Preparation of composite nanomaterials for biosensing applications /
Fatma Mahmoud Mohamed Yassin,
Preparation of composite nanomaterials for biosensing applications / تحضير الجسيمات النانومترية المركبة لتطبيقات الاستشعار الحيوي by Fatma Mahmoud Mohamed Yassin ; Supervision Dr. Heba Mohamed Fahmy, Dr. Mohamed Mahmoud Fathy. - 95 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 70-95.
Nanotechnology is an important area of science that concentrates on
developing tiny particles with distinct properties ranging from 10 to 1000 nm in size.
These particles exhibit different mechanical, chemical, and physical characteristics
than larger bulk molecules.
Iron oxide nanoparticles (IO-NPs), with their intrinsic peroxidase-like
efficacy, are crucial in synthesizing artificial nanozymes. Novel IO-NPs-based
nanozymes were synthesized in this study to serve as peroxidase (POD) mimic
enzymes. The formation of well-dispersed nanozymes with large surface areas
and high porosities is achieved via modification of IO-NPs with a Chitosan-
dextran sulfate (CD) matrix (IO-CD NPs) using different molecular weights
(MW) of Chitosan (low, medium, and high) for the preparation of IO-LCD NPs,
IO-MCD NPs, and IO-HCD NPs, respectively.
The physical properties of IO-NPs and IO-CDS NPs were assessed
through biophysical characterizing techniques, including transmission electron
microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy
(AFM), gas isotherm (N2-isotherm), scanning electron microscope (SEM),
energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), vibrating
sample magnetometer (VSM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The results revealed that IO-CD NPs had a spherical shape with different
texture properties. The synthesized IO-CD NPs nanocomposites were found to
have moderate stability. From EDX results, the weight percentage of Fe in IO-
CD NPs decreased as the MW of Chitosan increased. The weight percentage of
Fe was found to be 18.25±12.91, 16.71±7.12, and 14.69±7.85% for IO-LCD NPs,
IO-MCD NPs, and IO-HCD NPs, respectively. The S-shaped hysteresis loops
with high saturation magnetization (Ms) and low remanent magnetization (Mr)
and coercivity (Hc) values show that IO-CD NPs nanocomposites exhibit
superparamagnetic behavior.
Gas Isotherm results revealed that IO-LCD NPs had a large specific
surface area (69.43 m²/g), a large pore diameter (3.56 nm), and a most significant
pore volume (0.06 cc/g) compared to other prepared nanocomposites. IO-MCD
NPs had a specific surface area (25.70 m²/g), pore diameter (3.33 nm), and pore
volume (0.03 cc/g). IO-HCD NPs had a specific surface area (41.54 m²/g), pore
diameter (3.11 nm), and pore volume (0.05 cc/g).
For prepared nanozymes, steady-state kinetics was used to calculate the
kinetic parameters: Michaelis-Menten constant (Km) and the maximum reaction
velocity (Vmax). Through the catalytic oxidation of a peroxidase substrate,
3,3,5,5′- tetramethylbenzidine (TMB), in the presence of hydrogen peroxide
(H2O2), prepared nanocomposites demonstrated a notable degree of peroxidase
activity. IO-CDS NPs had a stronger affinity for H2O2 and TMB, as the
determined Michaelis-Menton constant (Km) revealed. Interestingly, it was found
that the nanocomposite formed using low molecular weight Chitosan (IO-LCD
NPs) has the highest affinity to the substrate (H2O2) and higher peroxidase-like
activity with a Km value (0.017 mM) and maximum reaction velocity (Vmax =
2.14 × 10−7 M s−1).
The texture properties of IO-LCD NPs and their affinity to H2O2 and TMB
substrates made them the best choice for use as nanozymes for different
applications. Colorimetric glucose detection using IO-CD NPs was employed as
a sensor to measure glucose quantitatively in the presence of glucose oxidase
(Gox). IO-LCD NPs exhibit the lowest value of the limit of detection (LOD) at
4.48 µM, which revealed that it was more selective and sensitive for glucose
detection in a linear range from 0.05 µM to 0.25 µM. This selectivity, specificity,
peroxidase-like activity, and texture properties, such as large surface area and
porosity of IO-LCD NPs, made it the best choice for colorimetric glucose
detection in the biomedical field جسيمات أكسيد الحديد النانوية (IO-NPs) تتمتع بخصائص إنزيمات صناعية (نانوزيم) تشبه خصائص الإنزيمات الطبيعية، مثل الخصائص البيروكسيدية لإنزيم. (HRP) لذلك، اكتسبت جسيمات أكسيد الحديد أهمية واسعة في تصنيع مركبات نانوية ذات خصائص إنزيمية. تحظى الجسيمات النانوية التي تمتلك خصائص بعض الإنزيمات الطبيعية باهتمام كبير نظراً لعدة أسباب، منها هياكلها القابلة للتعديل، وتركيباتها الكيميائية، بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة، والثبات العالي، وسهولة التحضير، والخصائص الفائقة.
