Carbon Nanostructures for Enzymatic Electrochemical Biosensors

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-09-13
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
100 + app. 94
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 157/2018
Abstract
Neurological diseases are a significant burden not only to patients suffering from them but also to the society from economic point of view. The reason behind various neurological conditions is suggested to be disrupted neurotransmitter homeostasis. By monitoring the neurotransmitter concentrations in vivo it could be possible to find new means to treat and study these diseases. However, there are no current methods to measure the neurotransmitter release and uptake in vivo in real time. The aim of this work was to develop electrochemical sensors for the detection of neurotransmitter glutamate. The main materials studied were Pt-alloyed amorphous carbon and carbon nanofibers grown either from Ni or Pt catalyst. Carbon is an attractive material for sensor applications with its versatile forms and good electrochemical properties. Pt, on the other hand, is a critical material and its use should be minimized. This was achieved here by utilizing nanomaterials. It was shown in this study that the addition of Pt changed the physical structure of carbon thin films and carbon nanofibers. The electrochemical response was dominated by Pt despite its significantly lower concentration (less than 10 at-%) in the material. This could be utilized to enhance the detection of H2O2, which could not be achieved with only carbon. Glutamate is not innately electroactive and there is no current method to directly measure it electrochemically in neutral pH. Thus, glutamate oxidase enzyme was immobilized on the sensors surface and the electrochemical detection was based on measuring enzymatically produced H2O2. The studied nanostructures exhibited good properties for enzyme immobilization as well as electrochemical detection of both H2O2 and glutamate. The best sensitivity for H2O2 reduction was obtained with carbon nanofibers grown from Pt catalyst (0.43 µA µM-1 cm-2). This sample type had also the best sensitivity for the detection of glutamate (0.27 µA µM-1 cm-2). However, these results were proposed to have some additional contribution from oxygen reduction reaction. In addition, the results indicated that presence of chlorides affect the detection of H2O2. Moreover, glutamate itself was found to foul Pt surfaces which should be considered when designing sensors for its detection. In addition to showing their suitability for fabrication of electrochemical sensors, cell culture experiments were utilized to evaluate the biocompatibility of the materials. The initial results showed good cell viability on all the studied materials. It was demonstrated that it is possible to affect the host response by different surface structures. However, further investigations are still needed to make more profound conclusions. As a summary, the novel carbon materials studied here were found to be suitable candidates for electrochemical biosensors for the detection of glutamate.

Neurologiset sairaudet ovat merkittävä taakka sekä potilaille että yhteiskunnalle, erityisesti niistä koituvien kustannusten takia. Niiden taustalla on epäilty olevan epätasapaino hermovälittäjäaineiden pitoisuuksissa. Seuraamalla näitä pitoisuuksia in vivo voisi olla mahdollista kehittää uusia keinoja hoitaa ja tutkia neurologisia häiriötä. Nykyisillä menetelmillä ei kuitenkaan pystytä mittaamaan hermovälittäjäaineiden vapautumista sekä takaisinottoa reaaliajassa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää sähkökemiallisia antureita hermovälittäjäaine glutamaatin mittaamiseen. Tutkittaviksi materiaaleiksi valittiin erityisesti Pt-seostettu amorfinen hiili sekä Pt- tai Ni-katalyyteista kasvatetut hiilinanokuidut. Hiilen etuja anturisovelluksissa ovat sen esiintyminen useissa eri muodissa sekä hyvät sähkökemialliset ominaisuudet. Pt puolestaan on kriittinen materiaali, jonka käyttöä tulisi pyrkiä minimoimaan. Tämä voidaan saavuttaa hyödyntämällä nanomateriaaleja. Tutkimuksessa