Name: 用于增强神经化学检测的金纳米粒子改性碳纤维微电极 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-13T14:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: 学习使用金纳米粒子改性碳纤维微电极技术，以提高神经递质检测的灵敏度和时空分辨率。该方法快速、简便且可重复，适用于神经科学、分析化学和代谢组学研究，有助于实现更精确的体内神经化学检测。

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我们感谢美国大学、教员研究支持资助、NASA DC空间资助以及NSF-MRI#1625977项目的支持。

1. 碳纤维微电极的构建
<ol>
	<li>碳纤维的制备
	<ol>
		<li>为了制备碳纤维微电极，首先使用手、手套和刮刀逐一分离碳纤维（碳纤维，直径7 μm）。</li>
		<li>从绞合的纱线中拉出一根纤维。</li>
		<li>将分离出的一根碳纤维吸入玻璃毛细管中（单通道硼硅酸盐毛细玻璃管，无内丝，外径1.2 mm，内径0.68 mm）。</li>
		<li>通过裁剪一块长约10 cm、宽约25 cm的纸板，制备用于电极的电极夹持器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用垂直毛细管拉制仪拉制电极。</li>
	<li>打开垂直毛细管拉制仪的滑动门。</li>
	<li>逆时针旋转钻夹头，松开并取下金属夹持杆，留出足够空间以插入玻璃毛细管。</li>
	<li>将玻璃毛细管插入电极夹持器中。手动将玻璃毛细管向上推至垂直毛细管拉制仪的顶部。</li>
	<li>顺时针拧紧钻夹头，固定玻璃毛细管，注意不要折断或破碎玻璃毛细管。</li>
	<li>将加热器1、加热器2和磁铁的设置调节至制造商推荐的水平，以通过加热、压力和重力将玻璃毛细管拉制成适合电极材料的细锥形。</li>
	<li>按下红色启动按钮，加热线圈，利用压力、重力和加热作用拉制电极。</li>
	<li>等待线圈从发红状态冷却。用剪刀从上到下剪断连接两个拉制后电极的碳纤维。采用钻夹头方法，逆时针旋转，将玻璃毛细管从垂直毛细管拉制仪中取出。</li>
</ol>
2. 碳纤维微电极的制备
<ol>
	<li>在体视显微镜或显微镜下，使用手术剪刀或锋利的剃刀片将从玻璃毛细管表面伸出的碳纤维切割至约 100–150 μm 的长度。</li>
	<li>取 10 g 环氧树脂与 0.2 mL 固化剂加入 25 mL 小瓶中，用棉签混合均匀，配制环氧溶液。</li>
	<li>将每个电极的尖端浸入环氧树脂与固化剂的混合溶液中约 15 秒。</li>
	<li>将上述碳纤维微电极顶端浸入丙酮中约 3 秒，以洗去电极杆上残留的多余环氧树脂。</li>
</ol>
3. 电沉积
<ol>
	<li>使用显微操作器将工作电极（碳纤维微电极）和参比电极（银-氯化银电极，Ag/AgCl）置于含有 0.5 mM HAuCl4 的溶液中。</li>
	<li>将工作电极和参比电极连接至恒电位仪和前置放大器。</li>
	<li>打开 UNC HDCV 软件。在软件中更改设置以施加波形。在计算机设置中输入以下波形参数：在含有 0.5 mM HAuCl4 的 0.1 M KCl 溶液中，以 50 mV/s 的扫描速率，从 0.2 V 扫描至 −1.0 V，共进行 10 个循环。按下绿色箭头以施加波形，然后按下开始按钮以开始记录测量数据。</li>
</ol>
4. 扫描电子显微镜
注意：使用扫描电子显微镜（SEM）对裸露的和经金纳米颗粒修饰的碳纤维微电极进行成像。将样品加载到黑色导电胶带上，并按照制造商提供的说明进行操作。
<ol>
	<li>开启仪器
	<ol>
		<li>将钥匙转至 START 位置后松开。</li>
		<li>通过双击打开 InTouchScope 软件。</li>
		<li>松开钥匙，钥匙应自动回到 I 符号位置。</li>
		<li>等待 EVAC 按钮停止闪烁。</li>
		<li>当 EVAC 按钮停止闪烁后，按下 VENT 按钮。</li>
		<li>等待 VENT 按钮停止闪烁。</li>
		<li>确保工作距离（WD）处于 20 mm – 30 mm 范围内。</li>
