Title
Fizičkohemijska karakterizacija heterostruktura dvodimenzionalnih materijala (grafen, volframdisulfid) i bioloških molekula (cistein, 1,2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoholin)
Creator
Vujin, Jasna, 1984-
CONOR:
107999497
Copyright date
2023
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Deliti pod istim uslovima 3.0 Srbija (CC BY-NC-SA 3.0)
License description
Dozvoljavate umnožavanje, distribuciju i javno saopštavanje dela, i prerade, ako se navede ime autora na način odredjen od strane autora ili davaoca licence i ako se prerada distribuira pod istom ili sličnom licencom. Ova licenca ne dozvoljava komercijalnu upotrebu dela i prerada. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/rs/deed.sr_LATN Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 26.09.2023.
Other responsibilities
Academic Expertise
Prirodno-matematičke nauke
Academic Title
-
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Fakultet za fizičku hemiju
Alternative title
Physicochemical characterization of the heterostructures of two-dimensional materials (graphene, tungsten-disulfide) and biological molecules (cysteine, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero- 3-phosphocholine)
Publisher
[J. Vujin]
Format
82 str.
description
Fizička hemija - Fizička hemija materijala / Physical Chemistry - Physical Chemistry of materials
Abstract (sr)
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.
Abstract (en)
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
Authors Key words
tanki filmovi, grafen, WS2, cistein, DPPC, eksfolijacija iz tečne faze
Authors Key words
thin films, graphene, WS2, cysteine, DPPC, liquid-phase exfoliation
Classification
544.344.016(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
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.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.