Name: 強化された神経化学的検出のための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-13T14:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: 学ぶ金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極の作製法。神経伝達物質検出の感度と時間分解能を向上させ、高い空間分解能で生体内神経化学測定を可能にする再現性のある技術です。

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アメリカン大学、教員研究支援助成金、NASA DCスペースグラント、NSF-MRI#1625977に感謝します。

炭素繊維マイクロ電極の構築
<ol><li>
炭素繊維の調製
	<ol>
<li>炭素繊維マイクロ電極を作成するには、まず手、手袋、へらを使って炭素繊維(炭素繊維、直径7mm)を1つずつ分離します。</li>
		<li>ねじれた糸から繊維を引っ張るか、引っ張ります。</li>
		<li>隔離された炭素繊維をガラスキャピラリー(マイクロフィラメントなしの単一バレルホウケイ酸塩キャピラリーガラス、外径1.2mm、内径0.68mm)に吸引する。</li>
		<li>長さ約10cm、幅25cmの段ボールを切断して電極ホルダーを作成します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>垂直毛細管プーラーを使用して電極を引っ張ります。</li>
	<li>垂直毛細管引きの引き戸を開きます。</li>
	<li>ガラスキャピラリーを挿入するのに十分なスペースでドリルチャックを反時計回りに回転させることによって、金属ホルダーロッドを緩めて取り外します。</li>
	<li>ガラスキャピラリーを電極ホルダーに挿入します。ガラス毛細血管を手作業で垂直毛細血管の上部に手動で上げます。</li>
	<li>ガラス毛細血管を壊したり粉砕したりすることなく、ドリルチャックでガラス毛細血管を時計回りに締めます。</li>
	<li>ヒーター 1、ヒーター 2、および磁石の設定を製造元に調整し、ガラスキャピラリーを電極材料の細かいテーパに引っ張るように提案しました。</li>
	<li>赤いスタートボタンを押してコイルコイルを加熱し、圧力、重力、加熱を介して電極を引っ張ります。</li>
	<li>コイルを赤い熱い状態から冷やします。2つの引っ張った電極を上から下に接続するはさみで炭素繊維を切ります。ドリルチャック法を使用して、反時計回りにねじれ、垂直毛細管プーラーからガラス毛細血管を除去します。</li>
</ol>2. 炭素繊維マイクロ電極製剤
<ol><li>ステレオスコープまたは顕微鏡の下で、外科はさみまたは鋭いかみそり刃でガラス毛細血管の表面から突き出た炭素繊維を約100-150 μmの長さに切断する。</li>
	<li>綿棒を用いて25mLバイアルに10gのエポキシと0.2mLの硬化器を混ぜてエポキシの溶液を調出す。</li>
	<li>各電極の先端だけをエポキシおよび硬化器溶液に約15sの間浸します。</li>
	<li>炭素繊維マイクロ電極の前述の上部をアセトンに約3秒浸し、炭素繊維マイクロ電極のバレルから余分なエポキシを洗い流す。</li>
</ol>3. 電解
<ol><li>作動電極(炭素繊維マイクロ電極)を基準電極に加えて0.5mM HAuCl4の溶液中に入れ、マイクロマニピュレータを用いて塩化銀銀(Ag/AgCl)を用いた。</li>
	<li>作動電極と参照電極をポテンショスタットとヘッドステージに接続します。</li>
	<li>UNC HDCV ソフトウェアを開きます。ソフトウェアの設定を変更して波形を適用します。コンピュータの設定に次の波形を入力します: 0.5 mM HAuCl4を含む 0.1 M KCl ソリューションで 0.2 V から -1.0 V まで、10 サイクルのスキャン レートで 50 mV/s のスキャン速度でスキャンします。緑色の矢印を押して波形を適用します。次に、開始ボタンを押して測定値の記録を開始します。</li>
</ol>4. 走査型電子顕微鏡
注:画像裸と金ナノ粒子は、走査電子顕微鏡装置(SEM)を使用して炭素繊維マイクロ電極を改変しました。サンプルを黒い導電性テープにロードし、製造元の指示に従います。
<ol><li>
楽器の電源を入れ
	<ol>
<li>キーを START およびリリースに切り取します。</li>
		<li>InTouchScope ソフトウェアをダブルクリックして開きます。</li>
		<li>キーを放します。それは単独でIシンボルに着陸する必要があります。</li>
		<li>EVAC ボタンが点滅しなくなるまで待ちます。</li>
		<li>EVACボタンが点滅しなくなったら、VENTボタンを押します。</li>
		<li>VENT ボタンが点滅しなくなるまで待ちます。</li>
		<li>作業距離(WD)が20 mm ~ 30 mm であることを確認します。</li>
		<li>待っている間に、サンプルを準備します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
スキャン
	<ol>
<li>VENTボタンが点滅を停止したら、サンプルを計測器にロードします。</li>
		<li>サンプルをロードする際に、サンプルホルダーの曲面部分が計測器の方を向いていることを確認します。</li>
		<li>サンプルが読み込まれたら、EVAC ボタンを押します。</li>
		<li>作業距離を 10 mm に調整します。</li>
		<li>EVAC ボタンが点滅しなくなったら、コンピュータの電源を入れます。</li>
		<li>デスクトップ上にあるインタッチスコープソフトウェアをクリックします。2つのインタッチスコープソフトウェアがあり、緑と黄色の円のないものをクリックしてください。</li>
		<li>ソフトウェアが開いたら、オブザーブ(画面右上)をクリックしてビームをオンにします。観察をクリックする前に、EVACボタンが点滅しなくなったことを確認します。</li>
		<li>サンプルの分析を開始します。</li>
		<li>電圧、動作距離(WD)、プローブ電流(PC)の設定が許容可能であることを確認します。</li>
		<li>ズームアウト(約50X)を高い設定にし、低い設定で拡大します。</li>
		<li>作業距離を 10 mm に設定します。</li>
		<li>サンプルの写真を撮る前に、画像が目的のコピー先フォルダに保存されていることを確認してください。</li>
		<li>目的のフォルダを選択するには、設定(画面の左上)をクリックします。</li>
		<li>フラッシュ ドライブを使用してコンピュータから画像をエクスポートします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
オフ
	<ol>
<li>ビームをオフにするには、[観察]をクリックします。</li>
		<li>VENT ボタンを押し、点滅が停止するのを待ちます。</li>
		<li>VENT ボタンが点滅するのを待っている間、作業距離を 20 mm - 30 mm に戻します。</li>
		<li>VENT ボタンが点滅しなくなったら、サンプルを計測器からアンロードします。</li>
		<li>EVAC ボタンを押し、点滅が停止するのを待ちます。</li>
		<li>EVAC ボタンが点滅しなくなったら、ソフトウェアから終了し、コンピュータをシャットダウンします。</li>
		<li>O記号のキーをオンにして、楽器を完全にオフにします。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 高速スキャン周期的なボルタンメトリーテスト
<ol><li>炭素繊維マイクロ電極をポテンショスタットとヘッドステージにAg/AgClリファレンス電極と接続します。</li>
	<li>マイクロマニピュレータを使用して、X、Y、Z測定ノブを手動で調整することにより、炭素繊維マイクロ電極をフローセルにしっかりと下げる。</li>
	<li>DI水中(131.5 mM NaCl、3.25 mM KCl、1.2mM CaCl 2、1.25 mM NaH2PO4、1.2mM MgCl2、および2.0 mM Na2SO4)で緩衝液を調べて7.4に調整します。</li>
	<li>フローセルをリン酸緩衝生理食べ物(PBS)バッファーで埋めます(pH = 7.4)。</li>
	<li>充填された60 mLバッファーシリンジを使用して、約1 mL/分でフローセルにPBSバッファを注入します。</li>
	<li>電極をフローセルに入れ、緑色のボタンを押して波形を適用します。オシロスコープを観察し、電極を切断するか、ゲインを調整して過負荷を防ぎます。各電極の実行間の平衡化の約10分を可能にする。</li>
	<li>既定の波形をドーパミン波形に設定します。10 Hz および 400 V/s で 0.4 V から 1.3 V までスキャンします。</li>
	<li>10 mMドーパミン、セロトニン、ノルエピネフリン、および過塩素酸の他のストック溶液を調調します。ピペットを用いてPBSバッファーの10mLにドーパミンストック溶液の1μMをピペッティングすることにより、バッファー中の1μMの最終濃度に神経化学物質を希釈する。</li>
	<li>測定を開始するには、録音ボタンを押します。10 s の後, フローセルまたは神経伝達物質の任意の他の濃度に 1 μM ドーパミンの 0.2 mL を注入します。.それに応じて、濃度、スキャンレート、波形(保持電位またはスイッチング電位)を調整します。合計実行時間を 30 s に設定します。</li>
	<li>HDCV解析ソフトウェアを使用して実行を分析します。必要に応じてパラメータを変更します。</li>
	<li>実験が完了したら、3 mLの水を注入してフローセルをきれいにし、フローセルのバッファーと注入ポートにそれぞれ3回空気を注入します。</li>
	<li>波形と計器をオフにします。</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>
<li>Bucher, E. S., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+analysis+of+neurotransmitters%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+review+of+analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Electrochemical analysis of neurotransmitters.</a> Annual review of analytical chemistry. 8, 239-261 (2015).</li>
<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>
<li>Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+comparison+of+norepinephrine+and+dopamine+release+in+rat+brain+by+simultaneous+measurements+with+fast-scan+cyclic+voltammetry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+neurochemistry%22%5BJournal%5D)">In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry.</a> Journal of neurochemistry. 119, 932-944 (2011).</li>
<li>Abdalla, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Vivo+Ambient+Serotonin+Measurements+at+Carbon-Fiber+Microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">In Vivo Ambient Serotonin Measurements at Carbon-Fiber Microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 89, 9703-9711 (2017).</li>
<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>
<li>Denno, M. E., Privman, E., Borman, R. P., Wolin, D. C., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+histamine+and+carcinine+in+Drosophila+melanogaster+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+chemical+neuroscience%22%5BJournal%5D)">Quantification of histamine and carcinine in Drosophila melanogaster tissues.</a> ACS chemical neuroscience. 7, 407-414 (2016).</li>
<li>Sanford, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltammetric+detection+of+hydrogen+peroxide+at+carbon+fiber+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Voltammetric detection of hydrogen peroxide at carbon fiber microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 82, 5205-5210 (2010).</li>
<li>Heien, M. L., Johnson, M. A., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolving+neurotransmitters+detected+by+fast-scan+cyclic+voltammetry%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Resolving neurotransmitters detected by fast-scan cyclic voltammetry.</a> Analytical chemistry. 76, 5697-5704 (2004).</li>
<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>
<li>Jacobs, C. B., Ivanov, I. N., Nguyen, M. D., Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+temporal+resolution+measurements+of+dopamine+with+carbon+nanotube+yarn+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">High temporal resolution measurements of dopamine with carbon nanotube yarn microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 86, 5721-5727 (2014).</li>
<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>
<li>Kim, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dopamine+neurons+derived+from+embryonic+stem+cells+function+in+an+animal+model+of+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Dopamine neurons derived from embryonic stem cells function in an animal model of Parkinson's disease.</a> Nature. 418, 50(2002).</li>
<li>Zestos, A. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ruboxistaurin+Reduces+Cocaine-Stimulated+Increases+in+Extracellular+Dopamine+by+Modifying+Dopamine-Autoreceptor+Activity%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chemical+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Ruboxistaurin Reduces Cocaine-Stimulated Increases in Extracellular Dopamine by Modifying Dopamine-Autoreceptor Activity.</a> ACS Chemical Neuroscience. 10, 1960-1969 (2019).</li>
<li>Zestos, A. G., Kennedy, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdialysis+Coupled+with+LC-MS%2FMS+for+In+Vivo+Neurochemical+Monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22The+AAPS+Journal%22%5BJournal%5D)">Microdialysis Coupled with LC-MS/MS for In Vivo Neurochemical Monitoring.</a> The AAPS Journal. 19, 1284-1293 (2017).</li>
<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>
<li>Hartings, M. R., Fox, D. M., Miller, A. E., Muratore, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hybrid+integrated+laboratory+and+inquiry-based+research+experience%3A+replacing+traditional+laboratory+instruction+with+a+sustainable+student-led+research+project%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">A hybrid integrated laboratory and inquiry-based research experience: replacing traditional laboratory instruction with a sustainable student-led research project.</a> Journal of Chemical Education. 92, 1016-1023 (2015).</li>
<li>Hart, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein-templated+gold+nanoparticle+synthesis%3A+protein+organization%2C+controlled+gold+sequestration%2C+and+unexpected+reaction+products%5BTitle%5D)+AND+%22Dalton+Transactions%22%5BJournal%5D)">Protein-templated gold nanoparticle synthesis: protein organization, controlled gold sequestration, and unexpected reaction products.</a> Dalton Transactions. 46, 16465-16473 (2017).</li>
<li>Hartings, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Concurrent+zero-dimensional+and+one-dimensional+biomineralization+of+gold+from+a+solution+of+Au3%2B+and+bovine+serum+albumin%5BTitle%5D)+AND+%22Science+and+technology+of+advanced+materials%22%5BJournal%5D)">Concurrent zero-dimensional and one-dimensional biomineralization of gold from a solution of Au3+ and bovine serum albumin.</a> Science and technology of advanced materials. 14, 065004(2013).</li>
<li>Xiao, N., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid%2C+sensitive+detection+of+neurotransmitters+at+microelectrodes+modified+with+self-assembled+SWCNT+forests%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Rapid, sensitive detection of neurotransmitters at microelectrodes modified with self-assembled SWCNT forests.</a> Analytical chemistry. 84, 7816-7822 (2012).</li>
<li>Zestos, A. G., Jacobs, C. B., Trikantzopoulos, E., Ross, A. E., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polyethylenimine+Carbon+Nanotube+Fiber+Electrodes+for+Enhanced+Detection+of+Neurotransmitters%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+chemistry%22%5BJournal%5D)">Polyethylenimine Carbon Nanotube Fiber Electrodes for Enhanced Detection of Neurotransmitters.</a> Analytical chemistry. 86, 8568-8575 (2014).</li>
<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>

