En enkel metod utvecklad på KAUST använder laserstrålar för att skapa grafenelektroder som har bättre prestanda än de som produceras med äldre metoder.

Elektroder som består av grafen, en atypisk form av kol, kan förändra hur elektroaktiva ämnen detekteras och mäts inom många områden, från livsmedelssäkerhet och klinisk diagnos till miljöövervakning.

Grafen består av flera ultratunna och välordnade ark av sammankopplade bikakeformade ringar av kolatomer. Denna flerskiktiga arkitektur ger materialet exceptionella elektroniska egenskaper, speciellt elektrisk ledningsförmåga och elektrokatalytisk aktivitet, samt fysiska egenskaper som är användbara för att göra elektrokemiska sensorer.

Vanligtvis, grafenelektroder framställs genom att man drar av enskilda ark från grafit eller avsätter en reaktiv gasformig blandning av prekursorer på ett substrat. Dock, dessa tillvägagångssätt innebär tidskrävande, flerstegssyntes- och isoleringsprocesser; plus, de kämpar för att kontrollera stapling och oxidation av arken.

För att förbättra tekniskt utmanande och dyra metoder, forskare från Khaled Salamas labb, i samarbete med andra, utvecklat en enkel och skalbar metod som omvandlar polymer- eller kolprekursorfilmer till grafenelektroder med hjälp av en laserstråle. Denna maskfria metod ger enhetlig, tredimensionella flerskiktselektroder som kombinerar hög porositet och ytarea, nödvändiga för nästa generations elektrokemiska sensor- och biosensorplattformar.

Salamas team och samarbetspartners från Hassan II University of Casablanca, Marocko, inkorporerade laserhärledda grafenelektroder (LDG) i avkänningsplattformar för viktiga källor till antioxidanter som kallas fenolföreningar och relaterade elektroaktiva biomolekyler.

Alla testade föreningar visade högre elektrokatalytisk aktivitet på grafenbaserade plattformar än på konventionella system som använder kolelektroder.

"De grafenbaserade plattformarna visade utmärkta prestanda för att detektera paracetamol, en vanlig drog, " säger Abdellatif Ait Lahcen, en postdoc från Salamas Lab. De särskiljde också paracetamol i en kommersiellt tillgänglig tablett som kombinerar läkemedlet med antioxidanten askorbinsyra, som ofta ger störningar i typiska elektrokemiska analyser.

En utvärdering av det elektrokemiska beteendet hos en uppsättning hormoner och neurotransmittorer som kallas katekolaminer gav också insikt i mekanismerna för oxidations-reduktionsreaktioner av dessa föreningar.

Det finns många tillvägagångssätt för elektrodmodifiering som kan öka sensorprestanda. Biologiska receptorer, såsom enzymer, nukleinsyror och antikroppar, tillhandahålla målspecifika sensorer, men de kräver komplexa ytimmobiliseringstekniker.

Potentiella alternativ dyker upp för dessa naturliga receptorer. Syntetiska polymerer som kallas molecularly imprinted polymers (MIPs) är hållbara och lätta att förbereda. KAUST-forskare planerar att optimera tillverkningen av sensorerna och utöka deras tillämpningar till andra biomolekyler och sjukdomsbiomarkörer. "Vi utvecklar MIP-modifierade biomimetiska sensorer för tidig upptäckt av biomarkörer för bröstcancer, " säger Ait Lahcen.

Forskarna modifierade LDG-elektroder med MIPs för att tillverka en billig sensor för detektering av bisfenol A (BPA) i vatten- och plastprover. Modifieringen involverade syntetisering av polypyrrol under applicerad spänning i närvaro av BPA-molekyler, som fungerade som mallar och lämnade avtryck i polymeren när den togs bort. Sensorn visade högre känslighet och selektivitet mot BPA än liknande ämnen, såsom östradiol, epinefrin och bisfenol F.

"Att kombinera LDG-elektroder med MIP kommer att leda till nya mycket känsliga och selektiva elektrokemiska sensorer, " säger Tutku Beduk, en Ph.D. student från Salamas labb.

Salama tror att dessa MIP-baserade sensorer kommer att hjälpa till att säkerställa att vattnet förblir rent, ren och toxinfri.