향상된 신경 화학적 검출을 위한 금 나노입자 수정 탄소 섬유 마이크로 전극
Summary
이 연구에서는, 우리는 신경 전달 물질 검출의 감도를 향상시키기 위하여 금 나노 입자를 가진 탄소 섬유 마이크로 전극을 수정합니다.
Abstract
30년 이상, 탄소 섬유 마이크로 전극(CFMEs)은 신경 전달 물질 검출의 표준이었습니다. 일반적으로 탄소 섬유는 유리 모세 혈관으로 흡인되어 미세 한 테이퍼로 당겨진 다음 에폭시를 사용하여 밀봉하여 빠른 스캔 순환 voltammetry 테스트에 사용되는 전극 재료를 만듭니다. 그러나 베어 CFMEs의 사용에는 몇 가지 제한사항이 있습니다. 무엇보다도 탄소 섬유는 상대적으로 낮은 표면적을 가지고 있으며 다른 나노 물질보다 낮은 감도를 생성하는 기저 평면 탄소를 주로 함유하고 있습니다. 또한, 흑연 탄소는 시간적 분해능과 상대적으로 낮은 전도도에 의해 제한된다. 마지막으로, 신경 화학물질과 거대분자는 탄소 전극의 표면에서 파울을 하는 것으로 알려져 있으며, 여기서 그들은 추가 신경 전달 물질 흡착을 차단하는 비 전도성 폴리머를 형성합니다. 이 연구를 위해, 우리는 빠른 스캔 주기적 voltammetry를 가진 신경 화학 시험을 강화하기 위하여 금 나노 입자를 가진 CFME를 수정합니다. Au3+는 콜로이드 용액으로부터 CFM의 표면상에 전기 증착 또는 디코팅되었다. 금은 안정적이고 상대적으로 불활성 금속이기 때문에 신경 화학 물질의 분석 측정에 이상적인 전극 재료입니다. 금 나노입자 개질(AuNP-CFMEs)은 4시간 이상 동안 도파민 반응을 위한 안정성을 가졌다. 더욱이, AuNP-CFMEs는 수정되지 않은 CFMEs보다 증가된 감도(주기적 볼탐모그램의 높은 피크 산화 전류) 및 더 빠른 전자 전달 역학(낮은 ΔEP 또는 피크 분리)을 나타낸다. AuNP-CFMEs의 개발은 검출의 낮은 한계에서 도파민 농도 및 기타 신경 화학 물질의 빠른 변화를 감지하기위한 새로운 전기 화학 센서의 생성을 제공합니다. 이 작품은 신경 화학 측정의 향상을 위한 광대 한 응용 프로그램. 금 나노 입자 변형 CFMEs의 생성은 약물 남용, 우울증, 뇌졸중, 허혈의 신경 화학 적 효과를 연구하기 위해 설치류 및 기타 모델에서 생체 내 신경 전달 물질을 감지하는 새로운 전극 센서의 개발에 매우 중요합니다. 및 기타 행동 및 질병 상태.
Introduction
탄소 섬유 마이크로 전극 (CFMEs)1은 도파민 3, 노르 에피네프린 4,세로토닌5,아데노신6을포함하여 몇 가지 중요한 신경 전달 물질2의산화를 검출하는 바이오 센서로 가장 잘 사용됩니다. 히스타민7, 그리고 다른사람 8. 탄소 섬유의 생체 적합성과 크기는 더 큰 표준 전극에 비해 조직 손상이 완화되기 때문에 이식에 최적입니다. 9개의 CFME는 유용한 전기화학적 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있으며, 빠른 전기화학 적 기술과 함께 사용될 때 빠른 측정을 할 수 있으며, 가장 일반적으로 빠른 스캔 주기적 voltammetry (FSCV)10,11. FSCV는 적용된 전위를 빠르게 스캔하고 특정 세포체 에 대한 특정 순환 볼탐모그램을 제공하는 기술이다12,13. 빠른 스캐닝으로 생성된 대형 충전 전류는 탄소 섬유에서 안정적이며 배경감 빼서 특정 순환 볼탐모그램을 생성할 수 있습니다.
그것의 최적의 전기 화학 및 신경 생물학적 중요성으로 인해, 도파민 널리 공부 하고있다. 카 테 콜 아민 도파민은 운동의 제어에 중요 한 역할을 하는 필수 화학 메신저, 메모리, 인식, 그리고 신 경계 내에서 감정. 잉여 또는 도파민의 결핍 수많은 신경 및 심리적 간섭을 일으킬 수 있습니다.; 이들 중 파킨슨 병, 정신 분열증, 중독성 행동이다. 오늘, 파 킨 슨 병 도파민 합성에 관련 된 중뇌 뉴런의 변성으로 인해 유행 장애 계속14. 파 킨 슨 병 증상은 떨림을 포함, 운동의 둔화, 강성, 그리고 균형을 유지 에 문제. 한편, 코카인15 및 암페타민16,17과 같은 각성제는 도파민의 오버플로를 촉진한다. 약물 남용 결국 도파민의 정기적인 흐름을 대체 하 고 도파민의 잉여를 필요로 하는 두뇌 조건, 결국 중독성 행동에 이르게.
최근 몇 년 동안, 신경 전달 물질 검출18에서전극 기능 개선에 중점을 두고 있다. 전극 감도를 향상시키는 가장 광범위한 방법은 섬유 표면을 코팅하는 것입니다. 놀랍게도, 탄소 섬유19에금속 나노 입자 전착에 대한 제한된 연구가 수행되었습니다. 금과 같은 귀금속 나노입자는, 다른 기능성물질(20)과함께 섬유 표면에 전기증착될 수 있다. 예를 들어, 신경전달물질 흡착이 일어나기 위한 전기활성 표면적을 증가시키게 된다. 전기 증착 된 금속 나노 입자는 빠르게 형성되고, 정제 될 수 있으며, 탄소 섬유에 부착 할 수 있습니다. 전기 화학은 이러한 나노 입자의 핵 형성 및 성장을 제어 할 수 있기 때문에 귀금속 나노 입자의 증착과 탄소 섬유의 표면 향상 모두에 대해 중요한 것으로 계속됩니다. 마지막으로, 증가 된 촉매 및 전도성 특성, 향상된 대중 수송은 전기 분석을위한 금속 나노 입자를 활용하는 다른 장점 중 하나입니다.
미국 대학의 고급 실험실 서열 과정 (실험 생물 화학 I 및 II CHEM 471/671-472/672) 분석의 조합, 물리, 생화학 실험실. 첫 학기는 실험실 기술의 개요입니다. 2학기는 학생 중심의 연구 프로젝트21입니다. 이러한 프로젝트의 경우, 학생들은 이전에 금 나노 입자22,23의생체 분자, 단백질, 펩타이드 및 아미노산 촉진 합성의 메커니즘을 조사했습니다. 최근 연구는 전극 표면에 금 나노 입자 (AuNP) 생산의 형성과 신경 전달 물질을 검출하는 CFM의 능력에 대한 AuNPs 효과의 평가에 초점을 맞추고있다. 본 작품에서, 실험실은 도파민 산화를 검출하는 CFM의 감도가 섬유 표면에 AuNP의 전착을 통해 강화된다는 것을 입증하기 위해이 기술을 적용했다. 각 베어-CFME는 CFME의 표면에서 도파민 산화를 측정하기 위해 도파민 산화 전류를 검출할 때 다양한 스캔 속도, 안정성 및 도파민 농도를 특징으로 합니다. Au3+는 Au 0으로 전기를 감소시키고 동시에 나노 입자로서 섬유 표면에 전기 증착하고 일련의 특성화 실험을 수행하였다. 직접 비교 후, AuNP-CFMEs 도파민 검출의 높은 감도 를 가지고 발견 되었다. 전착을 통해 섬유 표면에 AuNP의 균일 한 코팅은 더 높은 전기 활성 표면적을 렌더링; 따라서, 변형 된 전극 표면에 도파민의 흡착을 증가. 이 높은 도파민 산화 전류를 주도. AuNP-CFMEs의 도파민 산화 및 환원피크(□E p)의 잠재적분리도 더 작아졌으며, 더 빠른 전자 전달 역학을 시사한다. 이 연구의 미래 작품은 도파민의 검출을 위한 베어-및 AuNP-CFMEs 둘 다의 생체 내 시험을 포함한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 연구에서, 우리는 빠른 스캔 순환 voltammetry를 사용하여 도파민과 같은 신경 전달 물질의 검출을 위한 금 나노 입자 변형 탄소 섬유 마이크로 전극을 구성하는 새로운 방법을 보여줍니다. 이 방법은 생체 분자 검출의 감도를 향상시키기 위한 효율적이고 친환경적이며 비교적 저렴한 접근법입니다. 탄소 섬유의 표면에 증착된 금의 두께는 전착액에 존재하는 전착 및 금의 농도에 의해 제어될 수 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 아메리칸 대학, 교수 연구 지원 보조금, NASA DC 우주 그랜트, NSF-MRI #1625977에 감사드립니다.
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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