גולד ננו-חלקיק שונה סיבי פחמן מיקרואלקטרודות לגילוי משופר נוירוכימי
Summary
במחקר זה, אנו משנים פחמן סיבים מיקרואלקטרודות עם חלקיקי זהב כדי לשפר את הרגישות של זיהוי נוירוטרנסמיטר.
Abstract
במשך 30 שנים, סיבי פחמן מיקרואלקטרודות (CFMEs) כבר תקן זיהוי נוירוטרנסמיטר. בדרך כלל, סיבי פחמן מואבקים לתוך נימים זכוכית, משכה להתחדד, ולאחר מכן אטום באמצעות אפוקסי כדי ליצור חומרים אלקטרודה המשמשים לסריקה מהירה מחזורית בדיקות וולטממטריה. לשימוש CFMEs חשופים יש מספר מגבלות, למרות. בראש ובראשונה, סיבי הפחמן מכיל בעיקר פחמן המטוס בסיס, אשר יש שטח בשטח נמוך יחסית ותשואות רגישויות נמוכות יותר nanחומרים אחרים. יתר על כן, פחמן graphitic מוגבל על ידי הרזולוציה הטמפורלית שלה, ואת מוליכות נמוכה יחסית. לבסוף, נוירוכימיקלים וקרו ידועים לרעה על פני השטח של אלקטרודות פחמן שבו הם יוצרים חומרים פולימרים שאינם מוליך לחסום את הספיחה מוליך עצבי נוסף. עבור מחקר זה, אנו משנים CFMEs עם חלקיקי זהב כדי לשפר את בדיקות נוירוכימיות עם סריקת מחזורי וולטממטריה במהירות. Au3 + הופקד על פני השטח של cfmes או שהיה מצופה בחשמל מתוך תמיסה קולאידית. מכיוון שהזהב הוא מתכת יציבה ויחסית, הוא חומר האלקטרודה האידיאלי למדידות אנליטיות של נוירוכימיקלים. ננו-חלקיק זהב שונה (אונפ-CFMEs) היה יציבות לתגובת דופמין עבור מעל 4 שעות. יתר על כן, התערוכה של אונפ-CFMEs רגישות מוגברת (זרם חמצוני גבוה יותר של מחזורי הוולטמגרמות) וקינטיקה מהירה יותר של העברת אלקטרון (נמוך יותר ΔEP או הפרדת שיא) מאשר לא שונו בעבר cfmes. התפתחות האתר מספקת את הקמתה של חיישני האלקטרוכימי החדשניים לגילוי שינויים מהירים בריכוז הדופאמין ובחומרים נוירוכימיקלים אחרים במגבלות הנמוכות של גילוי. לעבודה זו יישומים נרחבים לשיפור המדידות הנוירוכימיות. הדור של הזהב ננו-חלקיק שונה CFMEs יהיה מאוד חשוב לפיתוח חיישני אלקטרודה הרומן לזהות נוירוטרנסמיטורים ב vivo מכרסמים ודגמים אחרים כדי ללמוד השפעות נוירוכימיות של שימוש בסמים, דיכאון, שבץ, איסכמיה, ומדינות התנהגותיות ומחלות אחרות.
Introduction
פחמן סיבים מיקרואלקטרודות (cfmes)1 משמשים הטובים ביותר כחיישנים ביולוגיים כדי לזהות את החמצון של מספר נוירוטרנסמיטורים קריטיים2, כולל דופמין3, נוראדרנלין4, סרוטונין5, אדנוזין6, היסטמין7, ואחרים8. תאימות וגודל של סיבי פחמן להפוך אותם אופטימלי עבור השרשה כמו יש נזק רקמות מוחלט לעומת אלקטרודות סטנדרטיות גדול יותר. 9 cfmes ידועים בעלי תכונות אלקטרוכימיות שימושיות והם מסוגלים לבצע מדידות מהירה בעת שימוש עם טכניקות אלקטרוכימיות מהיר, בדרך כלל מהירה סריקה מחזורית (fscv)10,11. Fscv היא טכניקה הסורקת את הפוטנציאל המוחל במהירות ומספק מחזורי וולטמגרמה ספציפיים עבור אנליטים ספציפיים12,13. הנוכחי טעינה גדולה המיוצר על ידי סריקה מהירה יציבה על סיבי פחמן והוא יכול להיות ברקע מופחתים כדי לייצר מחזורי וולטמגרמות ספציפיים.
בשל האלקטרוכימיה האופטימלית והחשיבות הנוירוביולוגית שלו, הדופמין נחקר באופן נרחב. קטכולאמין דופמין הוא שליח כימי חיוני המשחק תפקיד מרכזי בשליטה של תנועה, זיכרון, קוגניציה, ורגש בתוך מערכת העצבים. עודף או מחסור של דופמין יכול לגרום להפרעות נוירולוגיות ופסיכולוגיות רבות; בין אלה הן מחלת פרקינסון, סכיזופרניה, והתנהגות ממכרת. היום, מחלת פרקינסון ממשיכה להיות הפרעה נפוצה בשל ניוון של מידות נוירונים מעורבים בסינתזה דופמין14. תסמיני המחלה של פרקינסון כוללים רעידות, איטיות תנועה, נוקשות, ובעיות בשמירה על האיזון. מצד שני, ממריצים כגון קוקאין15 ו אמפטמין16,17 לקדם את הגלישה של דופמין. שימוש בסמים בסופו של דבר מחליף את הזרימה הרגילה של דופמין ומצבים המוח לדרוש עודף דופמין, אשר בסופו של דבר מוביל התנהגויות ממכר.
בשנים האחרונות, יש דגש על שיפור פונקציונליות האלקטרודה בזיהוי נוירוטרנסמיטר18. השיטה הנפוצה ביותר של שיפור רגישות האלקטרודה היא על ידי ציפוי משטח סיבים. למרבה ההפתעה, יש כבר מחקר מוגבל נעשה על מתכת ננו-חלקיק electrodeposition תצהיר על סיבי פחמן19. אצילי מתכת-חלקיקים כגון זהב, עשוי להיות הופקד על המשטח סיבים עם חומרים פונקציונליים אחרים20. לדוגמה, הגדלת אזור המשטח האלקטרואקטיבי עבור ספיחה של נוירוטרנסמיטר להתרחש. אלקטרומופקד חלקיקי מתכת בצורה מהירה, ניתן לטהר, ולדבוק סיב פחמן. אלקטרוכימיה ממשיכה להיות משמעותית הן התצהיר של חלקיקי מתכת אצילי שיפור פני השטח של סיבי פחמן, כפי שהוא מאפשר את השליטה של התגררות וצמיחה של חלקיקים אלה. לבסוף, מוגבר מאפיינים קטליטיים ומוליך, ותחבורה המונית משופר הם בין היתרונות האחרים של ניצול חלקיקי מתכת לניתוח אלקטרו.
