الذهب نانوجسيم تعديل الأقطاب الدقيقة ألياف الكربون لتعزيز الكشف العصبي الكيميائي
Summary
في هذه الدراسة، نقوم بتعديل الأقطاب الدقيقة من ألياف الكربون مع جسيمات نانوية ذهبية لتعزيز حساسية الكشف العصبي.
Abstract
لأكثر من 30 عاما، كانت الأقطاب الدقيقة من ألياف الكربون (CFMEs) المعيار للكشف عن الناقل العصبي. عموما، يتم استنشاق ألياف الكربون في الشعيرات الدموية الزجاجية، وسحبت إلى تفتق غرامة، ومن ثم مختومة باستخدام الايبوكسي لخلق مواد القطب الكهربائي التي تستخدم لاختبار قياس فولتامتري دوري سريع. استخدام CFMEs العارية له عدة قيود، على الرغم من. أولا وقبل كل شيء، ألياف الكربون يحتوي في الغالب الكربون القاعدية الطائرة، التي لديها مساحة سطح منخفضة نسبيا وتسفر عن حساسية أقل من المواد النانوية الأخرى. وعلاوة على ذلك، فإن الكربون الجرافيتي محدود بقراره الزمني، والموصلية المنخفضة نسبياً. وأخيراً، من المعروف أن المواد الكيميائية العصبية والجزيئات الكبيرة قد فول على سطح أقطاب الكربون حيث أنها تشكل البوليمرات غير الموصلة التي تمنع المزيد من امتصاص العصبي. لهذه الدراسة، ونحن تعديل CFMEs مع الجسيمات النانوية الذهب لتعزيز الاختبارات الكيميائية العصبية مع قياس فولتامتري دوري المسح السريع. تم إيداع Au3+ كهربائياً أو مطلياً من محلول غروي على سطح CFMEs. وبما أن الذهب معدن مستقر وخامل نسبياً، فهو مادة قطبية مثالية للقياسات التحليلية للمواد الكيميائية العصبية. الذهب الجسيمات النانوية المعدلة (AuNP-CFMEs) كان الاستقرار لاستجابة الدوبامين لأكثر من 4 ح. وعلاوة على ذلك، تظهر AuNP-CFMEs حساسية متزايدة (ارتفاع ذروة التأكسد الحالي من تصوير الفولتاجرام الدوري) وأسرع حركية نقل الإلكترون (أقل ΔEP أو فصل الذروة) من CFMEs عارية غير معدلة. تطوير AuNP-CFMEs يوفر إنشاء أجهزة استشعار الكهروكيميائية جديدة للكشف عن التغيرات السريعة في تركيز الدوبامين والمواد الكيميائية العصبية الأخرى في حدود أقل للكشف. هذا العمل له تطبيقات واسعة لتعزيز القياسات الكيميائية العصبية. سيكون توليد الجسيمات النانوية الذهبية المعدلة CFMEs ذات أهمية حيوية لتطوير أجهزة استشعار أقطاب جديدة للكشف عن الناقلات العصبية في الجسم الحي في القوارض ونماذج أخرى لدراسة الآثار الكيميائية العصبية لتعاطي المخدرات، والاكتئاب، والسكتة الدماغية، ونقص التروية، وغيرها من الدول السلوكية والمرض.
Introduction
يتم استخدام الأقطاب الدقيقة من ألياف الكربون (CFMEs)1 على أفضل وجه كأجهزة استشعار حيوية للكشف عن أكسدة العديد من الناقلات العصبية الحاسمة2, بما في ذلك الدوبامين3, إفراز4, السيروتونين5, أدينوزين6, الهستامين7، وغيرها8. التوافق البيولوجي وحجم ألياف الكربون جعلها الأمثل لزرع كما أن هناك تخفيف تلف الأنسجة بالمقارنة مع الأقطاب القياسية أكبر. 9 ومن المعروف أن CFMEs تمتلك خصائص الكهروكيميائية المفيدة وقادرة على إجراء قياسات سريعة عند استخدامها مع التقنيات الكهروكيميائية السريعة، والأكثر شيوعا سريع المسح الضوئي قياس فولتاممتري دوري (FSCV)10،11. FSCV هو الأسلوب الذي يمسح الإمكانات المطبقة بسرعة ويوفر صورة فولتوغرام دوري محددة لanalytes محددة12،13. تيار الشحن الكبير الذي ينتجه المسح السريع مستقر على ألياف الكربون ويمكن طرح الخلفية لإنتاج صور فولتوغرام دورية محددة.
