Graphene Fiber Microelectrode (GFME) Fabrication for Improved Dopamine Detection

Abstract

Dopamine (DA) is one of the most significant neurotransmitter molecules in the brain, responsible for regulating motor functions and associated with learning, reward, and motivation. Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disease that is strongly linked to abnormally low DA levels in the brain, caused by the gradual loss of dopamine-producing (dopaminergic) neurons. Developing a sensor to monitor DA levels in real-time would provide a better understanding of the disease and enable more precise treatment for PD patients. For this purpose, electrochemical sensors have been utilized to investigate DA oxidation reactions in biological environments. The occurring oxidation of DA is detected as current by a working electrode, the obtained current being directly proportional to DA concentration at the electrode surface. The material properties of the electrode play a significant role in achieving accurate DA measurements, and graphene-based materials are emerging in electrochemical applications to improve sensitivity and long-term electrode stability.

In this thesis, graphene-fiber microelectrodes (GFMEs) were fabricated by synthesizing graphene oxide (GO) fibers into pulled glass capillary tubes. The produced GFMEs were electrochemically characterized using a cyclic voltammetry (CV) potentiostat in a DA solution and compared to the performance of a carbon-fiber microelectrode (CFME). Additionally, the electrical properties of the produced GO fibers were evaluated by using the transfer-length method (TLM) with two-probe resistance measurements.

The fabricated GO fibers were approximately 35–40 µm in diameter. The conducted two-probe measurements on the fibers provided a good linear fit (R2 = 0.9927). The approximated electrical properties of the fibers were in an expected range, conductivity being lower compared to commercial carbon-fibers. The measured results from the CV experiments did not show expected steady-state DA oxidation currents, but rather the capacitive non-faradaic currents from the fabricated microelectrodes. This indicated unsuccessful microelectrode fabrication, the fault most likely being in the challenge to precisely control the sensing surface area of the electrode fiber. Utilizing more precise instrumentation in polishing and trimming the sensing end of the electrodes could result in expected oxidation current measurements in the future.

Although the electrochemical characterization of the microelectrodes was not successful, previous studies utilizing graphene-based electrodes have provided promising results. The conducted studies have resulted in improved DA sensitivity and measurement stability. Indeed, graphene materials hold great potential alongside carbon-fibers in future implantable sensor applications.

Dopamiini on yksi merkittävimmistä aivojen hermovälittäjäaineista, joka säätelee kehon motorisia toimintoja ja vaikuttaa muun muassa ihmisen oppimiseen, motivaatioon ja palkitsemisen tunteeseen. Parkinsonin tauti on neurodegeneratiivinen sairaus, joka aiheutuu aivojen poikkeuksellisen matalista dopamiinitasoista. Tämä johtuu pääosin dopamiinia tuottavien (dopaminergisten) neuronien asteittaisesta häviämisestä. Sensorin kehittäminen dopamiinitasojen reaaliaikaiseen seurantaan tarjoaisi paremman ymmärryksen Parkinsonin taudista ja mahdollistaisi Parkinson-potilaiden tehokkaamman hoidon. Sähkökemiallisia sensoreita on kehitetty dopamiinimolekyylin hapettumisreaktioiden tutkimiseksi biologisissa ympäristöissä elektrodien avulla. Dopamiinin hapettumisreaktio elektrodin pinnalla havaitaan virtapiikkinä, joka on suoraan verrannollinen dopamiinin pitoisuuteen. Käytetyn elektrodin materiaaliominaisuudet ovat merkittävässä roolissa tarkkojen pitoisuuslukemien saavuttamisessa. Grafeenipohjaiset materiaalit ovat kasvavassa suosiossa sähkökemiallisissa sovelluksissa tavoitteena parantaa elektrodin herkkyyttä sekä vakautta pitkäaikaisissa mittauksissa.

Tässä tutkielmassa valmistettiin grafeenikuitumikroelektrodeja (GFME) syntetisoimalla grafeenioksidikuituja (GO) vedettyihin lasikapillaariputkiin. Valmistetut GFME:t karakterisoitiin sähkökemiallisesti käyttämällä syklistä voltammetriaa dopamiiniliuoksessa. Elektrodien sähkökemiallista suorituskykyä verrattiin hiilikuitumikroelektrodiin (CFME). Lisäksi tuotettujen GO-kuitujen sähköisiä ominaisuuksia arvioitiin käyttämällä siirtopituusmenetelmää (Transfer Length Method, TLM) kahden anturin resistanssimittauksilla.

Valmistetut GO-kuidut olivat halkaisijaltaan noin 35–40 µm. Eri pituuksilla suoritetut resistanssimittaukset kuiduille tarjosivat hyvän lineaarisen sovituksen (R2 = 0.9927). Arvioidut sähköiset ominaisuudet olivat suurusluokaltaan odotettuja GO-kuiduille, sähköinen johtavuus oli alhaisempi verrattuna kaupallisiin hiilikuituihin. Syklisen voltammetrian mittaustulokset eivät tuottaneet odotettuja dopamiinin hapettumisvirtoja, vaan valmistetuista elektrodeista havaittiin kapasitiivisia taustavirtoja. Tämä viittasi epäonnistuneeseen mikroelektrodien valmistusprosessiin. Mikroelektrodien toimimattomuus todennäköisimmin johtui haasteesta kontrolloida GO-kuidun havannointipäädyn pinta-alaa. Tarkempi hallinta elektrodien havainnointipään leikkaamisessa ja hiomisessa voisi tulevaisuudessa johtaa odotettuun hapettumisvirran havaitsemiseen.

Vaikka mikroelektrodien sähkökemiallinen karakterisointi ei onnistunut, ovat aiemmat tutkimukset osoittaneet lupaavia tuloksia grafeenipohjaisten elektrodien käytöstä. Tutkimuksien tulokset ovat johtaneet elektrodin parantuneeseen dopamiiniherkkyyteen sekä vakauteen. Grafeenipohjaisilla materiaaleilla on täten hiilikuitujen rinnalla suuri potentiaali tulevissa implantoitavissa sensorisovelluksissa.