Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Guld nanopartikel modificerede carbon fiber Mikroelektroderne til forbedret Neuro kemisk detektion

Published: May 13, 2019 doi: 10.3791/59552
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Department of Chemistry, American University, 2Center for Behavioral Neuroscience, American University

Summary

I denne undersøgelse ændrer vi carbon-fiber mikroelektroderne med guld nanopartikler for at øge følsomheden af neurotransmitter detektering.

Abstract

I over 30 år har carbon-fiber mikroelektroderne (CFMEs) været standarden for neurotransmitter detektering. Generelt, kulstoffibre aspireres i glas kapillærer, trukket til en fin koniske, og derefter forseglet ved hjælp af en epoxy til at skabe elektrode materialer, der anvendes til hurtig scanning cyklisk voltammetri test. Brugen af bare CFMEs har flere begrænsninger, selv om. Først og fremmest indeholder kulfiber for det meste basal plane Carbon, som har et relativt lavt overfladeareal og giver lavere følsomhed end andre nanomaterialer. Desuden er det grafiske kulstof begrænset af dets tidsmæssige opløsning og dets relativt lave ledningsevne. Endelig, Neuro Chemicals og makromolekyler har været kendt for at foul på overfladen af kulstof elektroder, hvor de danner ikke-ledende polymerer, som blokerer yderligere neurotransmitter adsorption. Til denne undersøgelse ændrer vi CFMEs med guld nanopartikler for at forbedre neurokemiske test med hurtig scanning cyklisk voltammetri. AU3 + blev elektro deponeret eller dipcoated fra en kolloid opløsning på overfladen af cfmes. Da guld er et stabilt og relativt inert metal, er det et ideelt elektrode materiale til analytiske målinger af neurokemikalier. Guld nanopartikel modificeret (AuNP-CFMEs) havde en stabilitet til dopamin respons for over 4 h. Desuden udviser AuNP-CFMEs en øget følsomhed (højere peak oxidativ strøm af cyklisk voltammogrammer) og hurtigere elektron overførings kinetik (lavere ΔEP eller peak separation) end bare umodificerede cfmes. Udviklingen af AuNP-CFMEs giver skabelsen af nye elektrokemiske sensorer til påvisning af hurtige ændringer i dopamin koncentration og andre neurokemikalier ved lavere detektionsgrænser. Dette arbejde har store applikationer til forbedring af neurokemiske målinger. Generering af guld nanopartikel modificerede CFMEs vil være af vital betydning for udviklingen af nye elektrode sensorer til påvisning af neurotransmittere in vivo i gnaver og andre modeller til at studere neurokemiske virkninger af stofmisbrug, depression, slagtilfælde, iskæmi, og andre adfærdsmæssige og sygdomstilstande.

Introduction

Carbon-Fiber mikroelektroder (CFMEs)1 er bedst anvendes som biosensorer til at detektere oxidation af flere afgørende neurotransmittere2, herunder dopamin3, noradrenalin4, serotonin5, adenosin6, histamin7, og andre8. Biokompatibilitet og størrelsen af kulstoffibre gør dem optimale til implantation, da der er afbødet vævsskader i forhold til større standard elektroderne. 9 cfmes er kendt for at besidde nyttige elektrokemiske egenskaber og er i stand til at foretage hurtige målinger, når de anvendes med hurtige elektrokemiske teknikker, mest almindeligt hurtig scanning cyklisk voltammetri (fscv)10,11. Fscv er en teknik, der scanner det anvendte potentiale hurtigt og giver et specifikt cyklisk et til specifikke analytter12,13. Den store opladning strøm produceret af hurtig scanning er stabil på kulstoffibre og kan være baggrund-trækkes til at producere specifikke cyklisk voltammogrammer.

På grund af sin optimale elektrokemi og neurobiologisk betydning, dopamin er blevet bredt undersøgt. Den catecholamin dopamin er en væsentlig kemisk budbringer, der spiller en afgørende rolle i kontrollen af bevægelse, hukommelse, kognition, og følelser i nervesystemet. Et overskud eller mangel på dopamin kan forårsage talrige neurologiske og psykologiske interferens; blandt disse er Parkinsons sygdom, skizofreni, og vanedannende adfærd. I dag, Parkinsons sygdom fortsætter med at være en udbredt lidelse på grund af degeneration af hjernen neuroner involveret i dopamin syntese14. Parkinsons sygdom symptomer omfatter tremor, langsommelighed bevægelighed, stivhed, og problemer med at opretholde balancen. På den anden side, stimulanser såsom kokain15 og amfetamin16,17 fremme overløb af dopamin. Stofmisbrug i sidste ende erstatter den regelmæssige strøm af dopamin og betingelser hjernen til at kræve et overskud af dopamin, som i sidste ende fører til vanedannende adfærd.

