DEVELOPMENT OF NANOTECHNOLOGY FOR MEDICAL SENSOR APPLICATIONS

Abstract

A novel composite material of copper (I) oxide at manganese (IV) oxide (Cu2O@MnO2), was synthesized and applied for modification on the glassy carbon electrode (GCE) surface (Cu2O@MnO2/GCE) as a hydrogen peroxide (H2O2) sensor. The composite material was characterized regarding its structural and morphological properties using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The Cu2O@MnO2/GCE showed an excellent electrocatalytic response to the oxidation of H2O2 which provided a 0.56 s-1 charge transfer rate constant, 1.65 x 10-5 cm2 s-1 diffusion coefficient value, 0.12 mm2 electroactive surface area and 1.04 x 10-8 mol cm-2 surface concentration. At the optimal condition, the constructed sensor exhibited a wide linear range from 0.5 µM to 20 mM with a low limit of detection of 63 nM. (S/N = 3) and a good sensitivity of 256.33 µA mM-1 cm-2. It also presented high stability (± 15.00%, n=100), repeatability (1.25% RSD, n=10) and reproducibility (3.55% RSD, n=10). The results indicated that the synthesized Cu2O@MnO2 was successfully used as a new platform for H2O2 sensing.

A novel metal composite material based on zirconium dioxide coated gold nanoparticles (ZrO2@AuNPs), copper (I) oxide at manganese (IV) oxide (Cu2O@MnO2) and immobilized choline oxidase (Cox) onto a glassy carbon electrode (GCE) (Cox/Cu2O@MnO2/ZrO2@AuNPs/GCE) has been developed for enhancing the electrocatalytic property, sensitivity and stability of the amperometric choline biosensor. The Cox/Cu2O@MnO2/ZrO2@AuNPs/GCE displayed an excellent electrocatalytic response to the oxidation of the byproduct H2O2 from the choline catalyzed reaction, which exhibited charge transfer rate constant of 0.97 s-1, diffusion coefficient value 4.50×10-6 cm2 s-1, electroactive surface area 0.24 mm2 and surface concentration 0.54×10-8 mol cm-2. The modified electrode also provided a wide linear range of choline concentration from 0.5 to 1,000.0 μM with good sensitivity (97.4 μA cm-2 mM-1) and low detection limit (0.3 μM). This choline biosensor presented high repeatability (%RSD = 2.90, n = 5), excellent reproducibility (%RSD = 2.90, n = 5), long time usage (n = 28 with %I > 50.0%) and good selectivity without interfering effects from possible electroactive species such as ascorbic acid, aspirin, amoxicillin, caffeine, dopamine glucose, sucrose and uric acid. This optimal method was successfully applied for choline measurement in human blood samples which demonstrated highly accurate and excellent reliability in the recovery range from 97.10 to 103.90%.

คอปเปอร์ (I) ออกไซด์แอทแมงกานีส (IV) ออกไซด์ เป็นวัสดุใหม่ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นและถูกนำไปใช้สำหรับดัดแปลงลงบนพื้นผิวหน้าขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอน เพื่อใช้เป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เซนเซอร์ วัสดุคอมโพสิตนี้ถูกศึกษาโครงสร้างและลักษณะทางสัณฐานวิทยาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เทคนิคการกระจายพลังงานของรังสีเอกซ์ เทคนิควิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ และฟูเรียทรานฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี คอปเปอร์ (I) ออกไซด์แอทแมงกานีส (IV) ออกไซด์แสดงการตอบสนองทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมต่อปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของไฮโครเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งให้ค่าคงที่อัตราการแลกเปลี่ยนประจุเท่ากับ 0.56 ต่อวินาที ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย 1.65 x 10-5 ตารางเซนติเมตรต่อวินาที พื้นที่ผิวของการเกิดปฎิกิริยา 0.12 ตารางมิลลิเมตร และความเข้มข้นพื้นผิวปกคลุม 1.04 x 10-8 โมลต่อตารางเซนติเมตร ในสภาวะที่เหมาะสมเซ็นเซอร์ที่สร้างขึ้นจะได้ช่วงความเป็นเส้นตรงตั้งแต่ 0.5 ไมโครโมลาร์ ถึง 20 มิลลิโมลาร์ โดยมีขีดจำกัดการตรวจวัดที่ต่ำ 63 นาโนโมลาร์ (3 เท่าของกระแสพื้น) และความไวที่ดี 256.33 ไมโครแอมแปร์ต่อมิลลิโมลาร์ต่อตารางเซนติเมตร นอกจากนี้ยังมีความเสถียรสูง (± 15%, n = 100) ความสามารถในการตรวจวัดซ้ำ (1.25% RSD, n=10) และความสามารถในการผลิตซ้ำ (3.55% RSD, n = 10) ผลการวิจัยพบว่าคอปเปอร์ (I) ออกไซด์แอทแมงกานีส (IV) ออกไซด์ เป็นแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการตรวจวัดไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

วัสดุโลหะคอมโพสิตเซอร์โคเนียมเคลือบอนุภาคทองนาโนพาทิเคิล คอปเปอร์(I)ออกไซด์ แอทแมงกานีส (IV) ออกไซด์ และตรึงโคลีนออกซิเดสลงบนขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอน (Cox/Cu2O@MnO2/ZrO2@AuNPs/GCE) ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการเร่งปฎิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า สภาพความไวและสเถียรภาพของแอมเปอร์โรเมทริกโคลีนไบโอเซนเซอร์ ขั้วไฟฟ้าที่ปรับปรุงแสดงการตอบสนองทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมต่อการเกิดปฎิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของโคลีน ซึ่งค่าอัตราค่าคงที่การแลกเปลี่ยนประจุเท่ากับ 0.97 ต่อวินาที, ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่เท่ากับ 4.50 × 10-6 ตารางเซนติเมตรต่อวินาที, พื้นที่ผิวขั้วไฟฟ้าไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยา 0.24 ตารางมิลลิเมตร และความเข้มข้นที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้า 0.54 × 10-8 โมลต่อตารางเซนติเมตร ขั้วไฟฟ้าที่ได้รับการปรับปรุงสามารถตรวจวัดโคลีนได้ในช่วงความเป็นเส้นตรง 0.5 ถึง 1000 ไมโครโมลาร์ มีสภาพความไว 97.4 ไมโครแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตรต่อมิลลิโมลาร์ และขีดจำกัดการตรวจวัดที่ต่ำ (0.3 ไมโครโมลาร์) โคลีนไบโอเซนเซอร์แสดงให้เห็นค่าการตรวจวัดซ้ำทีมีประสิทธิภาพสูง (%RSD = 2.90, n = 5), การผลิตซ้ำที่ดีเยียม (%RSD = 2.90, n = 5) สามาถใช้งานได้หลายครั้ง (n = 28 with %I > 50.00%) และมีความจำเพาะ ไม่ถูกรบกวนจากจากสารที่มีผลทางไฟฟ้าเช่น กรดแอสคอร์บิค แอสไพริน อะมอกซีซิลิน คาแฟอีน โดปามีน กลูโคส ซูโครส และกรดยูริก วิธีการที่ดีที่สุดนี้ถูกนำไปใช้ในการตรวจวัดโคลีนในตัวอย่างเลือดมนุษย์ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำและความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยมในช่วงการกลับคืน 97.1 ถึง 103.90%