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Chemistry

Microelettrodi in fibra di carbonio modificati con nanoparticle d'oro per una migliore rilevazione neurochimica

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 questo studio, modifichiamo i microelettrodi in fibra di carbonio con nanoparticelle d'oro per migliorare la sensibilità del rilevamento del neurotrasmettitore.

Abstract

Per oltre 30 anni, i microelettrodi in fibra di carbonio (CFME) sono stati lo standard per il rilevamento dei neurotrasmettitori. Generalmente, le fibre di carbonio vengono aspirate in capillari di vetro, tirate a un cono fine e poi sigillate utilizzando un resina resina epossidica per creare materiali elettrodi che vengono utilizzati per test di voltammetria ciclica a scansione rapida. L'uso di CFME nudi ha diverse limitazioni, però. In primo luogo, la fibra di carbonio contiene per lo più carbonio piano basale, che ha una superficie relativamente bassa e produce sensibilità inferiore rispetto ad altri nanomateriali. Inoltre, il carbonio grafitico è limitato dalla sua risoluzione temporale e dalla sua conduttività relativamente bassa. Infine, neurochimici e macromolecole sono stati conosciuti per fallo sulla superficie di elettrodi di carbonio dove formano polimeri non conduttivi che bloccano ulteriori annunci neurotrasmettitori. Per questo studio, modifichiamo i CFME con nanoparticelle d'oro per migliorare i test neurochimici con la voltammetria ciclica a scansione rapida. L'Au3 è stato elettrodepositato o sofposto da una soluzione colloidale sulla superficie dei CFME. Poiché l'oro è un metallo stabile e relativamente inerte, è un materiale elettrodo ideale per misurazioni analitiche di sostanze neurochimiche. La nanoparticella d'oro modificata (AuNP-CFME) ha avuto una stabilità alla risposta della dopamina per oltre 4 h. Inoltre, AuNP-CFME s'intitola inoltre una maggiore sensibilità (corrente ossidativa di picco più alta dei voltammogrammi ciclici) e cinedi di trasferimento elettronico più veloci(EP o separazione del picco) più in basso rispetto ai CFME non modificati. Lo sviluppo di AuNP-CFME fornisce la creazione di nuovi sensori elettrochimici per rilevare i cambiamenti rapidi nella concentrazione di dopamina e altre sostanze neurochimiche a limiti inferiori di rilevamento. Questo lavoro ha vaste applicazioni per il miglioramento delle misurazioni neurochimiche. La generazione di CFME modificate con nanoparticelle d'oro sarà di vitale importanza per lo sviluppo di nuovi sensori di elettrodi per rilevare i neurotrasmettitori in vivo nei roditori e in altri modelli per studiare gli effetti neurochimici dell'abuso di droga, depressione, ictus, ischemia, e altri stati comportamentali e di malattia.

Introduction

Microelectrodi in fibra di carbonio (CFME)1 sono meglio utilizzati come biosensori per rilevare l'ossidazione di diversi neurotrasmettitori cruciali2, tra cui dopamina3, noradrenalina4, serotonina5, adenosina6, istamina7, e altri8. La biocompatibilità e le dimensioni delle fibre di carbonio le rendono ottimali per l'impianto in quanto vi è un danno tissutale mitigato rispetto agli elettrodi standard più grandi. 9 I CFME sono noti per possedere proprietà elettrochimiche utili e sono in grado di effettuare misurazioni rapide se utilizzate con tecniche elettrochimiche veloci, più comunemente tensionemiche ciclica a scansione rapida (FSCV)10,11. FSCV è una tecnica che scansiona rapidamente il potenziale applicato e fornisce un voltammogramma ciclico specifico per analiti specifici12,13. La grande corrente di ricarica prodotta dalla scansione veloce è stabile sulle fibre di carbonio e può essere sottratta in background per produrre voltammogrammi ciclici specifici.

