Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Gouden nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden voor verbeterde neurochemische detectie

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

In deze studie, we wijzigen koolstofvezel micro-elektroden met gouden nanodeeltjes om de gevoeligheid van neurotransmitter detectie te verbeteren.

Abstract

Al meer dan 30 jaar, koolstofvezel micro elektroden (CFMEs) zijn de standaard voor neurotransmitter detectie. In het algemeen, koolstofvezels worden aanzuiging in glazen capillairen, getrokken naar een fijne taper, en vervolgens verzegeld met behulp van een epoxy te maken van elektrode materialen die worden gebruikt voor snelle scan cyclische voltammetrie testen. Het gebruik van kale CFMEs heeft echter verschillende beperkingen. Eerst en vooral, de koolstofvezel bevat voornamelijk basale vliegtuig koolstof, die een relatief lage oppervlakte en levert lagere gevoeligheden dan andere nanomaterialen. Bovendien wordt de graphitische koolstof beperkt door zijn temporele resolutie en zijn relatief lage geleiding. Ten slotte, neurotransmitters en macromoleculen zijn gekend om te overtreding op het oppervlak van koolstof elektroden waar zij vormen niet-geleidende polymeren die verdere neurotransmitter adsorptie blokkeren. Voor deze studie, we wijzigen CFMEs met gouden nanodeeltjes ter verbetering van neurochemical testen met snelle scan cyclische voltammetrie. Au3 + werd galvaniseerd of met een dipcoating van een colloïdale oplossing op het oppervlak van cfmes. Omdat goud een stabiel en relatief inert metaal is, is het een ideaal elektrode materiaal voor analytische metingen van neurotransmitters. Goud nano artikel gemodificeerd (AuNP-CFMEs) had een stabiliteit aan dopamine reactie voor meer dan 4 h. Bovendien vertonen AuNP-CFMEs een verhoogde gevoeligheid (hogere piek oxidatieve stroom van de cyclische voltammogrammen) en snellere elektron Transfer kinetiek (lagere ΔEP of piek scheiding) dan kale ongewijzigde cfmes. De ontwikkeling van AuNP-CFMEs biedt de creatie van nieuwe elektrochemische sensoren voor het opsporen van snelle veranderingen in dopamine concentratie en andere neurotransmitters bij lagere grenzen van de detectie. Dit werk heeft enorme toepassingen voor de verbetering van neurochemical metingen. Het genereren van goud nanodeeltjes gemodificeerde CFMEs zal van vitaal belang zijn voor de ontwikkeling van nieuwe elektrode sensoren om neurotransmitters in vivo te detecteren in knaagdieren en andere modellen om neurochemische effecten van drugsmisbruik te bestuderen, depressie, beroerte, ischemie, en andere gedrags-en ziektetoestanden.

Introduction

Koolstofvezel micro elektroden (CFMEs)1 worden het best gebruikt als biosensoren voor het detecteren van de oxidatie van verschillende cruciale neurotransmitters2, met inbegrip van dopamine3, noradrenaline4, serotonine5, adenosine6, histamine7, en anderen8. De biocompatibiliteit en de grootte van koolstofvezels maken ze optimaal voor implantatie omdat er verminderde weefselbeschadiging is in vergelijking met grotere standaard elektroden. 9 cfmes bezitten nuttige elektrochemische eigenschappen en zijn in staat snelle metingen te verrichten bij gebruik in combinatie met snelle elektrochemische technieken, meestal Fast-scan cyclisch voltammetrie (fscv)10,11. Fscv is een techniek die het toegepaste potentieel snel scant en voorziet in een specifiek cyclisch voltammogram voor specifieke analyten12,13. De grote laadstroom die wordt geproduceerd door snel scannen is stabiel op koolstofvezels en kan achtergrond-worden afgetrokken om specifieke cyclische voltammogrammen te produceren.

