Nanotechnologie pro elektrody a bioelektrody

Abstract

Habilitační práce shrnuje hlavní výsledky výzkumu integrace nanotechnologií, biotechnologie a elektrochemie. Ty jsou rozděleny do třech hlavních oblastí, tj. nanotechnologie pro biopalivové články, nanotechnologie pro afinitní biosenzory a nanotechnologie pro elektrochemické senzory a elektrokatalyzátory bez biologické složky. Každé oblasti je věnována samostatná kapitola práce. V první oblasti se výzkum zaměřil primárně na nanomateriály vhodné pro fyzisorpci enzymů bilirubin oxidázy a fruktóza dehydrogenázy. Za tímto účelem byl testován chitosan jako disperzní činidlo a stabilizační matrice pro uhlíkové nanočástice (saze) místo běžněji využívaného polyvinylidenfluoridu. V chitosanové matrici bylo nutné zvýšit vodivost integrací uhlíkových nanotrubiček, což ale nebylo nutné v dalším testovaném disperzním činidle – poly(mléčné kyselině). Samostatné publikace pak byly věnovány popisu elektronové výměny mezi aktivními místy bilirubin oxidázy a elektrodou, přičemž bylo zjištěno, že imobilizační matrice sestávající z chitosanu a v něm dispergovaných uhlíkových nanotrubiček a sazí má výborné vlastnosti právě pro tento typ experimentů, neboť poskytuje unikátní elektronový transfer mezi všemi aktivními místy bilirubin oxidázy a elektrodou. Dalším testovaným nanomateriálem byl oxid grafenu, který se ukázal jako výborný substrát pro nekovalentní imobilizaci bilirubin oxidázy. Navíc bylo možné provést jeho elektrochemickou redukci za účelem zvýšení vodivosti rozhraní, aniž by došlo ke ztrátě aktivity nasorbovaného enzymu. V dalších experimentech byly bakterie Gluconobacter oxydans integrovány s různými typy uhlíkových nanomateriálů (sférické nanočástice, uhlíkové nanotrubičky, grafitové nanočástice…) pomocí ultrazvukové lázně. Tímto způsobem bylo dosaženo efektivnější elektronové výměny (pouze zprostředkované, nikoliv přímé) mezi periplasmatickými enzymy bakterií a povrchem elektrody, což bylo využito pro konstrukci citlivého mikrobiálního biosenzoru monitorujícího modelovou fermentaci bez nutnosti upravovat odebrané vzorky. V oblasti afinitních biosenzorů byly především studovány možnosti imobilizace lektinu konkanavalin A na povrch modifikovaný oxidem grafenu. Toho bylo dosaženo pomocí aktivace karboxylů oxidu grafenu karbodiimidy, které reakcí s aminy proteinové struktury imobilizují lektin vznikem amidové vazby. Dále byla zkoumána imobilizace konkanavalinu A na redukovaný grafenový oxid modifikovaný thioninem, na nějž byla proteinová struktura lektinu kovalentně navázána síťovacím činidlem glutaraldehydem. V obou případech byl sestrojen lektinový biosenzor schopný selektivní detekce glykosylované invertázy. V rámci dalších studií byly pak připravovány povrchy funkcionalizované pomocí karboxybetainových derivátů kyseliny lipoové tak, aby bylo možné nastavit jejich vlastnosti (hydrofobnost/hydrofilnost, povrchový náboj…). Toho je možné využít např. při cíleném uvolňování DNA či zlatých nanočástic, navíc bylo zjištěno, že aplikací thioninu lze zvýšit elektrochemickou odezvu na DNA nasorbovanou na připravený funkcionalizovaný povrch. Třetí oblast výzkumu zahrnuje charakterizaci platinových nanočástic syntetizovaných na povrchu vrstveného karbidu titanu „MXenu“. Syntéza těchto nanočástic probíhá i spontánně díky redukčnímu potenciálu atomů Ti ve struktuře MXenu, je tedy možné vyhnout se použití redukčních činidel. Syntetizovaný nanomateriál byl testován jako katalyzátor elektrochemické redukce H+, tedy produkce vodíku, což má význam např. při udržitelné výrobě/skladování elektrické energie. Dále byly podobným způsobem syntetizovány a charakterizovány stříbrné nanočástice na povrchu MXenu a na povrchu nanočástic oxidu grafenu. Oba typy nanomateriálu byly opět syntetizovány bez přídavků redukčních činidel, za laboratorní teploty. Byly pak použity pro přípravu elektrochemických senzorů chloridů a herbicidu metazachloru. Dále byla testována modifikace elektrod hydrogely připravenými termálním síťováním derivátů celulózy kyselinou citronovou. Tento velmi jednoduchý postup vedl k přípravě elektrochemických senzorů těžkých kovů, což je dáno především přítomností vazebných míst (karboxyly z kyseliny citrónové či hydroxyly z derivátů celulózy) pro kationty. Takto modifikované povrchy navíc v určitých případech vykazovaly významný posun elektrochemických vlastností v závislosti na pH roztoku. Poslední kapitola pak shrnuje dosažené výsledky a jejich kontext v oblasti environmentální chemie a inženýrství.