Multilayer carbon hybrid based electrodes for direct electrochemical detection of analgesics and biomolecules - Development of an electrochemical sensor for determination of analgesics in blood samples
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-03-05
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
146 + app. 70
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 14/2021
Abstract
There is increasing interest in point-of-care (POC) determination of drugs and biomolecules, as well as real-time monitoring of these analytes, with wearable and in vivo sensors. Rapid response POC tests can improve patient safety in situations like poisoning and enable personalized treatments whereas real time detection of physiological processes such as neurotransmission events can improve our understanding of neurophysiology and enable novel treatments for neurological disorders. Electrochemical detection is an attractive technology for both POC in vitro diagnostics and wearable sensors alike, due to its low price, simple instrumentation and small required sample volume. Many analgesic drugs show highly individual dose response and thus a dose that causes dangerous side effects in one patient may lack analgesic effect in another. Analgesics are also some of the most abused prescription drugs. Opioid overdoses kill tens of thousands of people annually in the United states alone. Both intentional and unintentional poisoning of over-the-counter analgesics, such as paracetamol, also regularly occur. Therefore, a quantitative POC test for determination of analgesics in capillary blood samples, could be a powerful diagnostic tool for poisoning. However, the POC determination of small drug and biomolecules in unprocessed blood samples has proven to be difficult. In this thesis, we have investigated the use of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) and single-walled carbon nanotube (SWCNT) thin films in electrochemical sensing. We have carried out extensive physicochemical characterization of these electrode materials. We combine synchrotron based x-ray spectroscopy with electron microscopy, diffraction and conventional spectroscopic techniques. Both the studied materials were found to support facile electron transfer and show low background currents enabling highly sensitive detection of dopamine and morphine. They, however, lack the fouling resistance and selectivity required for detection of dopamine and analgesics in complex biological samples. Modification with carbon nanomaterials or polymer membranes significantly improved the selectivity as well as reduced the electrode fouling, allowing for detection of dopamine and analgesics in blood samples without precipitation of proteins. We show that such multilayer electrodes can be tailored for the requirements of detection of neurotransmitters and analgesic drugs. Finally, we demonstrate a process for mass production of electrochemical test strips. These sensor strips were shown to be capable of detecting clinically meaningful concentrations of paracetamol from a 20 µL blood sample in less than 5 min. Based on these results we propose an electrochemical assay for quantitative detection of paracetamol.Kiinnostus vierimittauksiin sekä lääkkeiden ja biomolekyylien reaaliaikaiseen mittaamiseen kasvaa jatkuvasti. Lisäksi näiden analyyttien monitorointi puettavilla- sekä in vivo -antureilla on kiivaan tutkimuksen kohde. Nopeat vierimittaukset voivat parantaa potilaan hoitoa myrkytystapauksissa sekä mahdollistaa yksilöidyn terveydenhoidon. Neurotransmissioiden reaaliaikainen havaitseminen tutkimuksessa voi myös parantaa neurofysiologian ymmärrystä ja edelleen kehittää neurodegeneratiivisten sairauksien hoitoa. Sähkökemiallisten mittausten matalan hinnan, yksinkertaisen laitteiston ja pienen näytevolyymin vuoksi se on kilpailukykyinen menetelmä vierimittauksissa sekä puettavissa antureissa. Potilaiden vasteet analgeettisiin lääkkeisiin ovat usein yksilöllisiä. Tämän vuoksi annos, jolla ei ole analgeettista vaikutusta yhdellä potilaalla, voi aiheuttaa vaarallisia sivuvaikutuksia toisella. Lisäksi analgeettien väärinkäyttö on yleistä ja erityisesti opioidien aiheuttamiin yliannostuksiin kuolee pelkästään Yhdysvalloissa kymmeniä tuhansia ihmisiä vuosittain. Myös tahalliset ja tahattomat yliannostukset reseptivapailla lääkkeillä kuten parasetamolilla, ovat yleisiä. Näistä syistä kvantitatiivinen vierimittausmenetelmä analgeettien määrittämiseen kapillaariverinäytteestä voisi olla tehokas työkalu yliannostusten diagnoosissa. Vierimittausmenetelmän kehittäminen pienmolekyylien määrittämiseen käsittelemättömästä verinäytteestä on kuitenkin osoittautunut haastavaksi. Tässä työssä tutkimme tetraedrisestä amorfisesta hiilestä ja yksiseinämäisistä hiilinanoputkista valmistettujen ohutkalvojen käyttöä sähkökemiallisissa antureissa. Lisäksi tutkimme näiden materiaalien fysikaaliskemiallisia ominaisuuksia yhdistämällä synkrotronisäteilyyn perustuvan röntgenspektroskopian elektronimikroskopiaan, elektronidiffraktioon sekä perinteisiin spektroskooppisiin menetelmiin. Tutkittujen materiaalien hyvät elektroninsiirto-ominaisuudet ja matala taustavirta mahdollistavat dopamiinin ja analgeettien herkän mittaamisen. Materiaalien rajallinen selektiivisyys ja biolikaantuminen kuitenkin rajoittavat niiden käyttöä biologisissa näytteissä. Näitä ominaisuuksia sekä herkkyyttä voitiin kuitenkin parantaa hiilinanomateriaali- ja polymeeripinnoitteilla. Osoitamme, että nämä monikerroksiset elektrodit voidaan räätälöidä dopamiinin ja analgeettien havaitsemiseen. Lisäksi näillä elektrodeilla voidaan havaita analgeetteja ihmisen veriplasmassa ja kokoveressä ilman proteiinien saostusta. Tämän työn tulosten perusteella kyseisiä elektrodeja voidaan käyttää lääkeaineiden vapaan pitoisuuden määrittämiseen lähes reaaliajassa. Lopuksi, kehitimme massatuotantoon soveltuvan prosessin sähkökemiallisten mittaliuskojen valmistamiseen. Näiden anturien avulla voitiin mitata kliinisesti relevantteja konsentraatioita parasetamolia 20 µL verinäytteestä alle viidessä minuutissa.Description
Defense is held 5.3.2021 12:00 – 15:00 online https://aalto.zoom.us/j/2878907997
Supervising professor
Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandThesis advisor
Laurila, Tomi, Prof., Aalto University, FinlandKeywords
amorphous carbon, ta-C, carbon nanotubes, SWCNT, electroanalytical chemistry, dopamine, paracetamol, morphine, opioids, amorfinen hiili, hiilinanoputket, sähkökemia, voltammteria, dopamiini, parasetamoli, morfiini, opioidit
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Niklas Wester, Sami Sainio, Tommi Palomäki, Dennis Nordlund, Vivek Kumar Singh, Leena-Sisko Johansson, Jari Koskinen and Tomi Laurila. Partially Reduced Graphene Oxide Modified Tetrahedral Amorphous Carbon Thin-Film Electrodes as a Platform for Nanomolar Detection of Dopamine. The Journal of Physical Chemistry C, 121, 14, 8153- 8164, March 2017.
DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b13019 View at publisher
-
[Publication 2]: Sami Sainio, Niklas Wester, Charles J. Titus, Yongping Liao, Qiang Zhang, Dennis Nordlund, Dimosthenis Sokaras, Sang-jun Lee, Kent D. Irwin, William B. Doriese, Galen, C. O’Neil, Daniel S. Swetz, Joel N. Ullom, Esko I. Kauppinen, Tomi Laurila and Jari Koskinen. Hybrid X-ray Spectroscopy-Based Approach To Acquire Chemical and Structural Information of Single-Walled Carbon Nanotubes with Superior Sensitivity. The Journal of Physical Chemistry C, 123, 10, 6114-6120, February 2019.
DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b00714 View at publisher
-
[Publication 3]: Niklas Wester, Elsi Mynttinen, Jarkko Etula, Tuomas Lilius, Eija Kalso, Bjørn F. Mikladal, Qiang Zhang, Sami Sainio, Dennis Nordlund, Esko I. Kauppinen, Tomi Laurila and Jari Koskinen. Single-Walled Carbon Nanotube Network Electrodes for the Detection of Fentanyl Citrate. ACS Applied Nano Materials, 3, 2, 1203-1212, January 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020521DOI: 10.1021/acsanm.9b01951 View at publisher
-
[Publication 4]: Niklas Wester, Jarkko Etula, Tuomas Lilius, Sami Sainio, Tomi Laurila and Jari Koskinen. Selective detection of morphine in the presence of paracetamol with anodically pretreated dual layer Ti/tetrahedral amorphous carbon electrodes. Electrochemistry Communications, 86, 166-170, January 2018.
DOI: 10.1016/j.elecom.2017.12.014 View at publisher
-
[Publication 5]: Niklas Wester, Elsi Mynttinen, Jarkko Etula, Tuomas Lilius, Eija Kalso, Esko I. Kauppinen, Tomi Laurila, and Jari Koskinen. Simultaneous Detection of Morphine and Codeine in the Presence of Ascorbic Acid and Uric Acid and in Human Plasma at Nafion Single-Walled Carbon Nanotube Thin-Film Electrode. ACS omega, 4, 18, 17726-17734, October 2019;
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076184DOI: 10.1021/acsomega.9b02147 View at publisher
-
[Publication 6]: Niklas Wester, Bjørn F. Mikladal, Ilkka Varjos, Antti Peltonen, Eija Kalso, Tuomas Lilius, Tomi Laurila, and Jari Koskinen. Disposable Nafion-coated single-walled carbon nanotube test strip for electrochemical quantitative determination of acetaminophen in finger-prick whole blood sample. Analytical Chemistry, 2020, 92, 19, 13017–13024, August 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020534DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01857 View at publisher