I de seneste år, har der været en vægt på at forbedre elektrode funktionalitet i neurotransmitter detektion18. Den mest udbredte metode til at øge elektrodens følsomhed er ved belægning af fiber overfladen. Overraskende, der har været begrænset forskning udført på metal nanopartikel elektro deposition på carbon-fibre19. Ædelmetal-nanopartikler såsom guld, kan være elektro deponeret på fiber overfladen med andre funktionelle materialer20. For eksempel, øge det elektro aktive overflade område for neurotransmitter adsorptions at forekomme. Elektro deponerede metal nanopartikler form hurtigt, kan renses, og overholde carbon-fiber. Elektrokemi fortsætter med at være signifikant for både aflejring af ædle metal nanopartikler og overflade forbedring af kulstof-fibre, da det giver mulighed for kontrol af nukleation og vækst af disse nanopartikler. Endelig er de øgede katalytiske og ledende egenskaber og forbedret masse transport blandt andre fordele ved at udnytte metal nanopartikler til elektro analyse.

Det avancerede laboratorie sekvensforløb af American University (eksperimentel biologisk kemi I og II CHEM 471/671-472/672) er en kombination af analytiske, fysiske og biokemiske laboratorier. Det første semester er en oversigt over laboratorieteknikker. Andet semester er et studie orienteret og ledet forskningsprojekt21. For disse projekter, har eleverne tidligere undersøgt mekanismen af biomolekyle, protein, peptid, og aminosyre-lettet syntese af guld nanopartikler22,23. Nyere arbejde har fokuseret på dannelsen af guld nanopartikel (AuNP) produktion på elektrode overflader og evaluering af AuNPs virkninger på evnen af CFMEs til at opdage neurotransmittere. I det nuværende arbejde, laboratoriet har anvendt denne teknik til at påvise, at følsomheden af CFMEs i påvisning af dopamin-oxidation er forbedret gennem elektro aflejring af AuNP på fiber overfladen. Hver bare-CFME er karakteriseret ved varierende scanningshastighed, stabilitet og dopamin-koncentration, når de detekterer dopamin-oxidative strømme til at måle dopamin oxidation på overfladen af CFME. AU3 + blev derefter electroreduced til AU0 og samtidig elektro deponeret på fiber overfladen som nanopartikler, efterfulgt af en række karakterisering eksperimenter. Efter en direkte sammenligning, den AuNP-CFMEs fandtes at besidde højere følsomhed af dopamin opdagelse. Den ensartede belægning af AuNP på fiber overfladen via elektro aflejring gør et højere elektro aktivt overfladeareal; således øge adsorptions af dopamin på den modificerede elektrode overflade. Dette førte til højere dopamin oxidativ strømme. Den potentielle adskillelse af dopaminoxidering og reduktions toppe (∆ Ep) af aunp-cfmes var også mindre, hvilket tyder på hurtigere elektron overførings kinetik. Fremtidige værker af denne undersøgelse omfatter in vivo test af både nøgne-og AuNP-CFMEs til påvisning af dopamin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. opførelse af carbon-fiber mikroelektroderne

