Microélectrodes de fibres de carbone modifiées par nanoparticules d'or pour une détection neurochimique améliorée

Les microélectrodes en fibre de carbone (CFME)¹ sont mieux utilisées comme biocapteurs pour détecter l'oxydation de plusieurs neurotransmetteurs cruciaux², y compris la dopamine³, la noradrénaline⁴, la sérotonine⁵, l'adénosine⁶, histamine⁷, et d'autres⁸. La biocompatibilité et la taille des fibres de carbone les rendent optimales pour l'implantation car il y a des dommages de tissu atténués comparés aux électrodes standard plus grandes. ⁹ CFMLes sont connus pour posséder des propriétés électrochimiques utiles et sont capables de faire des mesures rapides lorsqu'ils sont utilisés avec des techniques électrochimiques rapides, le plus souvent à balayage rapide voltamétrie cyclique (FSCV)^10,11. FSCV est une technique qui scanne le potentiel appliqué rapidement et fournit un voltammogramme cyclique spécifique pour des analytes spécifiques^12,13. Le grand courant de charge produit par balayage rapide est stable sur les fibres de carbone et peut être sous-traitance de fond pour produire des voltammogrammes cycliques spécifiques.

En raison de son électrochimie optimale et de son importance neurobiologique, la dopamine a été largement étudiée. La dopamine catécholamine est un messager chimique essentiel qui joue un rôle central dans le contrôle du mouvement, de la mémoire, de la cognition et de l'émotion dans le système nerveux. Un surplus ou une carence en dopamine peut causer de nombreuses interférences neurologiques et psychologiques; parmi ceux-ci sont la maladie de Parkinson, la schizophrénie, et le comportement addictif. Aujourd'hui, la maladie de Parkinson continue d'être un trouble répandu en raison de la dégénérescence des neurones du cerveau moyen impliqués dans la synthèse de la dopamine¹⁴. Les symptômes de la maladie de Parkinson comprennent des tremblements, la lenteur du mouvement, la raideur et des problèmes de maintien de l'équilibre. D'autre part, les stimulants tels que la cocaïne¹⁵ et l'amphétamine^16,17 favorisent le débordement de dopamine. L'abus de drogues finit par remplacer le flux régulier de dopamine et les conditions du cerveau pour exiger un surplus de dopamine, ce qui conduit finalement à des comportements addictifs.

Ces dernières années, l'accent a été mis sur l'amélioration de la fonctionnalité des électrodes dans la détection des neurotransmetteurs¹⁸. La méthode la plus répandue pour améliorer la sensibilité aux électrodes est en enrobant la surface des fibres. Étonnamment, il y a eu peu de recherches effectuées sur l'électrodposition de nanoparticules métalliques sur les fibres de carbone¹⁹. Les nanoparticules de métal nobles telles que l'or, peuvent être électrodéposées sur la surface de fibre avec d'autres matériaux fonctionnels²⁰. Par exemple, augmenter la surface électroactive pour l'adsorption neurotransmetteur à se produire. Les nanoparticules métalliques électrodéposéesse se forment rapidement, peuvent être purifiées et adhèrent à la fibre de carbone. L'électrochimie continue d'être importante à la fois pour le dépôt de nanoparticules de métaux nobles et l'amélioration de la surface des fibres de carbone, car elle permet le contrôle de la nucléation et la croissance de ces nanoparticules. Enfin, l'augmentation des caractéristiques catalytiques et conductrices, et l'amélioration du transport de masse sont parmi d'autres avantages de l'utilisation de nanoparticules métalliques pour l'électroanalyse.

Le cours de séquence de laboratoire avancé de l'Université américaine (chimie biologique expérimentale I et II CHEM 471/671-472/672) est une combinaison de laboratoires analytiques, physiques et biochimiques. Le premier semestre est un aperçu des techniques de laboratoire. Le deuxième semestre est un projet de recherche dirigé par les étudiants²¹. Pour ces projets, les étudiants ont déjà examiné le mécanisme de la biomolécule, des protéines, du peptide et de la synthèse facilitée par les acides aminés des nanoparticules d'or^22,23. Des travaux plus récents ont porté sur la formation de la production de nanoparticules d'or (AuNP) sur les surfaces d'électrodes et l'évaluation des effets des SNP sur la capacité des CFME à détecter les neurotransmetteurs. Dans le présent travail, le laboratoire a appliqué cette technique pour démontrer que la sensibilité des CFME dans la détection de la dopamine-oxydation est améliorée par l'électrodéposition de l'AuNP sur la surface de la fibre. Chaque CFME nu est caractérisé par le taux de balayage variable, la stabilité et la dopamine-concentration en détectant des courants dopamine-oxydatifs pour mesurer l'oxydation de dopamine sur la surface du CFME. Au^{3 a} ensuite été électroréduit à Au⁰ et simultanément électrodéposé sur la surface de la fibre sous forme de nanoparticules, suivie d'une série d'expériences de caractérisation. Après une comparaison directe, les AuNP-CFMEs se sont avérés posséder une sensibilité plus élevée de la détection de dopamine. Le revêtement uniforme d'AuNP sur la surface de fibre par électrodéposition rend une surface électroactive plus élevée ; ainsi, augmentant l'adsorption de dopamine sur la surface modifiée d'électrode. Ceci a mené aux courants oxydants plus élevés de dopamine. La séparation potentielle des pics d'oxydation et de réduction de dopamine (E_p) des AuNP-CFMEs était également plus petite, suggérant une cinétique plus rapide de transfert d'électrons. Les travaux futurs de cette étude comprennent l'essai in vivo des CFMP nus et d'AuNP pour la détection de la dopamine.

1. Construction de microélectrodes en fibre de carbone

1. Préparation des fibres de carbone
   1. Pour créer des microélectrodes en fibre de carbone, séparez d'abord les fibres de carbone (fibre de carbone, 7 mm de diamètre) une par une à l'aide de mains, de gants et de spatule.
   2. Tirez ou tirez une fibre du fil tordu.
   3. Aspirez une fibre de carbone isolée dans un capillaire en verre (verre capillaire borosilicate à baril unique sans microfilament, diamètre extérieur de 1,2 mm, diamètre intérieur de 0,68 mm).
   4. Créez un porte-électrodes pour les électrodes en coupant un morceau de carton d'environ 10 cm de longueur sur 25 cm de largeur.
2. Tirez les électrodes à l'aide d'une tireuse capillaire verticale.
3. Ouvrez la porte coulissante de la tireuse capillaire verticale.
4. Desserrer et enlever la tige métallique de support, en tournant le perceur-chuck contre-horloge avec assez d'espace pour insérer le capillaire en verre.
5. Insérer le capillaire en verre dans le porte-électrodes. Soulevez manuellement le capillaire en verre vers le haut du capillaire vertical.
6. Resserrer le capillaire en verre avec les forets dans le sens des aiguilles d'une montre sans casser ou briser les capillaires en verre.
7. Ajustez les réglages heater 1, Heater 2 et Magnet au fabricant pour que les niveaux suggérés tirent les capillaires en verre à un fine cône pour les matériaux d'électrode.
8. Appuyez sur le bouton de démarrage rouge pour chauffer la bobine enroulée pour tirer les électrodes par la pression, la gravité et le chauffage.
9. Laissez la bobine enroulée refroidir de son état chaud rouge. Couper la fibre de carbone avec des ciseaux reliant les deux électrodes tirées de haut en bas. Utilisez la méthode de foret-chuck pour enlever le capillaire en verre de la poulie capillaire verticale en tordant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

2. Préparation de microélectrode carbone-fibre

1. Sous un stéréoscope ou un microscope, couper la fibre de carbone en saillie de la surface du capillaire de verre avec des ciseaux chirurgicaux ou une lame de rasoir pointue à environ 100 à 150 m de longueur.
2. Préparer une solution d'époxy en mélangeant 10 g d'époxy avec 0,2 ml de durcisseur dans un flacon de 25 ml à l'aide d'un coton-tige.
3. Trempez seulement la pointe de chaque électrode dans la solution époxy et durcisseur pendant environ 15 s.
4. Trempez le dessus ci-dessus de la microélectrode de fibre de carbone dans l'acétone pendant environ 3 s pour laver tout époxy excédentaire du baril de microélectrode de fibre de carbone.

3. Électrodéposition

1. Placez l'électrode de travail (microélectrode en fibre de carbone) dans la solution de 0,5 mM HAuCl₄ en plus de l'électrode de référence, le chlorure argent-argenté (Ag/AgCl) à l'aide du micromanipulateur.
2. Connectez l'électrode de travail et l'électrode de référence au potentiostat et à la scène.
3. Ouvrez le logiciel UNC HDCV. Modifier les paramètres du logiciel pour appliquer la forme d'onde. Entrez la forme d'onde suivante dans les paramètres de l'ordinateur : scannez de 0,2 V à 1,0 V dans une solution KCl de 0,1 MM contenant 0,5 mM HAuCl₄ à un taux d'analyse de 50 mV/s pendant 10 cycles. Appuyez sur la flèche verte pour appliquer la forme d'onde. Ensuite, appuyez sur le bouton de démarrage pour commencer l'enregistrement des mesures.

