A.
Popescu, E. Fagadar-Cosma, R. Cristescu, I. Stamatin, The characterization of
the immobilized active substrates on screen-printed electrodes designed for
response to the biochemical agents, Journal of Optoelectronics and Advanced
Materials 12(9) 1946-1951, 2010;
12. C. Cristescu, A. Andronie, S. M. IORDACHE, A. Cucu, S. Stamatin, G. Nan, I.
Taranu, L.M. Constantinescu, I. Stamatin, Detection of the neurotoxin,
deoxynivalenol, with PANi modified screen-printed electrode, Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials 12(4) 941-943, 2010;
13. S. Stamatin, A. Andronie, C. Cristescu, S.M. IORDACHE, A. Cucu, C.
Luculescu, C. Ceaus and I. Stamatin, FeNi cathalyst for polymer electrolyte fuel
cells, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 12(4) 937-940, 2010;
14. G. Nan, I. Stamatin, A. Andronie, S. IORDACHE, C. Cristescu, A. Cucu, A.
Baciu, G.A. Rimbu, Microcellular carbon from polyacrylonitrile precursors,
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 11(11) 1788-1793, 2009;
15. C. Cristescu, A. Andronie, S. IORDACHE, S. N. Stamatin, L. M.
Constantinescu, G. A Rimbu, M. Iordoc, R. Vasilescu-Mirea, I. Iordache, I.
Stamatin, PANi - TiO2 nanostructures for fuel cell and sensor applications,
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 10(11) 2985-2987, 2008;
16. G. Nan, I. Stamatin, A. Andronie, Ş. IORDACHE, N. Moşescu, Ş. Stamatin, M.
Ceauş, Microcellular Carbon from Polymer Materials Pyrolysis, Petroleum -
Gas University of Ploiesti Bulletin, Mathematics - Informatics - Physics Series,
60(2), 131-136, 2008;
Cărţi sau capitole în cărţi publicate:
1. Andronie, I. Stamatin, S. IORDACHE, A. Cucu, S. Stamatin, Glycerine
treatment of poly-perfluorosulphonic acid membrane modified by sulfonamide
groups, Chapter in, Technological innovations in sensing and detection of
chemical, biological, radiological, nuclear threats and ecological terrorism
(NATO science for peace and security series A: chemistry and biology), Eds
Ashok Vaseashta, Eric Braman, Philip Susmann, Springer, 2012