  1. Fremstilling af kulfiber
    1. For at oprette carbon-fiber mikroelektroderne, skal du først adskille carbonfibrene (kulfiber, 7 mm i diameter) en efter en ved hjælp af hænder, handsker og spatel.
    2. Træk eller Yank en fiber fra det snoede garn.
    3. Aspirer en isoleret kulfiber i et glas kapillær (enkelt-tønde borosilikat kapillar glas uden mikrofilament, 1,2 mm udvendig diameter, 0,68 mm indvendig diameter).
    4. Opret en elektrodeholder til elektroderne ved at skære et stykke pap, der er ca. 10 cm i længden med 25 cm i bredden.
  2. Træk elektroderne ved hjælp af en lodret kapillær Puller.
  3. Åbn skydedør af den lodrette kapillar Puller.
  4. Løsn og fjern metallisk holder stangen ved at dreje borepatronen mod uret med tilstrækkelig plads til at indsætte glas kapillær.
  5. Sæt glasset kapillær i Elektrodeholderen. Løft glasset kapillar til toppen af den lodrette kapillar manuelt i hånden.
  6. Stram glasset kapillar med bore-Chucks med uret uden at bryde eller Smadring glas kapillærer.
  7. Juster varmelegeme 1, varmer 2, og magnet indstillinger til producenten foreslåede niveauer for at trække glas kapillærer til en fin taper for elektrode materialer.
  8. Tryk på den røde startknap for at opvarme den oprullet spole for at trække elektroderne via tryk, tyngdekraft og opvarmning.
  9. Lad den oprullet spole køle af sin røde varmetilstand. Skær kulfiber med en saks, som forbinder de to trak elektroderne fra top til bund. Brug bore-Chuck-metoden til at fjerne glas kapillær fra den lodrette kapillar aftrækker ved at dreje i retningen mod uret.

2. forberedelse af carbon-fiber mikroelektrode

  1. Under et stereoskop eller mikroskop skæres kulfiber fremspringende fra overfladen af glasset kapillar med kirurgisk saks eller en skarp barberkniv til ca. 100 – 150 μm i længden.
  2. Forbered en opløsning af epoxy ved at blande 10 g epoxy med 0,2 mL hærder i et 25 mL hætteglas ved hjælp af en vatpind.
  3. Dyp kun spidsen af hver elektrode ind i epoxy-og hærde opløsningen i ca. 15 s.
  4. Dyp den førnævnte top af carbon fiber mikroelektroden i acetone for ca. 3 s at vaske væk overskydende epoxy fra cylinderen af carbon fiber mikroelektroden.

3. Elektro aflejring

  1. Arbejds elektroden (kulstoffiber mikroelektrode) placeres i opløsningen 0,5 mM HAuCl4 ud over reference elektroden, sølv-sølvklorid (Ag/AgCl) ved hjælp af micromanipulatoren.
  2. Tilslut arbejds elektroden og reference elektroden til potentiostat og hovedstadiet.
  3. Åbn UNC HDCV-softwaren. Skift indstillingerne på softwaren for at anvende bølgeformen. Indtast følgende bølgeform i computerindstillingerne: Scan fra 0,2 V til − 1,0 V i 0,1 M KCl opløsning, der indeholder 0,5 mM HAuCl4 ved en scanningshastighed på 50 mv/s i 10 cyklusser. Tryk på den grønne pil for at anvende bølgeformen. Tryk derefter på knappen Start for at starte optagelsen af målingerne.

4. scanning af elektronmikroskopi

Bemærk: billede nøgne og guld nanopartikel modificerede carbon fiber mikroelektroderne ved hjælp af scanning elektronmikroskopi instrument (SEM). Læg prøven på sort konduktivt tape, og følg producentens beskrevne vejledning.