		<li>等待期间，准备样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>扫描
	<ol>
		<li>当 VENT 按钮停止闪烁后，将样品装入仪器中。</li>
		<li>装载样品时，确保样品 holder 的弯曲部分朝向仪器内部。</li>
		<li>样品装载完成后，按下 EVAC 按钮。</li>
		<li>将工作距离调整至 10 mm。</li>
		<li>当 EVAC 按钮停止闪烁后，打开计算机。</li>
		<li>点击桌面上的 In Touch Scope 软件。存在两个 In Touch Scope 软件图标，请点击无绿色和黄色圆圈标识的那一个。</li>
		<li>软件启动后，点击屏幕右上方的 OBSERVE 按钮以开启电子束。在点击 OBSERVE 前，需确认 EVAC 按钮已停止闪烁。</li>
		<li>开始分析样品。</li>
		<li>确保电压、工作距离（WD）和探针电流（PC）设置处于可接受范围内。</li>
		<li>放大倍数较低时（约 50X）应缩小视野，较高倍数时则放大视野。</li>
		<li>将工作距离设定为 10 mm。</li>
		<li>在拍摄样品图像前，确保图像将保存至目标文件夹。</li>
		<li>如需选择目标文件夹，请点击屏幕左上方的设置按钮。</li>
		<li>通过 U 盘将图像从计算机导出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>关闭仪器
	<ol>
		<li>点击 OBSERVE 按钮以关闭电子束。</li>
		<li>按下 VENT 按钮，并等待其停止闪烁。</li>
		<li>在等待 VENT 按钮停止闪烁的同时，将工作距离调回 20 mm – 30 mm。</li>
		<li>当 VENT 按钮停止闪烁后，从仪器中取出样品。</li>
		<li>按下 EVAC 按钮，并等待其停止闪烁。</li>
		<li>当 EVAC 按钮停止闪烁后，退出软件并关闭计算机。</li>
		<li>将钥匙转至 O 符号位置，彻底关闭仪器。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 快速扫描循环伏安法测试
<ol>
	<li>将碳纤维微电极连接至恒电位仪和前置放大器，并同时连接 Ag/AgCl 参比电极。</li>
	<li>使用显微操作器，通过手动调节 X、Y 和 Z 方向的测量旋钮，将碳纤维微电极缓慢下降至流动池孔中。</li>
	<li>用去离子水配制缓冲液（131.5 mM NaCl、3.25 mM KCl、1.2 mM CaCl2、1.25 mM NaH2PO4、1.2 mM MgCl2 和 2.0 mM Na2SO4，调节 pH 至 7.4）。</li>
	<li>用磷酸盐缓冲盐水（PBS）缓冲液（pH = 7.4）填充流动池。</li>
	<li>使用装满 60 mL 缓冲液的注射器，以约 1 mL/min 的流速将 PBS 缓冲液注入流动池。</li>
	<li>将电极放入流动池中，按下绿色按钮施加波形。观察示波器，必要时剪短电极或调节增益以防止信号过载。每次电极运行之间需平衡约 10 分钟。</li>
	<li>将默认波形设置为多巴胺检测波形。扫描范围为 –0.4 V 至 1.3 V，频率为 10 Hz，扫描速率为 400 V/s。</li>
	<li>用高氯酸配制 10 mM 的多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素及其他物质的储备液。使用移液器将 1 μM&#160;多巴胺储备液加入 10 mL PBS 缓冲液中，稀释神经化学物质至终浓度 1 μM。</li>
	<li>开始测量时，按下记录按钮。10 秒后，向流动池中注入 0.2 mL 的 1 μM 多巴胺溶液，或其他浓度的神经递质。根据需要调整浓度、扫描速率和波形（保持电位或切换电位）。设定总运行时间为 30 秒。</li>
	<li>使用 HDCV 分析软件对运行数据进行分析。根据需要更改参数。</li>
	<li>实验结束后，通过向流动池的缓冲液和进样端口分别注入 3 mL 水和空气，重复三次，以清洗流动池。</li>
	<li>关闭波形输出及仪器电源。</li>
</ol>