著者は何も開示していない。

本研究では,高速スキャン環状ボルタンメトリーを用いてドーパミンなどの神経伝達物質を検出するための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極を構築する新しい方法を示す.この方法は、生体分子検出の感度を高めるための効率的で、緑色で比較的安価なアプローチです。炭素繊維の表面に堆積した金の厚さは、電着の時間と電着溶液中に存在する金の濃度によって制御することができる。金改質炭素繊維マイクロ電極は、電子移動運動性の高速化に加えて、裸電極よりも有意に高い電気活性表面積を有することが示された。また、裸の未改変電極材料よりも高い感度と検出限界を持っていました。さらに、電極は、少なくとも4時間のフローセルで試験した場合、ドーパミン検出に向けた安定性を示した。電極の表面への吸着制御を示す金改変炭素繊維電極のスキャン速度と濃度の両方に関してドーパミン検出のためのピーク酸化電流に対して線形応答があった。
プロトコルの重要なステップは、垂直毛細管プーラーを用いた炭素繊維マイクロ電極の引っ張りおよびエポキシを用いたガラス毛細血管と炭素繊維との間接接着を達成することを含む。さらに、炭素繊維の表面に金の電着は、電極の表面に...

炭素繊維マイクロ電極(CFM)1は、ドーパミン3、ノルエピネフリン4、セロトニン5、アデノシン6を含むいくつかの重要な神経伝達物質2の酸化を検出するためのバイオセンサとして最もよく使用されます。ヒスタミン7、および他の8.炭素繊維の生体適合性と大きさは、より大きな標準的な電極と比較して組織の損傷を軽減するため、移植に最適です。9 CMFは有用な電気化学的特性を有することが知られており、高速電気化学的技術、最も一般的に高速スキャン環状ボルタンメトリー(FSCV)10、11で使用すると迅速な測定を行うことができる。FSCVは、適用電位を迅速にスキャンし、特定の分析物12、13に対して特定の環状ボルタングラムを提供する技術である。高速スキャンによって生成される大きな充電電流は、炭素繊維上で安定しており、特定の環状ボルタングラムを生成するためにバックグラウンドを減算することができます。
その最適な電気化学と神経生物学的重要性のため, ドーパミンは広く研究されています。.カテコールアミンドーパミンは、神経系内の動き、記憶、認知、感情の制御に重要な役割を果たす必須の化学メッセンジャーです。ドーパミンの余剰または欠乏は、多数の神経学的および心理的干渉を引き起こす可能性があります。;これらの中には、パーキンソン病、統合失調症、および中毒性の行動があります。今日、パーキンソン病はドーパミン合成に関与する中脳ニューロンの変性による流行性障害であり続けている14.パーキンソン病の症状には、振戦、運動の遅さ、こわばり、バランス維持の問題が含まれます。一方、コカイン15やアンフェタミン16、17などの覚醒剤はドーパミンのオーバーフローを促進する。薬物乱用は、最終的にドーパミンの定期的な流れを置き換え、最終的に中毒性の行動につながるドーパミンの余剰を必要とする脳の条件。
近年、神経伝達物質検出18において電極機能の向上に重点が置かれている。電極感度を高める最も広く普及した方法は、繊維表面をコーティングすることによってある。驚くべきことに、炭素繊維19上の金属ナノ粒子電着に関する研究は限られている。金等の貴金属ナノ粒子は、他の機能性材料20を用いて繊維表面にエレクトロポジットしてもよい。例えば、神経伝達物質吸着が起こる電気活性表面積を増加させる。エレクトロデポジット金属ナノ粒子は、急速に形成され、精製することができ、炭素繊維に付着する。これらのナノ粒子の核生成と成長の制御を可能にするため、貴金属ナノ粒子の堆積と炭素繊維の表面増強の両方に電気化学は重要であり続けます。最後に、触媒および導電性特性の増加、および質量輸送の改善は、金属ナノ粒子を電気分析に利用する他の利点の一つである。
アメリカン大学の高度な実験室シーケンスコース(実験生物化学IおよびII CHEM 471/671-472/672)は、分析、物理、生化学の研究室の組み合わせです。前期は、研究室の技術の概要です。2学期は学生主導で主導的な研究プロジェクト21です。これらのプロジェクトについて、学生は以前に生体分子、タンパク質、ペプチド、および金ナノ粒子22、23のアミノ酸促進合成のメカニズムを調べた。最近の研究では、電極表面における金ナノ粒子(AuNP)産生の形成と、CFCが神経伝達物質を検出する能力に対するAuNP効果の評価に焦点を当てています。本研究では、この技術を応用して、ドーパミン酸化を検出するCFMの感度が繊維表面上へのAuNPの電着を通じて高められることを実証した。各裸CFMEは、CFMEの表面にドーパミン酸化を測定するためにドーパミン酸化電流を検出する際に、様々なスキャン速度、安定性およびドーパミン濃度によって特徴付けられます。その後、Au3+をAu0に還元し、同時にナノ粒子として繊維表面にエレクトロデポジットし、続いて一連の特性解析実験を行った。直接比較の後, AuNP-CMS はドーパミン検出の高い感度を持っていることがわかりました。.電着を介して繊維表面にAuNPの均一なコーティングは、より高い電気活性表面積をレンダリングします。したがって、ドーパミンの吸着を修飾電極表面に増加させる。これは、より高いドーパミン酸化電流につながった.AuNP-CMEsのドーパミン酸化および還元ピーク(+Ep)の潜在的な分離も小さくなり、より速い電子伝達動態を示唆した。この研究の将来の研究は、ドーパミンの検出のための裸とAuNP-CMの両方の生体内試験が含まれています.

<table><tbody><tr><td>ドーパミン塩酸塩</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>H8502-5G</td><td></td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>P5493-1L</td><td></td></tr><tr><td>パイン ウェーブニューロ ポテンショスタット</td><td>パインインスツルメンツ</td><td>NEC-WN-BASIC</td><td>この注文は、ヘッドステージ、アダプター、コード、その他の電子機器</td></tr><tr><td>パインフローセルとマイクロマニピュレーター</td><td>パインインスツルメンツ</td>など、他のすべてのアクセサリーと一緒に大量に提供されます<td>NEC-FLOW-1</td><td>こちらもマイクロマニピュレータ、フローセル、ノブ、チューブ、コネクタなどを含む一括注文です。</td></tr><tr><td>ガラス毛管</td><td>AMシステム</td><td>602500</td><td></td></tr><tr><td>T-650カーボン繊維</td><td>GoodfellowC</td><td>005711</td><td></td></tr><tr><td>エポン828エポキシ</td><td>ミラースティーブンソン</td><td>EPON 828 TDS</td><td></td></tr><tr><td>ジエザリントリアミン</td>シ<td>グマAldrich</td><td>D93856-5ML</td><td></td></tr><tr><td>塩化物金(III)</td>シ<td>グマAldrich</td><td>254169</td><td>HAuCl4またはAuCl3</td></tr><tr><td>pHメートル</td>として来て<td>フィ</td><td>ッシャーS90528</td><td></td></tr><tr><td>ファラデーケージ</td><td>AMETEK TMC</td><td>81-334-03</td><td></td></tr><tr><td>シリンジポンプ</td><td>新時代ポンプ</td><td>NE-1000</td><td></td></tr>エ<tr><td>ッペンドルフピペットとチップ</td><td>エッペンドルフ</td><td>2231000222</td><td>これはまた、複数のピペットとチップを含む大量注文です</td></tr><tr><td>10 -1,000mLビーカー</td><td>VWR</td><td>10536-390</td><td></td></tr><tr><td>カーボンファイバー</td><td>Goodfellow</td><td>C 005711</td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>JEOL</td><td>JSM-IT100</td><td></td></tr></tbody></table>

強化された神経化学的検出のための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極

Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection

30年以上にわたり、炭素繊維マイクロ電極(CFM)は神経伝達物質検出の標準となっています。一般的に、炭素繊維はガラス毛細血管に吸引され、細かいテーパに引っ張られ、エポキシを使用して密封され、高速スキャン環状ボルタンメトリー試験に使用される電極材料を作成します。ただし、ベア CFCM の使用にはいくつかの制限があります。まず第一に、炭素繊維は、比較的低い表面積を有し、他のナノ材料よりも低い感性を得る主に基底平面炭素を含有する。さらに、グラファイトカーボンは、その時間分解能、および比較的低い導電性によって制限されます。最後に、神経化学物質と高分子は、それらがさらなる神経伝達物質の吸着をブロックする非導電性ポリマーを形成する炭素電極の表面で汚れすることが知られています。本研究では、金ナノ粒子を用いてCMEを改変し、高速スキャン環状ボルタンメトリーによる神経化学的試験を強化する。Au3+をCMFの表面にコロイド溶液から電気堆積または浸漬した。金は安定で比較的不活性な金属であるため、神経化学物質の分析測定に理想的な電極材料です。金ナノ粒子修飾(AuNP-CMEs)は、4時間以上にわたってドーパミン応答に対する安定性を持っていた。さらに、AuNP-CCMは、裸の未改変CFMよりも高い感度(環状ボルタングラムの高いピーク酸化電流)と高速電子伝達動態(低ΔEPまたはピーク分離)を示します。AuNP-CMFの開発は、ドーパミン濃度および他の神経化学物質の急速な変化を検出の下限で検出するための新しい電気化学センサーの作成を提供します。この仕事は神経化学的測定の増強のための広大な適用を有する。薬物乱用、うつ病、脳卒中、虚血の神経化学的影響を研究するために、げっ歯類やその他のモデルの生体内の神経伝達物質を検出する新しい電極センサの開発には、金ナノ粒子修飾CFMの生成が非常に重要です。および他の行動や病気の状態。

図1では、FSCV試験を用いてインビトロ中の神経伝達物質の濃度を測定する回路図を示す。図1は、適用されたドーパミン波形を表示する。三角形の波形は、400 V/s で -0.4 V から 1.3 V までスキャンします。図の左の2番目の部分では、ドーパミンオルソキノン(DOQ)へのドーパミンの酸化を表示し、電極の表面に分析体の表面から2つの電子伝達プロセスが起こる。最後に、現在の時間プロットと時間プロットがカラープロットでオーバーレイされます。現在の時間プロットと時間プロットは、ドーパミン酸化の表現です。ドーパミン酸化がない場合は平坦であり、ドーパミンがドーパミンオルソキノンに酸化され、分析剤の吸着物としてドーパミンに還元され、その後、電極の表面からdesorbsが低下すると、垂直に上昇します。カラープロットは電流の3次元プロットです。黄色の電流は背景電流(ゼロに近い)であり、緑色のプロットは正の酸化電流(ドーパミンオルソキノンへのドーパミン酸化)であり、...

本研究では、炭素繊維マイクロ電極を金ナノ粒子で改変し、神経伝達物質検出の感度を高める。

For over 30 years, carbon-fiber microelectrodes (CFMEs) have been the standard for neurotransmitter detection. Generally, carbon fibers are aspirated into ...

この方法は、神経化学的検出のインビボ法を潜在的に強化することができる高い空間および時間的分解能で神経化学的検出を可能にするため、有意である。この技術の主な利点は、それは、神経伝達物質検出の感度と時間的解像度を高めるために迅速で簡単かつ再現可能な方法です。この手順のデモンストレーションは、サヌジャ・モハナラジとポーリーン・ウィネンバーグ(私の研究室の大学院生)です。まず、炭素繊維材料を個々のストランドに分離し、単一の7マイクロメートル直径の炭素繊維をストランドから引き出します。真空ラインをホウケイ酸ガラスキャピラリーに接続し、炭素繊維をキャピラリーに吸引します。その後、10センチメートルを25センチメートルの段ボールで切断し、電極ホルダーとして機能します。サポートとして段ボールの周りにペーパータオルをテープで貼り付け、キャピラリーを電極ホルダーに挿入し、垂直キャピラリープーラーで慎重に固定します。ガラスのキャピラリーを電極材料用の細かいテーパーに引っ張って起動するようにキャピラリープーラーを構成します。引っ張りが終了し、加熱コイルが冷却されたら、チューブプル電極を接続する炭素繊維を切断します。細管の引き手から微小電極を慎重に取り外します。ステレオスコープまたは顕微鏡によって導かれ、鋭い刃または外科用はさみを使用して、各電極の突出した炭素繊維を約100〜150マイクロメートルの長さにトリミングする。次に、25ミリリットルのバイアルで、綿棒を使用して10グラムのエポキシと0.2ミリリットルの硬化剤を混合する。アセトンで別のバイアルを充填します。各電極について、炭素繊維チップをエポキシに15秒間浸し、アセトンに3秒間浸して余分なエポキシを取り除きます。エポキシ化後、エポキシ電極を125°Cで3時間オーブンで硬化させる。次に、マイクロマニピュレーターを使用して、0.1モルの塩化カリウム中のクロロアウリン酸の0.5ミリモル溶液に銀銀塩化物参照電極に炭素繊維微電極を配置します。電極を、働く電極として炭素繊維マイクロ電極を使用してポテンショスタットに接続します。電極堆積を行うために、10サイクル/秒あたり50ミリボルトで0.2ボルトからマイナス1ボルトまで電極をスキャンします。金のコーティングを堆積するためのパラメータを最適化することが重要です。コーティングが多すぎるとノイズや信号の過負荷が発生し、コーティングが少なすぎると神経化学的検出が強化されません。試験の前に、過塩素酸中のドーパミンの10ミリモルストック溶液と脱イオン水中のpH 7.4 PBSベースの緩衝液の約1リットルを調製する。1マイクロモルドーパミン溶液を作るために10ミリリットルのバッファーにドーパミンストック溶液のピペット1マイクロリットル。次に、炭素繊維マイクロ電極と塩化銀銀参照電極をポテンショスタットに接続します。フローセル装置のヘッドステージで炭素繊維電極と参照電極を固定し、マイクロマニピュレータを使用してフローセルに下げます。60ミリリットルのPBSバッファーを注射器に引き込みます。フローセルにバッファを充填し、シリンジポンプにシリンジを取り付けます。毎分1ミリリットルの速度でフローセルを通してバッファを流し始めます。次に、ポテンショスタットを10ヘルツでマイナス0.4ボルトから1.3ボルト、毎秒400ボルトでスキャンするように設定します。マイクロ電極に波形を短時間適用し、オシロスコープを観察し、過負荷を防ぐためにゲインを調整します。マイクロ電極を緩衝液中で10分間平衡させます。次に、希釈したドーパミン溶液をシリンジに引き込み、フローセルの注入口に接続します。ポテンショスタットの合計実行時間を 30 秒に設定します。測定の記録を開始し、10秒待ってから、0.2ミリリットルのドーパミン溶液をフローセルに注入します。実行が終了したら、高精細サイクリック・ボルタンメトリー解析ソフトウェアを使用してデータを処理します。マイクロ電極を10分間再平衡化してから、別の試験を行います。テストが終了したら、3ミリリットルの水と3ミリリットルの空気をバッファーと注入ポートに3回注入してフローセルを洗浄します。被覆炭素繊維を走査型電子顕微鏡で画像化した。金ナノ粒子コーティングの厚さおよび粒子サイズは、電極堆積時間によって制御することができる。20分間の電極堆積は鋭い隆起を伴う厚い金のコーティングを生み出し、5分は薄い均一な金のコーティングを生み出した。炭素繊維マイクロ電極を被覆した金ナノ粒子は、未改変電極よりもピーク酸化電流が著しく高く、電子移動速度が速い。この金ナノ粒子コーティングは、ドーパミンの溶液中でここで示されるように、電極応答の安定性に有意な影響を及ぼさなかった。裸と金のナノ粒子コーティングされた電極の両方が、金被覆電極の変化の大きさがはるかに大きいスキャン速度の変化に直線的に反応した。これは、ドーパミン吸収がスキャン速度を介して制御できることを示した.裸と金のナノ粒子コーティング電極の両方が100ナノモルから10マイクロモルのドーパミン濃度の間で直線的に反応した。より高い濃度で漸近曲線が観察された、ドーパミンが電極表面で過飽和であることを示す。より速い時間スケールで、より高い感受性で神経化学的変化を検出する能力は、神経科学の複雑な質問に答えるのに役立ちます。この方法は、分析化学、メタボロミクス、および環境科学にも使用されています。学ぶことは簡単ですが、微小電極の作成、修正、テストを行う上で、視覚的な実証は重要です。この方法の今後の方向性は、特定の神経伝達物質の検出を最適化するために厚さ、サイズ、形状、および形態を考慮して金および他のコーティングの堆積を調整することを含む。研究者は、この技術を試す前に顕微鏡の下で小さな繊維を扱う練習をする必要があります。また, 神経伝達物質のストック溶液は、彼らが使用するので、ヒュームフードで準備する必要があります 1 モル過塩素酸.

gold-nanoparticle-modified-carbon-fiber-microelectrodes-for-enhanced

Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

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腸炎ビブリオを検出するポリ酸安定、金ナノ粒子修飾、スクリーン印刷された炭素電極を構成する電気化学的 DNA...

食品由来病原体を検出する電気化学的 DNA のバイオ センサーの開発

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インビボニューラル記録のためのTi3C2 MXene微小電極アレイの作製

慢性および急性イン ビボ 記録用炭素繊維微小電極アレイの構築と実装

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非酵素的アンペロメトリックグルコース検出のためのNiOナノフラワー

学ぶ金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極の作製法。神経伝達物質検出の感度と時間分解能を向上させ、高い空間分解能で生体内神経化学測定を可能にする再現性のある技術です。

強化された神経化学的検出のための金ナノ粒子修飾炭素繊維マイクロ電極

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