  1. Aktivering af instrumentet
    1. Drej på tasten for at starte og slippe.
    2. Åbn InTouchScope-softwaren ved at dobbeltklikke på den.
    3. Slip nøglen. Det skal lande på i -symbolet på egen hånd.
    4. Vent på, at knappen EVAC holder op med at blinke.
    5. Tryk på UDLUFTNINGS knappen, når knappen for evakuerings stop blinker.
    6. Vent, indtil udluftnings knappen holder op med at blinke.
    7. Sørg for, at arbejdsafstanden (WD) er 20 mm – 30 mm.
    8. Forbered prøven (erne), mens du venter.
  2. Scanning
    1. Når UDLUFTNINGS knappen holder op med at blinke, indlæses prøven (erne) i instrumentet.
    2. Sørg for, at den buede del af prøveholderen peger mod instrumentet, når prøven (erne) indlæsses.
    3. Tryk på knappen EVAC, når prøve eksemplerne er indlæst.
    4. Indstil arbejdsafstanden til 10 mm.
    5. Tænd computeren, når knappen for at stoppe med at blinke er stoppet.
    6. Klik på in touch Scope software, placeret på skrivebordet. Der er to i touch Scope software, klik på den ene uden den grønne og gule cirkel.
    7. Når softwaren åbner op, skal du klikke på OBSERVERE (øverst til højre på skærmen), for at tænde for strålen. Sørg for, at knappen EVAC er holdt op med at blinke, før du klikker på Observer.
    8. Begynd at analysere prøven (erne).
    9. Sørg for, at indstillingerne for spænding, arbejdsafstand (WD) og sonde strøm (PC) er acceptable.
    10. Zoome ud (~ 50X) for en højere indstilling og zoome ind for en lavere indstilling.
    11. Indstil arbejdsafstanden til 10 mm.
    12. Før du tager et billede af prøve (r), skal du sørge for, at billedet bliver gemt i den ønskede destinationsmappe.
    13. Hvis du vil vælge den ønskede mappe, skal du klikke på indstillingerne (øverst til venstre på skærmen).
    14. Eksporter billederne fra computeren via et flashdrev.
  3. Slukke
    1. Klik på Observer for at slukke for strålen.
    2. Tryk på udluftnings knappen, og vent på, at den holder op med at blinke.
    3. Mens du venter på, at UDLUFTNINGS knappen holder op med at blinke, skal du justere arbejdsafstanden tilbage til 20 mm – 30 mm.
    4. Når UDLUFTNINGS knappen holder op med at blinke, fjernes prøven (erne) fra instrumentet.
    5. Tryk på knappen EVAC, og vent på, at den holder op med at blinke.
    6. Når evakuerings knappen stopper med at blinke, afsluttes softwaren, og computeren lukkes.
    7. Drej nøglen til O symbolet for helt at slukke for instrumentet.

5. hurtig scanning cyklisk voltammetrisk test

  1. Forbind carbon-fiber mikroelektroden til potentiostat og headstage sammen med Ag/AgCl reference elektroden.
  2. Brug micromanipulatoren til at sænke kulstoffiber mikroelektroden ind i flowcellen ved manuelt at justere X-, Y-og Z-måle knapperne.
  3. Forbered bufferopløsning i DI vand (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl2, 1,25 mm Nah2po4, 1,2 mM Mgcl2og 2,0 mm Na2så4 med ph justeret til 7,4).
  4. Fyld flowcellen med phosphatbufferet saltvand (PBS) buffer (pH = 7,4).
  5. Ved hjælp af en fyldt 60 mL buffer sprøjte indsprøjtes PBS buffer i flowcellen ved ca. 1 mL/min.
  6. Placer elektroden i flowcellen, og Anvend bølgeformen ved at trykke på den grønne knap. Overhold oscilloskop og enten skære elektroden eller justere Gain at forhindre overbelastning. Ca. 10 min. ækvibration mellem hver elektrode kørsel.
  7. Indstil standard bølgeform til dopamin bølgeform. Scan fra – 0,4 V til 1,3 V ved 10 Hz og 400 V/s.
  8. Forbered stamopløsning af 10 mm dopamin, serotonin, noradrenalin, og andre i perklorsyre. Neuro kemikalierne fortyndes til den endelige koncentration på 1 μM i buffer ved Pipettering af 1 μM af dopaminstam opløsningen i 10 mL PBS-buffer ved hjælp af en pipette.
  9. Tryk på knappen Optag for at starte målingerne. Efter 10 s indsprøjtes 0,2 mL af 1 μM dopamin i flowcellen eller enhver anden koncentration af neurotransmitter. Justere koncentrationen, scanningshastigheden, bølgeform (bedrift potentiale eller skifte potentiale) i overensstemmelse hermed. Angiv den samlede kørningstid for 30 s.
  10. Analysér kørslen ved hjælp af HDCV Analysis-softwaren. Rediger parametrene, hvis det er nødvendigt.
  11. Når eksperimentet er færdigt, skal du rengøre flowcellen ved at injicere 3 mL vand og derefter luft ind i buffer-og Indsprøjtnings portene på flowcellen tre gange hver.
  12. Sluk for bølgeformen og instrumentet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For figur 1, viser vi en skematisk hvor FSCV test er udnyttet til at måle koncentrationen af neurotransmittere in vitro. Figur 1 viser den anvendte dopamin-bølgeform. Trekanten bølgeform scanner fra-0,4 V til 1,3 V ved 400 V/s. I den anden del af figuren til venstre, viser det oxidering af dopamin til dopamin-ortho-Quinon (DOQ), en to elektron overførselsproces opstår fra overfladen af analysand til overfladen af elektroden. Endelig er en aktuel vs. time plot overlagt med et farve plot. Den nuværende vs. time plot er en repræsentation af dopamin oxidation. Det er fladt, når der ikke er nogen dopamin oxidation, og det stiger lodret, når dopamin oxideres til dopamin-orthoquinon og reduceres tilbage til dopamin som analysand Adsorber, og efterfølgende, nemt fra overfladen af elektroden. Farven plot er en 3-dimensionel plot af nuværende. Den gule strøm er baggrunds strømmen (tæt på nul), mens den grønne plot er den positive oxidations strøm (dopamin oxidation til dopamin orthoquinon), og den blå plot er den negative reduktion strøm (dopamin orthoquinon reduktion til dopamin).

