Utilization of nanocellulose/nanocarbon hybrid materials for electrochemical measurement of antibiotics

Thumbnail Image

Files

master_Ronkainen_Niko_2025.pdf (8.14 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | 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

2024-12-31

Department

Major/Subject

Biosensing and Bioelectronics

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

35

Series

Abstract

Antibiotics are an essential tool for the treatment and prevention of bacterial infections. They're among the most commonly used pharmaceutical compounds and, as a result, find their way to aquatic environments mainly through human wastewater and agricultural runoff. A sustainable and effective method for the detection of antibiotics from wastewater is required to mitigate the effects of environmental contamination and antibiotic resistance. This study evaluates the performance of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) electrodes modified with polyethyleneimine (PEI) in conjunction with TEMPO-oxidized cellulose nanofiber/single-walled carbon nanotube (TOCNF-SWCNT) hybrid nanostructures and compares their effectiveness against nanocellulose-based electrochemical sensors and the most recent cutting-edge nanocellulose/nanocarbon-based electrochemical sensor. Their performance is evaluated with electrochemical methods to detect hexaammineruthenium(III) chloride in potassium chloride and tetracycline (TC) from phosphate buffered saline. The performance of ta-C/PEI-TOCNF-SWCNT in the detection of hexaammineruthenium(III) with cyclic voltammetry closely tracks the performance of the cutting-edge SWCNT/TOCNF-PEI implementation, but it falls behind in TC detection with differential pulse voltammetry. Problems with the stability of the ta-C/PEI-TOCNF-SWCNT electrodes were also detected in both the deterioration of their electrochemical performance over time and through physical deterioration following repeated use. The findings of this study expose the drawbacks of a comparatively complicated electrode modification process that relies on a two-step process in which the ta-C substrate is first modified with PEI. This intermediary step facilitates the attachment of the nanocellulose/nanocarbon hybrid structure. The results of this work act as a platform for further research on a more refined process of electrode fabrication and fine-tuning of experimental conditions.

Antibiootit ovat tärkeä työkal bakteeri-infektioiden hoidossa ja ehkäisyssä. Ne ovat yleisesti käytettyjä lääkeyhdisteitä, ja päätyvät sen vuoksi vesiympäristöön pääasiassa ihmisten jätevesien ja maatalouden valumavesien kautta. Ympäristön saastumisen ja antibioottiresistenssin vaikutusten lieventämiseksi tarvitaan kestävä ja tehokas menetelmä antibioottien havaitsemiseksi jätevedestä. Tässä tutkimuksessa arvioidaan polyetyleeni-imiinillä (PEI) sekä TEMPO-hapetettujen selluloosa-nanokuitujen ja yksiseinäisten hiilinanoputkien (TOCNF-SWCNT) hybridi-nanorakenteiden kanssa muokattujen tetraedrista amorfisesta hiilestä (ta-C) valmistettujen sähkökemiallisten anturien suorituskykyä ja verrataan niiden tehokkuutta nanoselluloosaan perustuviin sähkökemiallisiin antureihin sekä viimeisimpään tutkimustyöhön perustuvaan nanoselluloosa/nanohiilipohjaiseen sähkökemialliseen anturiin. Niiden suorituskykyä arvioidaan sähkökemiallisilla menetelmillä heksaminerutseeni(III)kloridin havaitsemiseksi kaliumkloridista ja tetrasykliinin (TC) havaitsemiseksi fosfaattipuskuroidusta fysiologisesta suolaliuoksesta. Ta-C/PEI-TOCNF-SWCNT:n suorituskyky heksa-amiinirutenium(III)kloridin havaitsemisessa syklisellä voltammetrialla vastaa viimeisimpään tutkimustyöhön perustuvan SWCNT/TOCNF-PEI-toteutuksen suorituskykyä, mutta se jää jälkeen TC:n havaitsemisessa differentiaalipulssivoltammetrialla. Ta-C/PEI-TOCNF-SWCNT-elektrodien vakaudessa havaittiin myös ongelmia, jotka ilmenivät sekä niiden sähkökemiallisen suorituskyvyn heikkenemisenä ajan myötä että fyysisenä vahingoittumisena toistuvan käytön seurakusena. Tämän tutkimuksen tulokset paljastavat haitat verrattain monimutkaisessa elektrodien muokkausprosessissa, joka perustuu kaksivaiheiseen prosessiin, jossa ta-C-substraatti muokataan ensin PEI:llä. Tämä välivaihe helpottaa nanoselluloosa/nanohiilihybridirakenteen kiinnittymistä. Tämän työn tulokset toimivat alustana jatkotutkimuksille, jotka koskevat hienostuneempaa prosessia elektrodin valmistuksessa ja kokeellisten olosuhteiden hienosäätöä.

Description

Supervisor

Laurila, Tomi

Thesis advisor

Nekoueian, Khadijeh

Keywords

TEMPO-oxidized cellulose nanofibers, polyethyleneimine, single-walled carbon nanotubes, electrochemical sensors, tetracycline, cyclic voltammetry

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501271918

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC