Electrochemical methods for graphene-based materials for biosensors

Abstract

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.