Laserdruck auf abgefallenen Baumblättern ermöglicht Sensoren für Medizin und Labor

Große Fortschritte bei der Herstellung elektrochemischer Sensoren der nächsten Generation

16.05.2024

Die Herstellung von Sensoren durch 3D-Druck vereint Geschwindigkeit, Designfreiheit und die Möglichkeit, Abfall als Substrat zu verwenden. Im Rahmen der Kreislaufwirtschaft wurden verschiedene Ergebnisse erzielt, wobei Rückstände, die normalerweise weggeworfen werden, stattdessen als kostengünstige Ressourcen genutzt werden. Eine äußerst kreative Lösung, bei der elektrochemische Sensoren auf abgefallene Baumblätter gedruckt werden, wurde jetzt von einem brasilianischen Forscherteam unter der Leitung von Bruno Janegitz, Professor an der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar) und Leiter des Labors für Sensoren, Nanomedizin und nanostrukturierte Materialien (LSNANO), und Thiago Paixão, Professor an der Universität von São Paulo (USP) und Leiter des Labors für elektronische Zungen und chemische Sensoren (L2ESQ), vorgestellt. Die Initiative wurde von der FAPESP unterstützt und in einem in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlichten Artikel hervorgehoben.

"Wir haben einen CO₂ [Kohlendioxid]-Laser verwendet, um das gewünschte Design durch Pyrolyse und Karbonisierung auf ein Blatt zu drucken. Auf diese Weise erhielten wir einen elektrochemischen Sensor zur Bestimmung des Dopamin- und Paracetamolspiegels. Er ist sehr einfach zu bedienen. Man gibt einen Tropfen der Lösung, die eine dieser Verbindungen enthält, auf den Sensor, und der Potentiostat, an den er gekoppelt ist, zeigt die Konzentration an", so Janegitz.

Vereinfacht gesagt, verbrennt der Laserstrahl das Blatt in einem pyrolytischen Prozess, der seine Zellulose in Graphit umwandelt, und der Graphitkörper wird in einer für die Funktion als Sensor geeigneten Form auf das Blatt gedruckt. Während des Herstellungsprozesses werden die Parameter des_CO2-Lasers, einschließlich Laserleistung, Pyrolyse-Scanrate und Scan-Abstand, systematisch angepasst, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

"Die Sensoren wurden mit morphologischen und physikochemischen Methoden charakterisiert, was eine umfassende Untersuchung der neuartigen, auf den Blättern erzeugten karbonisierten Oberfläche ermöglichte", so Janegitz.

"Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der Sensoren durch Tests zum Nachweis von Dopamin und Paracetamol in biologischen und pharmazeutischen Proben bestätigt. Für Dopamin erwies sich das System in einem linearen Bereich von 10-1.200 Mikromol pro Liter als effizient, mit einer Nachweisgrenze von 1,1 Mikromol pro Liter. Bei Paracetamol funktionierte das System in einem linearen Bereich von 5-100 Mikromol pro Liter gut, mit einer Nachweisgrenze von 0,76.

In den Tests mit Dopamin und Paracetamol, die zum Nachweis des Konzepts durchgeführt wurden, erzielten die elektrochemischen Sensoren aus Laub eine zufriedenstellende analytische Leistung und eine bemerkenswerte Reproduzierbarkeit, was ihr Potenzial als Alternative zu herkömmlichen Substraten unterstreicht.

Die Substitution herkömmlicher Materialien durch Laub bringt erhebliche Vorteile in Bezug auf Kosteneinsparungen und vor allem Umweltverträglichkeit mit sich. "Die Blätter wären verbrannt oder bestenfalls kompostiert worden. Stattdessen wurden sie als Substrat für hochwertige Geräte verwendet, was einen großen Fortschritt bei der Herstellung elektrochemischer Sensoren der nächsten Generation darstellt", so Janegitz.

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Originalveröffentlichung

Rodrigo Vieira Blasques, Jéssica Rocha Camargo, William Barros Veloso, Gabriel Negrão Meloni, Fernando Amaral Fernandes, Beatriz Fernandes Germinare, Luiz Ricardo Guterres e Silva, Abner de Siervo, Thiago Regis Longo Cesar Paixão, Bruno Campos Janegitz; "Green Fabrication and Analytical Application of Disposable Carbon Electrodes Made from Fallen Tree Leaves Using a CO₂ Laser"; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Volume 12, 2024-2-13

https://www.chemie.de/news/1183462/laserdruck-auf-abgefallenen-baumblaettern-ermoeglicht-sensoren-fuer-medizin-und-labor.html