Review of carbon nanotube based structures as electrochemical biosensors for medical applications

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2018-05-14

Department

Major/Subject

Translational Engineering

Mcode

ELEC3023

Degree programme

AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)

Language

en

Pages

7 + 65

Series

Abstract

This thesis focuses on evaluating the feasibility of carbon nanotube based structures as platforms for electrochemical biosensors within the medical field. The evaluation is conducted by reviewing essential literature and patents in order to distinguish viable concepts and use cases. Mankind has since beginning of existence continuously improved its living standards and the source behind the success has been novel breakthroughs in medical research. In the modern society the pressure keeps on growing towards healthcare services with people expecting quality healthcare, which has led to the cost spiraling out of control. A turnaround is needed with a shift in balance between personal and society upheld healthcare. Biosensors and especially electrochemical carbon nanotube based biosensors offer a path to rapid real-time monitoring and autonomous treatment of diseases. Furthermore, they provide efficiency in cost, robustness and are easy to use with high accuracy and selectivity. Carbon nanotubes (CNTs) have been established as a novel nanomaterial possessing outstanding mechanical, electrical, thermal and optical properties. Its roots go back to prehistorical times, where the Neanderthal man synthetized it in the smoky depths of his caves without comprehending what it meant. Nowadays it is more understood and the race to fulfill its full potential in biosensors has begun. The patent review revealed that the biggest medical application for CNT-based electrochemical biosensors was diabetes disease with glucose detection. Other applications identified were: infectious, cancer, heart and blood vessel and neurological disease. The most common way of utilizing CNT is as scaffolds for immobilization of biomolecules and to a minor as a medium for electron transfer. In some cases, it was used as the target recognition element. The thesis also points out that the properties and quality control of CNTs used in the biosensors are poorly determined in the patents leaving room for speculation and interpretation. It emphasizes the importance of how the CNT is bounded to the surrounding materials since there is a lack of long-term toxicity research on CNT. Strong σ or π molecular bindings are preferred over weak Van der Waals forces.

Tämä opinnäytetyö keskittyy arvioimaan hiilinanoputkipohjaisten rakenteiden käytettävyyttä sähkökemiallisten biosensorien alustoina lääketieteen käyttökohteissa. Arviointi tehdään tarkastelemalla keskeistä kirjallisuutta ja patentteja, jotta voidaan erottaa toteuttamiskelpoiset käsitteet ja käyttötavat. Ihmiskunta on olemassaolonsa alusta asti jatkuvasti kohottanut elintasoa, jonka menestyksen lähteenä on ollut uudet läpimurrot lääketieteellisessä tutkimuksessa. Nyky-yhteiskunnassa ihmisten odotukset laadukkaasta terveydenhuollosta kasvattavat painetta tuottaa jatkuvasti parempia terveydenhuollon palveluita, joka on johtanut kustannusten holtittomaan kasvuun. Muutos on tarpeellinen, jotta henkilökohtaisen ja yhteiskunnan ylläpitämään terveydenhuollon välillä saavutetaan tasapaino. Biosensorit ja erityisesti sähkökemialliset hiilinanoputkipohjaiset biosensorit tarjoavat polun nopeaan reaaliaikaiseen seurantaan ja tautien itsenäiseen hoitoon. Lisäksi ne tuottavat kustannustehokkuutta, kestävyyttä ja helppokäyttöisyyttä korkealla tarkkuudella ja valikoivuudella. Hiilinanoputket (CNT) on todettu uudenlaiseksi nanomateriaaliksi, jolla on erinomaiset mekaaniset, sähköiset, lämpö- ja optiset ominaisuudet. Se juontaa juurensa esihistoriallisista ajoista, jolloin neandertalinihminen syntesoi sen luolansa savuisissa syvyyksissä ymmärtämättä mitä se tarkoitti. Nykyään materiaali tunnetaan paremmin ja kilpailu sen täyden potentiaalin hyödyntämisessä biosensoreissa on alkanut. Patenttien tarkastelun pohjalta ilmeni, että CNT-pohjaisten sähkökemiallisten biosensorien suurin lääketieteellinen käyttökohde on diabetes ja erityisesti glukoosin mittaaminen. Muut tunnistetut käyttökohteet ovat: tartunta-, syöpä-, sydän ja verisuoni- sekä neurologinen sairaus. CNT hyödynnetään yleisimmin tukialustana biomolekyylien immobilisoimiseksi ja toisinaan väliaineena elektronien siirrolle. Joissain tapauksissa sitä käytetään kohdetunnistuksen elementtinä. Tässä opinnäytetyössä korostetaan myös, että biosensoreissa käytettävien CNT:n ominaisuudet ja laadunvalvonta on huonosti määritelty patenteissa jättäen tilaa spekulaatiolle ja tulkinnalle. Opinnäytetyö painottaa tärkeyden CNT:n sitomisesta ympäröivään materiaaliin, koska tutkimus CNT:n pitkäaikaisesta myrkyllisyydestä on puutteellinen. Vahvat σ- tai π-molekyylisidokset ovat suositeltavia heikkojen Van der Waals –voimien sijaan.

Description

Supervisor

Laurila, Tomi

Thesis advisor

Laurila, Tomi

Keywords

biosensor, carbon nanotube, medical application, electrochemical measurement

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201806012944

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC