強化された神経化学的検出のための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極
Summary
本研究では、炭素繊維マイクロ電極を金ナノ粒子で改変し、神経伝達物質検出の感度を高める。
Abstract
30年以上にわたり、炭素繊維マイクロ電極(CFM)は神経伝達物質検出の標準となっています。一般的に、炭素繊維はガラス毛細血管に吸引され、細かいテーパに引っ張られ、エポキシを使用して密封され、高速スキャン環状ボルタンメトリー試験に使用される電極材料を作成します。ただし、ベア CFCM の使用にはいくつかの制限があります。まず第一に、炭素繊維は、比較的低い表面積を有し、他のナノ材料よりも低い感性を得る主に基底平面炭素を含有する。さらに、グラファイトカーボンは、その時間分解能、および比較的低い導電性によって制限されます。最後に、神経化学物質と高分子は、それらがさらなる神経伝達物質の吸着をブロックする非導電性ポリマーを形成する炭素電極の表面で汚れすることが知られています。本研究では、金ナノ粒子を用いてCMEを改変し、高速スキャン環状ボルタンメトリーによる神経化学的試験を強化する。Au3+をCMFの表面にコロイド溶液から電気堆積または浸漬した。金は安定で比較的不活性な金属であるため、神経化学物質の分析測定に理想的な電極材料です。金ナノ粒子修飾(AuNP-CMEs)は、4時間以上にわたってドーパミン応答に対する安定性を持っていた。さらに、AuNP-CCMは、裸の未改変CFMよりも高い感度(環状ボルタングラムの高いピーク酸化電流)と高速電子伝達動態(低ΔEPまたはピーク分離)を示します。AuNP-CMFの開発は、ドーパミン濃度および他の神経化学物質の急速な変化を検出の下限で検出するための新しい電気化学センサーの作成を提供します。この仕事は神経化学的測定の増強のための広大な適用を有する。薬物乱用、うつ病、脳卒中、虚血の神経化学的影響を研究するために、げっ歯類やその他のモデルの生体内の神経伝達物質を検出する新しい電極センサの開発には、金ナノ粒子修飾CFMの生成が非常に重要です。および他の行動や病気の状態。
Introduction
炭素繊維マイクロ電極(CFM)1は、ドーパミン3、ノルエピネフリン4、セロトニン5、アデノシン6を含むいくつかの重要な神経伝達物質2の酸化を検出するためのバイオセンサとして最もよく使用されます。ヒスタミン7、および他の8.炭素繊維の生体適合性と大きさは、より大きな標準的な電極と比較して組織の損傷を軽減するため、移植に最適です。9 CMFは有用な電気化学的特性を有することが知られており、高速電気化学的技術、最も一般的に高速スキャン環状ボルタンメトリー(FSCV)10、11で使用すると迅速な測定を行うことができる。FSCVは、適用電位を迅速にスキャンし、特定の分析物12、13に対して特定の環状ボルタングラムを提供する技術である。高速スキャンによって生成される大きな充電電流は、炭素繊維上で安定しており、特定の環状ボルタングラムを生成するためにバックグラウンドを減算することができます。
その最適な電気化学と神経生物学的重要性のため, ドーパミンは広く研究されています。.カテコールアミンドーパミンは、神経系内の動き、記憶、認知、感情の制御に重要な役割を果たす必須の化学メッセンジャーです。ドーパミンの余剰または欠乏は、多数の神経学的および心理的干渉を引き起こす可能性があります。;これらの中には、パーキンソン病、統合失調症、および中毒性の行動があります。今日、パーキンソン病はドーパミン合成に関与する中脳ニューロンの変性による流行性障害であり続けている14.パーキンソン病の症状には、振戦、運動の遅さ、こわばり、バランス維持の問題が含まれます。一方、コカイン15やアンフェタミン16、17などの覚醒剤はドーパミンのオーバーフローを促進する。薬物乱用は、最終的にドーパミンの定期的な流れを置き換え、最終的に中毒性の行動につながるドーパミンの余剰を必要とする脳の条件。
近年、神経伝達物質検出18において電極機能の向上に重点が置かれている。電極感度を高める最も広く普及した方法は、繊維表面をコーティングすることによってある。驚くべきことに、炭素繊維19上の金属ナノ粒子電着に関する研究は限られている。金等の貴金属ナノ粒子は、他の機能性材料20を用いて繊維表面にエレクトロポジットしてもよい。例えば、神経伝達物質吸着が起こる電気活性表面積を増加させる。エレクトロデポジット金属ナノ粒子は、急速に形成され、精製することができ、炭素繊維に付着する。これらのナノ粒子の核生成と成長の制御を可能にするため、貴金属ナノ粒子の堆積と炭素繊維の表面増強の両方に電気化学は重要であり続けます。最後に、触媒および導電性特性の増加、および質量輸送の改善は、金属ナノ粒子を電気分析に利用する他の利点の一つである。
