Bachelor's Thesis

Electrochemical sensors based on graphene derivatives for the detection of biomolecules

Final Thesis 3.29 MB

Author of thesis: Tereza Štenclová

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: Ing. Jana Pekárková, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the detection of biomolecules using electrochemical sensors modified with graphene derivatives. It primarily focuses on the selective detection of a key neurotransmitter, dopamine. The theoretical part comprises a literature review focusing on graphene derivatives, electrochemical sensors, their classification, properties, and applications in the analysis of biologically significant compounds. The experimental part is devoted to the development of a sensor based on a screen-printed carbon electrode (SPCE), the surface of which was sequentially modified with undoped graphene acid (GA), nitrogen-doped graphene acid (GAN), and a Nafion polymer layer. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy were utilized for the detailed characterization of surface modifications and the electrochemical properties of the phase interface. The analytical parameters of the developed sensors were subsequently evaluated using constant-potential amperometry. Investigation of the modification effects demonstrated that the system combining the GAN material with an optimized 0.25% Nafion layer (SPCE/GAN/Nafion) is the most suitable for the reliable detection of dopamine.
The developed sensor is characterized by high sensitivity and, owing to the permselective nature of the polymer membrane, exhibits absolute selectivity coupled with the complete suppression of the electrochemical response of interfering ascorbic acid.

Keywords:

Electrochemical sensor, SPCE, graphene derivatives, graphene acid, nitrogen-doped graphene acid, Nafion, dopamine, ascorbic acid, uric acid, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, amperometry

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Zumberg položila otázku: Proč nebyla zahrnuta kyselina močová do ampérometrické detekce? Na základě čeho jste vybrala látky na další analýzu? Ing. Mézl položil otázku: Kolik bodů bylo proměřeno při měření odozvy SPCE? Prof. Augustynek položil otázku: Na čem jste výsledky měřila? Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Tibor Stračina, Ph.D. (člen)
Mgr. Monika Čechová, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Inna Zumberg (člen)

Tato bakalářská práce se zaměřuje na testování elektrochemických senzorů využívajících pokročilé deriváty grafenu pro detekci biomolekul. Studentka pracuje především na možnosti selektivního stanovení dopaminu v přítomnosti interferujících látek, jako jsou kyselina askorbová a močová. K modifikaci uhlíkových elektrod využívá jak grafénové kyseliny, tak i jejich kombinace se selektivní polymerní vrstvou Nafionu. K testování používá metody cyklické voltametrie, elektrochemické impedanční spektroskopie a ampérometrie. Studentka v plném rozsahu splnila všechny body zadání. Práce je přehledně strukturována. Úspěšně zpracovala literární rešerši o derivátech grafenu, připravila a charakterizovala modifikované uhlíkové elektrody pomocí výše zmíněných metod, vyhodnotila data a dosažené výsledky podrobila diskusi se srovnáním s aktuální literaturou. Práce byla vypracována v systému LaTeX s využitím šablony fakulty. Studentka přiznala využití modelu Google Gemini jako asistenčního nástroje pro stylistickou a gramatickou korekturu, což přispělo k celkovému zvýšení úrovně práce. Studentka prokázala dobrou orientaci v odborné literatuře. Seznam zdrojů obsahuje 31 relevantních položek, včetně nejnovějších vědeckých článků z prestižních časopisů. Literární poznatky jsou v textu aktivně využívány nejen v rešeršní části, ale i při interpretaci a diskusi výsledků. Rozsah provedených experimentů, které zahrnovaly testování různých derivátů grafenu, analytů a koncentrací Nafionu, svědčí o aktivitě a pečlivém přístupu studentky k laboratorní práci během celého období řešení. Výsledky práce potvrzují, že tyto pokročilé materiály můžou zlepšit analytické vlastnosti senzorů pro budoucí využití v klinické diagnostice. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jana Pekárková, Ph.D.

Předložená bakalářská práce studentky Terezy Štenclové se zabývá přípravou, optimalizací a charakterizací elektrochemických senzorů založených na tištěných uhlíkových elektrodách modifikovaných deriváty grafenu pro detekci dopaminu. Téma práce je aktuální a odpovídá současným trendům ve vývoji elektrochemických senzorů využívajících uhlíkové nanomateriály. Práce má odpovídající rozsah a je logicky členěna do jednotlivých kapitol. Teoretická část poskytuje přehled elektrochemických senzorů, vybraných elektrochemických metod a grafenových derivátů používaných v oblasti elektrochemických senzorů. Studentka pracovala s odpovídajícím množstvím odborných zdrojů, převážně zahraničních článků, které jsou v textu průběžně citovány.
Experimentální část je zaměřena na přípravu a studium elektrod modifikovaných kyselinou grafenovou, dusíkem dopovanou kyselinou grafenovou a Nafionem. Studentka provedla rozsáhlý soubor elektrochemických měření pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie, cyklické voltametrie, amperometrické detekce a porovnala vliv jednotlivých modifikací na detekci dopaminu. Pozitivně hodnotím systematický přístup k optimalizaci složení modifikační vrstvy a snahu o posouzení selektivity senzoru vůči interferujícím látkám. Výsledky práce mohou sloužit jako podklad pro navazující výzkum elektrochemických senzorů založených na grafenových derivátech a ukazují potenciál dusíkem dopované grafenové kyseliny v kombinaci s Nafionem pro selektivní detekci dopaminu.
Práce však vykazuje několik odborných i formálních nedostatků. Teoretická část má převážně kompilační charakter a místy obsahuje zjednodušující či příliš kategorická tvrzení, například spojování vyšší proudové odezvy přímo s vyšší citlivostí senzoru. V kapitole Výsledky a diskuze chybí statistické vyhodnocení naměřených dat, údaje o reprodukovatelnosti měření a stanovení limitu detekce. Za další nedostatek považuji absenci fyzikálně-chemické charakterizace použitých grafenových derivátů vhodnými metodami. Práce obsahuje značné množství velmi podobných voltamogramů, jejichž informační přínos není vždy zcela zřejmý, přičemž diskuze výsledků je místy spíše popisná než interpretační. Chybí rovněž hlubší propojení a vzájemné porovnání výsledků získaných pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie, cyklické voltametrie a amperometrické detekce. Formální úroveň práce snižuje větší množství překlepů, jazykových nepřesností, terminologických nepřesností (např. používání označení „oxid grafenu“ namísto běžně používaného termínu „grafenoxid“) a ne zcela konzistentní používání zkratek. Zkratky nejsou v textu používány jednotně a místy se bez zjevného důvodu střídají se slovním označením, což zhoršuje přehlednost textu.
Přes uvedené připomínky práce splňuje zadání bakalářské práce. Studentka prokázala schopnost pracovat s odbornou literaturou, osvojit si základní elektrochemické metody a zpracovat experimentální výsledky. Práci proto hodnotím stupněm VELMI DOBŘE (80 bodů). Topics for thesis defence:
  1. 1) Jaké informace poskytla každá z použitých metod (EIS, CV a amperometrická detekce) a jak se jejich výsledky vzájemně doplňují?
  2. 2) Proč byla pro stanovení analytických parametrů senzoru zvolena amperometrická detekce a nebyly využity metody diferenční pulzní voltametrie nebo square-wave voltametrie?
  3. 3) Jakým způsobem by bylo možné stanovit limit detekce Vámi připraveného senzoru?
  4. 4) Jak si vysvětlujete pozitivní vliv dusíkového dopování grafenové kyseliny na elektrochemickou odezvu vůči dopaminu?
Points proposed by reviewer: 80

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová