Tetrahedral amorphous carbon – graphene hybrid electrode for detection of dopamine
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
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
2015-10-06
Department
Major/Subject
Materiaalien prosessointi
Mcode
MT3002
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
90
Series
Abstract
The real time in vivo detection of dopamine and other neurotransmitters in awake behaving animals is a long-standing goal. Carbon nanomaterials have emerged as promising candidates for electrochemical detection of dopamine. Diamond-like carbon films have wide water window, low capacitive background current and high chemical stability. By combining ultrathin tetrahedral amorphous carbon (ta-C) with Ti under layer the electron transfer properties can be enhanced without deterioration in the desired properties of ta-C. Such a bilayer thin films can also be modified with other carbon allotropes, such as graphene. To the best knowledge of the author this reports for the first time a ta-C electrode modified with reduced graphene oxide (rGO) for electrochemical detection of dopamine. Ti/ta-C bilayer electrodes with varying ta-C top layer thickness were fabricated and optimized in terms of electron transfer properties. Both types of electrodes were subjected to cyclic voltammetry experiments, Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and scanning electron microscopy. The ta-C thickness was found to affect the electron transfer kinetics, while the dopamine detection limit of 5 μM remained unchanged. The electron transfer properties were found to improve with decreasing ta-C thickness and best performance was observed with 7 nm ta-C thickness. At a thickness below 7 nm the electron transfer properties start deteriorating due to excessive oxidation of the Ti/ta-C interface. The ta-C electrode showed poor selectivity towards dopamine. An order of magnitude improvement in sensitivity and a significant increase in selectivity towards dopamine was achieved. The rGO modified electrodes were able to detect 500 nM DA without any data treatment. Modification with rGO also resulted in significant improvement in electron transfer kinetics of dopamine. The amount of added rGO and the stacking of the graphene sheets were found to affect electron transfer in both inner and outer sphere systems. Finally oxidative treatments of the rGO resulted in increased current response and selectivity towards dopamine of all rGO electrodes, highlighting the role of oxygen containing functional groups in the electro-oxidation of both L-ascorbic acid and dopamine. By combining the stability, good electron transfer properties, and the reasonably low capacitive currents of the Ti/ta-C bilayer electrode with the more electrochemically active rGO, an electrode with low detection limit and improved selectivity towards dopamine was achieved. This electrode also exhibited wide enough water window and sufficiently low capacitive background currents for electrochemical detection of dopamine.Dopamiinin ja muiden hermovälittäjäaineiden reaaliaikainen havaitseminen elävissä organismeissa on pitkäaikainen tavoite. Hiilinanomateriaalit ovat osoittautuneet lupaaviksi materiaaleiksi dopamiinin havaitsemiseen. Timantinkaltaisella hiilellä on laaja vesi-ikkuna, matala kapasitiivinen taustavirta ja se on kemiallisesti stabiili. Yhdistämällä ultraohut tetraedrinen amorfinen hiili (ta-C) titaanin kanssa saadaan aikaan kaksikerroksinen elektrodi, jonka elektroninsiirto-ominaisuuksia voidaan säätää muuttamalla ta-C –kalvon paksuutta. Tämän elektrodin pintaa voidaan myös modifioida muilla hiilen allotroopeilla, kuten grafeenilla. Modifioimme ensimmäistä kertaa Ti/ta-C -elektrodeja grafeenilla dopamiinin havaitsemista varten. Ti/ta-C elektrodien elektroninsiirto-ominaisuudet optimoitiin ensin muuttamalla ta-C kerroksen paksuutta. Molemmat elektrodit karakterisoitiin syklisellä voltametrialla, Raman ja FT-IR spektroskopialla sekä pyyhkäisyelektronimikroskopialla. Elektroninsiirron havaittiin olevan riippuvainen ta-C:n paksuudesta, vaikka paksuudella ei ollut vaikutusta dopamiinin 5 μM havaitsemisrajaan. Elektroninsiirto kasvoi, kun ta-C:n paksuutta pienennettiin. Alle 4 nm paksuudella elektroninsiirto kuitenkin hidastui johtuen Ti -alikerroksen passivoitumisesta. Ti/ta-C elektrodi ei ollut selektiivinen, eivätkä askorbiinihapon ja dopamiinin hapetuspiikit olleet erotettavissa. Grafeenin avulla saavutettiin yhden kertaluokan aleneminen havaitsemisrajassa. Grafeeni-Ti/ta-C -elektrodilla saatiin 500 nM havaitsemisraja dopamiinille. Grafeeni myös nopeutti dopamiinin hapetus-pelkistysreaktion kinetiikkaa ja paransi selektiivisyyttä. Askorbiinihapon ja dopamiinin hapetuspiikit voitiin erottaa toisistaan. Lisäksi grafeenin määrän ja agglomeraattien mikrorakenteen havaittiin vaikuttavan elektroninsiirtoon sekä ulko- että sisäkehän hapetus-pelkistysreaktioissa. Lopuksi grafeenia hapetettiin väkevällä typpihapolla, minkä voitiin todeta kasvattavan dopamiinin virtavastetta sekä elektrodin selektiivisyyttä. Yhdistämällä Ti/ta-C -elektrodin elektroninsiirto-ominaisuudet ja matala taustavirta sähkökemiallisesti aktiivisemman grafeenin kanssa saatiin aikaan selektiivinen elektrodi, jolla on tarpeeksi matala havaitsemisraja dopamiinin havaitsemiseen solujen ulkoisessa nesteessä aivoissa. Lisäksi tämän elektrodin vesi-ikkuna on riittävän suuri ja taustavirta tarpeeksi pieni dopamiinin sähkökemiallista havaitsemista varten.Description
Supervisor
Koskinen, JariThesis advisor
Protopopova, VeraKeywords
dopamine, graphene, ta-C, cyclic voltammetry