Fizičkohemijska karakterizacija heterostruktura dvodimenzionalnih materijala (grafen, volframdisulfid) i bioloških molekula (cistein, 1,2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoholin)

Abstract

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 i pretvarača kao osnovnih funkcionalnih delova biosenzora. Dvodimenzionalni (2D) materijali, kao što 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 formiranih heterostuktura, sa molekulskog stanovišta, čini osnovu za njihovu primenu i kreiranje biosenzora željenih karakteristika. Stoga, ispitivanje hemijskih i fizičkih promena grafenskih i WS2 filmova nastalih usled deponovanja vodenih rastvora cisteina i 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoholin (DPPC) lipida predstavlja cilj ovog istraživanja. Primenom fizičkohemijskih metoda karakterizacije kao 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 WS2 filmova formiranih na međufaznoj granici vazduh/voda, odnosno toluen/voda, i njihov transfer na odabrane supstrate primenom Langmir-Blodžet i Langmir-Šefer depozicione metode. S obzirom da je voda jedna od komponenata međufazne granice i da se filmovi 2D-materijala pripremaju u ambijentalnim uslovima, akcenat je stavljen na ispitivanje uticaja prisustva molekula vode na površinu filmova. Rezultati ukazuju da jednostavne i ekonomski isplative tehnike pripreme grafenskih i WS2 filmova omogućavaju reproducibilnost u dobijanju tankih, homogenih, kompaktnih i izrazito transparentnih filmova ljuspičaste strukture kod kojih su ivični defekti preferencijalna mesta za adsorpciju molekula vode. Usled formiranja kiseoničnih grupa i fizisorpcije molekula H2O, dolazi do p-dopiranja grafenskih filmova, dok se kod WS2 filma pored očekivane fizisorpcije molekula vode formiraju i WO3, WO3-x i WO3·nH2O vrste. Drugi i treći deo doktorskog rada odnose se na pripremu heterostruktura biološki molekul/2D-materijala i ispitivanje njihovih hemijskih i fizičkih svojstava. Metodom nakapavanja rastvora cisteina i DPPC lipidne disperzije formirane su četiri heterostrukture: cistein/grafenski film, cistein/WS2 film, DPPC/grafenski film, DPPC/WS2 film. Analizom morfoloških osobina heterostruktura utvrđeno je da se metodom nakapavanja na jednostavan i vrlo efikasan način postiže potpuna pokrivenost površina grafenskih i WS2 filmova formiranjem tankih slojeva bioloških molekula, ali uz neizostavni proces njihove aglomeracije. Prilikom formiranja heterostruktura sa cisteinom, primetna je intenzivna interakcija tiolne grupe sa grafenskim i WS2 filmom. Ova interakcija direktno utiče na konformacione promene biološkog molekula, pri čemu se trans rotameri dominantno javljaju na površini grafenskih filmova a gauche na površini WS2 filmova. Fizisorpcija cisteina na površini filmova ima za posledicu raskidanje SH···O vodoničnih veza čime je omogućena interakcija grafena sa karboksilnom grupom i formiranje SH···S vodoničnih veza. S druge strane, kod WS2 filmova interakcija sa amino grupom postaje znatno izraženija. Kod heterostruktura sa DPPC molekulima dolazi do favorizovanja interakcija grafenskih odnosno WS2 filmova sa određenim delom lipida, što se može smatrati posledicom hemijskih osobina 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. Ova interakcija dovodi do p-dopiranja grafena, s tim što je doprinos molekula vode ovom efektu neophodno uzeti u obzir. Sa druge strane, interakcija WS2 filma se ostvaruje sa hidrofilnim delom DPPC molekula uspostavljanjem hemijske veze sa atomom volframa. Ove interakcije imaju za posledicu promene u hemijskoj i elektronskoj strukturi filmova, omogućavajući time njihovu upotrebu za detekciju fosfolipida. Takođe, heterostrukture mogu poslužiti kao aktivne komponente za selektivnu detekciju drugih bioloških molekula zavisno od njihovog afiniteta vezivanja prema hidrofilnom ili hidrofobnom delu lipida koji ostaje izuzet u reakciji sa grafenskim odnosno WS2 filmom.

In modern research aimed at designing economical, simple, highly sensitive, and highly selective biosensors for detection, identification, and/or quantification of (bio)chemical compounds, significant attention has been devoted to the development and characterization of bioreceptors and transducers as the fundamental functional parts of biosensors. Two-dimensional (2D) materials such as 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 by heterostructures from a molecular perspective gives the basis for their application and creation of biosensors with desired characteristics. Therefore, the investigation of chemical and physical changes in graphene and WS2 films resulting from the deposition of aqueous solutions of cysteine and 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) lipids represents the objective of this research. Through the use of physicochemical characterization techniques such as optical and scanning electron microscopy, atomic force microscopy, UV/VIS spectroscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy, the study was conducted in three segments. The first part includes the physicochemical characterization of liquid-exfoliated graphene and WS2 films formed at air/water and respectively toluene/water interface and their transfer onto selected substrates using Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer deposition methods. Furthermore, emphasis was placed on investigating the influence of water molecules on the film surfaces, considering water is one of the components of the interface and that 2D-materials films are prepared in ambient conditions. The results indicate that simple and cost-effective preparation techniques for graphene and WS2 films enable reproducibility in obtaining thin, homogeneous, compact, and highly transparent films with nanosheets structure, where edge defects serve as preferential sites for adsorption of water molecules. The formation of oxygen groups and the physisorption 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 species are formed. The second and third parts of the doctoral thesis are related to the preparation of heterostructures of biological molecules/2D materials and the investigation of their chemical and physical properties. Using the drop-casting method, solutions of cysteine and DPPC lipid dispersion were used to form four heterostructures: cysteine/graphene film, cysteine/WS2 film, DPPC/graphene film, and DPPC/WS2 film. Analysis of the morphological properties of the heterostructures revealed that the drop-casting method achieves complete coverage of graphene and WS2 film surfaces in a simple and efficient manner, resulting in the formation of thin layers of biological molecules, but with the inevitable process of their agglomeration. During the formation of heterostructures with cysteine, a noticeable intense interaction of the thiol group with graphene and WS2 film is observed. This interaction directly affects the conformational changes of the biological molecule, with trans rotamers predominantly appearing on the surface of graphene films and gauche rotamers on the surface of WS2 films. The physisorption of cysteine on the film surface results in the breaking of SH···O hydrogen bonds, enabling the interaction 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 interaction of graphene and WS2 films with specific parts of the lipid, which can be attributed to the chemical properties of the 2D-materials and the surface of the films defined by the self-assembly of nanosheets. The interaction of graphene with the hydrophobic part of the DPPC molecule occurs via van der Waals forces, with lipids on the film surface adopting a dominant trans conformation. This interaction leads to the p-doping of graphene, where the contribution of water molecules to this effect needs to be considered. On the other hand, the interaction of WS2 film is established with the hydrophilic part of DPPC molecule through the formation of a chemical bond with the tungsten atom. 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 as active components for selective detection of other biological molecules, depending on their binding affinity toward the hydrophilic or hydrophobic part of the lipid that remains exposed in reaction to graphene or WS2 film