Carbon based hybrid nanomaterials for electrochemical detection of neurotransmitters

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-04-28
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
71 + app. 57
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 72/2017
Abstract
Applying carbon-based sensors to detect neurotransmitters in vitro and to take them towards in vivo is a goal of many research groups. The motivation arises from the increased occurrence of neurological disorders, diseases and age-related illnesses. Thus far, carbon-based materials used as sensors lack the sensitivity and selectivity for neurotransmitter detection, in addition to fouling and stability issues. This thesis presents several methods for tailoring and forming new carbon-based hybrid nanomaterials for the reliable detection of neurotransmitters. The hypothesis of this thesis is that by controllably integrating different carbon allotropes, it is possible to produce hybrid materials with unique properties. The objectives of this thesis are to (i) introduce new carbon-based hybrid materials and their unique properties, (ii) provide a detailed chemical and structural description of the materials and (iii) show the potential of detecting dopamine by using hybrid carbon-based materials in physiologically relevant concentrations for in vivo applications. By using hybrid structures, such as tetrahedral amorphous carbon (ta-C) and nickel as a seed layer for carbon nanofiber (CNF) growth, it is possible to produce a CNF with completely different morphology and properties, compared with a CNF grown on a traditional nickel seed layer. Tailoring of materials at the nanoscale enables the creation of 3D hybrid structures for targeted applications. Furthermore, this work has considered rarity of critical materials, such as platinum, and kept their use to a minimum.

Monen tutkimusryhmän tavoitteena on käyttää hiilipohjaisia antureita hermovälittäjäaineiden havaitsemiseksi in vitro olosuhteissa sekä viedä niitä kohti in vivo sovelluksia. Motivaatio tähän nousee sekä neurologisten että iän tuomien sairauksien kasvaneesta hoitotarpeesta. Tähänastiset hiilipohjaiset anturit eivät ole pystyneet riittävän herkkään ja valikoivaan hermovälittäjäaineiden havaitsemiseen. Lisäksi ne ovat myös alttiita biolikaantumiselle eivätkä näin ollen pysy vakaina pitkiä aikoja. Tässä työssä esitetään useita menetelmiä hiilipohjaisten hybridimateriaalien valmistamiseksi sekä niiden räätälöimiseksi hermovälittäjäaineiden luotettavaan havainnointiin. Työn hypoteesina on, että yhdistämällä hallitusti hiilen eri muotoja on mahdollista saavuttaa antureita, joita ei muuten ole mahdollista toteuttaa. Saavutettu suorituskyky on yhdistelmä hiilen eri muotojen parhaita ominaisuuksia. Tämän työn tavoitteet ovat seuraavat (i) esitellä uusia hiilipohjaisia hybridimateriaaleja ainutlaatuisilla ominaisuuksilla, (ii) tarjota syvällistä kemiallista ja rakenteellista tietoa näistä materiaaleista sekä (iii) todentaa, että näillä hiilihybridimateriaaleilla voidaan havaita dopamiinia (DA) fysiologisesti merkityksellisissä konsentraatioissa. Käyttämällä hybridirakenteita, kuten tetraedrillistä amorfista hiiltä (ta-C) sekä nikkeliä siemenkerroksena hiilinanokuitujen (CNF) kasvatuksessa, saavutetaan täysin erilainen morfologia ja ominaisuudet kuin käyttämällä perinteistä, pelkkää nikkeliä sisältävää siemenkerrosta. Tämä sallii materiaalien räätälöinnin nanoskaalassa ja mahdollistaa räätälöityjen 3D hybridirakenteiden valmistuksen kohdennettuihin sovelluksiin. On huomionarvoista, että tässä työssä valmistetuissa hiilipohjaisissa antureissa ei käytetä kriittisiä materiaaleja (kuten platinaa).
Description
Supervising professor
Laurila, Tomi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
hybrid carbon nanomaterials, carbon nanomaterials, neurotransmitters, electrochemistry, x-ray absorption spectroscopy, XAS, carbon nanotube, CNT, carbon nanofiber, CNF, tetrahedral amorphous carbon, ta-C, hybridi hiilinanomateriaalit, hiilinanomateriaalit, hermovälittäjäaineet, sähkökemia, röntgen absorptiospektroskopia, hiilinanoputki, hiilinanokuitu, tetraedrillinen amorfinen hiili
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Sainio S, Palomäki T, Rhode S, Kauppila M, Pitkänen O, Selkälä T, Toth G, Moram M, Kordas K, Koskinen J, Laurila T ”Carbon nanotube (CNT) forest grown on diamond-like carbon (DLC) thin films significantly improves electrochemical sensitivity and selectivity towards dopamine”, Sensors and Actuators B: Chemical, 211, 177-186, (2015),
    DOI: 10.1016/j.snb.2015.01.059 View at publisher
  • [Publication 2]: Sainio S, Palomäki T, Tujunen N, Protopopova V, Koehne J, Kordas K, Koskinen J, Meyyappan M, Laurila T ”Integrated Carbon Nanostructures for Detection of Neurotransmitters”, Molecular Neurobiology, 52, 859-866, (2015),
    DOI: 10.1007/s12035-015-9233-z View at publisher
  • [Publication 3]: Sainio S, Jiang H, Caro M A, Koehne J, Lopez-Acevedo O, Koskinen J, Meyyappan M, Laurila T “Structural morphology of carbon nanofibers grown on different substrates”, Carbon, 98, 343-351, (2016),
    DOI: 10.1016/j.carbon.2015.11.021 View at publisher
  • [Publication 4]: Sainio S, Nordlund D, Caro M A, Gandhiraman R, Koehne J, Wester N, Koskinen J, Meyyappan M, Laurila T “Correlation between sp3-to-sp2 Ratio and Surface Oxygen Functionalities in Tetrahedral Amorphous Carbon (ta-C) Thin Film Electrodes and Implications of Their Electrochemical Properties”, The Journal of Physical Chemistry C, 120, 8298-8304, (2016),
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b02342 View at publisher
  • [Publication 5]: Sainio S, Nordlund D, Gandhiraman R, Jiang H, Koehne J, Koskinen J, Meyyappan M, Laurila T ”What Does Nitric Acid Really Do to Carbon Nanofibers?”, The Journal of Physical Chemistry C, 120 (39), 22655-22662, (2016),
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b06353 View at publisher
Citation