Electrochemistry of Amorphous Carbon Based Materials - Development of an electrochemical sensor for the detection of dopamine

Neurodegeneratiivisien sairauksien, kuten Parkinsonin ja Alzheimerin tautien, yleisyys kasvaa väestön ikääntyessä, mikä aiheuttaa kasvavia kustannuksia terveydenhuollolle ja yhteiskunnalle. Parkinsonin tauti on parantumaton, hitaasti etenevä sairaus, jonka pääoireet ovat motoriset häiriöt kuten lepovapina, lihasjäykkyys ja liikkeiden hitaus. Taudin aiheuttajaa ei tiedetä, mutta motoriset oireet aiheutuvat dopamiinia tuottavien ja välittävien hermosolujen tuhoutumisesta aivoissa. Taudin oireita voidaan lievittää lääkehoidolla ja vakavimmissa tapauksissa syväaivostimulaatiolla, mutta ne eivät estä taudin etenemistä eivätkä paranna sitä. Koska Parkinsonin taudin oireet liittyvät dopamiinin pitoisuuteen ja välitykseen hermostossa, olisi erityisen tärkeää seurata dopamiinipitoisuuksia reaaliaikaisesti suoraan aivoissa. Tämä tiedon avulla voisi olla mahdollista ymmärtää paremmin taudin aiheuttajia, sen etenemistä ja kehittää tehokkaampia hoitomuotoja. Tässä väitöskirjassa olemme tutkineet amorfisen hiilen sähkökamiellisia ominaisuuksia ja sen käyttöä sähkökemiallisena anturina dopamiinin mittaamisessa. Dopamiinin havaitsemista varten anturin tulee olla tarpeeksi herkkä ja selektiivinen, jotta se voi havaita pieniä dopamiinikonsentraatioita häiriöaineiden läsnäollessa. Amorfista hiiltä on tutkittu niukasti, vaikka sillä on useita erinomaisia sähkökemiallisia ominaisuuksia kuten laaja potentiaali-ikkuna ja pieni taustavirta verrattuna muihin hiilipohjaisiin anturimateriaaleihin. Olemme tutkineet amorfisen hiilen fysikaalisia, kemiallisia ja sähkökemiallisia ominaisuuksia useilla erilaisilla rakenne- ja pintakarakterisointimenetelmillä, laskennallisella mallinnuksella ja sähkökemiallisilla menetelmillä käyttäen ulko- ja sisäkehän redox-molekyylejä.Tulokset osoittavat, että amorfisen hiilen sähkökemiallisia ominaisuuksia voidaan muokata merkittävästi säätämällä depositioparametreja pinnoituksen aikana. Ominaisuudet voivat vaihdella grafiittisen hiilen ja timantinkaltaisen hiilen välillä riippuen hiiliatomien sp2- ja sp3-sidoksien määrästä. Sidoksien sp2/sp3 -suhde määrää amorfisen hiilen fysikaaliset ominaisuudet ja erityisesti elektronikonfiguraation, joka korreloi voimakkaasti sähkökemiallisten ominaisuuksien kanssa. Osoitimme, että tetraedrinen amorfinen hiili soveltuu elektroanalyyttisiin anturisovelluksiin mittaamalla hyvin alhaisia ja fysiologisesti merkityksellisiä dopamiinipitoisuuksia (40-85 nM) syklisellä voltammetrialla. Muokkaamalla pintaa hiilinanoputkilla, anturi pystyi havaitsemaan dopamiinia myös askorbiinihappoa ja virtsahappoa sisältävässä liuoksessa. Nämä aineet ovat pääasialliset häiriötekijät dopamiinin havaitsemisessa. Sekä tetraedrinen amorfinen hiili että hiilinanoputkilla muokattu pinta olivat bioyhteensopivia. Väitöskirjan tuloksien perusteella amorfisella hiilellä voi olla potentiaalisia sovelluskohteita in vivo -anturimateriaalina.