Carbon based cortisol sensor for chronic stress assessment

Abstract

Chronic stress has become a major global health challenge, highlighting the need for low-cost and portable tools capable of continuously monitoring cortisol, its main biological marker. This thesis focuses on the development of non-affinity electrochemical sensors based on screen-printed carbon electrodes (SPCEs), following a simple, material-driven approach that avoids the complexity of antibody- or aptamerbased systems. Covalent functionalization of multi-walled carbon nanotubes with anhydride groups (MWCNT-ANI) was initially explored. thermogravimetric analysis (TGA) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed successful modification, although the electrochemical response to cortisol remained limited. A pyrene derivative (PY) bearing amide and carboxylic groups was subsequently investigated to promote interactions with cortisol while leveraging pyrene’s strong affinity for carbon surfaces to enable straightforward SPCE modification. Two approaches were implemented to develop the PY-based platform. In the first approach, a hydroalcoholic solvent system was used, resulting in a sensor with a detection range from 3 to 500 nM, a limit of detection of 3 nM and a sensitivity of 2.21 μA/dec. Molecular dynamics (MD) and density functional theory (DFT) simulations were used to understand the sensing mechanism. The results showed that cortisol interacts with the PY layer via multiple hydrogen bonds, stabilizing the molecule and decreasing its intrinsic reduction peak at –1.1 V. In the second stage, an alkaline PY aqueous solution (pH > 7) was used to modify the electrode, resulting in improved surface uniformity and droplet confinement. This led to a clear improvement in analytical performance, with a sensitivity of 4.36 μA/dec. Hybrid carbon systems were also explored by combining PY with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon black (CB). The PY/CB configuration reached a sensitivity of 4.13 μA/dec, supported by its high electroactive surface area and efficient electron transfer. This work demonstrates that controlling the surface chemistry and morphology of carbon-based interfaces enables detection of cortisol at nanomolar levels using a straightforward, scalable fabrication process. These results support the development of low-cost wearable devices for real-time stress monitoring.

O stress crónico é um desafio de saúde global, evidenciando a necessidade de ferramentas de baixo custo e portáteis capazes de monitorizar continuamente o cortisol, o seu principal marcador biológico. Esta tese centra-se no desenvolvimento de sensores eletroquímicos não baseados em reconhecimento por afinidade, assentes em elétrodos de carbono impressos (SPCEs), com base numa abordagem simples centrada nos materiais, evitando a complexidade de sistemas com anticorpos ou aptâmeros. A funcionalização covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiplas com grupos de anidrido (MWCNT-ANI) foi inicialmente explorada. As análises por termogravimetria (TGA) e espectroscopia de fotoeletrões por raios X (XPS) confirmaram a modificação bem-sucedida, embora a resposta eletroquímica ao cortisol tenha sido limitada. Posteriormente, foi estudado um derivado de pireno (PY) funcionalizado com grupos amida e carboxílicos, com o objetivo de promover interações com o cortisol, aproveitando a forte afinidade do pireno por superfícies de carbono, o que permite uma modificação simples dos SPCEs. Foram implementadas duas abordagens. Na primeira, utilizou-se um sistema hidroalcoólico, obtendo-se um sensor com intervalo de deteção de 3 a 500 nM, limite de deteção de 3 nM e sensibilidade de 2,21 μA/dec. Simulações de dinâmica molecular e teoria do funcional da densidade foram utilizadas para compreender o mecanismo de deteção. Verificou-se que o cortisol interage com o PY através de múltiplas ligações de hidrogénio, estabilizando o PY e diminuindo o seu pico de redução (–1,1 V). Numa segunda fase, a modificação do elétrodo foi realizada com uma solução aquosa alcalina de PY (pH > 7), resultando numa maior uniformidade da superfície e confinamento das gotas. Esta abordagem conduziu a uma melhoria do desempenho analítico, com uma sensibilidade de 4,36 μA/dec. Foram também explorados sistemas híbridos de carbono, combinando PY com MWCNTs e com carbon black. A configuração com PY/carbon black apresentou sensibilidade de 4,13 μA/dec, devido à elevada área eletroativa e à eficiente transferência de eletrões. Este trabalho demonstra que o controlo da química e morfologia de interfaces baseadas em carbono permite a deteção de cortisol a níveis nanomolares através de um processo de fabrico simples e escalável, sustentando o desenvolvimento de dispositivos vestíveis de baixo custo para monitorização do stress.