Grazie alla sua elettrochimica ottimale e importanza neurobiologica, dopamina è stato ampiamente studiato. La dopamina catecholamina è un messaggero chimico essenziale che svolge un ruolo fondamentale nel controllo del movimento, memoria, cognizione, ed emozione all'interno del sistema nervoso. Un surplus o carenza di dopamina può causare numerose interferenze neurologiche e psicologiche; tra questi ci sono il morbo di Parkinson, la schizofrenia e il comportamento di dipendenza. Oggi, Il morbo di Parkinson continua ad essere un disturbo prevalente a causa della degenerazione dei neuroni midbrain coinvolti nella sintesi della dopamina14. Sintomi di malattia di Parkinson includono tremore, lentezza del movimento, rigidità, e problemi nel mantenimento dell'equilibrio. D'altra parte, stimolanti come la cocaina15 e l'anfetamina16,17 promuovono l'overflow della dopamina. L'abuso di droghe alla fine sostituisce il flusso regolare della dopamina e condiziona il cervello per richiedere un surplus di dopamina, che alla fine porta a comportamenti di dipendenza.

Negli ultimi anni, c'è stata un'enfasi sul miglioramento della funzionalità degli elettrodi nel rilevamento del neurotrasmettitore18. Il metodo più diffuso per migliorare la sensibilità degli elettrodi è rivestire la superficie della fibra. Sorprendentemente, c'è stata una ricerca limitata fatta sull'elettrodeposizione delle nanoparticelle metalliche sulle fibre di carbonio19. Nobili nanoparticelle metalliche come l'oro, possono essere elettrodepositate sulla superficie della fibra con altri materiali funzionali20. Per esempio, aumentando la superficie elettroattiva per l'adsorption neurotrasmettitore a verificarsi. Nanoparticelle metalliche elettrodepositate si formano rapidamente, possono essere purificate e aderire alla fibra di carbonio. L'elettrochimica continua ad essere significativa sia per la deposizione di nanoparticelle metalliche nobili che per il miglioramento superficiale delle fibre di carbonio, in quanto consente il controllo della nucleazione e della crescita di queste nanoparticelle. Infine, l'aumento delle caratteristiche catalitiche e conduttive e il miglioramento del trasporto di massa sono tra gli altri vantaggi dell'utilizzo di nanoparticelle metalliche per l'elettroanalisi.

Il corso di sequenza Advanced Laboratory dell'American Biological Chemistry I e II CHEM 471/671-472/672) è una combinazione di laboratori analitici, fisici e di biochimica. Il primo semestre è una panoramica delle tecniche di laboratorio. Il secondo semestre è un progetto diricerca 21 guidato da studenti e guidato. Per questi progetti, gli studenti hanno precedentemente esaminato il meccanismo di biomolecola, proteina, peptide e sintesi di nanoparticelle d'oro22,23. Un lavoro più recente si è concentrato sulla formazione della produzione di nanoparticelle d'oro (AuNP) sulle superfici degli elettrodi e sulla valutazione degli effetti AuNP sulla capacità delle CME di rilevare i neurotrasmettitori. Nel lavoro attuale, il laboratorio ha applicato questa tecnica per dimostrare che la sensibilità dei CFME nel rilevare l'ossidazione della dopamina è migliorata attraverso l'elettrodeposizione di AuNP sulla superficie della fibra. Ogni bare-CFME è caratterizzato da varia scan-rate, stabilità e concentrazione di dopamina quando si rilevano correnti ossidative dopamina-ossidativo per misurare l'ossidazione della dopamina sulla superficie del CFME. Au3 è stato poi elettroridotto a Au0 e contemporaneamente elettrodepositato sulla superficie della fibra come nanoparticelle, seguito da una serie di esperimenti di caratterizzazione. Dopo un confronto diretto, gli AuNP-CFME sono stati trovati a possedere una maggiore sensibilità del rilevamento della dopamina. Il rivestimento uniforme di AuNP sulla superficie della fibra tramite elettrodeposizione rende più alta la superficie elettroattiva; quindi, aumentando l'adsorbente della dopamina sulla superficie dell'elettrodo modificato. Questo ha portato a più elevate correnti ossidative della dopamina. Anche la potenziale separazione dell'ossidazione edella riduzione della dopamina (EP ) di AuNP-CFME era più piccola, suggerendo una cinetica di trasferimento di elettroni più veloce. Le opere future di questo studio includono il test in vivo di entrambi i Nue- e AuNP-CFME per il rilevamento della dopamina.

