Microélectrodes de fibres de carbone modifiées par nanoparticules d'or pour une détection neurochimique améliorée
Summary
Dans cette étude, nous modifions les microélectrodes en fibre de carbone avec des nanoparticules d’or pour améliorer la sensibilité de la détection des neurotransmetteurs.
Abstract
Depuis plus de 30 ans, les microélectrodes en fibre de carbone (CFME) sont la norme pour la détection des neurotransmetteurs. Généralement, les fibres de carbone sont aspirées dans des capillaires en verre, tirées à un cône fin, puis scellées à l’aide d’une époxy pour créer des matériaux d’électrode qui sont utilisés pour les tests de volclic rapide de la volclicmétrie. L’utilisation de CFMEt nus a cependant plusieurs limites. Tout d’abord, la fibre de carbone contient principalement du carbone d’avion basal, qui a une surface relativement faible et donne des sensibilités plus faibles que les autres nanomatériaux. En outre, le carbone graphitique est limité par sa résolution temporelle et sa conductivité relativement faible. Enfin, les neurochimiques et les macromolécules ont été connus pour s’encrasser à la surface des électrodes de carbone où ils forment des polymères non-conductifs qui bloquent d’autres adsorption neurotransmetteur. Pour cette étude, nous modifions les CFME avec des nanoparticules d’or afin d’améliorer les tests neurochimiques avec une voltamétrie cyclique à balayage rapide. Au3a a été électrodéposé ou dipcoaté à partir d’une solution colloïdale sur la surface des CFME. Puisque l’or est un métal stable et relativement inerte, c’est un matériau électrode idéal pour les mesures analytiques des neurochimiques. La nanoparticule d’or modifiée (AuNP-CFMEs) a eu une stabilité à la réponse de dopamine pendant plus de 4 h. De plus, les AuNP-CFMEs présentent une sensibilité accrue (courant oxydatif de pointe plus élevé des voltammogrammes cycliques) et une cinétique de transfert d’électrons plus rapide (séparation inférieure ou paroxysme) que les CFME non modifiés nus. Le développement d’AuNP-CFMEs fournit la création de nouveaux capteurs électrochimiques pour détecter les changements rapides dans la concentration de dopamine et d’autres neurochimiques à des limites inférieures de détection. Ce travail a de vastes applications pour l’amélioration des mesures neurochimiques. La génération de CFME modifiés par nanoparticules d’or sera d’une importance vitale pour le développement de nouveaux capteurs d’électrodes pour détecter les neurotransmetteurs in vivo chez les rongeurs et d’autres modèles pour étudier les effets neurochimiques de l’abus de drogues, de la dépression, des accidents vasculaires cérébraux, de l’ischémie, et d’autres états comportementaux et de la maladie.
Introduction
Les microélectrodes en fibre de carbone (CFME)1 sont mieux utilisées comme biocapteurs pour détecter l’oxydation de plusieurs neurotransmetteurs cruciaux2, y compris la dopamine3, la noradrénaline4, la sérotonine5, l’adénosine6, histamine7, et d’autres8. La biocompatibilité et la taille des fibres de carbone les rendent optimales pour l’implantation car il y a des dommages de tissu atténués comparés aux électrodes standard plus grandes. 9 CFMLes sont connus pour posséder des propriétés électrochimiques utiles et sont capables de faire des mesures rapides lorsqu’ils sont utilisés avec des techniques électrochimiques rapides, le plus souvent à balayage rapide voltamétrie cyclique (FSCV)10,11. FSCV est une technique qui scanne le potentiel appliqué rapidement et fournit un voltammogramme cyclique spécifique pour des analytes spécifiques12,13. Le grand courant de charge produit par balayage rapide est stable sur les fibres de carbone et peut être sous-traitance de fond pour produire des voltammogrammes cycliques spécifiques.
En raison de son électrochimie optimale et de son importance neurobiologique, la dopamine a été largement étudiée. La dopamine catécholamine est un messager chimique essentiel qui joue un rôle central dans le contrôle du mouvement, de la mémoire, de la cognition et de l’émotion dans le système nerveux. Un surplus ou une carence en dopamine peut causer de nombreuses interférences neurologiques et psychologiques; parmi ceux-ci sont la maladie de Parkinson, la schizophrénie, et le comportement addictif. Aujourd’hui, la maladie de Parkinson continue d’être un trouble répandu en raison de la dégénérescence des neurones du cerveau moyen impliqués dans la synthèse de la dopamine14. Les symptômes de la maladie de Parkinson comprennent des tremblements, la lenteur du mouvement, la raideur et des problèmes de maintien de l’équilibre. D’autre part, les stimulants tels que la cocaïne15 et l’amphétamine16,17 favorisent le débordement de dopamine. L’abus de drogues finit par remplacer le flux régulier de dopamine et les conditions du cerveau pour exiger un surplus de dopamine, ce qui conduit finalement à des comportements addictifs.
