Electrochemical Measurement of Dopamine with Diamond-like Carbon/Pt Composite Electrodes

Abstract

Dopamine (DA) is an important neurotransmitter in the central nervous system. It conveys cognitive, behavioral and motor functions, and it is involved in several neurological disorders, such as schizophrenia and Parkinson’s disease that affect millions of people worldwide. Although DA is implicated in so many functions, the precise mechanisms by which it mediates these effects are largely unknown. Thus, the development of a sensitive sensor for DA measurement in living systems would greatly contribute to understanding the specific role of DA and the functions it imparts. The electrode material is a key factor determining the feasibility of these kinds of sensors.

DA occurs as an electroactive cation in the brain and it can thus be detected directly by electrochemical methods. Cyclic voltammetry (CV) has been widely used to detect neurotransmitters, because it combines good selectivity and high temporal resolution to detect small, transient fluctuations in the concentrations of analytes in the brain.

Carbon allotropes have several advantages and are often superior to noble metals in electrochemical measurement of biological molecules. Especially, diamond-like carbon (DLC) has many attractive properties as an electrochemical sensor. It is chemically inert, has a low background current and a wide potential window. Its electrochemical properties can be tailored widely by adjusting its sp2/sp3 ratio and doping.

In this work, the electrochemical properties and performance of DLC/Pt composite electrodes in DA detection were investigated. Pt wires exhibiting good electron transfer kinetics were coated with thin layers of inert DLC. These electrodes were used to measure DA using CV. DLC showed a wide potential window and a low background current. The partly uncovered Pt underneath the DLC layer provided the necessary catalytic sites for the redox reactions to occur. The DA detection limit was 10 μM, which is better than that of DLC or Pt separately. The enhanced detection is expected to result from the combination of the active Pt with the passive DLC thin film material.

Dopamiini on yksi tärkeimmistä välittäjäaineista keskushermostossa. Se toimii esimerkiksi ihmisen käyttäytymiseen liittyvien sekä kognitiivisten ja motoristen toimintojen välittäjänä. Lisäksi dopamiinin tiedetään vaikuttavan useisiin neurologisiin sairauksiin, kuten skitsofreniaan ja Parkinsonin tautiin. Dopamiinin vaikutusmekanismeja ei kuitenkaan tunneta tarkasti ja niiden ymmärtämiseksi on tärkeää kehittää riittävän herkkä anturi, joka soveltuisi myös elimistössä suoritettaviin mittauksiin. Näissä sovelluksissa mittauselektrodi on avainasemassa.

Sähkökemiallisia menetelmiä on käytetty laajalti dopamiinin mittauksessa, koska dopamiini on sähkökemiallisesti aktiivinen kationi elimistössä. Erityisesti syklistä voltammetriaa (SV) on käytetty laajalti välittäjäaineiden mittaamiseen, sillä se on selektiivinen ja nopea menetelmä äkillisten pitoisuusmuutoksien mittaamiseen aivoissa.

Hiilen allotroopit soveltuvat usein jaloja metalleja paremmin biologisien molekyylien sähkökemialliseen mittaamiseen ja niitä onkin käytetty paljon näissä sovelluksissa. Erityisesti timantinkaltaisella hiilellä (DLC) on laaja vesi-ikkuna, matala taustavirta ja se on sähkökemiallisesti hyvin inertti, mikä tekee siitä kiinnostavan elektrodimateriaalin. Lisäksi sen ominaisuuksia voidaan laajasti muuttaa säätämällä hiilen sp2/sp3 –suhdetta sekä seostamalla.

Tässä työssä valmistettiin yhdistelmäelektrodeja, joissa sähköisesti aktiivisen platinasubstraatin pinnalle päällystettiin inertti DLC-kerros. Elektrodeja käytettiin dopamiinin mittaamiseen SV:llä. Havaitsemisrajaksi saatiin 10 μM, mikä oli parempi kuin platinan tai DLC:n havaitsemisrajat erikseen. DLC-pinnoitteen ansiosta elektrodit olivat inerttejä, niillä oli laaja vesi-ikkuna ja alhainen taustavirta. DLC-kerroksen alta paikallisesti paljastunut Pt taas tarjosi hapetus-pelkistysreaktioille katalyyttisen alustan. Yhteenvetona voidaan todeta, että passiivisen DLC:n yhdistäminen aktiiviseen platinaan paransi elektrodin kykyä havaita dopamiinia.