קורס רצף המעבדה המתקדמת של האוניברסיטה האמריקנית (הכימיה הביולוגית הניסיונית I ו-II כימית 471/671-472/672) הוא שילוב של מעבדות אנליטיות, פיזיקליות, וביוכימיה. הסמסטר הראשון הוא סקירה של טכניקות מעבדה. הסמסטר השני הינו פרויקט מחקר מונחה סטודנטים והוביל למחקרבן 21. עבור פרויקטים אלה, הסטודנטים בחנו בעבר את המנגנון של ביואוליכאל, חלבון, פפטיד, ו חומצת אמינו הקלה סינתזה של חלקיקי זהב22,23. עבודה עדכנית יותר התמקדה היווצרות של זהב ננו-חלקיק (אונפ) הייצור על משטחי האלקטרודה ואת הערכה של השפעות האונפס על היכולת CFMEs לזהות נוירוטרנסמיטורים. בעבודה הנוכחית, המעבדה החלה טכניקה זו כדי להדגים כי הרגישות של CFMEs בזיהוי חמצון-דופמין מוגברת באמצעות הפקדת האלקטרופ על פני השטח סיבים. כל חשופים-CFME מאופיין על ידי סריקה שונים, יציבות ו דופמין-ריכוז כאשר מזהה דופמין-זרמים חמצוני למדוד חמצון דופמין על פני השטח של CFME. Au3 + היה לאחר מכן חשמל או0 ו הופקד בו על משטח סיבים כמו חלקיקים, ואחריו סדרה של ניסויים אפיון. לאחר השוואה ישירה, הדודות-CFMEs נמצאו בעלי רגישות גבוהה יותר של זיהוי דופמין. הציפוי האחיד של הדודות על משטח הסיבים דרך הסיג החשמלי מעבד את שטח המשטח הגבוה יותר אלקטרואקטיבי; כך, הגברת הספיחה של דופמין על פני השטח אלקטרודה שונה. . זה הוביל לזרמי דופאמין גבוהים יותר ההפרדה הפוטנציאלית של חמצון דופמין ופסגות הפחתת (∆ Ep) של אונפ-cfmes היה גם קטן יותר, הרומז קינטיקה מהירה יותר העברת אלקטרון. עבודות עתידיות של מחקר זה כולל בדיקות vivo של הן חשופות ו-האונפ-CFMEs לאיתור דופמין.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, אנו להדגים שיטה הרומן לבנות זהב-ננו-חלקיק שונה סיבי פחמן מיקרואלקטרודות לאיתור של נוירוטרנסמיטורים כגון דופמין באמצעות סריקה מהירה מחזורית וולטמטריה. השיטה היא גישה יעילה, ירוקה, וזולה יחסית לשיפור הרגישות של גילוי ביואוכאל. עובי הזהב שהופקדו על פני סיבי הפחמן יכול להיות נשלט ע?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
היינו רוצים להודות לאוניברסיטה האמריקאית, מחקר הפקולטה תמיכה מענק, נאס א DC מענק שטח, ו NSF-MRI 1625977.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Bucher, E. S., Wightman, R. M. Electrochemical analysis of neurotransmitters. Annual review of analytical chemistry. 8, 239-261 (2015).
- 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).
- 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).
- Abdalla, A., et al. In Vivo Ambient Serotonin Measurements at Carbon-Fiber Microelectrodes. Analytical chemistry. 89, 9703-9711 (2017).
- Ganesana, M., Venton, B. J. Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury. PloS one. 13, e0196932 (2018).
- 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).
- Sanford, A. L., et al. Voltammetric detection of hydrogen peroxide at carbon fiber microelectrodes. Analytical chemistry. 82, 5205-5210 (2010).
- Heien, M. L., Johnson, M. A., Wightman, R. M. Resolving neurotransmitters detected by fast-scan cyclic voltammetry. Analytical chemistry. 76, 5697-5704 (2004).
- Raju, D., et al. Polymer modified carbon fiber-microelectrodes and waveform modifications enhance neurotransmitter metabolite detection. Analytical Methods. 11, 1620-1630 (2019).
- 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).
- 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).
- Zestos, A. G. Carbon Nanoelectrodes for the Electrochemical Detection of Neurotransmitters. International Journal of Electrochemistry. , (2018).
- 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).
- 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).
- Zestos, A. G., Kennedy, R. T. Microdialysis Coupled with LC-MS/MS for In Vivo Neurochemical Monitoring. The AAPS Journal. 19, 1284-1293 (2017).
- 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).
- Zestos, A. G., Venton, B. J. Carbon Nanotube-Based Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection. ECS Transactions. 80, 1497-1509 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hart, C., et al. Protein-templated gold nanoparticle synthesis: protein organization, controlled gold sequestration, and unexpected reaction products. Dalton Transactions. 46, 16465-16473 (2017).
- 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).
- Xiao, N., Venton, B. J. Rapid, sensitive detection of neurotransmitters at microelectrodes modified with self-assembled SWCNT forests. Analytical chemistry. 84, 7816-7822 (2012).
- 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).
- Yang, C., et al. Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine. Analytical chemistry. 88, 645-652 (2015).