<ol><li>Zestos, A. G., Nguyen, M. D., Poe, B. L., Jacobs, C. B., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epoxy+insulated+carbon+fiber+and+carbon+nanotube+fiber+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Epoxy insulated carbon fiber and carbon nanotube fiber microelectrodes.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 182, 652-658 (2013).</li>
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<li>Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Communication%E2%80%94Carbon+Nanotube+Fiber+Microelectrodes+for+High+Temporal+Measurements+of+Dopamine%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Communication—Carbon Nanotube Fiber Microelectrodes for High Temporal Measurements of Dopamine.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165, G3071-G3073 (2018).</li>
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<li>Ganesana, M., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+changes+in+transient+adenosine+during+cerebral+ischemia+and+reperfusion+injury%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+one%22%5BJournal%5D)">Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury.</a> PloS one. 13, e0196932(2018).</li>
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<li>Raju, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymer+modified+carbon+fiber-microelectrodes+and+waveform+modifications+enhance+neurotransmitter+metabolite+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Methods%22%5BJournal%5D)">Polymer modified carbon fiber-microelectrodes and waveform modifications enhance neurotransmitter metabolite detection.</a> Analytical Methods. 11, 1620-1630 (2019).</li>
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<li>Zestos, A. G., Yang, C., Jacobs, C. B., Hensley, D., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanospikes+grown+on+metal+wires+as+microelectrode+sensors+for+dopamine%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Carbon nanospikes grown on metal wires as microelectrode sensors for dopamine.</a> Analyst. 140, 7283-7292 (2015).</li>
<li>Zestos, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+Nanoelectrodes+for+the+Electrochemical+Detection+of+Neurotransmitters%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Electrochemistry%22%5BJournal%5D)">Carbon Nanoelectrodes for the Electrochemical Detection of Neurotransmitters.</a> International Journal of Electrochemistry. , (2018).</li>
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<li>Carpenter, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+and+systemic+administration+of+a+CNS-permeant+tamoxifen+analog+reduces+amphetamine-induced+dopamine+release+and+reinforcing+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Direct and systemic administration of a CNS-permeant tamoxifen analog reduces amphetamine-induced dopamine release and reinforcing effects.</a> Neuropsychopharmacology. 42, 1940(2017).</li>
<li>Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+Nanotube-Based+Microelectrodes+for+Enhanced+Neurochemical+Detection%5BTitle%5D)+AND+%22ECS+Transactions%22%5BJournal%5D)">Carbon Nanotube-Based Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection.</a> ECS Transactions. 80, 1497-1509 (2017).</li>
<li>Zachek, M. K., Hermans, A., Wightman, R. M., McCarty, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+Dopamine+Detection%3A+Comparing+Gold+and+Carbon+Fiber+Microelectrodes+using+Background+Subtracted+Fast+Scan+Cyclic+Voltammetry%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electroanal+Chem+%28Lausanne+Switz%29%22%5BJournal%5D)">Electrochemical Dopamine Detection: Comparing Gold and Carbon Fiber Microelectrodes using Background Subtracted Fast Scan Cyclic Voltammetry.</a> J Electroanal Chem (Lausanne Switz). 614, 113-120 (2008).</li>
<li>Li, J., Xie, H., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sensitive+hydrazine+electrochemical+sensor+based+on+electrodeposition+of+gold+nanoparticles+on+choline+film+modified+glassy+carbon+electrode%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">A sensitive hydrazine electrochemical sensor based on electrodeposition of gold nanoparticles on choline film modified glassy carbon electrode.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 153, 239-245 (2011).</li>
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<li>Yang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotubes+grown+on+metal+microelectrodes+for+the+detection+of+dopamine%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine.</a> Analytical chemistry. 88, 645-652 (2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究展示了一种构建金纳米颗粒修饰碳纤维微电极的新方法，用于通过快速扫描循环伏安法检测多巴胺等神经递质。该方法是一种高效、环保且相对经济的手段，可提高生物分子检测的灵敏度。通过控制电沉积时间和电沉积溶液中金的浓度，可调控沉积在碳纤维表面的金层厚度。与未修饰的裸电极相比，金修饰的碳纤维微电极具有显著更大的电活性表面积和更快的电子转移动力学。此外，其灵敏度更高，检测限更低。同时，在流动池中测试至少4小时后，这些电极对多巴胺检测表现出良好的稳定性。对于金修饰碳纤维电极，多巴胺检测的峰值氧化电流在扫描速率和浓度方面均呈现线性响应，表明电极表面的吸附过程起主导控制作用。
该实验方案的关键步骤包括使用垂直毛细管拉制仪拉制碳纤维微电极，以及通过环氧树脂实现玻璃毛细管与碳纤维之间的界面粘附。此外，在碳纤维表面进行金的电沉积具有较大挑战性，关键在于需在电极表面形成一层薄而均匀的金镀层，同时避免金的过度沉积，否则将因噪声和信号过载而影响神经递质的检测。方法的优化与故障排除包括针对电沉积的时间和浓度参数进行条件优化。实验中应尝试使用不同来源的金（如 AuCl3、HAuCl...

碳纤维微电极（CFMEs）1 最适合作为生物传感器，用于检测多种重要神经递质的氧化反应2，包括多巴胺3去甲肾上腺素4，5-羟色胺5腺苷6，组胺7以及其他8碳纤维的生物相容性和尺寸使其成为植入的理想选择，与较大的标准电极相比，可显著减少对组织的损伤。9 已知碳纤维微电极（CFMEs）具有优良的电化学特性，当与快速电化学技术（最常用的是快速扫描循环伏安法，FSCV）联用时，能够实现快速测量。10,11FSCV 是一种快速扫描施加电位的技术，可为特定分析物提供特有的循环伏安图。12,13快速扫描产生的大充电电流在碳纤维上是稳定的，可通过背景扣除获得特异的循环伏安图。
由于多巴胺具有理想的电化学性质及其在神经生物学中的重要性，它已被广泛研究。儿茶酚胺类神经递质多巴胺是一种关键的化学信使，在神经系统中对运动、记忆、认知和情绪的调控起着核心作用。多巴胺的过剩或缺乏可导致多种神经和心理障碍，其中包括帕金森病、精神分裂症以及成瘾行为。目前，帕金森病仍是一种常见疾病，其病因是参与多巴胺合成的中脑神经元发生退化14。帕金森病的症状包括震颤、运动迟缓、肌肉僵硬以及平衡障碍。另一方面，可卡因15&#160;和苯丙胺16,17&#160;等兴奋剂会促进多巴胺的过量释放。药物滥用最终会取代多巴胺的正常释放模式，使大脑适应并依赖过量的多巴胺，从而导致成瘾行为。
近年来，人们越来越重视提高电极在神经递质检测中的功能性能18。提高电极灵敏度最广泛使用的方法是通过在纤维表面进行涂层。然而，关于在碳纤维上电沉积金属纳米颗粒的研究却十分有限19。贵金属纳米颗粒（如金）可与其他功能材料一起电沉积到纤维表面20，例如，增加可用于神经递质吸附的电活性表面积。电沉积的金属纳米颗粒形成迅速，可被纯化，并能牢固附着于碳纤维上。电化学方法在贵金属纳米颗粒的沉积以及碳纤维表面性能增强方面仍具有重要意义，因为它能够控制这些纳米颗粒的成核与生长过程。此外，利用金属纳米颗粒进行电分析还具有催化性和导电性增强、传质性能改善等其他优势。
美国大学的高级实验课程（实验生物化学 I 和 II，CHEM 471/671-472/672）综合了分析化学、物理化学和生物化学实验内容。第一学期主要介绍各类实验技术的基本概述；第二学期则由学生主导并开展研究项目21。在以往的项目中，学生曾研究生物分子、蛋白质、多肽及氨基酸介导的金纳米颗粒合成机制22,23。近期工作则聚焦于电极表面金纳米颗粒（AuNP）的形成，以及AuNPs对碳纤维微电极（CFMEs）检测神经递质能力的影响评估。本研究中，实验室应用该技术证明，通过在纤维表面电沉积AuNP，可增强CFMEs检测多巴胺氧化的灵敏度。每个裸露的CFME在检测多巴胺氧化电流时，均通过改变扫描速率、稳定性和多巴胺浓度进行表征，以测量多巴胺在CFME表面的氧化行为。随后，将Au3+电化学还原为Au0，并同时以纳米颗粒形式电沉积至纤维表面，继而进行一系列表征实验。经过直接比较，发现AuNP修饰的CFMEs具有更高的多巴胺检测灵敏度。通过电沉积在纤维表面形成的均匀AuNP涂层增大了电活性表面积，从而增强了多巴胺在修饰电极表面的吸附，导致更高的多巴胺氧化电流。此外，AuNP-CFMEs的多巴胺氧化峰与还原峰之间的电位差（∆Ep）更小，表明其电子转移动力学更快。本研究的后续工作将包括对裸露CFMEs和AuNP-CFMEs在活体条件下检测多巴胺的性能进行测试。

<table><tbody><tr><td>盐酸多巴胺</td><td>Sigma Aldrich</td><td>H8502-5G</td><td></td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P5493-1L</td><td></td></tr><tr><td>Pine WaveNeuro 恒电位仪</td><td>Pine Instruments</td><td>NEC-WN-BASIC</td><td>此订单为批量采购，包含所有其他配件，如前置放大器、适配器、线缆及其他电子组件</td></tr><tr><td>Pine 流通池与微操纵器</td><td>Pine Instruments</td><td>NEC-FLOW-1</td><td>此亦为批量订单，包含微操纵器、流通池、旋钮、管路、连接器等</td></tr><tr><td>玻璃毛细管</td><td>A-M Systems</td><td>602500</td><td></td></tr><tr><td>T-650 碳纤维</td><td>Goodfellow</td><td>C 005711</td><td></td></tr><tr><td>Epon 828 环氧树脂</td><td>Miller-Stephenson</td><td>EPON 828 TDS</td><td></td></tr><tr><td>二亚乙基三胺</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D93856-5ML</td><td></td></tr><tr><td>三氯化金</td><td>Sigma Aldrich</td><td>254169</td><td>以 HAuCl4 或 AuCl3 形式提供</td></tr><tr><td>pH 计</td><td>Fisher</td><td>S90528</td><td></td></tr><tr><td>法拉第屏蔽笼</td><td>AMETEK TMC</td><td>81-334-03</td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>NEW ERA PUMP</td><td>NE-1000</td><td></td></tr><tr><td>Eppendorf 移液器及吸头</td><td>Eppendorf</td><td>2231000222</td><td>此亦为包含多种移液器及吸头的批量订单</td></tr><tr><td>10 - 1,000 mL 烧杯</td><td>VWR</td><td>10536-390</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维</td><td>Goodfellow</td><td>C 005711</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜（SEM）</td><td>JEOL</td><td>JSM-IT100</td><td></td></tr></tbody></table>

用于增强神经化学检测的金纳米颗粒修饰碳纤维微电极

Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection

30 多年来，碳纤维微电极（CFMEs）一直是神经递质检测的标准工具。通常，将碳纤维吸入玻璃毛细管中，拉制成细锥形，然后用环氧树脂密封，制成用于快速扫描循环伏安法检测的电极材料。然而，裸碳纤维微电极的使用存在若干局限性。首先，碳纤维主要由基面碳构成，其表面积相对较小，灵敏度低于其他纳米材料。此外，石墨碳在时间分辨率方面受限，且导电性相对较低。最后，已知神经化学物质和大分子会在碳电极表面发生污染，形成非导电性聚合物，阻碍神经递质的进一步吸附。在本研究中，我们通过在碳纤维微电极表面修饰金纳米颗粒，以增强快速扫描循环伏安法对神经化学物质的检测性能。Au3+通过电沉积或浸涂法从胶体溶液中沉积到CFMEs表面。由于金是一种稳定且相对惰性的金属，因此是神经化学物质分析检测的理想电极材料。金纳米颗粒修饰的电极（AuNP-CFMEs）对多巴胺的响应稳定性超过4小时。此外，与未修饰的裸CFMEs相比，AuNP-CFMEs表现出更高的灵敏度（循环伏安图中更高的氧化峰电流）和更快的电子转移动力学（更低的ΔEP或峰分离）。AuNP-CFMEs的开发为检测多巴胺浓度及其他神经化学物质的快速变化提供了新型电化学传感器，并实现了更低的检测限。该研究对提升神经化学检测技术具有广泛的应用前景。金纳米颗粒修饰CFMEs的制备对于开发新型电极传感器至关重要，可用于在啮齿类及其他动物模型中活体检测神经递质，以研究药物滥用、抑郁症、中风、缺血及其他行为与疾病状态下的神经化学效应。

对于图1，我们展示了一个示意图，其中使用快速扫描循环伏安法（FSCV）测试在体外测量神经递质的浓度。图1显示了施加的多巴胺电压波形。该三角波形以400 V/s的速率从-0.4 V扫描至1.3 V。在图的左侧第二部分，展示了多巴胺氧化为多巴胺邻醌（DOQ）的过程，该过程涉及分析物表面向电极表面转移两个电子。最后，电流-时间曲线与彩色图谱叠加显示。电流-时间曲线代表多巴胺的氧化过程：当无多巴胺氧化时，曲线呈平坦状态；当多巴胺氧化为多巴胺邻醌并在分析物吸附后从电极表面解吸时又被还原回多巴胺，曲线则垂直上升。彩色图谱为电流的三维图示，其中黄色代表背景电流（接近零），绿色代表正向氧化电流（多巴胺氧化为多巴胺邻醌），蓝色代表负向还原电流（多巴胺邻醌还原为多巴胺）。
采用扫描电子显微镜（SEM）对未修饰和修饰后的碳电极表面形貌进行成像。在<stro...