Vanwege de optimale elektrochemie en neurobiologisch belang, dopamine is wijd bestudeerd. De Catecholamine dopamine is een essentiële chemische boodschapper die een cruciale rol in de controle van de beweging speelt, geheugen, cognitie, en emotie binnen het zenuwstelsel. Een overschot of een tekort aan dopamine kan leiden tot talrijke neurologische en psychologische interferentie; onder deze zijn de ziekte van Parkinson, schizofrenie, en verslavend gedrag. Vandaag, de ziekte van Parkinson blijft een heersende stoornis als gevolg van de degeneratie van de zenuwcellen die betrokken zijn bij dopamine synthese14. Symptomen van de ziekte van Parkinson omvatten tremor, traagheid van beweging, stijfheid, en problemen bij het handhaven van evenwicht. Aan de andere kant, stimulerende middelen zoals cocaïne15 en amfetamine16,17 bevorderen de overloop van dopamine. Drugsmisbruik vervangt uiteindelijk de regelmatige stroom van dopamine en voorwaarden de hersenen te vereisen een overschot van dopamine, die uiteindelijk leidt tot verslavend gedrag.

In de afgelopen jaren, is er een nadruk op het verbeteren van elektrode functionaliteit in neurotransmitter detectie18. De meest voorkomende methode van het verbeteren van de elektrode gevoeligheid is door coating van het vezel oppervlak. Verrassend genoeg is er beperkt onderzoek gedaan naar metaal nanodeeltjes elektro depositie op carbon-vezels19. Edele metalen-nanodeeltjes zoals goud, kunnen op het vezel oppervlak worden geelektro met andere functionele materialen20. Bijvoorbeeld, het verhogen van de elektroactieve oppervlakte voor neurotransmitter adsorptie optreden. Electrogestorte metalen nanodeeltjes vormen snel, kunnen worden gezuiverd en voldoen aan de koolstofvezel. Elektrochemie blijft significant voor zowel de afzetting van edele metalen nanodeeltjes en oppervlakte verbetering van koolstofvezels, omdat het de controle van nucleatie en groei van deze nanodeeltjes mogelijk maakt. Tot slot, de verhoogde katalytische en geleidende eigenschappen, en verbeterde massatransport behoren tot de andere voordelen van het gebruik van metalen nanodeeltjes voor elektro analyse.

De geavanceerde laboratorium sequentie cursus van de Amerikaanse Universiteit (experimentele biologische chemie I en II CHEM 471/671-472/672) is een combinatie van analytische, fysische en biochemie laboratoria. Het eerste semester is een overzicht van laboratoriumtechnieken. Het tweede semester is een student-gedreven en geleid onderzoeksproject21. Voor deze projecten hebben de studenten eerder gekeken naar het mechanisme van biomolecule, proteïne, peptide en aminozuur-gefaciliteerde synthese van goud nanodeeltjes22,23. Meer recent werk is gericht op de vorming van goud nano artikel (AuNP) productie op elektrode oppervlakken en de evaluatie van tantes effecten op het vermogen van CFMEs om neurotransmitters te detecteren. In het huidige werk heeft het laboratorium deze techniek toegepast om aan te tonen dat de gevoeligheid van CFMEs bij het opsporen van de dopamine-oxidatie wordt versterkt door de elektroafzetting van AuNP op het vezel oppervlak. Elke kale-CFME wordt gekenmerkt door wisselende scan-rate, stabiliteit en dopamine-concentratie bij het opsporen van dopamine-oxidatieve stromingen te meten van dopamine oxidatie op het oppervlak van de CFME. Au3 + werd vervolgens electroreduced naar au0 en gelijktijdig galvaniseren op het vezel oppervlak als nanodeeltjes, gevolgd door een reeks van karakterisering experimenten. Na een directe vergelijking, de AuNP-CFMEs bleken te bezitten van een hogere gevoeligheid van dopamine detectie. De uniforme coating van Tanp op het vezel oppervlak via elektro afzetting maakt een hoger elektroactief oppervlak; Dus, verhoging van de adsorptie van dopamine op het gemodificeerde elektrode oppervlak. Dit leidde tot hogere dopamine oxidatieve stromen. De potentiële scheiding van de dopamine oxidatie-en reductie pieken (∆ Ep) van AUNP-cfmes was ook kleiner, wat suggereert dat het een snellere elektron Transfer kinetiek zou zijn. Toekomstige werken van deze studie omvat de in vivo testen van zowel de kale-als de AuNP-CFMEs voor de opsporing van dopamine.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. constructie van koolstofvezel micro elektroden

  1. Bereiding van koolstofvezels
    1. Voor het maken van koolstofvezel micro elektroden, eerst scheiden de koolstofvezels (koolstofvezel, 7 mm in diameter) één voor één met behulp van handen, handschoenen, en spatel.
    2. Trek of haal één vezel uit het gedraaide garen.
    3. Aspireren van een geïsoleerde koolstofvezel in een glazen capillaire (single-vat borosilicaat capillair glas zonder micro filament, 1,2 mm buitendiameter, 0,68 mm binnendiameter).
    4. Maak een elektrodehouder voor de elektroden door een stuk karton te snijden dat ongeveer 10 cm lang is, met een breedte van 25 cm.
  2. Trek de elektroden met behulp van een verticale capillaire puller.
  3. Open de schuifdeur van de verticale capillaire puller.
  4. Draai de metalen houder stang los en verwijder deze door de boorkop tegen de klok in te draaien met voldoende ruimte om het glas capillair in te voegen.
  5. Plaats het Glazen capillair in de elektrodehouder. Til het glas capillair met de hand handmatig naar de bovenkant van het verticale capillair.
  6. Draai de glazen capillaire met de wijzers van de klok mee rechtsom zonder de glazen capillairen te breken of te verbrijzelen.
  7. Stel de verwarming 1, kachel 2, en magneet instellingen aan de fabrikant voorgesteld niveaus te trekken glazen capillairen naar een fijne taper voor elektrode materialen.
  8. Druk op de rode startknop om de spiraalvormige spoel te verwarmen om de elektroden te trekken via druk, zwaartekracht en verwarming.
  9. Laat de spiraal spoel afkoelen van zijn rode hete staat. Snijd de koolstofvezel met een schaar die de twee getrokken elektroden van boven naar beneden verbindt. Gebruik de boor-Chuck methode om het glas capillair uit de verticale capillaire trekker te verwijderen door de linksom richting te draaien.

2. voorbereiding van koolstofvezel-micro elektroden

  1. Snijd onder een stereoscoop of Microscoop de koolstofvezel uit het oppervlak van het Glazen capillair met een chirurgische schaar of een scherp scheermesje tot ongeveer 100 – 150 μm lang.
  2. Bereid een oplossing van epoxy door 10 g epoxy te mengen met 0,2 mL verharder in een 25 mL injectieflacon met een wattenstaafje.
  3. Dompel slechts de punt van elke elektrode in de epoxy-en verharder oplossing voor ongeveer 15 s.
  4. Dompel de bovengenoemde top van de koolstofvezel-micro-elektrode in aceton voor ongeveer 3 sec. om overtollige epoxy uit het vat van de koolstofvezel-micro-elektrode weg te spoelen.

3. elektro depositie

  1. Plaats de werkende elektrode (koolstofvezel micro-elektrode) in de oplossing van 0,5 mM HAuCl4 naast de referentie-elektrode, zilver-zilverchloride (Ag/AgCl) met behulp van de micro manipulator.
  2. Verbind de werkende elektrode en de referentie-elektrode met de potentiostaat en het hoofdpodium.
  3. Open de UNC HDCV-software. Wijzig de instellingen op de software om de golfvorm toe te passen. Voer de volgende golfvorm in de computerinstellingen in: scan van 0,2 V naar − 1,0 V in 0,1 M KCl oplossing met 0,5 mM HAuCl4 met een scansnelheid van 50 mV/s gedurende 10 cycli. Druk op de groene pijl om de golfvorm toe te passen. Druk vervolgens op de startknop om de opname van de metingen te starten.

4. scannen van elektronenmicroscopie

Opmerking: afbeelding kale en goud nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden met behulp van scanning elektronenmicroscopie instrument (SEM). Laad het monster op zwarte geleidende tape en volg de instructies van de fabrikant.