osoitettiin, että Pt:n lisääminen hiiliohutkalvoihin ja hiilinanokuituihin muutti niiden rakenteita. Tämän lisäksi Pt dominoi sähkökemiallista vastetta huomattavasti siitä huolimatta, että sen konsentraatio materiaaleissa oli merkittävästi hiiltä pienempi (< 10 %). Pt myös tehosti H2O2:n mittaamista, mikä ei ollut mahdollista käyttämällä ainoastaan hiiltä.Glutamaatti ei ole sähkökemiallisesti aktiivinen aine eikä sen mittaamiseksi fysiologisessa pH:ssa ole olemassa suoria menetelmiä. Tästä syystä anturien pinnalle immobilisoitiin glutamaattioksidaasientsyymiä ja sähkökemialliset mittaukset perustuivat entsymaattisesti tuotetun H2O2:n havaitsemiseen. Tutkitut nanomateriaalit soveltuivat hyvin entsyymin immobilisoimiseen kuin myös H2O2:n ja glutamaatin mittaamiseen. Paras herkkyys H2O2:lle saavutettiin Pt:sta kasvatetuilla hiilinanokuiduilla (0.43 µA µM-1 cm-2). Kyseinen näytetyyppi oli herkin myös havaittaessa glutamaattia (0.27 µA µM-1 cm-2). Hapen pelkistysreaktiosta syntyneen virran arveltiin kuitenkin vaikuttaneen näihin tuloksiin. Haasteeksi nousivat myös kloridi-ionien vaikutukset H2O2 mittaamiseen. Tämän lisäksi glutamaatin havaittiin likaavan platinaa, mikä tulisi huomioida suunniteltaessa anturiratkaisuja sen mittaamiseen. Sen lisäksi, että hiilinanorakenteiden osoitettiin soveltuvan sähkökemiallisten antureiden valmistukseen, tutkimuksessa selvitettiin myös niiden bioyhteensopivuutta. Alustavien tulosten perusteella viljellyt solut säilyivät elinkelpoisina kaikilla tutkituilla materiaaleilla. Lisäksi näytteiden pintarakenteen osoitettiin vaikuttavan solujen vasteeseen. Syvempien päätelmien tekemiseksi tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia. Johtopäätöksenä voidaan sanoa, että tutkitut, uudet hiilimateriaalit soveltuvat käytettäviksi sähkökemiallisissa, glutamaatin mittaamiseen tarkoitetuissa bioantureissa.
Description
Supervising professor
Laurila, Tomi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Peltola, Emilia, Dr., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
glutamate, biosensors, hydrogen peroxide, carbon nanostructures, platinum, biocompatibility, glutamaatti, bioanturi, vetyperoksidi, hiilinanorakenteet, platina, bioyhteensopivuus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: N. Isoaho, N.Wester, E. Peltola, L.-S. Johansson, A. Boronat, J. Koskinen, J. Feliu, V. Climent, T. Laurila. Amorphous Carbon Thin Film Electrodes with Intrinsic Pt-gradient for Hydrogen Peroxide Detection. Electrochimica Acta, 251, 60-70, October 2017.
    DOI: 10.1016/j.electacta.2017.08.110 View at publisher
  • [Publication 2]: N. Tujunen, E. Kaivosoja, V. Protopopova, J.J. Valle-Delgado, M. Öster-berg, J. Koskinen, T. Laurila. Electrochemical Detection of Hydrogen Peroxide on Platinum-Containing Tetrahedral Amorphous Carbon Sensors and Evaluation of Their Biofouling Properties. Materials Science and Engineering C, 55, 70-78, May 2015.
    DOI: 10.1016/j.msec.2015.05.060 View at publisher
  • [Publication 3]: E. Kaivosoja, N. Tujunen, V. Jokinen, V. Protopopova, S. Heinilehto, J. Koskinen, T. Laurila. Glutamate Detection by Amino Functionalized Tetrahedral Amorphous Carbon Surfaces. Talanta, 141, 175-181, April 2015.
    DOI: 10.1016/j.talanta.2015.04.007 View at publisher
  • [Publication 4]: N. Isoaho, E. Peltola, S. Sainio, N. Wester, V. Protopopova, B.P. Wilson, J. Koskinen, T. Laurila. Carbon Nanostructure Based Platform for Enzymatic Glutamate Biosensors. Journal of Physical Chemistry C, 121, 4618-4626, February 2017.
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10612 View at publisher
  • [Publication 5]: N. Isoaho, S. Sainio, N. Wester, L. Botello, L.-S. Johansson, E. Peltola, V. Climent, J.M. Feliu, J. Koskinen, T. Laurila. Pt-Grown Carbon Nanofibers for Detection of Hydrogen Peroxide. RSC Advances, 8, 12742-12751, April 2018.
    DOI: 10.1039/C8RA01703D View at publisher
  • [Publication 6]: N. Isoaho, E. Peltola, S. Sainio, J. Koskinen, T. Laurila. Pt-Grown Carbon Nanofibers for Enzymatic Glutamate Biosensors and Assessment of Their Biocompatibility. Submitted to Journal of Materials Chemistry B, 27.4. 2018.
Citation