Electrochemical aptasensors employing graphene and carbon nanotubes for medical diagnostics

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2025-12-12

Department

Major/Subject

Bioinformation Technology

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Electrical Engineering
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Kandidatprogrammet i elektroteknik

Language

en

Pages

35

Series

Abstract

Electrochemical aptamer-based (EAB) sensors represent a promising technology for the rapid and accurate detection of diverse biomolecules. These sensors translate target binding events into measurable electrical signals, enabling real-time monitoring and digital analysis of current or potential changes. Such properties make EAB sensors particularly suitable for portable diagnostic platforms and point-of-care testing, where analyses are performed near the patient. Aptamers, the recognition elements of these sensors, are short single-stranded nucleic acids engineered to bind specific target molecules with high selectivity. Their small size, strong binding affinity and thermal stability support dense and stable immobilization on electrode surfaces. However, aptamers also face limitations: their structure is sensitive to environmental conditions, and unmodified aptamers degrade readily in biological fluids. These factors can compromise their long-term stability and reliability in clinical use. This thesis presents a literature review on the use of graphene and carbon nanotubes (CNTs) as electrode materials in EAB sensors, examining sensor structure, operating principles and medical applications. Both graphene and CNTs provide excellent electrical conductivity and large surface area, enabling stable aptamer immobilization and enhancing signal output. Their nanostructures facilitate rapid electron transfer, contributing to lower detection limits and faster response times. When combined with metals or polymers, these carbon nanomaterials can further increase electrode stability, making measurements more resistant to background noise and long-term degradation. The focus of this work is on medical diagnostic applications, particularly the detection of antibiotics, cancer biomarkers, viruses and bacteria. Recent studies demonstrate that EAB sensors employing carbon nanomaterials can detect extremely low concentrations of target analytes and maintain reliable performance even in complex biological fluids. Furthermore, their compatibility with compact and portable device designs supports the growing demand for point-of-care diagnostic tools. Despite their significant potential, several challenges must still be addressed before large-scale clinical adoption is possible. Key issues include ensuring long-term operational stability, achieving controlled and reproducible aptamer immobilization, and minimizing nonspecific binding that can interfere with measurements. Strategies such as advanced surface modification, antifouling coatings and improved sensor architectures are being actively investigated to overcome these limitations. In conclusion, integrating graphene and CNTs into EAB sensor electrodes can substantially improve their analytical performance. Continued research in this field is likely to accelerate the development of faster, more reliable and more patient-centered diagnostic technologies.

Sähkökemialliset aptameerianturit (engl. electrochemical aptamer-based (EAB) sensors) ovat lupaava teknologia monien biomolekyylien nopeaan ja tarkkaan havaitsemiseen. Nämä anturit muuntavat biomolekyylin sitoutumisen sähköiseksi signaaliksi, jolloin biologinen tieto saadaan mitattua ja analysoitua digitaalisesti muutoksena virrassa tai potentiaalissa. Aptameerit ovat lyhyitä ja yksijuosteisia nukleiinihappoja, jotka toimivat näiden antureiden tunnistusmolekyyleinä. Ne syntetisoidaan kemiallisesti ja suunnitellaan sitoutumaan tiettyihin kohdemolekyyleihin. Aptameerien rakenne on herkkä ympäristön olosuhteille, ja muokkaamattomat aptameerit hajoavat helposti biologisissa nesteissä. Nämä tekijät voivat heikentää aptameerien vakautta ja pitkäaikaiskestävyyttä kliinisissä sovelluksissa. Tämä työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena, ja siinä tarkastellaan grafeenin ja hiilinanoputkien käyttöä sähkökemiallisten aptameeriantureiden elektrodimateriaalina sekä näiden antureiden rakennetta, toimintaa ja sovelluksia. Grafeeni ja hiilinanoputket tarjoavat erinomaisen sähkönjohtavuuden ja suuren pinta-alan, mikä mahdollistaa aptameerien vakaan kiinnittymisen elektrodiin ja vahvistaa anturin tuottamaa signaalia. Grafeenin ja hiilinanoputkien yhdistäminen metalleihin tai polymeereihin elektrodimateriaalina parantaa anturin vakautta entisestään, jolloin mittaukset ovat vakaampia. Tämä työ keskittyy lääketieteellisen diagnostiikan sovelluksiin, erityisesti antibioottien, syövän biomerkkiaineiden, virusten ja bakteerien havaitsemiseen. Työn tutkimustulokset osoittavat, että hiilinanomateriaaleihin perustuvat sähkökemialliset aptameerianturit pystyvät havaitsemaan hyvin pieniä määriä kohdemolekyylejä. Ne pystyvät toimimaan luotettavasti myös monimutkaisissa biologisissa nesteissä kuten veressä. Lisäksi antureita voidaan suunnitella kompakteiksi ja kannettaviksi laitteiksi, mikä tukee terveydenhuollon kasvavaa tarvetta vieritestaukselle. Vaikka antureilla on huomattavaa potentiaalia kliinisessä diagnostiikassa, niiden laajamittainen käyttöönotto edellyttää jatkotutkimusta. Tämänhetkisiä keskeisiä haasteita ovat pitkäaikaisen toimintavakauden varmistaminen, aptameerien kiinnittymisen hallittu ja toistettava toteutus sekä ei-toivottujen molekyylien sitoutumisen vähentäminen. Haasteita pyritään ratkaisemaan erilaisilla elektrodien pinnanmuokkaustekniikoilla ja likaantumista estävillä pinnoitteilla. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta, että grafeenin ja hiilinanoputkien käyttö sähkökemiallisten aptameeriantureiden elektrodimateriaalina voi parantaa niiden analyyttistä suorituskykyä merkittävästi. Näillä antureilla on mahdollisuus kasvaa keskeiseksi ja laajemmin hyödynnetyksi menetelmäksi tulevaisuuden terveydenhuollossa.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Laurila, Tomi

Keywords

aptasensor, aptamer, electrochemistry, graphene, carbon nanotubes, medical diagnostics

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512289548

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC