Microelettrodi in fibra di carbonio modificati con nanoparticle d'oro per una migliore rilevazione neurochimica
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.
Protocol
Representative Results
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 concentraz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo l’American University, il Faculty Research Support Grant, la NASA DC Space Grant, e la 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).
