Summary
В этом исследовании мы модифицировать углеродно-волокнисты с золотыми наночастицами для повышения чувствительности обнаружения нейромедиатора.
Abstract
На протяжении более 30 лет микроэлектроды углеродного волокна (CFMEs) были стандартом для обнаружения нейромедиатора. Как правило, углеродные волокна аспирируются в стеклянные капилляры, вытащил на тонкой конус, а затем запечатаны с помощью эпоксидной для создания электродных материалов, которые используются для быстрого сканирования циклического вольтамметрии тестирования. Использование голых CFMEs имеет ряд ограничений, однако. Прежде всего, углеродное волокно содержит в основном базальный углерод плоскости, который имеет относительно низкую площадь поверхности и дает более низкую чувствительность, чем другие наноматериалы. Кроме того, графитический углерод ограничен своим временным разрешением и относительно низкой проводимостью. Наконец, нейрохимические и макромолекулы, как известно, фол на поверхности углеродных электродов, где они образуют непроводящие полимеры, которые блокируют дальнейшее адсорбции нейромедиатора. Для этого исследования мы модифицируем CFMс с золотыми наночастицами для повышения нейрохимического тестирования с быстрой циклической вольтэмметрией. Au3 "был электродепозитили или окунулся из коллоидного раствора на поверхность CFMEs. Поскольку золото является стабильным и относительно инертным металлом, оно является идеальным электродным материалом для аналитических измерений нейрохимических веществ. Золото наночастицы модифицированные (AuNP-CFMEs) имели стабильность допамина ответ на протяжении более 4 ч. Кроме того, AuNP-CFMEs обладают повышенной чувствительностью (более высокий пик окислительного тока циклических вольтаммограмм) и более быстрыми кинетиками передачи электронов (нижнийEP или пиковое разделение), чем голые неизмененные CFMEs. Разработка AuNP-CFMEs предусматривает создание новых электрохимических датчиков для обнаружения быстрых изменений концентрации допамина и других нейрохимических веществ при более низких пределах обнаружения. Эта работа имеет огромное применение для повышения нейрохимических измерений. Поколение золотых наночастиц модифицированных CFMEs будет жизненно важное значение для разработки новых датчиков электродов для обнаружения нейротрансмиттеров in vivo у грызунов и других моделей для изучения нейрохимических эффектов злоупотребления наркотиками, депрессии, инсульта, ишемии, и других поведенческих и болезней государств.
Introduction
Углеродно-волокнисты хреноводов (CFMEs)1 лучше всего использовать в качестве биосенсоров для обнаружения окисления нескольких важнейших нейротрансмиттеров2, в том числе допамина3, норадреналина, серотонин5, аденозин6, гистамин7, и другие8. Биосовместимость и размер углеродных волокон делают их оптимальными для имплантации, так как по сравнению с более крупными стандартными электродами можно смягчить повреждения тканей. 9 CFMEs, как известно, обладают полезными электрохимическими свойствами и способны сделать быстрые измерения при использовании с быстрыми электрохимическими методами, чаще всего быстро сканировать циклическую вольтамметрию (FSCV)10,11. FSCV это метод, который сканирует прикладной потенциал быстро и обеспечивает конкретные циклические вольтаммограммы для конкретных анализов12,13. Большой зарядный ток, производимый при быстром сканировании, стабилен на углеродных волокнах и может быть вычитан фоном для получения специфических циклических вольтаммограмм.
Благодаря своей оптимальной электрохимии и нейробиологической важности, допамин был широко изучен. Катехоламин допамина является важным химическим посланником, который играет ключевую роль в контроле движения, памяти, познания и эмоций в нервной системе. Избыток или дефицит допамина может вызвать многочисленные неврологические и психологические вмешательства; среди них болезнь Паркинсона, шизофрения и аддиктивное поведение. Сегодня болезнь Паркинсона продолжает быть распространенным расстройством из-за дегенерации нейронов среднего мозга, участвующих в синтезе допамина14. Симптомы болезни Паркинсона включают тремор, медлительность движения, жесткость, и проблемы в поддержании баланса. С другой стороны, стимуляторы, такие как кокаин15 и амфетамин16,17 способствовать переполнению допамина. Злоупотребление наркотиками в конечном итоге заменяет регулярный поток допамина и условия мозга требуют избытка допамина, что в конечном итоге приводит к привыканию поведения.
В последние годы, был акцент на улучшение функциональности электрода в нейромедиатор обнаружения18. Наиболее распространенным методом повышения чувствительности электродов является покрытие поверхности волокна. Удивительно, но было проведено ограниченное исследование, сделанное по электродепозиции металлических наночастиц на углеродные волокна19. Благородные металлические наночастицы, такие как золото, могут быть электродепозитированы на поверхность волокна с другими функциональными материалами20. Например, увеличение области электроактивной поверхности для нейромедиатора адсорбции произойти. Электродепозитные металлические наночастицы образуются быстро, могут быть очищены, и придерживаться углеродного волокна. Электрохимия по-прежнему имеет важное значение как для осаждения благородных металлических наночастиц, так и для улучшения поверхности углеродных волокон, так как позволяет контролировать нуклеацию и рост этих наночастиц. Наконец, увеличение каталитических и проводящих характеристик, а также улучшение общественного транспорта являются одними из других преимуществ использования металлических наночастиц для электроанализа.