4. Microscopie électronique à balayage

REMARQUE : Image nu et nanoparticules d'or modifié microélectrodes de fibre de carbone à l'aide de l'instrument de microscopie électronique à balayage (SEM). Chargez l'échantillon sur du ruban conducteur noir et suivez les instructions décrites par le fabricant.

1. Allumer l'instrument
   1. Tournez la clé de START et relâchez.
   2. Ouvrez le logiciel InTouchScope en cliquant deux fois dessus.
   3. Relâchez la clé. Il devrait atterrir sur le symbole I sur son propre.
   4. Attendez que le bouton EVAC cesse de clignoter.
   5. Une fois que le bouton EVAC cesse de clignoter, appuyez sur le bouton VENT.
   6. Attendez que le bouton VENT cesse de clignoter.
   7. Assurez-vous que la distance de travail (WD) est de 20 mm à 30 mm.
   8. En attendant, préparez l'échantillon.
2. examen
   1. Une fois que le bouton VENT cesse de clignoter, chargez l'échantillon dans l'instrument.
   2. Assurez-vous que la partie courbée du porte-échantillon est pointée vers l'instrument lors du chargement de l'échantillon.
   3. Appuyez sur le bouton EVAC une fois que l'échantillon (s) est chargé.
   4. Ajuster la distance de travail à 10 mm.
   5. Une fois que le bouton EVAC cesse de clignoter, allumez l'ordinateur.
   6. Cliquez sur le logiciel In Touch Scope, situé sur le bureau. Il ya deux logiciels In Touch Scope, cliquez sur celui sans le cercle vert et jaune.
   7. Une fois le logiciel ouvert, cliquez sur OBSERVE (en haut à droite de l'écran), pour allumer le faisceau. Assurez-vous que le bouton EVAC a cessé de clignoter avant de cliquer sur OBSERVE.
   8. Commencez à analyser l'échantillon.
   9. Assurez-vous que les paramètres de tension, de distance de travail (WD) et de courant de sonde (PC) sont acceptables.
   10. Zoom sur (50X) pour un réglage plus élevé et zoom avant pour un réglage inférieur.
   11. Définir la distance de travail à 10 mm.
   12. Avant de prendre une photo de l'échantillon( s), assurez-vous que l'image sera enregistrée dans le dossier de destination souhaité.
   13. Pour choisir le dossier souhaité, cliquez sur les paramètres (en haut à gauche de l'écran).
   14. Exportez les images de l'ordinateur via un lecteur flash.
3. Éteindre
   1. Cliquez sur OBSERVE pour éteindre la poutre.
   2. Appuyez sur le bouton VENT et attendez qu'il cesse de clignoter.
   3. En attendant que le bouton VENT cesse de clignoter, réglez la distance de travail à 20 mm et 30 mm.
   4. Une fois que le bouton VENT cesse de clignoter, déchargez l'échantillon de l'instrument.
   5. Appuyez sur le bouton EVAC et attendez qu'il cesse de clignoter.
   6. Une fois que le bouton EVAC cesse de clignoter, sortez du logiciel et éteignez l'ordinateur.
   7. Tournez la clé du symbole O pour éteindre complètement l'instrument.

5. Test de voltamétrie cyclique à balayage rapide

1. Connectez le microélectrode en fibre de carbone au potentiostat et en tête d'étape avec l'électrode de référence Ag/AgCl.
2. À l'aide du micromanipulateur, abaisser le microélectrode en fibre de carbone dans la cellule d'écoulement bien en ajustant manuellement les boutons de mesure X, Y et Z.
3. Préparer une solution tampon dans l'eau DI (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl₂, 1,25 mM NaH₂PO₄, 1,2 mM MgCl₂, et 2,0 mM Na₂SO₄ avec le pH ajusté à 7,4).
4. Remplissez la cellule d'écoulement d'un tampon salin tamponné par phosphate (PBS) (pH à 7,4).
5. À l'aide d'une seringue tampon remplie de 60 ml, injecter un tampon PBS dans la cellule d'écoulement à environ 1 ml/min.
6. Placez l'électrode dans la cellule d'écoulement et appliquez la forme d'onde en appuyant sur le bouton vert. Observez l'oscilloscope et coupez l'électrode ou ajustez le gain pour éviter la surcharge. Prévoyez environ 10 min d'équilibre entre chaque électrode.
7. Définir la forme d'onde par défaut à la forme d'onde de dopamine. Scanner de 0,4 V à 1,3 V à 10 Hz et 400 V/s.
8. Préparer la solution de stock de 10 mM de dopamine, sérotonine, noradrénaline, et d'autres dans l'acide perchlorique. Diluer les neurochimiques jusqu'à la concentration finale de 1 M dans le tampon en pipetting 1 M de la solution de stock de dopamine dans 10 ml de tampon PBS à l'aide d'une pipette.
9. Pour commencer les mesures, appuyez sur le bouton d'enregistrement. Après 10 s, injectez 0,2 ml de 1 ml de dopamine dans la cellule d'écoulement ou toute autre concentration de neurotransmetteur. Ajuster la concentration, le taux d'analyse, la forme d'onde (potentiel de retenue ou de commutation) en conséquence. Définir le temps d'exécution total pour 30 s.
10. Analysez la course à l'aide du logiciel d'analyse du VHD. Modifier les paramètres au besoin.
11. Une fois l'expérience terminée, nettoyez la cellule d'écoulement en injectant 3 ml d'eau, puis de l'air dans les ports tampons et d'injection de la cellule d'écoulement trois fois chacun.
12. Éteignez la forme d'onde et l'instrument.

Pour la figure 1, nous montrons un schéma où le test FSCV est utilisé pour mesurer la concentration de neurotransmetteurs in vitro. La figure 1 affiche la forme d'onde dopaminergique appliquée. La forme d'onde triangle scanne de -0,4 V à 1,3 V à 400 V/s. Dans la deuxième partie de la figure à gauche, il affiche l'oxydation de la dopamine à la dopamine-ortho-quinone (DOQ), un processus de transfert de deux électrons se produit de la surface de l'analyte à la surface de l'électrode. Enfin, une intrigue actuelle vs temps est superposée avec une parcelle de couleur. L'intrigue actuelle vs temps est une représentation de l'oxydation de la dopamine. Il est plat quand il n'y a pas d'oxydation de dopamine, et il monte verticalement quand la dopamine est oxydée à la dopamine-orthoquinone et réduit vers le bas à la dopamine comme les adsorbes analytes, et par la suite, desorbes de la surface de l'électrode. L'intrigue de couleur est une parcelle en 3 dimensions du courant. Le courant jaune est le courant de fond (proche de zéro), tandis que la parcelle verte est le courant d'oxydation positif (oxydation de dopamine à l'orthoquinone de dopamine), et la parcelle bleue est le courant négatif de réduction (réduction d'orthoquinone de dopamine à la dopamine).

SEM a été utilisé pour imager les caractéristiques de surface des électrodes de carbone nues et modifiées. Dans la figure 2, nous voyons une différence unique dans les caractéristiques de surface entre trois différents types de matériaux d'électrode. Dans la figure 2a, un microélectrode en fibre de carbone nu est montré. La fibre est d'environ 7 m de diamètre avec des crêtes cylindriques le long de l'extérieur. La figure 2b montre des nanoparticules d'or électrodéposées à la surface de la fibre de carbone pendant environ 20 min avec une grande crête d'or pointue dépassant de la surface de la fibre de carbone. La présence d'or a été vérifiée par des mesures EDS/EDX. Nous avons ensuite réduit le temps d'électrodéposition à 5 min où nous avons observé un mince or de revêtement uniforme comme indiqué dans la figure 2c.

Comparaison de la sensibilité et du transfert d'électrons

La figure 3a montre une comparaison de la sensibilité et du transfert d'électrons. Comme le montrent les voltammogrammes cycliques qui se chevauchent, les microélectrodes de fibres de carbone modifiées par l'or ont des courants oxydatifs de pointe significativement plus élevés (Figure 3b) et une cinétique de transfert d'électrons plus rapide (EP). L'importance a été mesurée à l'aide d'un test t non apparié (P - 0,004 et 0,0016, respectivement). Les barres d'erreur sont une erreur standard de la moyenne.

stabilité

Les cfME nus (figure 4a) et les nanoparticules d'or modifiées (Figure 4b) ont été placés dans la cellule d'écoulement pendant 4 h. Des mesures ont été prises pour la détection de 1 m de dopamine toutes les heures sur 4 h. Les deux électrodes ont eu une réponse stable en ce qui concerne la dopamine. Une réponse stable à la dopamine (sans oxydation de l'eau) est d'une importance critique pour effectuer des mesures dans les tissus biologiques. Les barres d'erreur sont une erreur standard de la moyenne.