在本研究中，我们使用金纳米颗粒修饰碳纤维微电极，以提高神经递质检测的灵敏度。

三十多年来，碳纤维微电极（CFMEs）一直是神经递质检测的标准工具。通常，碳纤维被吸入……

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。

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科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

用于增强神经化学检测的金纳米粒子改性碳纤维微电极

我们讨论了利用一系列技术（包括化学气相沉积、酸氧化和探针尖端超声处理）合成单个石墨纳米杯的方法。通过柠檬酸盐还原HAuCl4，金纳米颗粒有效地封堵了石墨纳米杯，这归因于纳米杯的化学活性边缘。...

氮掺杂碳纳米管杯的合成及其表面修饰金纳米颗粒作为瓶塞

我们介绍了基于碳纳米管的高频生物传感器的器件制备与测量方案。高频检测技术可有效缓解离子（德拜）屏蔽效应这一根本问题，使纳米管生物传感器能够在高离子强度溶液中运行，而传统电子生物传感器在此类条件下则无法工作。本技术为在生理相关条件下运行的即时检测（POC）电子生物传感器提供了一个独特的平台。...

用于高离子强度溶液中检测的碳纳米管高频纳米电子生物传感器的制备

不同的电极涂层通过改变电化学、化学和机械特性来影响神经记录性能。体外电极的比较相对简单，但体内响应的比较通常因电极与神经元之间的距离差异以及个体动物间的差异而变得复杂。本文提供了一种可靠的神经记录电极比较方法。...

一种系统性电化学与电生理评估神经记录电极的方法

本方案概述了如何利用金纳米棒光学吸收产生的瞬态加热来刺激神经元细胞的分化及细胞内钙活性。这些结果可能为神经假体和神经科学基础研究开辟新的应用前景。...

金纳米棒辅助的神经细胞光刺激

介绍了一种电化学DNA生物传感器的制备方案，该传感器由聚乳酸稳定的、金纳米颗粒修饰的丝网印刷碳电极组成，用于检测副溶血性弧菌（Vibrio...

开发一种电化学DNA生物传感器以检测食源性病原体

本研究介绍了一种用于增强基于纳米探针生物传感信号的实验方案。该方案基于将氯金酸还原至现有纳米探针表面，这些纳米探针由金、银、二氧化硅或氧化铁纳米颗粒组成。...

快速纳米探针信号增强 原位 金纳米颗粒的合成

本文介绍了一种封闭式无线纳米孔电极的制备方案，以及随后对单个纳米颗粒碰撞进行的电化学测量。...

一种用于分析单个纳米颗粒的封闭式无线纳米孔电极

我们在此描述一种用于制备Ti3C2 MXene微电极阵列及其应用 体内...

Ti3C2 MXene 微电极阵列的制备用于 体内 神经信号记录

本方案描述了一种用于在小鼠（Mus musculus）和雪貂（Mustela putorius...

用于急性和慢性在体记录的碳纤维微电极阵列的构建与实施

本文介绍了可定制碳纤维电极阵列的制备方法，用于在神经和脑组织中进行体内记录。...

开源工具包：用于神经记录的台式碳纤维微电极阵列

本文的主要目的是帮助研究人员和科学家理解利用电化学进行葡萄糖传感的过程，并优化参数以最大化葡萄糖传感响应。文中详细描述了葡萄糖传感器的制备过程，并提供了获得最佳计时电流响应的指导原则。...

用于葡萄糖无酶安培检测的NiO纳米花

学习使用金纳米粒子改性碳纤维微电极技术，以提高神经递质检测的灵敏度和时空分辨率。该方法快速、简便且可重复，适用于神经科学、分析化学和代谢组学研究，有助于实现更精确的体内神经化学检测。

用于增强神经化学检测的金纳米颗粒修饰碳纤维微电极

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