الهدف من العمل المقدم هو تصنيع جسيمات نانوية باستخدام جسيمات أكسيد الحديد النانوية المدعمة بمركب كبريتات دكسترين الكيتوزان (IO-CD NPs)، باستخدام أوزان جزيئية مختلفة من الكيتوزان (منخفضة، ومتوسطة، وعالية)، لإعداد جسيمات نانو IO-LCD NPs، وجسيمات نانو IO-MCD NPs، وجسيمات نانو IO-HCD NPs، على التوالي.
تم تقييم الخصائص من خلال تقنيات التوصيف البيوفيزيائي مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والتشتت الضوئي الديناميكي (DLS)، والفحص المجهري بالقوة الذرية (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، والحيود بالأشعة السينية (XRD)، ومقياس المغناطيسية للعينة المهتزة (VSM)، والتحليل الطيفي للفوتون الإلكتروني بالأشعة السينية (XPS).
أظهرت النتائج أن هذه الجسيمات النانوية تتمتع بخصائص مغناطيسية فائقة، بالإضافة إلى خصائص إنزيمية عالية. كما أنها تُظهر استقرارًا ممتازًا في الظروف القاسية، ويمكنها توفير العديد من المواقع النشطة على سطحها لتحسين النشاط الكلي لها كإنزيمات مصنعة.
أظهرت الجسيمات النانوية المحضرة نشاطًا عاليًا يشبه نشاط إنزيم البيروكسيديز في وجود H₂O₂ وTMB. بعد ذلك، تم استخدام جزيئات IO-CD النانوية للكشف عن الجلوكوز باستخدام القياسات اللونية (Colorimetric Detection).
تُستخدم هذه الجسيمات النانوية كمستشعرات لقياس الجلوكوز كميًا بالتعاون مع أوكسيديز الجلوكوز (Gox) . وقد أظهرت جميع العينات انتقائية قوية للكشف عن الجلوكوز. وكشفت المقارنة بين العينات الثلاث أن جزيئات IO-LCD النانوية تتمتع بأدنى حد للكشف (LOD)، مما يشير إلى حساسية وانتقائية أكبر للكشف عن الجلوكوز. وبفضل الجمع بين هذه الانتقائية والنشاط الشبيه بالبيروكسيديز، تُعد جزيئات IO-CD النانوية الخيار الأفضل للكشف عن الجلوكوز باستخدام القياسات اللونية في المجال الطبي الحيوي.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Biophysics
الفيزياء الحيوية
iron oxide nanozyme Chitosan peroxidase mimic dextran sulfate glucose colorimetric detection أكسيد الحديد كيتوزان
571.4
Preparation of composite nanomaterials for biosensing applications / تحضير الجسيمات النانومترية المركبة لتطبيقات الاستشعار الحيوي by Fatma Mahmoud Mohamed Yassin ; Supervision Dr. Heba Mohamed Fahmy, Dr. Mohamed Mahmoud Fathy. - 95 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 70-95.
Nanotechnology is an important area of science that concentrates on
developing tiny particles with distinct properties ranging from 10 to 1000 nm in size.
These particles exhibit different mechanical, chemical, and physical characteristics
than larger bulk molecules.
Iron oxide nanoparticles (IO-NPs), with their intrinsic peroxidase-like
efficacy, are crucial in synthesizing artificial nanozymes. Novel IO-NPs-based
nanozymes were synthesized in this study to serve as peroxidase (POD) mimic
enzymes. The formation of well-dispersed nanozymes with large surface areas
and high porosities is achieved via modification of IO-NPs with a Chitosan-
dextran sulfate (CD) matrix (IO-CD NPs) using different molecular weights
(MW) of Chitosan (low, medium, and high) for the preparation of IO-LCD NPs,
IO-MCD NPs, and IO-HCD NPs, respectively.
The physical properties of IO-NPs and IO-CDS NPs were assessed
through biophysical characterizing techniques, including transmission electron
microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy
(AFM), gas isotherm (N2-isotherm), scanning electron microscope (SEM),
energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), vibrating
sample magnetometer (VSM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The results revealed that IO-CD NPs had a spherical shape with different
texture properties. The synthesized IO-CD NPs nanocomposites were found to
have moderate stability. From EDX results, the weight percentage of Fe in IO-
CD NPs decreased as the MW of Chitosan increased. The weight percentage of
Fe was found to be 18.25±12.91, 16.71±7.12, and 14.69±7.85% for IO-LCD NPs,
IO-MCD NPs, and IO-HCD NPs, respectively. The S-shaped hysteresis loops
with high saturation magnetization (Ms) and low remanent magnetization (Mr)
and coercivity (Hc) values show that IO-CD NPs nanocomposites exhibit
superparamagnetic behavior.
Gas Isotherm results revealed that IO-LCD NPs had a large specific
surface area (69.43 m²/g), a large pore diameter (3.56 nm), and a most significant
pore volume (0.06 cc/g) compared to other prepared nanocomposites. IO-MCD
NPs had a specific surface area (25.70 m²/g), pore diameter (3.33 nm), and pore
volume (0.03 cc/g). IO-HCD NPs had a specific surface area (41.54 m²/g), pore
diameter (3.11 nm), and pore volume (0.05 cc/g).