アメリカン大学の高度な実験室シーケンスコース(実験生物化学IおよびII CHEM 471/671-472/672)は、分析、物理、生化学の研究室の組み合わせです。前期は、研究室の技術の概要です。2学期は学生主導で主導的な研究プロジェクト21です。これらのプロジェクトについて、学生は以前に生体分子、タンパク質、ペプチド、および金ナノ粒子22、23のアミノ酸促進合成のメカニズムを調べた。最近の研究では、電極表面における金ナノ粒子(AuNP)産生の形成と、CFCが神経伝達物質を検出する能力に対するAuNP効果の評価に焦点を当てています。本研究では、この技術を応用して、ドーパミン酸化を検出するCFMの感度が繊維表面上へのAuNPの電着を通じて高められることを実証した。各裸CFMEは、CFMEの表面にドーパミン酸化を測定するためにドーパミン酸化電流を検出する際に、様々なスキャン速度、安定性およびドーパミン濃度によって特徴付けられます。その後、Au3+をAu0に還元し、同時にナノ粒子として繊維表面にエレクトロデポジットし、続いて一連の特性解析実験を行った。直接比較の後, AuNP-CMS はドーパミン検出の高い感度を持っていることがわかりました。.電着を介して繊維表面にAuNPの均一なコーティングは、より高い電気活性表面積をレンダリングします。したがって、ドーパミンの吸着を修飾電極表面に増加させる。これは、より高いドーパミン酸化電流につながった.AuNP-CMEsのドーパミン酸化および還元ピーク(+Ep)の潜在的な分離も小さくなり、より速い電子伝達動態を示唆した。この研究の将来の研究は、ドーパミンの検出のための裸とAuNP-CMの両方の生体内試験が含まれています.
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では,高速スキャン環状ボルタンメトリーを用いてドーパミンなどの神経伝達物質を検出するための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極を構築する新しい方法を示す.この方法は、生体分子検出の感度を高めるための効率的で、緑色で比較的安価なアプローチです。炭素繊維の表面に堆積した金の厚さは、電着の時間と電着溶液中に存在する金の濃度によって制御することができる。?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
アメリカン大学、教員研究支援助成金、NASA DCスペースグラント、NSF-MRI#1625977に感謝します。
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
- Zestos, A. G., Nguyen, M. D., Poe, B. L., Jacobs, C. B., Venton, B. J. Epoxy insulated carbon fiber and carbon nanotube fiber microelectrodes. Sensors and Actuators B: Chemical. 182, 652-658 (2013).
- Bucher, E. S., Wightman, R. M. Electrochemical analysis of neurotransmitters. Annual review of analytical chemistry. 8, 239-261 (2015).
- Zestos, A. G., Venton, B. J. Communication—Carbon Nanotube Fiber Microelectrodes for High Temporal Measurements of Dopamine. Journal of The Electrochemical Society. 165, G3071-G3073 (2018).
- Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry. Journal of neurochemistry. 119, 932-944 (2011).
- Abdalla, A., et al. In Vivo Ambient Serotonin Measurements at Carbon-Fiber Microelectrodes. Analytical chemistry. 89, 9703-9711 (2017).
- Ganesana, M., Venton, B. J. Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury. PloS one. 13, e0196932 (2018).
- Denno, M. E., Privman, E., Borman, R. P., Wolin, D. C., Venton, B. J. Quantification of histamine and carcinine in Drosophila melanogaster tissues. ACS chemical neuroscience. 7, 407-414 (2016).
- Sanford, A. L., et al. Voltammetric detection of hydrogen peroxide at carbon fiber microelectrodes. Analytical chemistry. 82, 5205-5210 (2010).
- Heien, M. L., Johnson, M. A., Wightman, R. M. Resolving neurotransmitters detected by fast-scan cyclic voltammetry. Analytical chemistry. 76, 5697-5704 (2004).
- Raju, D., et al. Polymer modified carbon fiber-microelectrodes and waveform modifications enhance neurotransmitter metabolite detection. Analytical Methods. 11, 1620-1630 (2019).
- Jacobs, C. B., Ivanov, I. N., Nguyen, M. D., Zestos, A. G., Venton, B. J. High temporal resolution measurements of dopamine with carbon nanotube yarn microelectrodes. Analytical chemistry. 86, 5721-5727 (2014).
- Zestos, A. G., Yang, C., Jacobs, C. B., Hensley, D., Venton, B. J. Carbon nanospikes grown on metal wires as microelectrode sensors for dopamine. Analyst. 140, 7283-7292 (2015).
- Zestos, A. G. Carbon Nanoelectrodes for the Electrochemical Detection of Neurotransmitters. International Journal of Electrochemistry. , (2018).
- Kim, J. H., et al. Dopamine neurons derived from embryonic stem cells function in an animal model of Parkinson’s disease. Nature. 418, 50 (2002).
- Zestos, A. G., et al. Ruboxistaurin Reduces Cocaine-Stimulated Increases in Extracellular Dopamine by Modifying Dopamine-Autoreceptor Activity. ACS Chemical Neuroscience. 10, 1960-1969 (2019).
- Zestos, A. G., Kennedy, R. T. Microdialysis Coupled with LC-MS/MS for In Vivo Neurochemical Monitoring. The AAPS Journal. 19, 1284-1293 (2017).
- Carpenter, C., et al. Direct and systemic administration of a CNS-permeant tamoxifen analog reduces amphetamine-induced dopamine release and reinforcing effects. Neuropsychopharmacology. 42, 1940 (2017).
- Zestos, A. G., Venton, B. J. Carbon Nanotube-Based Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection. ECS Transactions. 80, 1497-1509 (2017).
- Zachek, M. K., Hermans, A., Wightman, R. M., McCarty, G. S. Electrochemical Dopamine Detection: Comparing Gold and Carbon Fiber Microelectrodes using Background Subtracted Fast Scan Cyclic Voltammetry. J Electroanal Chem (Lausanne Switz). 614, 113-120 (2008).
- Li, J., Xie, H., Chen, L. A sensitive hydrazine electrochemical sensor based on electrodeposition of gold nanoparticles on choline film modified glassy carbon electrode. Sensors and Actuators B: Chemical. 153, 239-245 (2011).
- Hartings, M. R., Fox, D. M., Miller, A. E., Muratore, K. E. A hybrid integrated laboratory and inquiry-based research experience: replacing traditional laboratory instruction with a sustainable student-led research project. Journal of Chemical Education. 92, 1016-1023 (2015).
- Hart, C., et al. Protein-templated gold nanoparticle synthesis: protein organization, controlled gold sequestration, and unexpected reaction products. Dalton Transactions. 46, 16465-16473 (2017).
- Hartings, M. R., et al. Concurrent zero-dimensional and one-dimensional biomineralization of gold from a solution of Au3+ and bovine serum albumin. Science and technology of advanced materials. 14, 065004 (2013).
- Xiao, N., Venton, B. J. Rapid, sensitive detection of neurotransmitters at microelectrodes modified with self-assembled SWCNT forests. Analytical chemistry. 84, 7816-7822 (2012).
- Zestos, A. G., Jacobs, C. B., Trikantzopoulos, E., Ross, A. E., Venton, B. J. Polyethylenimine Carbon Nanotube Fiber Electrodes for Enhanced Detection of Neurotransmitters. Analytical chemistry. 86, 8568-8575 (2014).
- Yang, C., et al. Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine. Analytical chemistry. 88, 645-652 (2015).
