Εlectrochemical devices for medical applications: design, preparation and characterization of new electrode nanomaterials

Abstract

This thesis investigates the design and optimization of electrochemical sensors for biomolecule detection, focusing on dopamine (DA), a key neurotransmitter in the mammalian central nervous system. Abnormal dopamine levels are linked to several neurological disorders, highlighting the need for sensitive, selective, and cost-effective detection systems. Owing to their high sensitivity, low detection limits, and potential for miniaturization, electrochemical sensors offer a promising platform for early diagnosis and point-of-care (POC) applications. A comprehensive review of recent advances identified carbon nanotubes (CNTs), graphene, and reduced graphene oxide (rGO) as leading electrode materials due to their superior conductivity, surface area, and biocompatibility. Further improvements were achieved through modifications such as metal/metal oxide nanoparticle incorporation, heteroatom doping, and conducting polymer (CP) coatings, enhancing electron transfer, selectivity, and detection sensitivity. Experimentally, cost-effective dopamine sensors were developed using transition metals supported on modified carbon substrates. Cobalt and iron catalysts on nitrogen-doped Ketjenblack carbon (Fe/KB-N and Co/KB-N) showed strong electrocatalytic activity, while titanium nanocolumn films on monolayer graphene (TiNCs/Gm-Cufoil) exhibited quasi-reversible dopamine oxidation. Nickel oxide nanoparticles on graphene modified with Nafion (Nafion–NiO/GP) achieved a wide linear detection range (0.5–50 μM) and high selectivity. Overall, the findings demonstrate that strategic material engineering -through nanostructuring, doping, and surface modification- significantly enhances the electrochemical performance of dopamine sensors. Nonetheless, challenges remain regarding reproducibility, long-term stability, and biocompatibility. Future research should focus on refining synthesis protocols, applying defect engineering, and integrating these modified electrodes into miniaturized POC systems. The outcomes of this work contribute to advancing the practical application of electrochemical sensors in biomedical diagnostics, bridging the gap between laboratory research and clinical implementation.

Η παρούσα διατριβή διερευνά το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση ηλεκτροχημικών αισθητήρων για την ανίχνευση βιομορίων, με ιδιαίτερη έμφαση στη ντοπαμίνη (DA), έναν βασικό νευροδιαβιβαστή στο κεντρικό νευρικό σύστημα των θηλαστικών. Ανωμαλίες στα επίπεδα της ντοπαμίνης συνδέονται με διάφορες νευρολογικές διαταραχές, γεγονός που υπογραμμίζει την ανάγκη για ευαίσθητα, εκλεκτικά και οικονομικά αποδοτικά συστήματα ανίχνευσης. Χάρη στην υψηλή ευαισθησία, τα χαμηλά όρια ανίχνευσης και τη δυνατότητα σμίκρυνσης, οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την έγκαιρη διάγνωση και τις εφαρμογές σημείου φροντίδας (POC). Μία εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση ανέδειξε τους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), το γραφένιο και το μειωμένο οξείδιο του γραφενίου (rGO) ως τα πλέον αποδοτικά υλικά ηλεκτροδίων, λόγω της υψηλής αγωγιμότητας, της μεγάλης επιφάνειας και της βιοσυμβατότητάς τους. Η απόδοσή τους βελτιώθηκε περαιτέρω μέσω τροποποιήσεων, όπως η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων μετάλλων ή οξειδίων μετάλλων, η ενίσχυση με ετεροάτομα και οι επιστρώσεις με αγώγιμα πολυμερή (CPs), οι οποίες ενίσχυσαν τη μεταφορά ηλεκτρονίων, την εκλεκτικότητα και την ευαισθησία ανίχνευσης. Πειραματικά, αναπτύχθηκαν οικονομικοί αισθητήρες ντοπαμίνης με τη χρήση μετάλλων μετάβασης σε τροποποιημένα ανθρακικά υποστρώματα. Οι καταλύτες κοβαλτίου και σιδήρου σε Ketjenblack ανθρακικό υπόστρωμα ντοπαρισμένο με άζωτο (Fe/KB-N και Co/KB-N) παρουσίασαν ισχυρή ηλεκτροκαταλυτική δραστικότητα, ενώ οι νανοστύλες τιτανίου σε μονοστρωματικό γραφένιο (TiNCs/Gm-Cufoil) εμφάνισαν σχεδόν αντιστρεπτή οξείδωση της ντοπαμίνης. Επιπλέον, τα νανοσωματίδια οξειδίου του νικελίου σε γραφένιο τροποποιημένα με Nafion (Nafion–NiO/GP) επέδειξαν ευρύ γραμμικό εύρος ανίχνευσης (0.5–50 μΜ) και υψηλή εκλεκτικότητα έναντι κοινών παρεμβολών. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο στρατηγικός σχεδιασμός υλικών -μέσω νανοδομής, ντοπαρίσματος (doping) και επιφανειακής τροποποίησης- βελτιώνει σημαντικά την ηλεκτροχημική απόδοση. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις που σχετίζονται με την αναπαραγωγιμότητα, τη μακροχρόνια σταθερότητα και τη βιοσυμβατότητα. Μελλοντικές έρευνες θα πρέπει να επικεντρωθούν στη βελτίωση των πρωτοκόλλων σύνθεσης, στην εφαρμογή μηχανικής ελαττωμάτων και στην ενσωμάτωση αυτών των ηλεκτροδίων σε μινιατουροποιημένα συστήματα POC, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ εργαστηριακής έρευνας και κλινικής εφαρμογής.