AP08856173 — Synthesis and study of the properties of low-dimensional semiconductor materials for the creation of highly sensitive biosensors

Objective of the project: To develop low-cost methods for the controlled synthesis of low-dimensional semiconductor materials, to study their physical and chemical properties in order to create highly sensitive bioanalytical devices for use in medicine, sensor electronics, for monitoring the state of the environment, and quality control of food industry products.

Relevance: The development of biosensors capable of rapid detection of target analytes reaching nano/picomolar concentrations of biomolecules based on semiconductor nanomaterials is an important direction for public health in assessing physiological and metabolic parameters, as well as environmental protection. The luminescent, photocatalytic, piezoelectric, chemical, and semiconductor properties of ZnO and composites based on it make it possible to create biosensors using various types of signal detection. The scientific novelty of the project lies in the development of low-cost methods for the synthesis of composites of semiconductor and carbon nanomaterials, the study of their physical and chemical properties, the substantiation of the dependence of properties on the geometric parameters and structure of the synthesized composite compounds, the combination of the unique properties of which will make it possible to obtain new materials that are promising for use in the creation of analytical devices with high sensitivity and selectivity.

Scientific adviser:  Ph.D., Associate Professor, Gritsenko Lesya Vladimirovna

Results obtained: Within the research project, a simple and environmentally friendly chemical precipitation method for synthesizing ZnO nanoparticles was developed, enabling the production of highly crystalline structures with controlled morphology. The influence of alkali concentration on the structural, optical, and photocatalytic properties of ZnO was established, and optimal conditions for efficient degradation of organic pollutants were identified. A low-cost method for synthesizing ZnO–CuO composite structures was developed, and the effect of composition on photocatalytic activity was investigated. Highly oriented ZnO nanostructures on ITO substrates were fabricated, demonstrating high efficiency in enzyme immobilization and biosensor development. The modified electrodes showed high sensitivity in glucose detection. A fiber-optic biosensor for detecting the CD44 biomarker was developed, exhibiting high selectivity and reproducibility. The obtained results highlight the potential of these materials for applications in photocatalysis, sensor electronics, and medical diagnostics.

