Digitalni repozitorijum
Univerziteta u Beogradu
{{ mc.sd.lang | uppercase }}
Fizičkohemijska karakterizacija heterostruktura dvodimenzionalnih materijala (grafen, volframdisulfid) i bioloških molekula (cistein, 1,2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoholin) : doktorska disertacija
Vujin, Jasna, 1984-
Gavrilov, Nemanja, 1981-
Panajotović, Radmila, 1964-
Pašti, Igor, 1984-
Milošević, Ivana, 1978-
Dobrota, Ana, 1990-
In modern research aimed at designing economical, simple, highly sensitive, and highlyselective biosensors for detection, identification, and/or quantification of (bio)chemical compounds,significant attention has been devoted to the development and characterization of bioreceptors andtransducers as the fundamental functional parts of biosensors. Two-dimensional (2D) materials suchas graphene and tungsten-disulfide (WS2), due to their unique physical and chemical properties,represent potential candidates as active platforms serving as transducers.Understanding of the interaction at the biological molecule/2D material interface formed byheterostructures from a molecular perspective gives the basis for their application and creation ofbiosensors with desired characteristics. Therefore, the investigation of chemical and physicalchanges in graphene and WS2 films resulting from the deposition of aqueous solutions of cysteineand 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) lipids represents the objective of thisresearch. Through the use of physicochemical characterization techniques such as optical andscanning electron microscopy, atomic force microscopy, UV/VIS spectroscopy, Ramanspectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy, the study was conducted in three segments.The first part includes the physicochemical characterization of liquid-exfoliated grapheneand WS2 films formed at air/water and respectively toluene/water interface and their transfer ontoselected substrates using Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer deposition methods.Furthermore, emphasis was placed on investigating the influence of water molecules on the filmsurfaces, considering water is one of the components of the interface and that 2D-materials films areprepared in ambient conditions. The results indicate that simple and cost-effective preparationtechniques for graphene and WS2 films enable reproducibility in obtaining thin, homogeneous,compact, and highly transparent films with nanosheets structure, where edge defects serve aspreferential sites for adsorption of water molecules. The formation of oxygen groups and thephysisorption of H2O molecules lead to p-doping of graphene films, while in the case of WS2 film,in addition to expected physisorption of water molecules the WO3, WO3-x, and WO3·nH2O speciesare formed.The second and third parts of the doctoral thesis are related to the preparation ofheterostructures of biological molecules/2D materials and the investigation of their chemical andphysical properties. Using the drop-casting method, solutions of cysteine and DPPC lipid dispersionwere used to form four heterostructures: cysteine/graphene film, cysteine/WS2 film,DPPC/graphene film, and DPPC/WS2 film. Analysis of the morphological properties of theheterostructures revealed that the drop-casting method achieves complete coverage of graphene andWS2 film surfaces in a simple and efficient manner, resulting in the formation of thin layers ofbiological molecules, but with the inevitable process of their agglomeration.During the formation of heterostructures with cysteine, a noticeable intense interaction ofthe thiol group with graphene and WS2 film is observed. This interaction directly affects theconformational changes of the biological molecule, with trans rotamers predominantly appearing onthe surface of graphene films and gauche rotamers on the surface of WS2 films. The physisorptionof cysteine on the film surface results in the breaking of SH···O hydrogen bonds, enabling theinteraction of graphene with carboxyl group and the formation of SH···S hydrogen bonds.Conversely, in WS2 films, the interaction with amino groups becomes significantly pronounced.In the case of heterostructures with DPPC molecules, there is a preference for the interactionof graphene and WS2 films with specific parts of the lipid, which can be attributed to the chemicalproperties of the 2D-materials and the surface of the films defined by the self-assembly ofnanosheets. The interaction of graphene with the hydrophobic part of the DPPC molecule occurs viavan der Waals forces, with lipids on the film surface adopting a dominant trans conformation. Thisinteraction leads to the p-doping of graphene, where the contribution of water molecules to thiseffect needs to be considered. On the other hand, the interaction of WS2 film is established with thehydrophilic part of DPPC molecule through the formation of a chemical bond with the tungstenatom. These interactions result in changes in the chemical and electron structures of the films,enabling their use for the detection of phospholipids. Additionally, heterostructures can serve asactive components for selective detection of other biological molecules, depending on their bindingaffinity toward the hydrophilic or hydrophobic part of the lipid that remains exposed in reaction tographene or WS2 film