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Protocol

1. Costruzione di microelettrodi in fibra di carbonio

  1. Preparazione delle fibre di carbonio
    1. Per creare microelettrodi in fibra di carbonio, separare prima le fibre di carbonio (fibra di carbonio,7 mm di diametro) una ad una con mani, guanti e spatole.
    2. Tirare o strappare una fibra dal filo attorcigliato.
    3. Aspirare una fibra di carbonio isolata in un capillare di vetro (vetro capillare a canna singola senza microfilamento, diametro esterno di 1,2 mm, diametro interno di 0,68 mm).
    4. Creare un supporto per elettrodi tagliando un pezzo di cartone di circa 10 cm di lunghezza per 25 cm di larghezza.
  2. Tirare gli elettrodi utilizzando un tirante capillare verticale.
  3. Aprire la porta scorrevole dell'etraina capillare verticale.
  4. Allenta e rimuovi l'asta metallica, ruotando il trapano-chuck in senso antiorario con spazio sufficiente per inserire il capillare di vetro.
  5. Inserire il vetro capillare nel supporto dell'elettrodo. Sollevare manualmente il capillare di vetro fino alla parte superiore del capillare verticale.
  6. Stringere il vetro capillare con i trapano-chucks in senso orario senza rompere o distruggere i capillari di vetro.
  7. Regolare le impostazioni di Heater 1, Heater 2 e Magnete ai livelli suggeriti dal produttore per tirare i capillari di vetro a un cono fine per i materiali elettrodi.
  8. Premere il pulsante di avvio rosso per riscaldare la bobina a bobina per estrarre gli elettrodi attraverso la pressione, la gravità e il riscaldamento.
  9. Lasciare raffreddare la bobina rincantale dal suo stato caldo rosso. Tagliare la fibra di carbonio con le forbici che collegano i due elettrodi tirati dall'alto verso il basso. Utilizzare il metodo drill-chuck per rimuovere il capillare di vetro dall'estrattore capillare verticale ruotando in senso antiorario.

2. Preparazione del microelettrodo in fibra di carbonio

  1. Sotto uno stereoscopio o un microscopio, tagliare la fibra di carbonio sporgente dalla superficie del vetro capillare con forbici chirurgiche o una lama affilata del rasoio a circa 100 –150 m di lunghezza.
  2. Preparare una soluzione di resina epossidica mescolando 10 g di resina epossidica con 0,2 mL di indurimento in una fiala da 25 mL utilizzando un tampone di cotone.
  3. Immergere solo la punta di ogni elettrodo nella soluzione epossidica e indurimento per circa 15 s.
  4. Immergere la parte superiore di cui sopra del microelettrodo in fibra di carbonio in acetone per circa 3 s per lavare via qualsiasi epossidica in eccesso dalla canna del microelettrodo in fibra di carbonio.

3. Elettrodeposizione

  1. Posizionare l'elettrodo funzionante (microelettrodo in fibra di carbonio) nella soluzione di 0,5 mM HAuCl4 in aggiunta all'elettrodo di riferimento, cloruro argento-argento (Ag/AgCl) utilizzando il micromanipolatore.
  2. Collegare l'elettrodo di lavoro e l'elettrodo di riferimento al potenziatore e al headstage.
  3. Aprire il software HDCV UNC. Modificare le impostazioni del software per applicare la forma d'onda. Inserite la seguente forma d'onda nelle impostazioni del computer: scansione da 0,2 V a 1,0 V in soluzione KCl da 0,1 M contenente 0,5 mM HAuCl4 ad una velocità di scansione di 50 mV/s per 10 cicli. Premere la freccia verde per applicare la forma d'onda. Quindi, premere il pulsante di avvio per iniziare la registrazione delle misurazioni.

4. Microscopia elettronica a scansione

NOTA: i microelettrodi in fibra di carbonio modificati in fibra di carbonio sono stati modificati utilizzando lo strumento di microscopia elettronica a scansione (SEM). Caricare il campione su nastro conduttivo nero e seguendo le istruzioni fornite dal produttore.

  1. Accensione dello strumento
    1. Ruotare il tasto su START e rilasciare.
    2. Aprire il software InTouchScope facendo doppio clic su di esso.
    3. Rilasciare il tasto. Dovrebbe atterrare sul simbolo I da solo.
    4. Attendere che il pulsante EVAC smetta di lampeggiare.
    5. Quando il pulsante EVAC smette di lampeggiare, premere il pulsante VENT.
    6. Attendere che il pulsante VENT smetta di lampeggiare.
    7. Assicurarsi che la distanza di lavoro (WD) sia di 20 mm – 30 mm.
    8. In attesa, preparare i campioni.
  2. Scansione
    1. Quando il pulsante VENT smette di lampeggiare, caricare i campioni nello strumento.
    2. Assicurarsi che la parte curva del portacampione sia rivolta verso lo strumento durante il caricamento dei campioni.
    3. Premere il pulsante EVAC una volta caricati i campioni.
    4. Regolare la distanza di lavoro a 10 mm.
    5. Quando il pulsante EVAC smette di lampeggiare, accendere il computer.
    6. Fare clic sul software In Touch Scope, che si trova sul desktop. Ci sono due software In Touch Scope, fare clic su quello senza il cerchio verde e giallo.
    7. Una volta aperto il software, fare clic su OBSERVE (in alto a destra dello schermo), per accendere la trave. Assicurarsi che il pulsante EVAC abbia smesso di lampeggiare prima di fare clic su OBSERVE.
    8. Iniziare ad analizzare i campioni.
    9. Assicurarsi che le impostazioni di tensione, distanza di lavoro (WD) e corrente sonda (PC) siano accettabili.
    10. Eseguire lo zoom indietro (50X) per ottenere un'impostazione più alta e ingrandire per ottenere un'impostazione inferiore.
    11. Impostare la distanza di lavoro a 10 mm.
    12. Prima di scattare una foto dei campioni, assicurarsi che l'immagine verrà salvata nella cartella di destinazione desiderata.
    13. Per scegliere la cartella desiderata, fare clic sulle impostazioni (in alto a sinistra dello schermo).
    14. Esportare le immagini dal computer tramite un'unità flash.
  3. Spegnere
    1. Fare clic su OBSERVE per disattivare la trave.
    2. Premere il tasto VENT e attendere che smetta di lampeggiare.
    3. In attesa che il pulsante VENT smetta di lampeggiare, regolare la distanza di lavoro a 20 mm – 30 mm.
    4. Quando il pulsante VENT smette di lampeggiare, scaricare i campioni dallo strumento.
    5. Premere il pulsante EVAC e attendere che smetta di lampeggiare.
    6. Quando il pulsante EVAC smette di lampeggiare, uscire dal software e spegnere il computer.
    7. Girare il tasto sul simbolo O per spegnere completamente lo strumento.

5. Test di voltammetria ciclica a scansione rapida

  1. Collegare il microelettrodo in fibra di carbonio al potentiostat e alla fase di headstage insieme all'elettrodo di riferimento Ag/AgCl.
  2. Utilizzando il micromanipolatore, abbassare il microelettrodo in fibra di carbonio nel pozzo della cella di flusso regolando manualmente le manopole di misura X, Y e .
  3. Preparare la soluzione buffer in acqua DI (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl2, 1,25 mM NaH2PO4, 1,2 mM MgCl2e 2,0 mM Na2 SO4 con il pH regolato a 7.4).
  4. Riempire la cella di flusso con buffer salina con buffer salofo fosfato (PBS) buffer (pH - 7,4).
  5. Utilizzando una siringa buffer da 60 mL riempita, iniettare il buffer PBS nella cella di flusso a circa 1 mL/min.
  6. Posizionare l'elettrodo nella cella di flusso e applicare la forma d'onda premendo il pulsante verde. Osservare l'oscilloscopio e tagliare l'elettrodo o regolare il guadagno per evitare il sovraccarico. Lasciare per circa 10 min di equilibratione tra ogni corsa elettrodo.
  7. Impostare la forma d'onda predefinita sulla forma d'onda della dopamina. Scansione da – da 0,4 V a 1,3 V a 10 Hz e 400 V/s.
  8. Preparare la soluzione stock di 10 mM di dopamina, serotonina, noradrenalina, e altri in acido perclorico. Diluire le sostanze neurochimiche alla concentrazione finale di 1 M nel buffer con il pipettaggio di 1 M della soluzione di stock di dopamina in 10 mL di buffer PBS utilizzando una pipetta.
  9. Per iniziare le misurazioni, premere il pulsante di registrazione. Dopo 10 s, iniettare 0,2 mL di 1 dopamina M nella cella di flusso o qualsiasi altra concentrazione di neurotrasmettitore. Regolare la concentrazione, il tasso di scansione, la forma d'onda (potenziale di mantenimento o potenziale di commutazione) di conseguenza. Impostare il tempo di esecuzione totale per 30 s.
  10. Analizzare la corsa utilizzando il software di analisi HDCV. Modificare i parametri in base alle esigenze.
  11. Al termine dell'esperimento, pulire la cella di flusso iniettando 3 mL di acqua e quindi aria nelle porte tampone e iniezione della cella di flusso tre volte ciascuna.
  12. Spegnere la forma d'onda e lo strumento.

