用于增强神经化学检测的金纳米颗粒修饰碳纤维微电极

该方法的重要性在于能够实现高空间和时间分辨率的神经化学检测，有望提升活体神经化学检测技术。该技术的主要优势在于，它是一种快速、简便且可重复的方法，可提高神经递质检测的灵敏度和时间分辨率。本次实验操作将由本实验室的研究生 Sanuja Mohanaraj 和 Pauline Wonnenberg 进行演示。

首先，将碳纤维材料分离成单根细丝，并从其中抽出一根直径为七微米的碳纤维。将真空管路连接至硼硅酸盐玻璃毛细管，通过负压将碳纤维吸入毛细管中。然后，裁剪一块10厘米×25厘米的纸板，用作电极支架。

将纸巾用胶带缠绕在纸板周围作为支撑，然后将毛细管插入电极夹持器中，并小心地将其固定在垂直毛细管拉制仪上。设置毛细管拉制仪，将玻璃毛细管拉制成适合电极材料的细锥形，然后启动仪器。待拉制完成且加热丝冷却后，剪断连接管状拉制电极的碳纤维。

小心地将微电极从毛细管拉制仪上取下。在体视显微镜或显微镜引导下，使用锋利的刀片或手术剪将每个电极上伸出的碳纤维修剪至约100至150微米的长度。接下来，在一个25毫升的小瓶中，用棉签将10克环氧树脂与0.2毫升固化剂混合均匀。

另取一个样品瓶装入丙酮。对于每个电极，先将碳纤维尖端浸入环氧树脂中15秒，然后放入丙酮中浸泡3秒，以去除多余的环氧树脂。环氧处理后，将电极置于125摄氏度的烘箱中固化3小时。

接下来，使用显微操作器将一根碳纤维微电极置于含有0.5毫摩尔氯金酸和0.1摩尔氯化钾水溶液的银-氯化银参比电极中。将电极连接至恒电位仪，以碳纤维微电极作为工作电极。以50毫伏/秒的扫描速率，在0.2伏至-1伏之间进行10次循环扫描，以完成电极沉积。

优化金涂层的沉积参数至关重要。涂层过厚会导致噪声和信号过载，而涂层过薄则无法增强神经化学物质的检测效果。测试前，需用高氯酸配制浓度为10毫摩尔的多巴胺储备液，并用去离子水配制约1升pH为7.4的磷酸盐缓冲液（PBS）。

取一微升多巴胺储备液加入十毫升缓冲液中，配制成约一微摩尔的多巴胺溶液。然后将碳纤维微电极和银-氯化银参比电极连接至恒电位仪。将碳纤维电极和参比电极固定在流动池装置的探头端，并使用显微操作器将其缓慢置入流动池中。

用注射器吸取60毫升PBS缓冲液。用缓冲液填充流动池，并将注射器安装到注射泵上。以每分钟1毫升的流速开始让缓冲液流经流动池。

然后将电化学工作站设置为以10赫兹频率和400伏每秒的扫描速率，从负0.4伏扫描至1.3伏。短暂施加该波形至微电极，观察示波器，并调节增益以防止过载。让微电极在缓冲液中平衡10分钟。

然后将稀释后的多巴胺溶液吸入注射器，并连接到流通池的进样口。将恒电位仪的总运行时间设置为30秒。开始记录测量数据，等待10秒后，向流通池中注入0.2毫升的多巴胺溶液。

当运行结束后，使用高分辨率循环伏安法分析软件处理数据。在进行下一次测试前，让微电极重新平衡10分钟。测试完成后，通过向缓冲液端口和进样端口依次注入3毫升水和3毫升空气，重复三次，以清洗流动池。

采用扫描电子显微镜对包被的碳纤维进行成像。金纳米颗粒包被的厚度和粒径可通过电极沉积时间进行控制。电极沉积20分钟可形成带有尖锐脊状结构的厚金涂层，而沉积5分钟则形成薄而均匀的金涂层。

与未修饰的电极相比，金纳米颗粒包覆的碳纤维微电极具有显著更高的氧化峰电流和更快的电子转移动力学。如在多巴胺溶液中所示，金纳米颗粒包覆对电极响应的稳定性无显著影响。裸电极和金纳米颗粒包覆电极的响应均随扫描速率的变化呈线性关系，且金包覆电极的变化幅度明显更大。

这表明多巴胺的吸附可通过扫描速率进行控制。在多巴胺浓度为100纳摩尔至10微摩尔范围内，裸电极和金纳米颗粒修饰电极均呈现线性响应。在更高浓度下观察到渐近曲线，表明多巴胺在电极表面达到过饱和状态。

在更短的时间尺度上并以更高的灵敏度检测神经化学变化的能力，将有助于解答神经科学中的复杂问题。该方法在分析化学、代谢组学和环境科学中也有应用。虽然该技术易于掌握，但通过视觉演示来学习微电极的制备、修饰和测试过程至关重要。

该方法的未来发展方向包括调整金及其他涂层的沉积参数，以优化对特定神经递质的检测，这些参数需考虑涂层的厚度、尺寸、形状和形貌。研究人员在尝试该技术之前，应在显微镜下练习操作细小纤维。此外，神经递质储备液的配制应在通风橱中进行，因其需使用1摩尔高氯酸。