For prepared nanozymes, steady-state kinetics was used to calculate the
kinetic parameters: Michaelis-Menten constant (Km) and the maximum reaction
velocity (Vmax). Through the catalytic oxidation of a peroxidase substrate,
3,3,5,5′- tetramethylbenzidine (TMB), in the presence of hydrogen peroxide
(H2O2), prepared nanocomposites demonstrated a notable degree of peroxidase
activity. IO-CDS NPs had a stronger affinity for H2O2 and TMB, as the
determined Michaelis-Menton constant (Km) revealed. Interestingly, it was found
that the nanocomposite formed using low molecular weight Chitosan (IO-LCD
NPs) has the highest affinity to the substrate (H2O2) and higher peroxidase-like
activity with a Km value (0.017 mM) and maximum reaction velocity (Vmax =
2.14 × 10−7 M s−1).
The texture properties of IO-LCD NPs and their affinity to H2O2 and TMB
substrates made them the best choice for use as nanozymes for different
applications. Colorimetric glucose detection using IO-CD NPs was employed as
a sensor to measure glucose quantitatively in the presence of glucose oxidase
(Gox). IO-LCD NPs exhibit the lowest value of the limit of detection (LOD) at
4.48 µM, which revealed that it was more selective and sensitive for glucose
detection in a linear range from 0.05 µM to 0.25 µM. This selectivity, specificity,
peroxidase-like activity, and texture properties, such as large surface area and
porosity of IO-LCD NPs, made it the best choice for colorimetric glucose
detection in the biomedical field جسيمات أكسيد الحديد النانوية (IO-NPs) تتمتع بخصائص إنزيمات صناعية (نانوزيم) تشبه خصائص الإنزيمات الطبيعية، مثل الخصائص البيروكسيدية لإنزيم. (HRP) لذلك، اكتسبت جسيمات أكسيد الحديد أهمية واسعة في تصنيع مركبات نانوية ذات خصائص إنزيمية. تحظى الجسيمات النانوية التي تمتلك خصائص بعض الإنزيمات الطبيعية باهتمام كبير نظراً لعدة أسباب، منها هياكلها القابلة للتعديل، وتركيباتها الكيميائية، بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة، والثبات العالي، وسهولة التحضير، والخصائص الفائقة.
الهدف من العمل المقدم هو تصنيع جسيمات نانوية باستخدام جسيمات أكسيد الحديد النانوية المدعمة بمركب كبريتات دكسترين الكيتوزان (IO-CD NPs)، باستخدام أوزان جزيئية مختلفة من الكيتوزان (منخفضة، ومتوسطة، وعالية)، لإعداد جسيمات نانو IO-LCD NPs، وجسيمات نانو IO-MCD NPs، وجسيمات نانو IO-HCD NPs، على التوالي.
تم تقييم الخصائص من خلال تقنيات التوصيف البيوفيزيائي مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والتشتت الضوئي الديناميكي (DLS)، والفحص المجهري بالقوة الذرية (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، والحيود بالأشعة السينية (XRD)، ومقياس المغناطيسية للعينة المهتزة (VSM)، والتحليل الطيفي للفوتون الإلكتروني بالأشعة السينية (XPS).
أظهرت النتائج أن هذه الجسيمات النانوية تتمتع بخصائص مغناطيسية فائقة، بالإضافة إلى خصائص إنزيمية عالية. كما أنها تُظهر استقرارًا ممتازًا في الظروف القاسية، ويمكنها توفير العديد من المواقع النشطة على سطحها لتحسين النشاط الكلي لها كإنزيمات مصنعة.
أظهرت الجسيمات النانوية المحضرة نشاطًا عاليًا يشبه نشاط إنزيم البيروكسيديز في وجود H₂O₂ وTMB. بعد ذلك، تم استخدام جزيئات IO-CD النانوية للكشف عن الجلوكوز باستخدام القياسات اللونية (Colorimetric Detection).
تُستخدم هذه الجسيمات النانوية كمستشعرات لقياس الجلوكوز كميًا بالتعاون مع أوكسيديز الجلوكوز (Gox) . وقد أظهرت جميع العينات انتقائية قوية للكشف عن الجلوكوز. وكشفت المقارنة بين العينات الثلاث أن جزيئات IO-LCD النانوية تتمتع بأدنى حد للكشف (LOD)، مما يشير إلى حساسية وانتقائية أكبر للكشف عن الجلوكوز. وبفضل الجمع بين هذه الانتقائية والنشاط الشبيه بالبيروكسيديز، تُعد جزيئات IO-CD النانوية الخيار الأفضل للكشف عن الجلوكوز باستخدام القياسات اللونية في المجال الطبي الحيوي.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Biophysics
الفيزياء الحيوية
iron oxide nanozyme Chitosan peroxidase mimic dextran sulfate glucose colorimetric detection أكسيد الحديد كيتوزان
571.4