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Representative Results

Per figura 1, mostriamo uno schema in cui viene utilizzato il test FSCV per misurare la concentrazione di neurotrasmettitori in vitro. Figura 1 Mostra la forma d'onda della dopamina applicata. La forma d'onda del triangolo viene scansionata da -0,4 V a 1,3 V a 400 V/s. Nella seconda parte della figura a sinistra, mostra l'ossidazione della dopamina alla dopamina-orto-quinone (DOQ), un processo di trasferimento di due elettroni si verifica dalla superficie dell'analita alla superficie dell'elettrodo. Infine, un grafico corrente rispetto al tempo viene sovrapposto a un grafico a colori. La trama corrente contro il tempo è una rappresentazione dell'ossidazione della dopamina. È piatto quando non c'è ossidazione della dopamina, e si alza verticalmente quando la dopamina viene ossidata alla dopamina-ortoquinone e ridotto di nuovo alla dopamina come gli adsorbi di analyte, e successivamente, desorbs dalla superficie dell'elettrodo. Il grafico a colori è un grafico tridimensionale della corrente. La corrente gialla è la corrente di fondo (vicino a zero), mentre la trama verde è la corrente di ossidazione positiva (ossidazione della dopamina all'ortoquinone della dopamina), e la trama blu è la corrente di riduzione negativa (riduzione dell'ortoquino della dopamina alla dopamina).

SEM è stato utilizzato per l'immagine delle caratteristiche superficiali degli elettrodi di carbonio nudi e modificati. Nella Figura2, vediamo una differenza unica nelle caratteristiche della superficie tra tre diversi tipi di materiali elettrodi. Nella Figura 2aè presente un microelettrodo in fibra di carbonio nudo. La fibra ha un diametro di circa 7 m con creste cilindriche lungo l'esterno. La figura 2b mostra nanoparticelle d'oro elettrodepositate sulla superficie della fibra di carbonio per circa 20 min con grande cresta tagliente d'oro sporgente dalla superficie della fibra di carbonio. La presenza di oro è stata ulteriormente verificata con misurazioni EDS/EDX. Abbiamo poi ridotto il tempo di elettrodeposizione a 5 min dove abbiamo osservato un sottile oro rivestimento uniforme come mostrato Figura 2c.

Confronto tra sensibilità e trasferimento di elettroni

La figura 3a mostra un confronto tra sensibilità e trasferimento di elettroni. Come mostrato con i voltammogrammi ciclici sovrapposti, i microelettrodi in fibra di carbonio modificati in oro hanno correnti ossidative di picco significativamente più elevate (Figura 3b) e cinedi di trasferimento elettronico più veloci (EP . Il significato è stato misurato con un test a t non accoppiato ( rispettivamenteP - 004 e .0016). Le barre di errore sono un errore standard della media.

Stabilità

Le CME nudi (Figura 4a) e oro modificate (Figura 4b) sono state collocate nella cella di flusso per 4 h. Sono state prese misure per l'individuazione di 1 dopamina M ogni ora oltre 4 h. Entrambi gli elettrodi hanno avuto una risposta stabile rispetto alla dopamina. Una risposta stabile alla dopamina (senza ossidazione dell'acqua) è di fondamentale importanza per eseguire misurazioni nel tessuto biologico. Le barre di errore sono un errore standard della media.

