Gouden nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden voor verbeterde neurochemische detectie
Summary
In deze studie, we wijzigen koolstofvezel micro-elektroden met gouden nanodeeltjes om de gevoeligheid van neurotransmitter detectie te verbeteren.
Abstract
Al meer dan 30 jaar, koolstofvezel micro elektroden (CFMEs) zijn de standaard voor neurotransmitter detectie. In het algemeen, koolstofvezels worden aanzuiging in glazen capillairen, getrokken naar een fijne taper, en vervolgens verzegeld met behulp van een epoxy te maken van elektrode materialen die worden gebruikt voor snelle scan cyclische voltammetrie testen. Het gebruik van kale CFMEs heeft echter verschillende beperkingen. Eerst en vooral, de koolstofvezel bevat voornamelijk basale vliegtuig koolstof, die een relatief lage oppervlakte en levert lagere gevoeligheden dan andere nanomaterialen. Bovendien wordt de graphitische koolstof beperkt door zijn temporele resolutie en zijn relatief lage geleiding. Ten slotte, neurotransmitters en macromoleculen zijn gekend om te overtreding op het oppervlak van koolstof elektroden waar zij vormen niet-geleidende polymeren die verdere neurotransmitter adsorptie blokkeren. Voor deze studie, we wijzigen CFMEs met gouden nanodeeltjes ter verbetering van neurochemical testen met snelle scan cyclische voltammetrie. Au3 + werd galvaniseerd of met een dipcoating van een colloïdale oplossing op het oppervlak van cfmes. Omdat goud een stabiel en relatief inert metaal is, is het een ideaal elektrode materiaal voor analytische metingen van neurotransmitters. Goud nano artikel gemodificeerd (AuNP-CFMEs) had een stabiliteit aan dopamine reactie voor meer dan 4 h. Bovendien vertonen AuNP-CFMEs een verhoogde gevoeligheid (hogere piek oxidatieve stroom van de cyclische voltammogrammen) en snellere elektron Transfer kinetiek (lagere ΔEP of piek scheiding) dan kale ongewijzigde cfmes. De ontwikkeling van AuNP-CFMEs biedt de creatie van nieuwe elektrochemische sensoren voor het opsporen van snelle veranderingen in dopamine concentratie en andere neurotransmitters bij lagere grenzen van de detectie. Dit werk heeft enorme toepassingen voor de verbetering van neurochemical metingen. Het genereren van goud nanodeeltjes gemodificeerde CFMEs zal van vitaal belang zijn voor de ontwikkeling van nieuwe elektrode sensoren om neurotransmitters in vivo te detecteren in knaagdieren en andere modellen om neurochemische effecten van drugsmisbruik te bestuderen, depressie, beroerte, ischemie, en andere gedrags-en ziektetoestanden.
Introduction
Koolstofvezel micro elektroden (CFMEs)1 worden het best gebruikt als biosensoren voor het detecteren van de oxidatie van verschillende cruciale neurotransmitters2, met inbegrip van dopamine3, noradrenaline4, serotonine5, adenosine6, histamine7, en anderen8. De biocompatibiliteit en de grootte van koolstofvezels maken ze optimaal voor implantatie omdat er verminderde weefselbeschadiging is in vergelijking met grotere standaard elektroden. 9 cfmes bezitten nuttige elektrochemische eigenschappen en zijn in staat snelle metingen te verrichten bij gebruik in combinatie met snelle elektrochemische technieken, meestal Fast-scan cyclisch voltammetrie (fscv)10,11. Fscv is een techniek die het toegepaste potentieel snel scant en voorziet in een specifiek cyclisch voltammogram voor specifieke analyten12,13. De grote laadstroom die wordt geproduceerd door snel scannen is stabiel op koolstofvezels en kan achtergrond-worden afgetrokken om specifieke cyclische voltammogrammen te produceren.
Vanwege de optimale elektrochemie en neurobiologisch belang, dopamine is wijd bestudeerd. De Catecholamine dopamine is een essentiële chemische boodschapper die een cruciale rol in de controle van de beweging speelt, geheugen, cognitie, en emotie binnen het zenuwstelsel. Een overschot of een tekort aan dopamine kan leiden tot talrijke neurologische en psychologische interferentie; onder deze zijn de ziekte van Parkinson, schizofrenie, en verslavend gedrag. Vandaag, de ziekte van Parkinson blijft een heersende stoornis als gevolg van de degeneratie van de zenuwcellen die betrokken zijn bij dopamine synthese14. Symptomen van de ziekte van Parkinson omvatten tremor, traagheid van beweging, stijfheid, en problemen bij het handhaven van evenwicht. Aan de andere kant, stimulerende middelen zoals cocaïne15 en amfetamine16,17 bevorderen de overloop van dopamine. Drugsmisbruik vervangt uiteindelijk de regelmatige stroom van dopamine en voorwaarden de hersenen te vereisen een overschot van dopamine, die uiteindelijk leidt tot verslavend gedrag.
