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Caractérisation d'électrodes en papier pour la détection de la chimie fine du cerveau

Juliette Pelletier

Master's thesis (2023)

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Abstract

The detection of neurotransmitters is one of the essential tools in the neuroscience research’s field. In order to better understand the brain mechanisms, the study of neurotransmitters, molecules allowing communication between the components of the nervous system, is essential. Among these, dopamine (DA) is an important neurotransmitter whose role is still largely unknown. Also, its involvement in learning and addiction mechanisms makes it a pharmacological target, which motivates the development of detection and measurement methods. The detection of DA with analytical electrochemistry techniques is a method studied and applied in the field in order to establish patterns of spatial and temporal variations of DA concentrations. This work connects the desire to use new DA detection technologies by developing paper electrodes optimized for DA electroanalysis. The project is inspired by an article presenting a paper electrode dipped 3 times in an organic polymer ink, poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS). The results of this method demonstrate that it is possible to detect DA with paper devices by cyclic voltammetry to obtain curves with oxidation and reduction peaks that are species-specific. Paper is a material used as a substrate for the analytical detection of biological molecules since the early 2000s. Low in cost, paper has several advantages: it has a simple chemical composition, can absorb liquids by capillarity and has a structure in 3 dimensions, which allows to make 3D analysis systems, with larger contact surfaces. The paper used in this project is Whatman 1 filter paper. In order to make the paper conductive, it is coated by dipping in various conductive inks. To improve the detection performance, but also the resistance to electrode fouling (fouling effect) produced by the oxidation of DA during detection, inks made of carbon nanotubes (CNT) have been used in this project. Indeed, carbon microelectrodes are well known in the field of electrochemical analysis of neurotransmitters, a carbon-based tool still in use. The results show that the choice of ink deposited on the paper impacts its electrical properties. According to the results, the PEDOT:PSS ink has a very capacitive behavior when deposited on the paper, thus obtaining voltammograms with more signal magnitude, but also noisier. CNT ink is more resistive on paper. Noise is reduced and the overall signal amplitude is lower. However, the use of mixtures of PEDOT:PSS and CNT inks improves the voltammograms. There is a better signal/noise ratio, but also a better thermodynamic representation of the oxidation-reduction reaction of the species evaluated. Adding organic solvents to boost electrode performance, a technique often used to improve electrodes, further improves the performance of paper electrodes. The resistance of the electrodes to DA-induced fouling was evaluated. Electrodes containing CNTs are more resistant to fouling. Also, the electrodes made with CNTs make it possible to detect in a stable way a smaller concentration of DA, that is to say an order of magnitude lower than for the electrodes without CNTs. Also, since they are more resistant to fouling, electrodes made with CNTs can detect high concentrations of DA without undergoing fouling effects, which makes it possible to obtain standard curves for these electrodes covering a greater range of concentrations. This project therefore demonstrates that the mix of PEDOT:PSS and CNT inks make it possible to adjust the properties of the electrodes in order to optimize their performance in terms of DA detection, fouling resistance and DA detection limit.

Résumé

La détection de neurotransmetteurs est un des outils essentiels des domaines de recherche en neurosciences. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes cérébraux, l’étude des neurotransmetteurs, des molécules permettant la communication entre les composantes du système nerveux, est indispensable. Parmi ceux-ci, la dopamine (DA) est un neurotransmetteur important dont le rôle est encore largement inconnu. De plus, son implication dans les mécanismes d’apprentissage et de dépendance en fait une cible pharmacologique, ce qui motive la mise au point de méthodes de détection et de mesure. La détection de DA avec des techniques d’électrochimie analytique est une méthode étudiée et appliquée dans le domaine afin d’établir des schémas de variations spatiales et temporelles des concentrations de DA. Ce travail met en relation la volonté d’utiliser de nouvelles technologies de détection de la DA en développant des électrodes en papier optimisées pour l’électroanalyse de la DA. Le projet est inspiré d’un article présentant une électrode en papier trempée 3 fois dans une encre de polymère organique, le poly(3,4 ethylenedioxythiophene) : polystyrène sulfonate (PEDOT :PSS). Les résultats de cette méthode démontrent qu’il est possible de détecter de la DA avec des dispositifs de papier par voltammétrie cyclique afin d’obtenir des courbes présentant des pics d’oxydation et de réduction qui sont propres aux espèces. Le papier est un matériau utilisé comme substrat pour la détection analytique de molécules biologiques depuis le début des années 2000. De faible coût, le papier a plusieurs avantages : il est de composition chimique simple, peut absorber des liquides par capillarité et a une structure en 3 dimensions, ce qui permet de faire des systèmes d’analyses 3D, avec de plus grandes surfaces de contact. Le papier utilisé dans ce projet est le papier filtre Whatman 1. Afin de rendre le papier conducteur, il est enduit par trempage dans différentes encres conductrices. Pour améliorer les performances de détection, mais également la résistance à l’encrassement de l’électrode (effet fouling) produit par l’oxydation de DA lors de la détection, des encres à base de nanotubes de carbone (CNT) ont été utilisées dans ce projet. En effet, les microélectrodes de carbone sont bien connues dans le domaine de l’analyse électrochimique de neurotransmetteurs, un outil à base de carbone qui est toujours utilisé. Les résultats mettent en évidence que le choix de l’encre déposée sur le papier impacte les propriétés électriques de celui-ci. Selon les résultats, l’encre de PEDOT :PSS a un comportement très capacitif lorsque déposé sur le papier, on obtient ainsi des voltammogrammes avec plus d’amplitude de signal, mais plus bruités également. L’encre de CNT est quant à elle plus résistive sur le papier. Le bruit est réduit et l’amplitude du signal global est plus faible. Cependant, l’utilisation de mélanges d’encres PEDOT :PSS et CNT améliore les voltammogrammes. Il y a un meilleur ratio signal/bruit, mais également une meilleure représentation thermodynamique de la réaction d’oxydoréduction de l’espèce évaluée. En ajoutant des solvants organiques pour pousser les performances de l’électrode, une technique souvent utilisée pour améliorer les électrodes, cela permet de bonifier encore les performances des électrodes de papier. La résistance des électrodes au fouling induit par la DA a été évaluée. Les électrodes contenant des CNT résistent mieux au fouling. Également, les électrodes fabriquées avec des CNT permettent de détecter de façon stable de plus petites concentrations de DA, soit un ordre de grandeur plus faible que pour les électrodes préparées sans CNT. Également, puisque plus résistantes au fouling, les électrodes faites avec des CNT peuvent détecter des concentrations élevées de DA sans subir des effets de fouling, ce qui permet d’obtenir pour ces électrodes des courbes étalons couvrant une plus grande gamme de concentrations. Ce projet démontre donc que les mélanges d’encres PEDOT :PSS et CNT permettent d’ajuster les propriétés des électrodes afin d’optimiser leur performance de détection de DA, de résistance au fouling et de limite de détection de DA.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Raphaël Trouillon
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/54877/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 04 Mar 2024 13:03
Last Modified: 08 Apr 2024 08:43
Cite in APA 7: Pelletier, J. (2023). Caractérisation d'électrodes en papier pour la détection de la chimie fine du cerveau [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/54877/

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