Frequenza di scansione

Il tasso di scansione variava da 100 V/s a 1.000 V/s. Sia gli elettrodi modificati Bare (Figura 5a) che la nanoparticella d'oro (Figura 5b) hanno mostrato una risposta lineare per quanto riguarda il rilevamento della dopamina, indicando quindi il controllo dell'adsortiontionte sulla superficie della nanoparticella nuda e oro modificata microelettrodo. Le barre di errore sono un errore standard della media.

concentrazione

La concentrazione variava da 100 nM a 100 m di dopamina per i microelettrodi in fibra di carbonio nuda (Figura 6a) e nanoparticella d'oro modificata (Figura6b) microelettrodi in fibra di carbonio. L'intervallo lineare era da 100 nM a 10 M. Dopo 10 M, osserviamo una curva asintotica che indica che la dopamina è supersaturata sulla superficie del microelettrodo in fibra di carbonio. La risposta lineare per la corrente di ossidazione di picco della dopamina rispetto alla concentrazione di dopamina denota il controllo dell'adsorption alla superficie dell'elettrodo. Le concentrazioni fisiologicamente rilevanti di dopamina nel cervello sono all'interno di questo intervallo e variano tra le regioni del cervello.

Figure 1
come illustrato nella Figura 1. Uno schema di ossidazione della dopamina. Sovrapposizione di microelettrodo a fibra di carbonio che ossida dopamina. Il trasferimento di carica è mostrato dalla superficie come dopamina è ossidato alla dopamina-ortoquinone e di nuovo alla dopamina come la forma d'onda della dopamina triangolo viene applicata (-0.4 V a 1.3 V a 400 V/s). La corrente vs tempo e colori grafici sono mostrati denotando l'ossidazione della dopamina (verde) e la riduzione della dopamina (blu). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
come illustrato nella Figura 2. Le immagini SEM di microelettrodi in fibra di carbonio nudi, (b) microelettrodi in fibra di carbonio modificati in fibra di carbonio con un tempo di deposizione degli elettrodi di 20 min, e (c) microelettrodi modificati in nanoparticelle oro con un tempo di deposizione degli elettrodi di 5 metri. Ciò fornisce la prova di risultati di principio che le dimensioni e lo spessore dei rivestimenti in nanoparticelle d'oro possono essere controllati dal tempo di elettrodeposizione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
come illustrato nella figura 3. Confronto di sensibilità tra elettrodi bare e oro-nanoparticle modificati. (A) Sovrapposizione di voltammogrammi ciclici di microelettrodi a nanoparticelle dorate e dorate. (B). Grafico a barre che indica differenze nella corrente ossidativa di picco di microelettrodi nudi e oro. (C). Grafico a barre che mostra la differenza nell'EP sbarrato tra microelettrodi elettronici a nanoparticella nuda e oro. Le barre di errore sono un errore standard della media. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
come illustrato nella Figura 4. Esperimento di stabilità. (A) Imicroelettrodi oro modificato con nanoparticelle sono stati collocati in una cella di flusso per un totale di almeno 4 h. La loro sensibilità verso 1 dopamina M è stata misurata oltre 4 h. Entrambi hanno avuto una risposta uniforme alla dopamina oltre 4 h. Le barre di errore sono errore standard della media. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
come illustrato nella Figura 5. Esperimento della frequenzadi scansione . (A) I microelettrodi modificati in nanoparticelle d'oro e (B) sono stati collocati in una cella di flusso e il tasso di scansione variava da 100 V/s a 1.000 V/s. Entrambi i microelettrodi a nanoparticelle nude e d'oro avevano una risposta lineare rispetto al tasso di scansione, denotando così il controllo dell'adsorzio della dopamina alla superficie del microelettrodo in fibra di carbonio modificato nudo e nanoparticella d'oro. Le barre di errore sono un errore standard della media. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
come illustrato nella Figura 6. Esperimento di concentrazione. (A) Imicroelettrodi oro modificato con nanoparticelle sono stati esposti a varie concentrazioni di dopamina da 100 nM – 100 m. Entrambi i microelettrodi nudi e oro nanoparticella modificati hanno avuto una risposta lineare rispetto alla dopamina fino a 10 M, denotando così il controllo dell'adsorbizio alla superficie dell'elettrodo. A concentrazioni superiori a 10 M, osserviamo una curva asintotica, che è indicativa della saturazione della dopamina sulla superficie dell'elettrodo occupando tutti i siti di adsorbimento e con conseguente maggiore controllo della diffusione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

