Nanotechnologie pro elektrody a bioelektrody

Filip, Jaroslav

Publikace:
Nanotechnologie pro elektrody a bioelektrody

Habilitační práceopen access

dc.contributor.author	Filip, Jaroslav
dc.contributor.referee	Navrátil, Tomáš
dc.contributor.referee	Kubal, Martin
dc.contributor.referee	Obruča, Stanislav
dc.date.accessioned	2024-12-20T10:05:16Z
dc.date.issued	2024
dc.description.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.	cze
dc.description.abstract-translated	The habilitation thesis introduces main results of the author’s research on integration of nanotechnology, biotechnology and electrochemistry. The results are divided into three main parts, namely nanotechnology for biofuel cells, nanotechnology for affinity biosensors and nanotechnology for electrochemical sensors without the biological component. Each one is discussed in the separate chapter. The first research area is focused mainly to nanomaterials suitable for physisorption of enzymes bilirubin oxidase and fructose dehydrogenase. To achieve this, carbon black was dispersed in chitosan, as an alternative to more commonly employed poly(vinylidene fluoride). It was necessary to increase the conductivity of such matrix by integration of carbon nanotubes. Interestingly, when poly(lactic acid) was employed as another alternative dispersing agent, such amelioration was not needed. Furthermore, the nature of electron exchange between active sites of bilirubin oxidase was investigated in other papers with finding that chitosan matrix with integrated carbon black and bilirubin oxidase is more than suitable for such types of investigation, because it provides unique electron transfer between all three active sites of bilirubin oxidase and the electrode surface. Graphene oxide was another nanomaterial found to provide excellent properties for of physisorption of bilirubin oxidase. In addition, it could be electrochemically reduced without losing the activity of bilirubin oxidase adsorbed on its surface. Other experiments were focused on integration of bacteria Gluconobacter oxydans cells with diverse types of carbonaceous nanomaterials (spherical carbon nanoparticles, carbon nanotubes, graphite nanoplatelets…) using simple ultrasound treatment. Such treatment led to more efficient electron exchange (mediated electron transfer, not the direct one) between the bacterial periplasmic enzymes and the electrode surface allowing for fabrication of sensitive microbial biosensor for monitoring of model fermentation, without a need for sample pretreatment. The affinity biosensors research was mainly aimed to an immobilization of lectin concanavalin A on the graphene oxide-modified surface. It was achieved by activation of graphene oxide’s carboxyls by carbodiimides which tether lectins by formation of amide bonds with the anime groups of protein structure. Next study was focused to concanavalin A immobilization to the reduced graphene oxide surface, grafted by thionine. Both lectin’s and thionine’s amine groups reacts with crosslinking agent glutaraldehyde, forming strong covalent bond. In both cases, lectin biosensor was developed, capable to selectively determine glycosylated invertase. Other experiments were devoted to preparation and characterisation of surfaces modified by carboxybetain derivatives of lipoic acid with adjustable properties (hydrophobicity/hydrophilicity, surface charge…). It can be employed for controlled release of DNA or other molecules. Furthermore, the integration of thionine into the prepared modified surface increased the electrochemical response of the surface towards the adsorption of DNA. The third research area includes preparation of platinum nanoparticles on the surface of layered titanium carbide “MXene”. Synthesis of the nanoparticles was found to occur spontaneously because of the reducing potential of Ti atoms in the MXene structure, hence there is no need to use additional reducing agents. The prepared nanomaterial was employed as a catalyst of electrochemical reduction of H+, that is, hydrogen evolution reaction important, for example, for sustainable energy storage/generation. In a similar way, silver nanoparticles were synthesized on the surface of MXene and graphene oxide nanosheets. Both types of nanomaterials could be also prepared by spontaneous reaction, without the additional reducing agents, at room temperature. These nanomaterials were employed for preparation of electrochemical sensors of chlorides and of herbicide metazachlor. Further, modification of electrode surfaces by hydrogels prepared by thermal crosslinking of cellulose derivatives by citric acid was investigated. This simple method has been employed for fabrication of electrochemical sensors of heavy metals taking advantage of number of binding sites (citric acid’s carboxyls, cellulose derivatives’ hydroxyls…) for cations. Furthermore, electrodes coated by these hydrogels exhibited significant shift in electrochemical properties (surface charge resistance) with a varied pH of the surrounding electrolyte. The last chapter summarizes the results and their context in the environmental chemistry and engineering.	eng
dc.description.department	Fakulta chemicko-technologická	cze
dc.format	74 s. + přílohy
dc.identifier	Univerzitní knihovna (studovna)	cze
dc.identifier.signature	D40761
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10195/84457
dc.language.iso	cze
dc.publisher	Univerzita Pardubice	cze
dc.rights	Text habilitační práce je přístupný bez omezení. Přílohy (publikační činnost) jsou přístupné pouze v rámci univerzity.	cze
dc.subject	nanomateriály	cze
dc.subject	elektrochemie	cze
dc.subject	biotechnologie	cze
dc.subject	senzory	cze
dc.subject	detekce polutantů	cze
dc.subject	biopalivové články	cze
dc.subject.translated	nanomaterials	eng
dc.subject.translated	electrochemistry	eng
dc.subject.translated	biotechnology	eng
dc.subject.translated	sensors	eng
dc.subject.translated	pollutants detection	eng
dc.subject.translated	biofuel cells	eng
dc.thesis.degree-name	doc.	cze
dc.title	Nanotechnologie pro elektrody a bioelektrody	cze
dc.title.alternative	Nanotechnologies for fabrication of electrodes and bioelectrodes	eng
dc.type	habilitační práce	cze
dspace.entity.type	Publication