  1. Het apparaat inschakelen
    1. Draai de toets om te starten en los te laten.
    2. Open de InTouchScope-software door erop te dubbelklikken.
    3. Laat de toets los. Het moet op zijn eentje op het I -symbool landen.
    4. Wacht tot de EVAC-knop stopt met knipperen.
    5. Zodra de EVAC-knop stopt met knipperen, drukt u op de VENT-knop.
    6. Wacht tot de VENT-knop stopt met knipperen.
    7. Zorg ervoor dat de werkafstand (WD) 20 mm – 30 mm bedraagt.
    8. Bereid het monster (s) tijdens het wachten.
  2. Scannen
    1. Wanneer de VENT-knop stopt met knipperen, laadt u de monsters in het apparaat.
    2. Zorg ervoor dat het gebogen deel van de monsterhouder naar het instrument wordt gericht bij het laden van monster (s).
    3. Druk op de EVAC-knop zodra de steekproef (en) is geladen.
    4. Stel de werkafstand in op 10 mm.
    5. Zodra de EVAC-knop stopt met knipperen, zet u de computer aan.
    6. Klik op de in touch Scope-software, die zich op het bureaublad bevindt. Er zijn twee in touch Scope-software, klik op de ene zonder de groene en gele cirkel.
    7. Zodra de software wordt geopend, klikt u op OBSERVEREN (rechtsboven in het scherm), om de balk aan te zetten. Zorg ervoor dat de EVAC-knop is gestopt met knipperen voordat u op OBSERVEREN klikt.
    8. Begin met het analyseren van de sample (s).
    9. Zorg ervoor dat de instellingen voor spanning, werkafstand (WD) en sonde stroom (PC) acceptabel zijn.
    10. Zoom uit (~ 50X) voor een hogere instelling en zoom in voor een lagere instelling.
    11. Stel de werkafstand in op 10 mm.
    12. Voordat u een foto van monster (s) neemt, moet u ervoor zorgen dat de afbeelding wordt opgeslagen in de gewenste doelmap.
    13. Om de gewenste map te kiezen, klik op de instellingen (linksboven in het scherm).
    14. Exporteer de foto's van de computer via een Flash Drive.
  3. Uitschakelen
    1. Klik op OBSERVEREN om de straal uit te schakelen.
    2. Druk op de VENT-knop en wacht tot deze stopt met knipperen.
    3. Stel de werkafstand weer in op 20 mm – 30 mm terwijl u wacht tot de VENT-knop stopt met knipperen.
    4. Zodra de VENT-knop stopt met knipperen, ontlaadt u het monster (s) van het apparaat.
    5. Druk op de EVAC-knop en wacht tot deze stopt met knipperen.
    6. Zodra de EVAC-knop stopt met knipperen, verlaat u de software en sluit u de computer af.
    7. Draai de toets naar het O -symbool om het apparaat volledig uit te schakelen.

5. snelle scan cyclische voltammetrie testen

  1. Sluit de koolstofvezel-micro-elektrode aan op potentiostaat en Head stage samen met de Ag/AgCl referentie-elektrode.
  2. Gebruik de micromanipulator om de koolstofvezel-micro-elektrode in de stroomcel te verlagen door de X-, Y-en Z-meet knoppen handmatig aan te passen.
  3. Bereid bufferoplossing in DI water (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl2, 1,25 mm Nah2po4, 1,2 mm MgCl2, en 2,0 mm na2dus4 met de pH aangepast aan 7,4).
  4. Vul de stroomcel met de buffer fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) (pH = 7,4).
  5. Injecteer met een gevulde 60 mL buffer spuit de PBS-buffer in de stroomcel van ongeveer 1 mL/min.
  6. Plaats de elektrode in de stroomcel en pas de golfvorm toe door op de groene knop te drukken. Observeer de oscilloscoop en knip de elektrode af of pas de versterking aan om overbelasting te voorkomen. Laat ongeveer 10 minuten equilibratie toe tussen elke elektrode uitvoering.
  7. Stel de standaard golfvorm in op de dopamine golfvorm. Scannen van – 0,4 V tot 1,3 V bij 10 Hz en 400 V/s.
  8. Bereid stockoplossing van 10 mM dopamine, serotonine, noradrenaline, en anderen in perchlorinezuur. Verdun neurotransmitters tot de uiteindelijke concentratie van 1 μM in buffer door pipetteren 1 μM van de dopamine-voorraadoplossing in 10 mL PBS-buffer met behulp van een pipet.
  9. Druk op de opnameknop om de metingen te starten. Na 10 s, injecteren 0,2 mL van 1 μM dopamine in de stroomcel of een andere concentratie van neurotransmitter. Pas de concentratie, scansnelheid, golfvorm (Houd potentiaal of schakel potentiaal) dienovereenkomstig aan. Stel de totale uitvoeringstijd in voor 30 sec.
  10. Analyseer de uitvoering met behulp van de HDCV-analyse software. Wijzig de parameters indien nodig.
  11. Nadat het experiment voltooid is, reinig de stroomcel door het injecteren van 3 mL water en vervolgens lucht in de buffer en injectie poorten van de stroomcel driemaal elk.
  12. Schakel de golfvorm en het instrument uit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Voor Figuur 1, we tonen een schematische waar FSCV testen wordt gebruikt voor het meten van de concentratie van neurotransmitters in vitro. Figuur 1 toont de toegepaste dopamine golfvorm. De driehoek golfvorm scant van-0,4 V tot 1,3 V bij 400 V/s. In het tweede deel van de figuur links, het toont de oxidatie van dopamine aan dopamine-Ortho-Chinon (DOQ), een twee elektron overdracht proces vindt plaats van het oppervlak van de analyt naar het oppervlak van de elektrode. Ten slotte wordt een huidige versus tijd plot met een kleur plot overgelegd. De huidige VS. tijd plot is een representatie van dopamine oxidatie. Het is plat wanneer er geen dopamine-oxidatie is, en het stijgt verticaal wanneer dopamine wordt geoxideerd tot dopamine-orthoquinone en teruggebracht tot dopamine als de analyt adsorb's, en vervolgens, water van het oppervlak van de elektrode. Het kleur plot is een 3-dimensionaal plot van stroom. De gele stroom is de achtergrond stroom (bijna nul), terwijl het groene perceel de positieve oxidatie stroom is (dopamine-oxidatie naar dopamine orthoquinone), en het blauwe perceel is de negatieve reductie stroom (dopamine orthoquinone-reductie naar dopamine).

SEM werd gebruikt om beeldoppervlak kenmerken van de kale en gemodificeerde koolstof elektroden. In Figuur 2zien we uniek verschil in oppervlakte-eigenschappen onder drie verschillende soorten elektrode materialen. In Fig. 2awordt een kale koolstofvezel-micro-elektrode getoond. De vezel is ongeveer 7 μm diameter met cilindrische ribbels langs de buitenkant. Figuur 2b toont goud nanodeeltjes die op het oppervlak van de koolstofvezel worden gestort gedurende ongeveer 20 minuten met een grote scherpe nok van goud die uitsteekt van het oppervlak van de koolstofvezel. De aanwezigheid van goud werd verder geverifieerd met EDS/EDX metingen. Vervolgens hebben we de elektrodetafzetting teruggebracht tot 5 min, waar we een dun uniform coating goud observeerden zoals afgebeeld in figuur 2c.

Vergelijking van gevoeligheid en elektronenoverdracht

Figuur 3a toont een vergelijking van de gevoeligheid en elektron overdracht. Zoals blijkt uit de overlappende cyclische voltammogrammen, hebben goudgemodificeerde koolstofvezel microelektroden een significant hogere piek oxidatieve stromen (Figuur 3b) en snellere elektron Transfer kinetiek (ΔEP). De significantie werd gemeten met een ongepaarde t-toets (respectievelijkP = .004 en. 0016). Foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde.

Stabiliteit

De kale (Fig. 4a) en gouden nanodeeltjes gewijzigd (figuur 4b) cfmes werden geplaatst in de stroomcel voor 4 h. metingen werden genomen voor de detectie van 1 μM dopamine elk uur over 4 h. Beide elektroden hadden een stabiele respons met betrekking tot dopamine. Een stabiele reactie op dopamine (zonder water oxidatie) is van cruciaal belang voor het uitvoeren van metingen in biologisch weefsel. Foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde.

Scan snelheid

De scansnelheid varieerde van 100 V/s tot 1.000 V/s. De gemodificeerde elektroden kale (figuur 5a) en goud nanodeeltjes (Figuur 5b) toonden een lineaire respons met betrekking tot dopamine detectie, wat betekent dat de adsorptie controle aan het oppervlak van het blote en gouden nano artikel gewijzigd wordt. -elektrode. Foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde.

Concentratie

De concentratie varieerde van 100 nM tot 100 μM dopamine voor kale (Fig. 6a) en Gold nano artikel gemodificeerd (Figuur 6b) koolstofvezel micro elektroden. Het lineaire bereik was van 100 nM tot 10 μM. Na 10 μM observeren we een asymptotische curve die aangeeft dat dopamine oververzadigd is aan het oppervlak van de koolstofvezel-micro-elektrode. De lineaire respons voor de piek oxidatie stroom van dopamine met betrekking tot dopamine concentratie duidt adsorptie controle aan het oppervlak van de elektrode. De fysiologisch relevante concentraties van dopamine in de hersenen zijn binnen dit bereik en variëren tussen hersengebieden.

Figure 1
Figuur 1. Een schematische voorstelling van dopamine oxidatie. Overlay van koolstofvezel micro-elektrode oxiderende dopamine. Charge transfer wordt getoond vanaf het oppervlak als dopamine wordt geoxideerd tot dopamine-orthoquinone en terug naar dopamine als de driehoek dopamine golfvorm wordt toegepast (-0,4 V tot 1,3 V bij 400 V/s). De huidige VS. tijd en kleur plots worden weergegeven ter aanduiding van dopamine oxidatie (groen) en dopamine reductie (blauw). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2. SEM-afbeeldingen van (a) kale koolstofvezel micro-elektrode, (b) goud-nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden met een 20 min elektrode depositie tijd, en (c) goud-nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden met een 5-min elektrode depositie tijd. Dit levert bewijs van principiële resultaten dat de grootte en dikte van goud nanodeeltjes coatings kunnen worden bestuurd door de elektrodetafzetting. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3. Gevoeligheid vergelijking van kale en goud-nanodeeltjes gemodificeerde elektroden. (A) overlay van cyclische voltammogrammen van blote en goud nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden. (B). staafdiagram dat verschillen in piek oxidatieve stroom van kale en goud nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden aangeeft. (C). staafdiagram met verschil in ΔEP tussen kale en goud nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden. Foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4. Stabiliteits experiment. A) kale en (B) goud-nanodeeltjes-gemodificeerde micro elektroden werden in een stroomcel geplaatst voor een totaal van ten minste 4 uur. Hun gevoeligheid naar 1 μM dopamine werd gemeten over 4 h. Beiden hadden een uniforme reactie op dopamine over 4 h. foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5. Scan snelheid experiment. (A) kale en (B) goud nanodeeltjes-gemodificeerde micro elektroden werden in een stroomcel geplaatst en de scansnelheid varieerde van 100 v/s tot 1.000 v/s. Zowel kale als gouden nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden hadden een lineaire respons met betrekking tot de scansnelheid, waardoor de adsorptie controle van dopamine aan het oppervlak van de kale en gouden nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro-elektrode werd aangeduid. Foutbalken zijn standaardfout van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6. Concentratie-experiment. A) kale en (B) goud-nanodeeltjes-gemodificeerde micro elektroden werden blootgesteld aan verschillende concentraties van dopamine 100 nm – 100 μM. Zowel kale als gouden nanodeeltjes gemodificeerde micro elektroden hadden een lineaire respons met betrekking tot dopamine tot 10 μM, waardoor adsorptie controle aan het oppervlak van de elektrode werd aangeduid. Bij concentraties van meer dan 10 μM observeren we een asymptotische curve, die indicatief is voor dopamine verzadiging aan het oppervlak van de elektrode door alle adsorptie-locaties te bezetten en meer diffusie controle te leiden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In deze studie, we demonstreren een nieuwe methode voor het construeren van goud-nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden voor de opsporing van neurotransmitters zoals dopamine met behulp van snelle scan cyclische voltammetrie. De methode is een efficiënte, groene en relatief goedkope benadering voor het verbeteren van de gevoeligheid van biomolecule detectie. De dikte van goud afgezet op het oppervlak van de koolstofvezel kan worden gecontroleerd door de tijd van elektro depositie en de concentratie van goud aanwezig in de elektrodetafzetting oplossing. Goud gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden bleken significant hogere elektroactieve oppervlakte gebieden te hebben dan kale elektroden naast de snellere elektron Transfer kinetiek. Ze hadden ook hogere gevoeligheden en lagere aantoonbaarheidsgrenzen dan kale ongewijzigde elektrode materialen. Bovendien, de elektroden toonde een stabiliteit naar dopamine detectie wanneer getest in de stroomcel voor ten minste 4 h. Er was een lineaire respons met betrekking tot piek oxidatieve stroom voor dopamine detectie met betrekking tot zowel de scansnelheid en de concentratie voor de goud gemodificeerde koolstofvezel elektroden die adsorptie controle aan het oppervlak van de elektrode.

Kritische stappen in het protocol omvatten het trekken van de koolstofvezel micro elektroden met de verticale capillaire trekker en het bereiken van Interfaciale hechting tussen de glazen capillaire en koolstofvezel met behulp van epoxy. Bovendien is de elektroafzetting van goud op het oppervlak van de koolstofvezel behoorlijk uitdagend om een evenwicht te bewaren tussen het hebben van een dunne uniforme coating van goud op het oppervlak van de elektrode en overmatige storting van overtollig goud op het oppervlak van de elektrode, die neurotransmitter detectie door ruis en signaal overbelasting zou belemmeren. Wijzigingen en het oplossen van de methode omvatten het optimaliseren van de methode van elektro depositie met betrekking tot zowel tijd als concentratie. Er moeten verschillende bronnen van goud (AuCl3, haucl4en andere goud hydraten) worden gebruikt om deze experimenten uit te voeren. Beperkingen van de methode omvatten de mogelijkheid van het electrogestorte goud overbelasting van het signaal van de potentiostaat als gevolg van overmatige depositie. Bovendien, als een metaal elektrode materiaal, Gold gemodificeerde elektroden kunnen potentieel oxideren water bij het scannen naar hogere mogelijkheden (meer dan 1,45 V), die kan interfereren met het analyt signaal.

De methode is een duidelijke vooruitgang in het veld als goud nano artikel gemodificeerde micro elektroden aanzienlijk verbeteren neurotransmitter detectie en zijn niet grondig onderzocht voor neurotransmitter detectie met behulp van FSCV. Een andere methode voor het verbeteren van elektrochemische signalen voor cmfes is door modificatie met koolstof nanobuisjes24,25,26. Dipcoating elektroden in koolstof nano buis suspensies vaak verhoogt signaal. Echter, het geluid wordt ook verhoogd als de laag van gedeponeerde koolstof nanobuisjes is heterogeen. De depositie van goud nanodeeltjes is een snelle, reproduceerbare en effectieve methode om verbeterde biomolecule sensoren te maken. Toekomstige methodeontwikkeling zal omvatten de optimalisatie van de gouden nanodeeltjes modificatie van koolstofvezel micro elektroden maken dunne, uniforme lagen van goud over het oppervlak over de koolstofvezel micro elektroden. Bovendien, de studie en de optimalisatie van de opsporing van andere neurotransmitters (noradrenaline, serotonine, histamine, adenosine, en anderen) zal ook worden uitgevoerd. Ten slotte zullen deze verbeterde goud gemodificeerde micro elektroden worden gebruikt om in vivo metingen van neurotransmitters in knaagdieren of fruit vliegmodellen uit te voeren. De verbetering van dopamine detectie door middel van goud nanodeeltjes modificatie zorgt voor vele mogelijke toepassingen en studies in de neurowetenschappen zoals het bestuderen van de ziekte van Parkinson, drugsmisbruik, en andere aandoeningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

We willen graag de American University bedanken, de faculteits Onderzoeksondersteuning subsidie, NASA DC ruimte subsidie, en 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

Scheikunde uitgave 147 snelle scan cyclisch voltammetrie FSCV koolstofvezel micro-elektrode dopamine neurotransmitter goud nanodeeltjes
Gouden nanodeeltjes gemodificeerde koolstofvezel micro elektroden voor verbeterde neurochemische detectie
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