In questo studio, dimostriamo un nuovo metodo per costruire microelettrodi in fibra di carbonio modificati oro-nanoparticle per il rilevamento di neurotrasmettitori come la dopamina utilizzando la voltamemetria ciclica a scansione rapida. Il metodo è un approccio efficiente, verde e relativamente poco costoso per migliorare la sensibilità del rilevamento di biomolecole. Lo spessore dell'oro depositato sulla superficie della fibra di carbonio può essere controllato dal momento dell'elettrodeposizione e dalla concentrazione di oro presente nella soluzione di elettrodeposizione. I microelettrodi in fibra di carbonio modificati in oro hanno dimostrato di avere superfici elettroattive significativamente più elevate rispetto agli elettrodi nudi, oltre a retitele di trasferimento di elettroni più veloci. Avevano anche sensibilità più elevate e limiti inferiori di rilevamento rispetto ai materiali di elettrodi nudi non modificati. Inoltre, gli elettrodi hanno mostrato una stabilità verso il rilevamento della dopamina quando testati nella cella di flusso per almeno 4 h. C'è stata una risposta lineare rispetto alla corrente ossidativa di picco per il rilevamento della dopamina sia per quanto riguarda il tasso di scansione che la concentrazione per gli elettrodi in fibra di carbonio modificati in oro che denotano il controllo dell'adsorbizione sulla superficie dell'elettrodo.

I passaggi critici del protocollo includono la trazione dei microelettrodi in fibra di carbonio con l'emittente capillare verticale e l'adesione interfacciale tra il vetro capillare e la fibra di carbonio utilizzando la resina epossidica. Inoltre, l'elettrodeposizione dell'oro sulla superficie della fibra di carbonio è piuttosto difficile da mantenere un equilibrio tra avere un sottile rivestimento uniforme dell'oro sulla superficie dell'elettrodo e sovradepositare l'oro in eccesso sulla superficie del elettrodo, che ostacolerebbe il rilevamento del neurotrasmettitore attraverso il rumore e il sovraccarico del segnale. Le modifiche e la risoluzione dei problemi del metodo includono l'ottimizzazione del metodo di elettrodeposizione sia rispetto al tempo che alla concentrazione. Diverse fonti d'oro (AuCl3, HAuCl4e altri idrati d'oro) dovrebbero essere utilizzate per eseguire questi esperimenti. Limitazioni del metodo includono la possibilità che l'oro elettrodepositato sovraccarichi il segnale del potentiostat a causa di sovra-deposizione. Inoltre, come materiale elettrodo metallico, gli elettrodi modificati in oro potrebbero potenzialmente ossidare l'acqua durante la scansione a potenziali più elevati (oltre 1,45 V), che potrebbero interferire con il segnale di analita.

Il metodo è un notevole progresso nel campo in quanto i microelettrodi modificati in nanoparticelle d'oro migliorano significativamente il rilevamento dei neurotrasmettitori e non sono stati esaminati a fondo per il rilevamento dei neurotrasmettitori utilizzando FSCV. Un altro metodo per migliorare i segnali elettrochimici per i CMFE è attraverso la modifica con nanotubi di carbonio24,25,26. Gli elettrodi di rivestimento nelle sospensioni dei nanotubi di carbonio spesso aumentano il segnale. Tuttavia, il rumore è anche aumentato come lo strato di nanotubi di carbonio depositati è eterogeneo. La deposizione di nanoparticelle d'oro è un metodo rapido, riproducibile ed efficace per creare sensori di biomolecola migliorati. Lo sviluppo del metodo futuro includerà l'ottimizzazione della modifica delle nanoparticelle d'oro dei microelettrodi in fibra di carbonio che creeranno strati sottili e uniformi di oro sulla superficie sopra i microelettrodi in fibra di carbonio. Inoltre, lo studio e l'ottimizzazione del rilevamento di altre sostanze neurochimiche (norepinefrina, serotonina, istamina, adenosina, e altri) sarà anche effettuata. Infine, questi microelettrodi modificati in oro potenziati saranno utilizzati per eseguire misurazioni in vivo di neurotrasmettitori in modelli di roditore o mosca della frutta. Il miglioramento del rilevamento della dopamina attraverso la modifica delle nanoparticelle d'oro consente molte possibili applicazioni e studi nelle neuroscienze come lo studio del morbo di Parkinson, l'abuso di droghe e altri disturbi.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Ringraziamo l'American University, il Faculty Research Support Grant, la NASA DC Space Grant, e la 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

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Microelettrodi in fibra di carbonio modificati con nanoparticle d'oro per una migliore rilevazione neurochimica
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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).

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