Single-chirality single-walled carbon nanotubes in simultaneous electrochemical sensing of serotonin and dopamine - Valkama, Salli (My University, 2026)
Dopamine (DA) and serotonin (5-HT) are key neurotransmitters that interact in the brain, and their disruptions are associated with neurodegenerative diseases such as Parkinson’s and Alzheimer’s disease. Neurotransmitter dynamics are also affected by fluctuations of female hormones, including 17β-estradiol (E2) and progesterone (P4). Accurate measurement tools are essential for understanding their mechanisms in the brain, and electrochemical sensors could offer sensitive, real-time, and cost-effective detection. As DA and 5-HT are electrochemically active, they can be detected directly using electrochemical methods. However, their chemical similarity results in closely spaced oxidation potentials, making their peaks difficult to distinguish using conventional electrode materials. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are promising materials for electrochemical sensors due to their unique mechanical and optoelectronic properties, which are mainly governed by structural characteristics such as chirality and diameter. However, chirality is often neglected in SWCNT-based sensor studies. The use of mix-chirality SWCNTs can limit sensor reproducibility and precision. This thesis investigates single-chirality SWCNTs for the electrochemical co-detection of dopamine (DA) and serotonin (5-HT). It comprises a literature review and an experimental section. The review outlines current challenges in DA and 5-HT co-detection and examines the effects of E2 and P4 on their brain function. In the experimental part, electrodes were fabricated using semiconducting (6,5)-SWCNTs and metallic (6,6)-SWCNTs, transferred onto screen-printed carbon electrodes (SPCEs) using a thin-film method, and the electrode surfaces were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Differential pulse voltammetry (DPV) was used to assess the co-detection performance of the electrodes. The results of this thesis indicate that SWCNT chirality does play a role in electrochemical co-detection of 5-HT and DA. The (6,5)-SWCNT/SPCE outperformed both the unmodified SPCE and the (6,6)-SWCNT/SPCE in the co-detection of DA and 5-HT and demonstrated effective detection of both neurotransmitters even in the presence of excess concentrations of the other.

Dopamiini (DA) ja serotoniini (5-HT) ovat välittäjäaineita, jotka yhdessä säätelevät esimerkiksi mielialaa ja motivaatiota. Niiden toimintahäiriöt liittyvät aivoja rappeuttaviin sairauksiin, kuten Parkinsonin ja Alzheimerin tautiin. Myös naishormonien kuten 17-β estradiolin (E2) ja progesteronin (P4) pitoisuusvaihtelut vaikuttavat välittäjäaineiden säätelyyn. Näiden yhdisteiden tarkka mittaaminen on tärkeää niiden toiminnan ymmärtämiseksi, ja sähkökemialliset sensorit tarjoavat tarkan, reaaliaikaisen ja kustannustehokkaan ratkaisun. Koska DA ja 5-HT ovat sähkökemiallisesti aktiivisia, niitä voidaan mitata sähkökemiallisesti. Niiden samankaltainen kemiallinen rakenne kuitenkin aiheuttaa sen, että niiden hapettumispotentiaalit ovat lähellä toisiaan. Tällöin perinteisillä elektrodimateriaaleilla on hankala erottaa, kumpi yhdiste aiheuttaa tietyn sähkökemiallisen signaalin. Yksiseinäiset hiilinanoputkset (SWCNT) ovat lupaavia materiaaleja sähkökemiallisissa sensoreissa niiden ainutlaatuisten mekaanisten ja optoelektronisten ominaisuuksien vuoksi, jotka määräytyvät pitkälti rakenteellisten tekijöiden, kuten kiraalisuuden ja halkaisijan perusteella. Tästä huolimatta SWCNT-kiraalisuutta ei usein oteta huomioon tutkimuksissa, jotka koskevat SWCNT-pohjaisia sähkökemiallisia sensoreita. Sensorien toistettavuus ja mittaustarkkuus voi heikentyä huomattavasti käytettäessä useiden kiraalisuuksien seoksia. Tässä diplomityössä tutkittiin yksikiraalisten SWCNT:iden sähkökemiallisia ominaisuuksia ja niiden hyödyntämistä DA:n ja 5-HT:n yhtäaikaisessa sähkökemiallisessa havainnoinnissa. Tämä diplomityö koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osuudesta. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään DA:n ja 5-HT:n mittauksen nykyisiä haasteita, sekä E2:n ja P4:n vaikutuksia näiden välittäjäaineiden toimintaan aivoissa. Työn kokeellisessa osuudessa valmistettiin kahden tyyppisiä SWCNT-modifioituja elektrodeja hyödyntäen puolijohteisia (6,5)- ja metallisia (6,6)-SWCNT:itä, jotka siirrettiin ohutkalvosiirtomenetelmällä hiilipohjaisen kertakäyttöelektrodin (SPCE) pinnalle. Modifioitujen elektrodien pintarakenteita tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM). Elektrodien sähkökemiallista suoriutumista tutkittiin differentiaalipulssivoltametrian (DPV) avulla. Tulokset osoittivat, että kiraalisuudella on merkittävä vaikutus DA:n ja 5-HT:n yhtäaikaisessa sähkökemiallisessa havainnoinnissa. (6,5)-SWCNT/SPCE suoriutui paremmin kuin sekä modifioimaton SPCE että (6,6)-SWCNT/SPCE, ja sillä oli mahdollista havaita molempia välittäjäaneita myös kun toista oli läsnä mittauksessa ylimääränä.
Keywords: Electrochemical co-detection; Carbon nanotube; Chirality; Serotonin; Dopamine; Yhtäaikainen sähkökemiallinen havainnointi; Hiilinanoputki; Kiraalisuus; Dopamiini; Serotoniini