SEM blev udnyttet til billede overflade funktioner af de nøgne og modificerede Carbon elektroder. I figur 2ser vi en unik forskel i overflade funktioner blandt tre forskellige typer af elektrode materialer. I figur 2avises en bare mikroelektrode af carbonfiber. Fibrene er ca. 7 μm diameter med cylindriske kamme langs yder linjen. Figur 2b viser guld nanopartikler elektro deponeret på overfladen af kulfiber i ca 20 min med stor skarp højderyg af guld fremspringende fra overfladen af kulfiber. Tilstedeværelsen af guld blev yderligere verificeret med EDS/EDX målinger. Vi reducerede derefter elektro aflejrings tiden til 5 minutter, hvor vi observerede en tynd ensartet belægning guld som vist i figur 2c.

Sammenligning af følsomhed og elektron overførsel

Figur 3a viser en sammenligning af følsomhed og elektron overførsel. Som vist med de overlappende cykliske voltammogrammer, guld-modificerede carbon fiber mikroelektroder har betydeligt højere peak oxidativ strømme (figur 3b) og hurtigere elektron Transfer kinetik (ΔEP). Signifikans blev målt med en ikke-parret t-test (henholdsvisP = .004 og. 0016). Fejllinjer er standardfejl af middelværdien.

Stabilitet

Den nøgne (figur 4a) og guld nanopartikel modificeret (figur 4b) cfmes blev anbragt i flowcellen i 4 timer. målinger blev taget til påvisning af 1 μM dopamin hver time over 4 h. Begge elektroder havde en stabil respons med hensyn til dopamin. En stabil respons på dopamin (uden vand oxidation) er afgørende vigtigt for at udføre målinger i biologisk væv. Fejllinjer er standardfejl af middelværdien.

Scanningshastighed

Scanningshastigheden varierede fra 100 V/s til 1.000 V/s. Både nøgne (figur 5a) og guld nanopartikel (figur 5b) modificerede elektroder viste et lineært respons med hensyn til dopamin påvisning, derfor indikerer adsorptions kontrol til overfladen af nøgne og guld nanopartikel modificeret mikroelektrode. Fejllinjer er standardfejl af middelværdien.

Koncentration

Koncentrationen blev varieret fra 100 nM til 100 μM dopamin for nøgne (figur 6a) og guld nanopartikel modificeret (figur 6b) carbon fiber mikroelektroderne. Det lineære område var fra 100 nM til 10 μM. Efter 10 μM observerer vi en asymptotisk kurve, der angiver, at dopamin er overmættet ved en kulstoffiber mikroelektrode. Den lineære respons for den maksimale oxidations strøm af dopamin med hensyn til dopamin koncentration betegner adsorptions kontrol til overfladen af elektroden. De fysiologisk relevante koncentrationer af dopamin i hjernen er inden for dette interval og varierer mellem hjerneregioner.

Figure 1
Figur 1. En skematisk af dopamin oxidation. Overlay af carbon-fiber mikroelektrode oxiderende dopamin. Charge overførsel vises fra overfladen som dopamin oxideres til dopamin-orthoquinon og tilbage til dopamin som trekanten dopamin bølgeform anvendes (-0,4 V til 1,3 V ved 400 V/s). Den nuværende vs. tid og farve plots er vist betegner dopamin oxidation (grøn) og dopamin reduktion (blå). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. SEM billeder af (a) bare carbon fiber mikroelektrode, (b) guld-nanopartikel modificerede carbon fiber mikroelektroder med en 20 min elektrode deposition tid, og (c) guld-nanopartikel modificerede mikroelektroder med en 5-min elektrode deposition tid. Dette giver bevis for princip resultater, at størrelsen og tykkelsen af guld nanopartikel belægninger kan styres af elektro deposition tid. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Følsomhed sammenligning af nøgne og guld-nanopartikel modificerede elektroderne. (A) overlay af cykliske voltammogrammer af nøgne og guld nanopartikel modificerede mikroelektroder. (B). bjælkediagram, som angiver forskelle i Peak oxidativ strøm af nøgne og gyldne nanopartikel modificerede mikroelektroer. (C). bjælkediagram, der viser forskel i ΔEP mellem nøgne og guld nanopartikel modificerede mikroelektroder. Fejllinjer er standardfejl af middelværdien. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Stabilitets eksperiment. (A) nøgne og (B) guld nanopartikel-modificerede mikroelektroder blev anbragt i en flowcelle i alt mindst 4 timer. Deres følsomhed over for 1 μM dopamin blev målt over 4 h. Begge havde en ensartet respons på dopamin over 4 h. fejllinjer er standardfejl af middelværdien. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5. Test af scanningshastigheden. (A) nøgne og (B) guld nanopartikel-modificerede mikroelektroder blev anbragt i en flowcelle, og scanningshastigheden varierede fra 100 v/s til 1.000 v/s. Både nøgne og guld nanopartikel modificerede mikroelektroder havde en lineær respons med hensyn til scanningshastigheden, hvilket betyder adsorptions kontrol af dopamin til overfladen af den nøgne og guld nanopartikel modificeret carbon fiber mikroelektrode. Fejllinjer er standardfejl af middelværdien. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6. Koncentrations eksperiment. (A) nøgne og (B) guld nanopartikel-modificerede mikroelektroder blev udsat for forskellige koncentrationer af dopamin 100 nm – 100 μM. Både nøgne og guld nanopartikel modificerede mikroelektroder havde en lineær respons med hensyn til dopamin op til 10 μM, hvilket betyder, at adsorptions kontrol til overfladen af elektroden. Ved koncentrationer højere end 10 μM observerer vi en asymptotisk kurve, som er tegn på dopaminmætning ved elektrodens overflade ved at besætte alle adsorptions steder og resultere i mere diffusions kontrol. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne undersøgelse viser vi en ny metode til at konstruere guld-nanopartikel modificerede carbon fiber mikroelektroder til påvisning af neurotransmittere som dopamin ved hjælp af hurtig scanning cyklisk voltammetri. Metoden er en effektiv, grøn og relativt billig tilgang til at øge følsomheden af biomolekyle detektion. Tykkelsen af guld deponeret på overfladen af kulfiber kan styres af tidspunktet for elektro aflejring og koncentrationen af guld til stede i elektro aflejrings opløsningen. Guld modificerede carbon-fiber mikroelektroder viste sig at have betydeligt højere elektro aktive overfladearealer end bare elektroderne ud over hurtigere elektron overførings kinetik. De havde også højere følsomhed og lavere detektionsgrænser end bare umodificerede elektrode materialer. Desuden viste elektroderne en stabilitet mod dopamindetektion, når de blev testet i flowcellen i mindst 4 timer. Der var et lineært respons med hensyn til peak oxidativ strøm til dopamindetektion med hensyn til både scanningshastighed og koncentration for de guld modificerede carbon fiber elektroderne, som betegner adsorptions kontrol til elektrodens overflade.

Kritiske trin i protokollen omfatter træk af carbon-fiber mikroelektroder med den lodrette kapillar aftrækker og opnå grænseflade vedhæftning mellem glasset kapillær og kulfiber ved hjælp af epoxy. Desuden er elektro aflejring af guld på overfladen af kulfiber er ganske udfordrende at opretholde en balance mellem at have en tynd ensartet belægning af guld på overfladen af elektroden og over-deponeringen overskydende guld på overfladen af elektrode, hvilket ville hæmme neurotransmitter detektering gennem støj og signal overbelastning. Ændringer og fejlfinding metoden omfatter optimering af metoden for elektro deponering med hensyn til både tid og koncentration. Forskellige kilder til guld (AuCl3, haucl4, og andre guld hydrater) bør udnyttes til at udføre disse eksperimenter. Begrænsninger af metoden omfatter muligheden for den elektro deponerede guld overbelastning signalet af potentiostat på grund af over-deposition. Som metal elektrode materiale kan guld modificerede elektroder potentielt Oxide vand ved scanning til højere potentialer (over 1,45 V), hvilket kan forstyrre analysand signalet.

Metoden er en markant avancement i marken som guld nanopartikel modificerede mikroelektroder betydeligt forbedre neurotransmitter detektion og er ikke blevet grundigt undersøgt for neurotransmitter detektion ved hjælp af FSCV. En anden metode til at øge elektrokemiske signaler til cmfes er gennem modifikation med Carbon Nanorør24,25,26. Dipcoating elektroderne i Carbon Nanorør suspensioner ofte øger signalet. Men støjen er også øget som lag af deponeret Carbon Nanorør er heterogene. Guld nanopartikel deposition er en hurtig, reproducerbar, og effektiv metode til at skabe forbedrede biomolekyle sensorer. Fremtidig metodeudvikling vil omfatte optimering af guld nanopartikel modifikation af carbon-fiber mikroelektroder skabe tynde, ensartede lag af guld over overfladen over kulstoffiber mikroelektroder. Desuden vil undersøgelsen og optimering af påvisning af andre neurochemicals (noradrenalin, serotonin, histamin, adenosin, og andre) også blive udført. Endelig vil disse forbedrede guld modificerede mikroelektroder blive brugt til at udføre in vivo målinger af neurotransmittere i gnaver eller frugtflue modeller. Forbedringen af dopamin påvisning gennem guld nanopartikel modifikation giver mulighed for mange mulige applikationer og undersøgelser i Neuro videnskaber såsom at studere Parkinsons sygdom, stofmisbrug, og andre lidelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi vil gerne takke American University, Fakultets forskningsstøtte tilskuddet, NASA DC Space Grant og NSF-MRI # 1625977.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Bucher, E. S., Wightman, R. M. Electrochemical analysis of neurotransmitters. Annual review of analytical chemistry. 8, 239-261 (2015).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Abdalla, A., et al. In Vivo Ambient Serotonin Measurements at Carbon-Fiber Microelectrodes. Analytical chemistry. 89, 9703-9711 (2017).
  6. Ganesana, M., Venton, B. J. Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury. PloS one. 13, e0196932 (2018).
  7. 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).
  8. Sanford, A. L., et al. Voltammetric detection of hydrogen peroxide at carbon fiber microelectrodes. Analytical chemistry. 82, 5205-5210 (2010).
  9. Heien, M. L., Johnson, M. A., Wightman, R. M. Resolving neurotransmitters detected by fast-scan cyclic voltammetry. Analytical chemistry. 76, 5697-5704 (2004).
  10. Raju, D., et al. Polymer modified carbon fiber-microelectrodes and waveform modifications enhance neurotransmitter metabolite detection. Analytical Methods. 11, 1620-1630 (2019).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Zestos, A. G. Carbon Nanoelectrodes for the Electrochemical Detection of Neurotransmitters. International Journal of Electrochemistry. , (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Zestos, A. G., Kennedy, R. T. Microdialysis Coupled with LC-MS/MS for In Vivo Neurochemical Monitoring. The AAPS Journal. 19, 1284-1293 (2017).
  17. 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).
  18. Zestos, A. G., Venton, B. J. Carbon Nanotube-Based Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection. ECS Transactions. 80, 1497-1509 (2017).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Hart, C., et al. Protein-templated gold nanoparticle synthesis: protein organization, controlled gold sequestration, and unexpected reaction products. Dalton Transactions. 46, 16465-16473 (2017).
  23. 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).
  24. Xiao, N., Venton, B. J. Rapid, sensitive detection of neurotransmitters at microelectrodes modified with self-assembled SWCNT forests. Analytical chemistry. 84, 7816-7822 (2012).
  25. 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).
  26. Yang, C., et al. Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine. Analytical chemistry. 88, 645-652 (2015).

Tags

Kemi hurtig scanning cyklisk voltammetri FSCV carbon-fiber mikroelektrode dopamin neurotransmitter guld nanopartikler
Guld nanopartikel modificerede carbon fiber Mikroelektroderne til forbedret Neuro kemisk detektion
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mohanaraj, S., Wonnenberg, P.,… More

Mohanaraj, S., Wonnenberg, P., Cohen, B., Zhao, H., Hartings, M. R., Zou, S., Fox, D. M., Zestos, A. G. Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection. J. Vis. Exp. (147), e59552, doi:10.3791/59552 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter