Carbon-based hybrid nanomaterials for electrochemical detection of opioids

Abstract

Opioids are a group of strong analgesics used for treatment of moderate to severe pain in clinical patient care. Unfortunately, opioids are also highly addictive and if not properly administered and monitored, can lead to overdose and death. In recent decades, the use of opioids has grown exponentially, resulting in an increasing number of overdose incidents and other adverse effects. A fast and simple means to monitor blood levels of opioids would enable personalized dosing and rapid diagnosis of overdose. However, there are currently no tools to determine opioid concentrations in blood quickly and accurately at the patient's bedside. The aim of this work was to develop carbon nanomaterial-based electrochemical sensors for detection of opioids in biological matrices. Two different materials, tetrahedral amorphous carbon (ta-C) and single-walled carbon nanotube (SWCNT) networks were used for fabrication of the electrodes. An additional layer of an ion-exchange polymer, Nafion, was used as a protective membrane on top of the electrodes to reduce interference from the matrix. Carbon-based electrochemical sensors have great potential for detection of opioids in complex samples since they offer high sensitivity, fast response time, and can be miniaturized into disposable test strips. In this study the carbon-based electrodes were able to successfully detect opioids in buffer solution. Moreover, the addition of Nafion enabled detection of low levels of morphine, codeine, tramadol, and O-desmethyltramadol in diluted human plasma. The Nafion membrane was also seen to considerably alter the oxidation behavior of the analytes, resulting in increased selectivity and sensitivity. Importantly, it was observed that the opioids exhibited different electrochemical behavior on different carbon materials. While the SWCNTs showed well-defined peaks for tramadol and O-desmethyltramadol, their simultaneous detection was only possible on the Nafion/ta-C electrode due to its exceptionally wide water window. These results highlight the importance of selecting the appropriate carbon material for each specific application. Finally, SWCNT networks were fabricated into disposable Nafion-coated test strips and small concentrations of morphine in nanomolar range were measured in untreated capillary whole blood. Based on the results it was suggested that the sensor strip only measures the unbound fraction of the drug molecule in blood. However, some further experiments are needed to confirm this observation. In conclusion, the carbon nanomaterials studied in this work were found to hold great promise for simple and fast detection of opioids in biological matrices. In the future, such a tool would enable individualized pain treatment and promote accurate and safe dosing of opioids in clinical patient care.

Opioidit ovat vahvoja kipulääkkeitä, joita käytetään potilastyössä vaikean ja keskivaikean kivun hoidossa. Opioidit ovat kuitenkin myös vahvasti riippuvuutta aiheuttavia, ja jos niistä ei annostella oikein tai niiden käyttöä ei valvota, voivat ne johtaa yliannostukseen ja jopa kuolemaan. Viime vuosikymmeninä opioidien käyttö on kasvanut huomattavasti ja niinpä myös niistä aiheutuvat haittavaikutukset ja yliannostuskuolemat ovat yleistyneet. Yksinkertainen ja nopea keino opioidien veripitoisuuden seuraamiseksi mahdollistaisi annostusten yksilöimisen ja helpottaisi diagnosointia epäillyissä yliannostustapauksissa. Tällä hetkellä tällaista ei kuitenkaan ole olemassa laitetta, jolla voitaisiin seurata veren opioidipitoisuutta vierimittauksena. Tämän työn tarkoituksena oli kehittää hiilinanomateriaalipohjaisia sähkökemiallisia antureita, joilla voitaisiin mitata opioidipitoisuuksia biologisista näytteistä. Kahta eri hiilimateriaalia, tetrahedraalista amorfista hiiltä (tetrahedral amorphous carbon, ta-C) ja yksiseinäisiä hiilinanoputkia (single-walled carbon nanotubes, SWCNT) käytettiin elektrodimateriaaleina. Elektrodit pinnoitettiin kationinvaihtopolymeeri Nafionilla biologisista näytteistä aiheutuvan häiriön pienentämiseksi. Hiilipohjaiset sähkökemialliset sensorit ovat erinomaisia kandidaatteja opioidien mittaamiseen haastavissa ympärisöissä, sillä ne ovat erittäin herkkiä, niillä on lyhyt vasteaika ja ne voidaan helposti miniaturisoida kertakäyttöisiksi mittausliuskoiksi. Tässä työssä käytetyillä hiilipohjaisilla elektrodeilla mitattiin onnistuneesti useaa eri opioidia suolaliuoksessa. Nafion-kerroksen lisääminen elektrodin pinnalle mahdollisti lisäksi morfiinin, kodeiinin, tramadolin ja O-desmetyylitramadolin mittaamisen kevyesti laimennetussa veriplasmassa. Nafion myös muutti analyyttien sähkökemiallista käyttäytymistä ja näin lisäsi sekä elektrodien herkkyyttä että niiden selektiivisyyttä. Tärkeä löydös oli myös se, että opioidit käyttäytyivät eri tavalla eri materiaaleilla. Vaikka SWCNT-elektrodeilla nähtiin selkeät hapettumispiikit sekä tramadolille että O-desmetyylitramadolille, niiden yhtäaikainen mittaaminen oli mahdollista ainoastaan Nafion-pinnoitetulla ta-C -elektrodilla sen laajan vesi-ikkunan ansiosta. Tämä tulos korostaa materiaalien valinnan tärkeyttä erikseen kullekin sovellukselle. SWCNT-verkoista valmistettiin lisäksi kertakäyttöisiä, Nafion-pinnoitettuja mittausliuskoja, joilla saatiin mitattua matalia, alle mikromolaarisia pitoisuuksia morfiinia käsittelemättömissä kokoverinäytteissä. Näiden tulosten perusteella voitiin päätellä, että nämä anturit todennäköisesti mittaavat ainoastaan vapaata, proteiineihin sitoutumatonta lääkepitoisuutta. Lisää tutkimuksia on kuitenkin tehtävä tämän vahvistamiseksi. Yhteenvetona voidaan sanoa, että tässä tutkimuksessa käytetyt hiilinanomateriaalit ovat erittäin lupaavia käytettäväksi opioidien havaitsemiseen biologisista näytteistä. Tulevaisuudessa tällainen työkalu voisi mahdollistaa opioidien annostelun yksilöimisen ja sitä kautta lisätä potilashoidon tarkkuutta ja turvallisuutta.