Vývoj elektrochemických senzorů na bázi ceru pro detekci bio molekul

Nanostrukturovaný oxid ceričitý je velmi univerzální materiál: používá se v katalytických aplikacích pro výfukové plyny automobilů, pro protirakovinovou léčbu, v palivových článcích a pro jiné účely. Hodně prací se zabývá studiem oxidů pro použití v modelových biosenzorech, zejména TiO₂, ale mnohem méně pozornosti je v tomto směru věnováno oxidu ceru. Toto omezené množství studií zabývajících se aplikací CeO₂ v senzorových systémech je zaměřeno hlavně na imobilizaci enzymu na povrchu, který funguje jako prostředník v detekčním schématu. V práci (Kosto et al., 2019 DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.205) jsme nedávno ukázali, že oxidu ceru může být použit bez enzymů jako elektrodový materiál pro elektrochemickou detekci a kvantifikaci peroxidu vodíku, který je produkován v organismech ve velmi nízké koncentraci a i tak způsobuje oxidační poškození. Nanostrukturovaný oxid ceru byl použit jako materiál elektrody a vykazoval detekční limit pod 5 μM pro peroxidu vodíku ve fyziologickém roztoku. Z jednoduchosti použitého systému na bázi oxidu ceru vyplývá, že existuje mnoho prostoru pro vývoj, například dopováním jinými atomy nebo nanočásticemi.

V rámci této práce budou připraveny modelové elektrochemické senzory s využitím oxidu ceru a bude testována jejich schopnost detekovat glukózu a močovinu, dvě klíčové molekuly v bioanalýze. Při prováděných studií se budou kombinovat elektrochemická měření s povrchovou analýzou na optické dráze MSB (Material Science Beamline) synchrotronu Elettra v Terstu. Glukóza nebo močovina se rozpustí ve fosfátovém pufrovém roztoku; elektrodový materiál bude vystaven roztoku v dusíkové atmosféře, usušen a přenesen do vakua. Vzorky budou analyzovány technikami fotoemisní spektroskopie (XPS, RPES, SRPES, NEXAFS), aby se určilo, zda se molekuly váží na povrch i v nepřítomnosti elektrochemického potenciálu, a pokud ano, bude studována povaha vzniklé vazby.

Paralelně budou prováděna elektrochemická měření pro stanovení detekčních limitů a linearity odezvy. Poté budou vybrány vhodné elektrochemické úpravy a připravené vzorky budou analyzovány v laboratoři Near Ambient Pressure XPS na KFPP, MFF UK, Praha. Jejich charakterizace bude provedena nejdříve ve vakuu, dále za zvýšeného tlaku vody, aby se stanovil účinek vody na adsorpci cílových molekul. Na základě získaných výsledků budou provedeny experimenty s cílem zvýšit/zlepšit výkonnost senzorů (detekční limit, linearita, stabilita) například funkcionalizací povrchu nanostrukturami.

Literatura

1. Operando Research in Heterogeneous Catalysis, J. Frenken, I. Groot (Eds.), Springer International Publishing AG, Leiden, Netherlands, 2017, ISBN: 978-3-319-44439-0.
2. Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy, D. Briggs, J. T. Grant, IMPublications, Chichester, UK and SurfaceSpectra, Manchester, UK, 2003, ISBN: 1‐901019‐04‐7.
3. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, London, UK , 2002, ISBN: 978-1-86094-299-0.