Carbon Nanostructures for Enzymatic Electrochemical Biosensors

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.