نظراً لالكيمياء الكهربائية المثلى والأهمية العصبية البيولوجية, وقد درست الدوبامين على نطاق واسع. الدوبامين الكاتيكولامين هو رسول الكيميائية الأساسية التي تلعب دورا محوريا في السيطرة على الحركة, الذاكرة, الإدراك, والعاطفة داخل الجهاز العصبي. فائض أو نقص الدوبامين يمكن أن يسبب العديد من التدخل العصبي والنفسي; ومن بين هذه هي مرض باركنسون، والفصام، والسلوك الادمان. اليوم, مرض باركنسون لا يزال اضطراب امنى بسبب انحطاط الخلايا العصبية في الدماغ المتوسط المشاركة في تخليق الدوبامين14. وتشمل أعراض مرض باركنسون الهزة، وبطء الحركة، وتصلب، ومشاكل في الحفاظ على التوازن. من ناحية أخرى, المنشطات مثل الكوكايين15 والأمفيتامين16,17 تعزيز تجاوز الدوبامين. تعاطي المخدرات يحل في نهاية المطاف محل التدفق المنتظم للدوبامين وظروف الدماغ تتطلب فائضا من الدوبامين, مما يؤدي في نهاية المطاف إلى سلوكيات الادمان.
في السنوات الأخيرة، كان هناك تركيز على تحسين وظائف القطب الكهربائي في الكشف عن الناقل العصبي18. الطريقة الأكثر انتشارا لتعزيز حساسية القطب الكهربائي هو عن طريق طلاء سطح الألياف. ومن المستغرب، كان هناك بحوث محدودة أجريت على الجسيمات النانوية المعدنية الكهربائي على ألياف الكربون19. الجسيمات المعدنية النانوية النبيلة مثل الذهب، قد تكون مودعت كهربائيا على سطح الألياف مع مواد وظيفية أخرى20. على سبيل المثال، زيادة المساحة السطحية الكهروتيفة للإمتزاز العصبي تحدث. الجسيمات النانوية المعدنية المعبأة بالكهرباء تشكل بسرعة، ويمكن تنقيتها، والتمسك ألياف الكربون. ولا تزال الكيمياء الكهربائية هامة لكل من ترسب الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة وتعزيز سطح ألياف الكربون، لأنها تسمح بالتحكم في النويات ونمو هذه الجسيمات النانوية. وأخيراً، فإن زيادة الخصائص الحفازة والموصلية، وتحسين النقل الجماعي هما من بين مزايا أخرى لاستخدام الجسيمات النانوية المعدنية في التحليل الكهربائي.
دورة التسلسل مختبر متقدم من الجامعة الأمريكية (الكيمياء البيولوجية التجريبية الأولى والثانية CHEM 471/671-472/672) هو مزيج من مختبرات التحليل والفيزيائي والكيمياء الحيوية. الفصل الدراسي الأول هو لمحة عامة عن تقنيات المختبر. الفصل الدراسي الثاني هو مشروع بحثي يقوده الطلاب ويقوده21. لهذه المشاريع، وقد فحص الطلاب سابقا آلية الجزيء الحيوي، والبروتين، والببتيد، والأحماض الأمينية التي يسهلها توليف الجسيمات النانوية الذهب22،23. وقد ركزت الأعمال الأحدث على تشكيل إنتاج الجسيمات النانوية الذهبية (AuNP) على أسطح الأقطاب الكهربائية وتقييم آثار الملوثات المعالجة الهـذاية على قدرة الـ CFMEs على الكشف عن الناقلات العصبية. في العمل الحالي، وقد طبق المختبر هذه التقنية لإثبات أن حساسية CFMEs في الكشف عن الدوبامين الأكسدة يتم تعزيزها من خلال وضع القطب من AuNP على سطح الألياف. ويتميز كل عارية-CFME من قبل متفاوتة معدل المسح الضوئي, الاستقرار وتركيز الدوبامين عند الكشف عن التيارات الدوبامين أكسدة لقياس أكسدة الدوبامين على سطح CFME. [أو]3+ كان بعد ذلك [إلكتروبلند] إلى [أو]0 و [إلكترود] [أنس تو] [إلكترود] [أنفيز] على الألياف سطح كجسيمات نانوية, يتبع ب [سري] من توصيف تجارب. بعد مقارنة مباشرة, تم العثور على AuNP-CFMEs لامتلاك حساسية أعلى من الكشف عن الدوبامين. طلاء موحد من AuNP على سطح الألياف عن طريق الكهربائي يجعل أعلى منطقة السطح الكهروتيف. وبالتالي, زيادة الامتزاز الدوبامين على سطح القطب المعدلة. أدى هذا إلى ارتفاع التيارات التأكسدية الدوبامين. الفصل المحتمل لأكسدة الدوبامين والحدمن قمم (E ع) من AuNP-CFMEs كان أيضا أصغر, مما يشير إلى أسرع حركة نقل الإلكترون. وتشمل الأعمال المستقبلية لهذه الدراسة اختبار في الجسم الحي على حد سواء العارية وAuNP-CFMEs للكشف عن الدوبامين.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، ونحن نبرهن على طريقة جديدة لبناء الذهب نانوجسيم تعديل الأقطاب الدقيقة من ألياف الكربون للكشف عن الناقلات العصبية مثل الدوبامين باستخدام المسح الضوئي السريع قياس فولتامتري دوري. هذه الطريقة هي نهج فعال وأخضر وغير مكلف نسبيا لتعزيز حساسية الكشف عن الجزيئات الحيوية. سمك الذ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر الجامعة الأمريكية، ومنحة دعم البحوث الكلية، وناسا DC منحة الفضاء، وNSF-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
- 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).
