Carbon nanotubes as electrode material for electrochemical sensing of neurotransmitters

Abstract

Dopamine, serotonin and epinephrine are electrochemically active neurotransmitters. Dopamine’s role is in neuronal reward, decision-making and motor control. Abnormal functioning of dopamine is linked to diseases such as Parkinson’s disease, attention deficit hyperactivity, schizophrenia, depression and addiction. Serotonin’s role is in regulation of mood, sleep, sexuality and appetite. Abnormal function of serotonin is linked to depression, anxiety and migraines. Epinephrine controls ‘fight or flight’ response and is involved in physical and mental stress, blood pressure, heart rate, immune system and glycogen metabolism. Abnormal function of epinephrine has also been linked to Parkinson’s disease. The monitoring of these neurotransmitters has difficulties. The quantities are low (5-500 nM for dopamine) and the changes in concentration are fast. Electrochemical sensing is studied for continuous monitoring of neurotransmitters, but new electrode materials are needed for improving the sensitivity, selectivity and fouling resistance of the electrodes. One studied material is carbon nanotubes. Carbon nanotubes have great electrical properties and are inert in a biological environment. Both multi wall and single wall carbon nanotubes have been studied to improve electrodes. This thesis reviews academic papers that have carbon nanotubes used as electrodes or carbon nanotubes added on existing electrodes, such as glassy carbon electrodes or carbon fiber electrodes. Incorporating carbon nanotubes seem to increase the selectivity, sensitivity and resistance to fouling of the working electrode in cyclic voltammetry setting. Even though lower quantities of neurotransmitters can be detected with carbon nanotube electrodes, the sensitivity isn’t quite enough for continues monitoring of neurotransmitter quantities in the brain.

Dopamiini, serotoniini ja epinephriini ovat elektrokemiallisesti aktiivisia välittäjäaineita. Dopamiinin rooli liittyy aivojen palkitsemisjärjestelmään, päätöksentekoon ja motoriikkaan. Poikkeavuudet dopamiinijärjestelmässä on linkitetty sairauksiin kuten Parkinsonin tauti, tarkkaavaisuushäiriö, skitsofrenia, masennus ja riippuvuus. Serotoniini säätelee mielialaa, unta, seksuaalisuutta sekä ruokahalua. Poikkeavuudet serotoniinjärjestelmässä on linkitetty mm. masennukseen, ahdistukseen ja migreeniin. Epinephriini kontrolloi ’taistele ja pakene’ – reaktiota, sekä liittyy fyysiseen ja psyykkiseen stressiin, verenpaineeseen, sykkeeseen, immuunijärjestelmään sekä glykogeenin aineenvaihduntaan. Poikkeavuudet epinephriinijärjestelmässä on myös linkitetty Parkinsonin tautiin. Näiden välittäjäaineiden mittaaminen on haastavaa. Välittäjäaineiden määrät ovat pieniä (dopamiinin normaalimäärät ovat 5-500 nM) sekä pitoisuuksien vaihtelu on nopeaa. Välittäjäaineiden elektrokemiallista mittausta tutkitaan jatkuvan mittauksen menetelmänä, mutta uusia elektrodimateriaaleja tarvitaan parantamaan herkkyyttä, valikoivuutta sekä parantamaan käyttöikää estämällä likaantumista. Yksi tällainen tutkittu materiaali on hiilinanoputket. Hiilinanoputkilla on erinomainen sähkönjohtavuus sekä ovat inerttejä biologisessa ympäristössä. Sekä yksiseinäisiä, että moniseinäisiä hiilinanoputkia on tutkittu elektrodimateriaalina. Tässä diplomityössä käydään läpi tutkimuksia sekä akateemisia julkaisuja, joissa tutkitaan hiilinanoputkista tehtyjä elektrodeja sekä hiilinanoputkilla paranneltuja jo olemassa olevia elektrodeja, kuten lasihiilielektrodeja ja hiilikuituelektrodeja. Hiilinanoputkien käyttö näyttäisi parantavan elektrodin herkkyyttä, valikoivuutta sekä vähentävän likaantumisherkkyyttä, kun menetelmänä on käytetty syklistä voltammetriaa. Vaikka hiilinanoputkielektrodit parantavat mittauksen herkkyyttä, ei tutkitut elektrodit näyttäisi pystyvän vielä tarpeeksi tarkkoihin mittauksiin, jotta aivojen välittäjäainepitoisuuksien jatkuva mittaus olisi vielä mahdollista.