Taux d'analyse

Le taux d'analyse a été varié de 100 V/s à 1 000 V/s. Les électrodes modifiées Bare (Figure 5a) et la nanoparticule d'or (Figure 5b) ont montré une réponse linéaire en ce qui concerne la détection de la dopamine, ce qui indique le contrôle de l'adsorption à la surface de la nanoparticule nue et dorée modifiée microélectrode. Les barres d'erreur sont une erreur standard de la moyenne.

concentration

La concentration a été variée de 100 nM à 100 m dopamine pour nu (Figure 6a) et nanoparticules d'or modifiées (Figure 6b) microélectrodes de fibre de carbone. La plage linéaire était de 100 nM à 10 M. Après 10 M, nous observons une courbe asymptotique indiquant que la dopamine est sursaturée à la surface de la microélectrode en fibre de carbone. La réponse linéaire pour le courant d'oxydation maximale de la dopamine en ce qui concerne la concentration de dopamine dénote le contrôle d'adsorption à la surface de l'électrode. Les concentrations physiologiquement pertinentes de dopamine dans le cerveau sont dans cette gamme et varient entre les régions du cerveau.

Figure 1. Un schéma d'oxydation de dopamine. Superposition de microélectrode en fibre de carbone oxydant la dopamine. Le transfert de charge est montré de la surface pendant que la dopamine est oxydée à la dopamine-orthoquinone et de nouveau à la dopamine pendant que la forme d'onde de dopamine de triangle est appliquée (-0.4 V à 1.3 V à 400 V/s). Les parcelles actuelles par rapport au temps et aux couleurs sont montrées indiquant l'oxydation de la dopamine (vert) et la réduction de la dopamine (bleu). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2. Images SEM de (a) microélectrode en fibre de carbone nue, b) microélectrodes à fibres de carbone modifiées or-nanoparticules avec un temps de dépôt d'électrode de 20 min, et c) microélectrodes modifiées en oxydes-nanoparticules avec un temps de dépôt d'électrode de 5 min. Cela fournit la preuve de principe des résultats que la taille et l'épaisseur des revêtements de nanoparticules d'or peuvent être contrôlés par le temps d'électrodéposition. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3. Comparaison de sensibilité des électrodes modifiées nues et or-nanoparticules. (A) Superposition de voltammogrammes cycliques de microélectrodes modifiées à la nanoparticule d'or et nu. (B. Graphique à barres dénotant les différences dans le courant oxydatif de pointe des microélectrodes modifiées à la nanoparticule nue et dorée. (C. Graphique à barres montrant la différence dans l'EP entre les microélectrodes modifiées à la nanoparticule d'or et nue. Les barres d'erreur sont une erreur standard de la moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4. Expérience de stabilité. ( A )Lesmicroélectrodes à nanoparticules d'or et (B) ont été placées dans une cellule d'écoulement pour un total d'au moins 4 h. Leur sensibilité à 1 M dopamine a été mesurée sur 4 h. Les deux ont eu une réponse uniforme à la dopamine plus de 4 h. Les barres d'erreur sont l'erreur standard de la moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5. Expérience de taux d'analyse. ( A )Lesmicroélectrodes à nanoparticules d'or nues et (B) ont été placées dans une cellule d'écoulement, et le taux d'analyse a été varié de 100 V/s à 1 000 V/s. Les microélectrodes modifiées à la nanoparticule nue et à l'or ont eu une réponse linéaire en ce qui concerne le taux de balayage, dénotant ainsi le contrôle d'adsorption de la dopamine à la surface du microélectrode de fibre de carbone modifié de nanoparticules nues et d'or. Les barres d'erreur sont une erreur standard de la moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6. Expérience de concentration. ( A )Lesmicroélectrodes à nanoparticules d'or nues et (B) ont été exposées à diverses concentrations de dopamine de 100 nM à 100 m. Les microélectrodes modifiées à la nanoparticule nue et à l'or ont eu une réponse linéaire à l'égard de la dopamine jusqu'à 10 M, ce qui a dénotant le contrôle de l'adsorption à la surface de l'électrode. À des concentrations supérieures à 10 M, nous observons une courbe asymptotique, qui est indicative de la saturation en dopamine à la surface de l'électrode en occupant tous les sites d'adsorption et en résultant en plus de contrôle de diffusion. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Les auteurs n'ont rien à révéler.