Ces dernières années, l’accent a été mis sur l’amélioration de la fonctionnalité des électrodes dans la détection des neurotransmetteurs18. La méthode la plus répandue pour améliorer la sensibilité aux électrodes est en enrobant la surface des fibres. Étonnamment, il y a eu peu de recherches effectuées sur l’électrodposition de nanoparticules métalliques sur les fibres de carbone19. Les nanoparticules de métal nobles telles que l’or, peuvent être électrodéposées sur la surface de fibre avec d’autres matériaux fonctionnels20. Par exemple, augmenter la surface électroactive pour l’adsorption neurotransmetteur à se produire. Les nanoparticules métalliques électrodéposéesse se forment rapidement, peuvent être purifiées et adhèrent à la fibre de carbone. L’électrochimie continue d’être importante à la fois pour le dépôt de nanoparticules de métaux nobles et l’amélioration de la surface des fibres de carbone, car elle permet le contrôle de la nucléation et la croissance de ces nanoparticules. Enfin, l’augmentation des caractéristiques catalytiques et conductrices, et l’amélioration du transport de masse sont parmi d’autres avantages de l’utilisation de nanoparticules métalliques pour l’électroanalyse.
Le cours de séquence de laboratoire avancé de l’Université américaine (chimie biologique expérimentale I et II CHEM 471/671-472/672) est une combinaison de laboratoires analytiques, physiques et biochimiques. Le premier semestre est un aperçu des techniques de laboratoire. Le deuxième semestre est un projet de recherche dirigé par les étudiants21. Pour ces projets, les étudiants ont déjà examiné le mécanisme de la biomolécule, des protéines, du peptide et de la synthèse facilitée par les acides aminés des nanoparticules d’or22,23. Des travaux plus récents ont porté sur la formation de la production de nanoparticules d’or (AuNP) sur les surfaces d’électrodes et l’évaluation des effets des SNP sur la capacité des CFME à détecter les neurotransmetteurs. Dans le présent travail, le laboratoire a appliqué cette technique pour démontrer que la sensibilité des CFME dans la détection de la dopamine-oxydation est améliorée par l’électrodéposition de l’AuNP sur la surface de la fibre. Chaque CFME nu est caractérisé par le taux de balayage variable, la stabilité et la dopamine-concentration en détectant des courants dopamine-oxydatifs pour mesurer l’oxydation de dopamine sur la surface du CFME. Au3 a ensuite été électroréduit à Au0 et simultanément électrodéposé sur la surface de la fibre sous forme de nanoparticules, suivie d’une série d’expériences de caractérisation. Après une comparaison directe, les AuNP-CFMEs se sont avérés posséder une sensibilité plus élevée de la détection de dopamine. Le revêtement uniforme d’AuNP sur la surface de fibre par électrodéposition rend une surface électroactive plus élevée ; ainsi, augmentant l’adsorption de dopamine sur la surface modifiée d’électrode. Ceci a mené aux courants oxydants plus élevés de dopamine. La séparation potentielle des pics d’oxydation et de réduction de dopamine (Ep) des AuNP-CFMEs était également plus petite, suggérant une cinétique plus rapide de transfert d’électrons. Les travaux futurs de cette étude comprennent l’essai in vivo des CFMP nus et d’AuNP pour la détection de la dopamine.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette étude, nous démontrons une nouvelle méthode pour construire des microélectrodes de fibre de carbone modifiées d’or-nanoparticule pour la détection des neurotransmetteurs tels que la dopamine utilisant la voltamétrie cyclique de balayage rapide. La méthode est une approche efficace, verte et relativement peu coûteuse pour améliorer la sensibilité de la détection des biomolécules. L’épaisseur de l’or déposé sur la surface de la fibre de carbone peut être contrôlée par le temps de l’électrodé…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier l’Université américaine, la Subvention de soutien à la recherche de la Faculté, la subvention spatiale DC de la NASA et nSF-MRI-1625977.
Materials
| Dopamine hydrochloride | Sigma Aldrich | H8502-5G | |
| Phosphate Buffered Saline | Sigma Aldrich | P5493-1L | |
| Pine WaveNeuro Potentiostat | Pine Instruments | NEC-WN-BASIC | This orders comes in bulk with all other accessories such as headstages, adapters, cords, and other electronics |
| Pine Flow Cell and Micromanipulator | Pine Instruments | NEC-FLOW-1 | This is also another bulk order including the micromanipulator, flow cell, knobs, tubing, connectors, etc. |
| Glass-Capillary | A-M Systems | 602500 | |
| T-650 Carbon Fiber | Goodfellow | C 005711 | |
| Epon 828 Epoxy | Miller-Stephenson | EPON 828 TDS | |
| Diethelynetriamine | Sigma Aldrich | D93856-5ML | |
| Gold (III) chloride | Sigma Aldrich | 254169 | Comes as either HAuCl4 or AuCl3 |
| pH meter | Fisher | S90528 | |
| Farraday Cage | AMETEK TMC | 81-334-03 | |
| Syringe Pump | NEW ERA PUMP | NE-1000 | |
| Eppendorf Pipettes and Tips | Eppendorf | 2231000222 | This is also a bulk order containing multiple pipettes and tips |
| 10 -1,000 mL beakers | VWR | 10536-390 | |
| Carbon fiber | Goodfellow | C 005711 | |
| SEM | JEOL | JSM-IT100 |
References
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