U savremenim istraživanjima čiji je cilj dizajniranje ekonomičnih, jednostavnih,visoko-osetljivih i izrazito selektivnih biosenzora za detekciju, identifikaciju i/ili kvantifikaciju(bio)hemijskih jedinjenja, posvećena je ogromna pažnja razvoju i karakterizaciji bioreceptora ipretvarača kao osnovnih funkcionalnih delova biosenzora. Dvodimenzionalni (2D) materijali, kaošto su grafen i volfram-disulfid (WS2), zbog svojih jedinstvenih fizičkih i hemijskih svojstava,predstavljaju potencijalne kandidate za aktivne podloge koje imaju ulogu pretvarača.Razumevanje interakcije na međufaznoj granici biološki molekul/2D-materijal formiranihheterostuktura, sa molekulskog stanovišta, čini osnovu za njihovu primenu i kreiranje biosenzoraželjenih karakteristika. Stoga, ispitivanje hemijskih i fizičkih promena grafenskih i WS2 filmovanastalih usled deponovanja vodenih rastvora cisteina i 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoholin(DPPC) lipida predstavlja cilj ovog istraživanja. Primenom fizičkohemijskih metoda karakterizacijekao što su optička i skenirajuća elektronska mikroskopija, mikroskopija na bazi atomskih sila,UV/VIS spektroskopija, Ramanska spektroskopija, fotoelektronska spektroskopija X-zracima,izvedeno je istraživanje u tri segmenta.Prvi deo obuhvata fizičkohemijsku karakterizaciju tečno eksfoliranih grafenskih i WS2filmova formiranih na međufaznoj granici vazduh/voda, odnosno toluen/voda, i njihov transfer naodabrane supstrate primenom Langmir-Blodžet i Langmir-Šefer depozicione metode. S obzirom daje voda jedna od komponenata međufazne granice i da se filmovi 2D-materijala pripremaju uambijentalnim uslovima, akcenat je stavljen na ispitivanje uticaja prisustva molekula vode napovršinu filmova. Rezultati ukazuju da jednostavne i ekonomski isplative tehnike pripremegrafenskih i WS2 filmova omogućavaju reproducibilnost u dobijanju tankih, homogenih,kompaktnih i izrazito transparentnih filmova ljuspičaste strukture kod kojih su ivični defektipreferencijalna mesta za adsorpciju molekula vode. Usled formiranja kiseoničnih grupa ifizisorpcije molekula H2O, dolazi do p-dopiranja grafenskih filmova, dok se kod WS2 filma poredočekivane fizisorpcije molekula vode formiraju i WO3, WO3-x i WO3·nH2O vrste.Drugi i treći deo doktorskog rada odnose se na pripremu heterostrukturabiološki molekul/2D-materijala i ispitivanje njihovih hemijskih i fizičkih svojstava. Metodomnakapavanja rastvora cisteina i DPPC lipidne disperzije formirane su četiri heterostrukture:cistein/grafenski film, cistein/WS2 film, DPPC/grafenski film, DPPC/WS2 film. Analizommorfoloških osobina heterostruktura utvrđeno je da se metodom nakapavanja na jednostavan i vrloefikasan način postiže potpuna pokrivenost površina grafenskih i WS2 filmova formiranjem tankihslojeva bioloških molekula, ali uz neizostavni proces njihove aglomeracije.Prilikom formiranja heterostruktura sa cisteinom, primetna je intenzivna interakcija tiolnegrupe sa grafenskim i WS2 filmom. Ova interakcija direktno utiče na konformacione promenebiološkog molekula, pri čemu se trans rotameri dominantno javljaju na površini grafenskih filmovaa gauche na površini WS2 filmova. Fizisorpcija cisteina na površini filmova ima za posledicuraskidanje SH···O vodoničnih veza čime je omogućena interakcija grafena sa karboksilnom grupomi formiranje SH···S vodoničnih veza. S druge strane, kod WS2 filmova interakcija sa amino grupompostaje znatno izraženija.Kod heterostruktura sa DPPC molekulima dolazi do favorizovanja interakcija grafenskihodnosno WS2 filmova sa određenim delom lipida, što se može smatrati posledicom hemijskihosobina 2D-materijala, ali i površine filmova koje su definisane samoorganizacijom nanoljuspica.Interakcija grafena sa hidrofobnim delom DPPC molekula ostvaruje se putem van der Waals-ovihsila, pri čemu lipidi na površini filma zauzimaju trans konformaciju kao dominantnu. Ovainterakcija dovodi do p-dopiranja grafena, s tim što je doprinos molekula vode ovom efektuneophodno uzeti u obzir. Sa druge strane, interakcija WS2 filma se ostvaruje sa hidrofilnim delomDPPC molekula uspostavljanjem hemijske veze sa atomom volframa. Ove interakcije imaju zaposledicu promene u hemijskoj i elektronskoj strukturi filmova, omogućavajući time njihovuupotrebu za detekciju fosfolipida. Takođe, heterostrukture mogu poslužiti kao aktivne komponenteza selektivnu detekciju drugih bioloških molekula zavisno od njihovog afiniteta vezivanja premahidrofilnom ili hidrofobnom delu lipida koji ostaje izuzet u reakciji sa grafenskim odnosno WS2filmom.
Fizička hemija - Fizička hemija materijala / Physical Chemistry - Physical Chemistry of materials Datum odbrane: 26.09.2023.
srpski
2023
Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-SA 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Deliti pod istim uslovima 3.0 Austria License.
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/at/legalcode
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Fizička hemija čvrstog stanja, tečnosti i gasova
thin films, graphene, WS2, cysteine, DPPC, liquid-phase exfoliation
OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Fizička hemija čvrstog stanja, tečnosti i gasova
tanki filmovi, grafen, WS2, cistein, DPPC, eksfolijacija iz tečne faze
132296713
9459