Bachelor's Thesis

Lactate biosensor based on graphene derivatives

Final Thesis 15.4 MB

Author of thesis: Alex Kostolanský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Zuzana Košelová, Ph.D.

Abstract:

Electrochemical biosensors represent an attractive analytical platform for the detection
of biologically relevant analytes due to their high sensitivity, low cost, and compatibility
with miniaturized devices. Lactate is an important metabolic biomarker widely monitored
in medical diagnostics, sports medicine, physiological research, and biotechnology. The
performance of enzymatic lactate biosensors strongly depends on the properties of the
electrode material and the efficiency of enzyme immobilization.
This bachelor’s thesis investigates the applicability of graphene acid-based materials as
electrode modifiers for screen-printed carbon electrodes (SPCEs) intended for amperometric lactate biosensing. Graphene acid (GA), nitrogen-doped graphene acid (NGA),
and single copper atom anchored nitrogen-doped graphene acid (NGA-Cu) were evaluated as sensing platforms. Two enzyme immobilization strategies, namely physical
adsorption and covalent immobilization via EDC/NHS coupling chemistry, were implemented and compared using lactate oxidase (LOx) as the biorecognition element.
Electrochemical impedance spectroscopy, cyclic voltammetry, and amperometric measurements were employed to characterize the modified electrodes and evaluate their
suitability for lactate detection. EIS measurements demonstrated that graphene acid
based modifications significantly altered the electrochemical properties of the electrodes,
with GA exhibiting the lowest charge-transfer resistance. Cyclic voltammetry identified
hexaammineruthenium(II/III) chloride as the most suitable redox mediator among the
investigated systems. However, despite favorable electrochemical characteristics, neither
adsorption-based nor covalent enzyme immobilization resulted in a measurable amperometric response toward lactate.
To identify the origin of this limitation, the modified electrodes were subsequently evaluated through direct hydrogen peroxide detection. The results confirmed that all investigated electrode materials remained electrochemically active and capable of generating
stable concentration-dependent signals. NGA-Cu exhibited the highest sensitivity toward
hydrogen peroxide, indicating that the absence of lactate response was primarily associated with enzyme immobilization rather than insufficient electrochemical performance
of the electrode materials.
A measurable lactate response was achieved only after employing an alternative enzyme
immobilization strategy based on a glutaraldehyde-cross-linked gelatin matrix protected
by a cellulose membrane. Under these conditions, the NGA-Cu biosensor exhibited a
concentration-dependent response over a narrower concentration range than that investigated, however demonstrated approximately fourfold higher sensitivity than a graphene
oxide-based reference biosensor. The obtained results highlight the critical role of enzyme
stabilization in biosensor construction.

Keywords:

electrochemical biosensor; lactate detection; graphene acid; nitrogen-doped graphene
acid; lactate oxidase; enzyme immobilization; amperometry; screen-printed carbon electrode

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Kudrna položil otázku, jaké úpravy by bylo možné provést pro zlepšení výsledků a jakým způsobem by student při jejich realizaci postupoval. Ing. Smital položil otázku, zda existují komerčně dostupné elektrody pro měření laktátu a zda práce obsahuje srovnání navržené elektrody s komerčně dostupnými řešeními. Doc. Kudrna se dále dotázal, kde by bylo možné navržené řešení prakticky využít. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Kudrna, Ph.D. (předseda)
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Zuzana Nováková, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D. (člen)
Ing. Larisa Chmelíková, Ph.D. (člen)