List of publications with links to them

1. Maraeva E.V., Permiakov N.V., Kedruk Y.Y., Gritsenko L.V., Abdullin Kh.A. Creating a virtual device for processing the results of sorption measurements in the study of zinc oxide nanorods // Chimica Techno Acta. – 2020. – Vol. 7, No. 4. – P. 154–158. – DOI: https://doi.org/10.15826/chimtech.2020.7.4.03
2. Кедрук Е.Ю., Айтжанов М.Б., Гриценко Л.В., Абдуллин Х.А. Влияние температуры синтеза на свойства нанокомпозитов ZnO/CuO // Вестник КазНИТУ. – 2020. – № 5 (141). – С. 729–734. – URL: https://vestnik.satbayev.university/index.php/journal/issue/view/63/60
3. Мараева Е.В., Пермяков Н.В., Кедрук Е.Ю., Гриценко Л.В., Абдуллин Х.А. Создание виртуального прибора для обработки результатов сорбционных измерений при исследовании наностержней оксида цинка // Материалы Международной конференции «ФизикА». – СПб., 2020. – С. 189–190. – URL: http://physica.spb.ru/data/uploads/2020/thesises-2020.pdf
4. Abdullin A.Kh., Gabdullin M.T., Zhumagulov S.K., Ismailova G.A., Gritsenko L.V., Mirzaeian M., Kedruk Y.Y. Stabilization of the Surface of ZnO Films and Elimination of the Aging Effect // Materials (Basel). – 2021. – Vol. 14, No. 21. – P. 1–11. – URL: https://www.mdpi.com/1996-1944/14/21/6535
5. Кедрук Е.Ю., Айтжанов М.Б., Палтушева Ж.У., Гриценко Л.В., Абдуллин Х.А. Влияние термической обработки на фотокаталитические свойства наностержней оксида цинка // Материалы Сатпаевских чтений. – Алматы, 2021. – Т. 1. – С. 1094–1097. – URL: https://official.satbayev.university/download/document/20338/Сатпаевские%20Чтения%202021%20-%201%20том.pdf
6. Палтушева Ж.У., Гриценко Л.В. Применение наноструктурированного оксида цинка в биосенсорных устройствах // Материалы Сатпаевских чтений. – Алматы, 2021. – Т. 1. – С. 1101–1105. – URL: https://official.satbayev.university/download/document/20338/Сатпаевские%20Чтения%202021%20-%201%20том.pdf
7. Кедрук Е.Ю., Палтушева Ж.У., Гриценко Л.В., Абдуллин Х.А. Разложение органических соединений под действием фотокаталитически активного ZnO // Материалы Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». – СПб., 2021. – С. 130–131. – URL: http://www.ioffe.ru/AMS/AMS12/Proceedings_AMS_2021.pdf
8. Гриценко Л.В., Палтушева Ж.У., Кедрук Е.Ю., Абдуллин Х.А. Исследование фотокаталитической активности наноструктурированного оксида цинка // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции. – СПб., 2021. – С. 120–121. – URL: http://physica.spb.ru/data/uploads/2021/physicaspb-tesises-2021.pdf
9. Акт внедрения результатов НИР в учебный процесс.
10. Kedruk Y.Y., Baigarinova G.A., Gritsenko L.V., Cicero G., Abdullin Kh.A. Facile Low-Cost Synthesis of Highly Photocatalytically Active Zinc Oxide Powders // Frontiers in Materials. – 2022. – Vol. 9. – P. 1–11. – URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2022.869493/full
11. Kedruk Y.Y., Bobkov A.A., Gritsenko L.V., Moshnikov V.A. Investigation of the Properties of Zinc Oxide by the Method of Impedance Spectroscopy // Glass Physics and Chemistry. – 2022. – Vol. 48, No. 2. – P. 123–129. – URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S1087659622020043
12. Кедрук Е.Ю., Айтжанов М.Б., Гриценко Л.В., Абдуллин Х.А. Использование оксида цинка для разложения органических соединений // Вестник КазНУ. – 2022. – № 2 (81). – С. 60–67. – URL: https://bph.kaznu.kz/index.php/zhuzhu/article/view/1545/1569
13. Paltusheva Zh.U., Alpysbaiuly N., Kedruk Y.Y., Zhaidary A.D., Aitzhanov M.B., Gritsenko L.V., Abdullin Kh.A. Photocatalytic activity of zinc oxide–graphene oxide composites // Вестник КарГУ. – 2022. – № 2 (106). – С. 101–110. – URL: https://physics-vestnik.ksu.kz/apart/2022-106-2/12.pdf
14. Кедрук Е.Ю., Бобков А.А., Гриценко Л.В., Мошников В.А. Исследование свойств оксида цинка методом импедансной спектроскопии // Физика и химия стекла. – 2022. – Т. 48, № 2. – С. 170–179. – URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=fizkhst&y=2022&v=48&n=2&a=FizKhSt2202004Kedruk
15. Кедрук Е.Ю., Жайдары А.Д., Қадау А.Т., Гриценко Л.В. Определение оптимальных параметров для фотокаталитической деградации полупроводниковых материалов // Материалы Международной конференции студентов и молодых ученых «Фараби әлемі». – Алматы, 2022. – С. 96.
16. Толубаева Д.Б., Гриценко Л.В. Влияние глюкозооксидазы на электрохимические свойства биосенсоров // Труды LVII Международной научно-практической конференции «Advances in Science and Technology». – Москва, 2022. – С. 95–97. – URL: http://xn--80aa3afkgvdfe5he.xn--p1ai/AST-47_originalmaket_N.pdf
17. Абдуллин Х.А., Гриценко Л.В., Кедрук Е.Ю., Палтушева Ж.У. Способ получения фотокаталитически активных порошков оксида цинка: патент РК № 35707; заявл. 2021/0249; опубл. 10.06.2022.
18. Гриценко Л.В., Калкозова Ж.К., Абдуллин Х.А. Методы получения и исследования тонких плёнок и слоёв оксидных полупроводников: монография.