In de afgelopen jaren, is er een nadruk op het verbeteren van elektrode functionaliteit in neurotransmitter detectie18. De meest voorkomende methode van het verbeteren van de elektrode gevoeligheid is door coating van het vezel oppervlak. Verrassend genoeg is er beperkt onderzoek gedaan naar metaal nanodeeltjes elektro depositie op carbon-vezels19. Edele metalen-nanodeeltjes zoals goud, kunnen op het vezel oppervlak worden geelektro met andere functionele materialen20. Bijvoorbeeld, het verhogen van de elektroactieve oppervlakte voor neurotransmitter adsorptie optreden. Electrogestorte metalen nanodeeltjes vormen snel, kunnen worden gezuiverd en voldoen aan de koolstofvezel. Elektrochemie blijft significant voor zowel de afzetting van edele metalen nanodeeltjes en oppervlakte verbetering van koolstofvezels, omdat het de controle van nucleatie en groei van deze nanodeeltjes mogelijk maakt. Tot slot, de verhoogde katalytische en geleidende eigenschappen, en verbeterde massatransport behoren tot de andere voordelen van het gebruik van metalen nanodeeltjes voor elektro analyse.
De geavanceerde laboratorium sequentie cursus van de Amerikaanse Universiteit (experimentele biologische chemie I en II CHEM 471/671-472/672) is een combinatie van analytische, fysische en biochemie laboratoria. Het eerste semester is een overzicht van laboratoriumtechnieken. Het tweede semester is een student-gedreven en geleid onderzoeksproject21. Voor deze projecten hebben de studenten eerder gekeken naar het mechanisme van biomolecule, proteïne, peptide en aminozuur-gefaciliteerde synthese van goud nanodeeltjes22,23. Meer recent werk is gericht op de vorming van goud nano artikel (AuNP) productie op elektrode oppervlakken en de evaluatie van tantes effecten op het vermogen van CFMEs om neurotransmitters te detecteren. In het huidige werk heeft het laboratorium deze techniek toegepast om aan te tonen dat de gevoeligheid van CFMEs bij het opsporen van de dopamine-oxidatie wordt versterkt door de elektroafzetting van AuNP op het vezel oppervlak. Elke kale-CFME wordt gekenmerkt door wisselende scan-rate, stabiliteit en dopamine-concentratie bij het opsporen van dopamine-oxidatieve stromingen te meten van dopamine oxidatie op het oppervlak van de CFME. Au3 + werd vervolgens electroreduced naar au0 en gelijktijdig galvaniseren op het vezel oppervlak als nanodeeltjes, gevolgd door een reeks van karakterisering experimenten. Na een directe vergelijking, de AuNP-CFMEs bleken te bezitten van een hogere gevoeligheid van dopamine detectie. De uniforme coating van Tanp op het vezel oppervlak via elektro afzetting maakt een hoger elektroactief oppervlak; Dus, verhoging van de adsorptie van dopamine op het gemodificeerde elektrode oppervlak. Dit leidde tot hogere dopamine oxidatieve stromen. De potentiële scheiding van de dopamine oxidatie-en reductie pieken (∆ Ep) van AUNP-cfmes was ook kleiner, wat suggereert dat het een snellere elektron Transfer kinetiek zou zijn. Toekomstige werken van deze studie omvat de in vivo testen van zowel de kale-als de AuNP-CFMEs voor de opsporing van dopamine.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie, we demonstreren een nieuwe methode voor het construeren van goud-nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden voor de opsporing van neurotransmitters zoals dopamine met behulp van snelle scan cyclische voltammetrie. De methode is een efficiënte, groene en relatief goedkope benadering voor het verbeteren van de gevoeligheid van biomolecule detectie. De dikte van goud afgezet op het oppervlak van de koolstofvezel kan worden gecontroleerd door de tijd van elektro depositie en de concentratie v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen graag de American University bedanken, de faculteits Onderzoeksondersteuning subsidie, NASA DC ruimte subsidie, en 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
- 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).
