Electrochemical methods for graphene-based materials for biosensors

Tämän opinnäytetyön kirjallisuuskatsaus käy läpi tyypillisimmät grafeeniin pohjautuvat materiaalit, biosensoreihin liittyvät olennaiset perusteet sähkökemiasta, niihin soveltuvat sähkökemian metodit ja lopuksi erilaisia sovelluksia, jotka käyttävät näitä metodeita biosensoreissa. Kokeellisen osion tavoitteena oli karakterisoida EGNITE, joka on uusi grafeeniin pohjautuva materiaali. Tarkoituksena oli löytää sähkökemiallinen metodi, jonka avulla tätä uutta materiaalia voitaisiin käyttää pH-mittauksissa. EGNITE osoittautui pH-herkäksi materiaaliksi, mutta selkeän ja luotettavan metodin löytämisessä oli haasteita. EGNITE:n karakterisointi suoritettiin käyttämällä Raman spektroskopiaa, pyyhkäisy-elektronimikroskopiaa (SEM), röntgenfotonispektroskopiaa (XPS) ja syklistä voltametriaa (CV). Niiden tulokset osoittivat, että EGNITE on hyvin kapasitiivinen materiaali (41,9 – 52,2 mF/cm2) verrattaessa yksikerroksiseen grafeeniin (21 µF/cm2). Tämän lisäksi osoitettiin, että käyttämällä autoklaavia, materiaalia saatiin onnistuneesti pelkistettyä parantaen sen johtokykyä, joka myös kasvatti sen rakenteessa esiintyvien defektien konsentraatiota. Sähkökemialliset metodit, joita käytettiin pH-herkkyyden tutkimisessa, olivat CV, jännitekontrolloitu sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (PEIS), kronoamperometria (CA) ja kronometrinen jännitekontrolloitu sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (PEISW). Saadut tulokset käyttäen PEIS-menetelmää osoittautuivat kaikkein lupaavimmiksi. Niistä mittauksista saatuun dataan sovitettiin onnistuneesti ekvivalenttipiiri pH-herkkyyden tutkimiseksi. Tämän opinnäytetyön tuloksista huolimatta lisää työtä materiaalin parissa tulee tehdä, jotta toimiva ja toisinnettavissa oleva sähkökemiallinen metodi pH:n mittaamiseen löytyy. Syynä tähän on ongelmat toisinnettavuudessa ja näytteiden välisissä eroissa.The literature review of this thesis goes through the most common types of graphene-based materials, essential fundamentals of electrochemistry required for biosensing, discusses the possible electrochemical methods and finally gives examples of applications taking advantage of said methods in different types of biosensing. The goal of the experimental work presented here was to characterize a novel graphene-based material called EGNITE and find an electrochemical method for measuring pH using the material as an electrode. The material was found to be pH sensitive but finding a clear and reliable method for pH sensing was challenging. The material was characterized using Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and cyclic voltammetry. The results show very high capacitive properties (41.9 to 52.2 mF/cm2) for EGNITE in comparison to plain single-layer graphene (21 µF/cm2). They also show that an autoclaving treatment was successfully used to reduce EGNITE to increase its conductivity. However, this also increased its defect concentration. Electrochemical methods explored for the pH measurements were cyclic voltammetry, potentio electrochemical impedance spectroscopy (PEIS), chronoamperometry and PEIS-wait. PEIS measurements showed the most promise and equivalent circuit fitting was successfully used to inspect the material’s pH sensitivity. However, further work has to be done to find a reliable and reproducible pH measuring method using EGNITE. This is because of the poor reproducibility of the measurements and sample to sample variation

Nanotieteen ja -teknologian hyödyntäminen ääreishermostollisessa ylemmän raajan neuroprostetiikassa

Tämä kirjallisuuskatsaus pyrkii luomaan realistisen kuvan tämän hetkisestä neuroprostetiikan alasta ja sen tulevaisuudesta, perehtymään alan ongelmiin, luomaan yhteyden nanoteknologian ja neuroprostetiikan välille ja miettimään miten ja mitä neuroprostetiikan ongelmia voitaisiin ratkaista nanoteknologialla. Suurin ongelma intuitiivisen hallinnan ja sitä kautta luonnollisen tuntuisen keinotekoisen käden saavuttamiseksi on ihmisen ja proteesin välisen yhteyden rajapinta. Nykyiset elektrodit, joilla yhteys muodostetaan ovat hermoston rakenteeseen suhteutettuna suuria ja todellisuudessa epäspesifejä. Nanoteknologian avulla käytettävien elektrodien kokoa voitaisiin pienentää, rakennetta joustavoittaa ja päästä bioyhteensopivuudessa uudelle tasolle

Laser-induced tuning of graphene field-effect transistors for pH sensing

Here we demonstrate, using pulsed femtosecond laser-induced two-photon oxidation (2PO), a novel method of locally tuning the sensitivity of solution gated graphene field-effect transistors (GFETs) without sacrificing the integrity of the carbon network of chemical vapor deposition (CVD) grown graphene. The achieved sensitivity with 2PO was (25 ± 2) mV pH−1 in BIS-TRIS propane HCl (BTPH) buffer solution, when the oxidation level corresponded to the Raman peak intensity ratio I(D)/I(G) of 3.58. Sensitivity of non-oxidized, residual PMMA contaminated GFETs was 20–22 mV pH−1. The sensitivity decreased initially by 2PO to (19 ± 2) mV pH−1 (I(D)/I(G) = 0.64), presumably due to PMMA residue removal by laser irradiation. 2PO results in local control of functionalization of the CVD-grown graphene with oxygen-containing chemical groups enhancing the performance of the GFET devices. The GFET devices were made HDMI compatible to enable easy coupling with external devices for enhancing their applicability.peerReviewe

Tuning protein adsorption on graphene surfaces via laser-induced oxidation

An approach for controlled protein immobilization on laser-induced two-photon (2P) oxidation patterned graphene oxide (GO) surfaces is described. Selected proteins, horseradish peroxidase (HRP) and biotinylated bovine serum albumin (b-BSA) were successfully immobilized on oxidized graphene surfaces, via non-covalent interactions, by immersion of graphene-coated microchips in the protein solution. The effects of laser pulse energy, irradiation time, protein concentration and duration of incubation on the topography of immobilized proteins and consequent defects upon the lattice of graphene were systemically studied by atomic force microscopy (AFM) and Raman spectroscopy. AFM and fluorescence microscopy confirmed the selective aggregation of protein molecules towards the irradiated areas. In addition, the attachment of b-BSA was detected by a reaction with fluorescently labelled avidin-fluorescein isothiocyanate (Av-FITC). In contrast to chemically oxidized graphene, laser-induced oxidation introduces the capability for localization on oxidized areas and tunability of the levels of oxidation, resulting in controlled guidance of proteins by light over graphene surfaces and progressing towards graphene microchips suitable for biomedical applications.peerReviewe