Předložená práce studenta Alexe Kostolanského se zaměřuje na testování derivátů grafenu, a to především grafenové kyseliny a její dopované či jinak modifikované formy, jako funkční složky pracovní elektrody pro návrh enzymového biosenzoru pro stanovení laktátu. Práce podrobně popisuje teoretické principy biosenzorů, různé metody imobilizace enzymu a následnou elektrochemickou analýzu funkčnosti. Student splnil všechny body zadání. Vypracoval k tématu rešerši, navrhl enzymatický biosenzor pro detekci laktátu, a provedl měření i vyhodnocení elektrochemických dat. I přes řadu neúspěchů s počáteční hypotézou a řadu problémů v průběhu dalších měření student identifikoval příčiny a snažil se navrhnout alternativní řešení. Práce je sepsána v anglickém jazyce s použitím umělé inteligence pro jazykovou a stylistickou úpravu, což přispělo k dobré úrovni textu. Prezenční úroveň a rozsah práce jsou vyhovující. V práci se objevují citace relevantních studií, se kterými autor pracoval v rešeršní části a při porovnávání svých naměřených výsledků. Práce přináší cenné poznatky o vlivu modifikací na bázi grafenových kyselin na elektrochemické vlastnosti elektrod. Získané znalosti o kritické roli stabilizace enzymu jsou klíčové pro další vývoj v této oblasti. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Zuzana Košelová, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá využitím derivátů grafenové kyseliny pro konstrukci amperometrického biosenzoru laktátu na bázi sítotiskových uhlíkových elektrod. Téma je aktuální, vhodné pro bakalářskou práci a experimentálně poměrně náročné. Autor připravil elektrody modifikované GA, NGA a NGA-Cu, provedl jejich elektrochemickou charakterizaci pomocí EIS, CV a amperometrie a ověřil několik strategií imobilizace laktátoxidázy. Cíle práce považuji za převážně splněné, i když původně uvažované imobilizační postupy nevedly k funkční laktátové odezvě a použitelný biosenzor byl získán až po zavedení alternativní enzymové vrstvy.

Teoretická část je rozsáhlá a pokrývá principy biosenzorů, elektrochemické metody, grafenové deriváty i problematiku laktátových biosenzorů. Je zpracována přehledně, avšak místy působí spíše obecně a některé pasáže nejsou dostatečně úzce propojeny s vlastní experimentální částí. Větší pozornost by si zasloužil zejména mechanismus EDC/NHS imobilizace, možné příčiny ztráty enzymové aktivity a vliv membránových vrstev na difuzi analytu a stabilitu biosenzoru.

Silnou stránkou práce je logická experimentální návaznost. Autor nejprve charakterizuje modifikované elektrody, následně testuje redoxní mediátory, vyhodnocuje neúspěšnou odezvu na laktát a poté správně ověřuje, zda je problém v elektrodovém materiálu, nebo v imobilizaci enzymu, pomocí přímé detekce H₂O₂. To svědčí o dobrém experimentálním uvažování.

Za hlavní nedostatky však považuji slabší kvantitativní zpracování dat, absenci systematického fitování EIS pomocí ekvivalentního obvodu, nedostatečně doloženou reprodukovatelnost, chybějící LOD/LOQ, stabilitu a selektivitu senzoru. Interpretace vyšší citlivosti NGA-Cu je pravděpodobná, ale není zcela jednoznačně experimentálně prokázána.

Po formální stránce je práce přehledná a celkově srozumitelná, jazyková úroveň angličtiny je přijatelná, i když se místy objevují neobratné formulace a drobné chyby. Práce s literaturou je dostatečná a zdroje jsou převážně relevantní a aktuální. Celkově jde o dobrou bakalářskou práci s reálným experimentálním obsahem a věcně zvládnutou interpretací negativních výsledků, ale s rezervami v analytickém vyhodnocení a validaci biosenzoru. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 84 - B velmi dobře. Topics for thesis defence:
  1. Kolik nezávisle připravených elektrod bylo měřeno pro jednotlivé modifikace a jaká byla jejich variabilita?
  2. Jaký ekvivalentní obvod by autor zvolil pro fitování EIS dat a proč?
  3. Proč podle autora selhala fyzikální adsorpce i EDC/NHS imobilizace laktátoxidázy?
  4. Jak by se stanovily LOD a LOQ u tohoto senzoru a jaká data by k tomu byla potřeba?
Points proposed by reviewer: 84

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová