Gelişmiş nörokimyasal algılama için altın Nanopmakale modifiye karbon fiber Mikroelektrotlar
Summary
Bu çalışmada, nörotransmitter algılamanın hassasiyetini arttırmak için karbon-fiber mikroelektrotları altın nanopartiküllerle değiştiriyoruz.
Abstract
30 yılı aşkın bir süredir, karbon fiber mikroelektrotlar (CFMEs) nörotransmitter tespiti için standarttır. Genellikle, karbon lifleri cam kapiller içine emişli, ince bir konik çekti, ve daha sonra bir epoksi kullanarak mühürlü hızlı tarama döngüsel voltammetri test için kullanılan Elektrot malzemeleri oluşturmak için. Ancak, çıplak CFD ‘lerin kullanımı birkaç sınırlamalara sahiptir. İlk ve en önemlisi, karbon fiber çoğunlukla bazal düzlem karbon içerir, hangi nispeten düşük bir yüzey alanı vardır ve diğer Nanomalzemeler daha düşük hassasiyetleri verir. Ayrıca, Grafitik karbon temporal çözünürlüğü ile sınırlıdır, ve nispeten düşük iletkenlik. Son olarak, nörokimyasalların ve makromoleküllerin karbon elektrotlarının yüzeyinde faul olduğu bilinmektedir ve bu da daha fazla nörotransmitter adsorpsiyonu engelleyen iletken olmayan polimerler oluşturur. Bu çalışma için, biz hızlı tarama döngüsel voltammetry ile nörokimyasal test geliştirmek için altın nanopartiküller ile CFMEs değiştirin. Au3 + elektroyatırılmış veya cfmes yüzeyine bir Koloidal solüsyondan dipkaplamalı oldu. Altın istikrarlı ve nispeten inert metal olduğundan, nörokimyasalların analitik ölçümleri için ideal bir elektrot malzemesidir. Altın nano madde modifiye (AuNP-CFMEs) üzerinde dopamin tepkisi için bir istikrar vardı 4 h. Ayrıca, AuNP-CFMEs (döngüsel voltammograms daha yüksek zirve oksidatif akım) ve daha hızlı elektron transfer kinetiği (düşük ΔEP veya pik ayırma) çıplak değiştirilmemiş cfmes daha artan bir hassasiyet sergiler. AuNP-CFMEs gelişimi, dopamin konsantrasyonu ve diğer nörokimyasallarda hızlı değişikliklerin tespit edilmesi için yeni elektrokimyasal sensörlerin oluşturulmasını sağlar. Bu çalışma nörokimyasal ölçümlerin geliştirilmesi için geniş uygulamalara sahiptir. Altın nano madde değiştirilmiş CFMEs nesil uyuşturucu istismar, depresyon, inme, iskemi nörokimyasal etkilerini incelemek için kemirgen ve diğer modellerde nörotransmitter içinde bulmak için yeni elektrot sensörleri gelişimi için hayati önem taşır, ve diğer davranış ve hastalık durumları.
Introduction
Karbon-fiber mikroelektrotlar (CFMEs)1 en iyi çeşitli önemli nörotransmitter oksidasyonunu algılamak için biyosensörler olarak kullanılır2, dopamin dahil3, norepinefrin4, serotonin5, adenozin6, histamin7, ve diğerleri8. Karbon liflerinin biyouyumluluğu ve büyüklüğü, daha büyük standart elektrotlara kıyasla hafifletilmiş doku hasarı olduğu için implantasyon için optimum hale gelmelerini sağlamak. 9 cfmes, yararlı elektrokimyasal özelliklere sahip olduğu bilinmektedir ve hızlı elektrokimyasal teknikleri ile kullanıldığında hızlı ölçümler yapma yeteneğine sahiptir, en sık hızlı tarama döngüsel voltammetri (fscv)10,11. Fscv, uygulanan potansiyeli hızla tarayan ve belirli analitler için belirli bir döngüsel voltammogram sağlayan bir tekniktir12,13. Hızlı tarama tarafından üretilen büyük şarj akımı karbon lifleri üzerinde kararlı ve arka plan-belirli döngüsel voltammograms üretmek için çıkarılır olabilir.
Optimum Elektrokimya ve nörobiyolojik önemi nedeniyle, dopamin yaygın olarak incelenmiştir. Katekolamin dopamin hareket kontrolü, bellek, biliş ve sinir sistemi içinde duygu önemli bir rol oynar temel bir kimyasal haberci olduğunu. Dopamin fazlasının veya eksikliği çok sayıda nörolojik ve psikolojik müdahaleye neden olabilir; Bunlar arasında Parkinson hastalığı, şizofreni ve bağımlılık davranışları bulunmaktadır. Günümüzde Parkinson hastalığı, Dopamin sentezi14‘ te yer alan orta beyin nöronların dejenerasyonuna bağlı olarak yaygın bir bozukluk olmaya devam etmektedir. Parkinson hastalığı belirtileri tremor, hareket yavaşlığı, sertlik ve dengeyi koruyarak sorunları içerir. Öte yandan, kokain15 ve ampfetamin gibi stimantlar16,17 dopamin taşması teşvik. Uyuşturucu istismarı sonunda dopamin ve koşulların normal akışını yerine beyin dopamin bir fazlasının gerektirecektir, hangi sonunda bağımlılık davranışları yol açar.
Son yıllarda, nörotransmitter tespiti18elektrot işlevselliğini geliştirmeye vurgu olmuştur. Elektrot hassasiyetini arttırmak için en yaygın yöntem fiber yüzeyi kaplamasıdır. Şaşırtıcı olarak, karbon lifleri üzerine metal nanopartikül elektrobiriktirme üzerinde yapılan sınırlı araştırma olmuştur19. Altın gibi Noble metal-nanopartiküller, diğer fonksiyonel malzemeler20ile fiber yüzeyi üzerine elektroyatırılabilir. Örneğin, nörotransmitter adsorpsiyonu için elektroaktif yüzey alanının artırılması ortaya çıkar. Elektroyatırılmış metal nanopartiküller hızla form, arındırılabilir, ve karbon-fiber uymak. Elektrokimya hem asil metal Nanopartiküllerin birikmesi hem de karbon liflerinin yüzey geliştirmesi için önemli olmaya devam ediyor, bu Nanopartiküllerin nüksetme ve büyümesini kontrol etmesini sağlar. Son olarak, artan katalizör ve iletken özellikleri, ve geliştirilmiş toplu taşıma elektroanaliz için metal nano opartikülleri kullanarak diğer avantajları arasındadır.
Amerikan Üniversitesi Gelişmiş Laboratuar dizisi kursu (deneysel biyolojik Kimya ı ve II CHEM 471/671-472/672) analitik, fiziksel ve biyokimya laboratuvarlarının bir kombinasyonudur. İlk dönem laboratuvar tekniklerine genel bir bakış. İkinci dönem öğrenci odaklı ve araştırma projesi21‘ dir. Bu projeler için, öğrenciler daha önce biomolecule, protein, peptid ve amino asit-altın nano opartiküllerin kolaylaştırılmış sentezi mekanizmasını inceledi22,23. Daha yeni çalışmalar, elektrot yüzeylerinde altın nanopmadde (AuNP) üretiminin oluşumu ve CFMEs ‘in nörotransmitterleri tespit etme becerisi üzerindeki AuNPs efektlerinin değerlendirilmesi konusunda odaklanmıştır. Bu çalışmasında laboratuar, CFMEs ‘in dopamin-oksidasyonunu algılayan hassasiyetinin, AuNP ‘nin fiber yüzeye elektrobirikmesi yoluyla artırılacağını göstermek için bu tekniği uygulıyor. Her Bare-CFME, CFME yüzeyinde dopamin oksidasyonunu ölçmek için dopamin-oksidatif akımları tespit ederken tarama hızı, stabilite ve dopamin-konsantrasyonu değişen ile karakterize edilir. Au3 + daha sonra au0 electroreduced ve aynı anda nanopartiküller olarak fiber yüzeyine üzerine elektroyatırılmış, karakterize deneyler bir dizi izledi. Doğrudan bir karşılaştırmanın ardından, AuNP-CFMEs dopamin tespiti daha yüksek hassasiyete sahip bulundu. Elektrik biriktirme yoluyla fiber yüzeyine AuNP uniform kaplama daha yüksek bir elektroaktif yüzey alanı oluşturur; Böylece, modifiye elektrot yüzeyine dopamin adsorpsiyonu artırma. Bu daha yüksek dopamin oksidatif akımları yol açtı. “AuNP-CFMEs” ‘ in dopamin oksidasyonu ve azaltma zirvelerinin (∆ Ep) olası ayrımı da daha küçüktür, daha hızlı Elektron transferi kinetiği önermektedir. Bu çalışmanın gelecekteki çalışmaları, dopamin tespiti için hem çıplak hem de AuNP-CFMEs ‘ i k in vivo testlerini içerir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, biz hızlı tarama döngüsel voltammetry kullanarak dopamin gibi nörotransmitter tespiti için altın-nanopmadde modifiye karbon fiber mikroelektrotlar inşa etmek için bir roman yöntemi göstermektedir. Bu yöntem, biyomolekül algılamanın hassasiyetini arttırmak için verimli, yeşil ve nispeten ucuz bir yaklaşımdır. Karbon lifinin yüzeyine yatırılan altın kalınlığı, elektrobiriktirme süresi ve elektrobiriktirme çözeltisi içinde bulunan altın konsantrasyonu ile kontrol edilebilir…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Amerikan Üniversitesi, fakülte araştırma destek Grant, NASA DC uzay Grant ve NSF-MRI # 1625977 teşekkür etmek istiyorum.
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).