Продвинутый лабораторный курс последовательности Американского университета (Experimental Biological Chemistry I и II CHEM 471/671-472/672) представляет собой сочетание аналитических, физических и биохимических лабораторий. Первый семестр представляет собой обзор лабораторных методов. Второй семестр является студентом инициативе и привело исследовательский проект21. Для этих проектов студенты ранее изучили механизм биомолекулы, белка, пептида и аминокислотного синтеза золотых наночастиц22,23. В последнее время основное внимание уделялось формированию производства золотых наночастиц (AuNP) на поверхностях электродов и оценке влияния AuNPs на способность CFMEs обнаруживать нейротрансмиттеры. В настоящей работе, лаборатория применила этот метод, чтобы продемонстрировать, что чувствительность CFMEs в обнаружении допамина окисления повышается за счет электродепозиции AuNP на поверхность волокна. Каждый голый CFME характеризуется различной скоростью сканирования, стабильностью и концентрацией допамина при обнаружении допамина-оксидативных токов для измерения окисления допамина на поверхности CFME. Ау-3был затем электросточен до Au0 и одновременно электродепозитов на поверхность волокна, как наночастицы, а затем ряд экспериментов по характеристике. После прямого сравнения было установлено, что АУНП-CFMEs обладают более высокой чувствительностью к обнаружению допамина. Равномерное покрытие AuNP на поверхность волокна через электродепозицию делает более высокую электроактивную область поверхности; таким образом, увеличивая адсорбцию допамина на модифицированную поверхность электрода. Это привело к более высоким допамина окислительных токов. Потенциальное разделение дофаминового окисления и пиковсокращения (Е п) АУНП-CFMEs также было меньше, что свидетельствует о более быстром кинетике передачи электронов. Будущие работы этого исследования включает в себя in vivo тестирования как голые и AuNP-CFMEs для обнаружения допамина.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Строительство микроэлектродов из углеродного волокна
-
Подготовка углеродных волокон
- Для создания микроэлектродов из углеродного волокна сначала отделяют углеродные волокна (углеродное волокно, 7 мм в диаметре) один за другим, используя руки, перчатки и шпатель.
- Вытяните или дерните одно волокно из витой пряжи.
- Приспособите изолированное углеродное волокно в стеклянный капилляр (одноствольный боросиликатка капиллярного стекла без микрофильтра, 1,2 мм внешнего диаметра, 0,68 мм внутреннего диаметра).
- Создайте держатель электрода для электродов, разрезав кусок картона длиной около 10 см на 25 см в ширину.
- Потяните электроды с помощью вертикального капиллярного шкива.
- Откройте раздвижную дверь вертикального капиллярного шкива.
- Освободите и удалите металлический стержень держателя, вращая дрель-чак против часовой стрелки с достаточным пространством для вставки стеклянного капилляра.
- Вставьте стеклянный капилляр в держатель электрода. Поднимите стеклянный капилляр до верхней части вертикального капилляра вручную вручную.
- Затяните стеклянный капилляр с дрель-патроны по часовой стрелке, не нарушая или разрушая стеклянные капилляры.
- Отрегулируйте настройки Heater 1, Heater 2, а магнитные настройки производителю предложили уровни, чтобы вытащить стеклянные капилляры до тонкого конуса для электродных материалов.
- Нажмите красную кнопку старта, чтобы нагреть скручиваемую катушки, чтобы вытащить электроды с помощью давления, тяжести и нагрева.
- Пусть скручиваемые катушки остыть от его красного горячего состояния. Вырезать углеродное волокно с ножницами подключения двух вытащил электродов сверху вниз. Используйте метод сверла-патрона, чтобы удалить стеклянный капилляр из вертикального капиллярного шкива, скручивая в против часовой стрелке направлении.
2. Подготовка микроэлектрода из углерода и волокна
- Под стереоскопом или микроскопом вырежьте углеродное волокно, выступающее с поверхности стеклянного капилляра хирургическими ножницами или острым лезвием бритвы, примерно до 100-150 мкм в длину.
- Приготовьте раствор эпоксидной смолы, смешивая 10 г эпоксидной смолы с 0,2 мл затвердевшей в флаконе 25 мл с помощью ватного тампона.
- Опустите только кончик каждого электрода в эпоксидную и затвердевательную раствор примерно на 15 с.
- Dip вышеупомянутой верхней части микроэлектрода углеродного волокна в ацетон примерно на 3 с, чтобы смыть излишки эпоксидной смолы из ствола микроэлектрода углеродного волокна.
3. Электродепозиция
- Поместите рабочий электрод (микроэлектрод из углеродного волокна) в раствор 0,5 мМ HAuCl4 в дополнение к эталону электрода, серебряно-серебряного хлорида (Ag/AgCl) с помощью микроманипулятора.
- Соедините рабочий электрод и эталонный электрод к потентиостату и хедстейру.
- Откройте программное обеспечение КООН HDCV. Измените настройки программного обеспечения для применения формы волны. Введите следующую форму волны в настройках компьютера: сканирование от 0,2 В до 1,0 V в 0,1 M KCl раствор, содержащий 0,5 мМ HAuCl4 при скорости сканирования 50 мВ/с в течение 10 циклов. Нажмите на зеленую стрелку, чтобы применить форму волны. Затем нажмите кнопку "Пуск", чтобы начать запись измерений.
4. Сканирование электронной микроскопии
ПРИМЕЧАНИЕ: Изображение голые и золотые наночастицы модифицированных микроэлектродов углеродного волокна с помощью инструмента сканирования электронной микроскопии (SEM). Загрузите образец на черную проводящих ленту и следуя инструкциям производителя.
-
Включение инструмента
- Поверните ключ к СНВ и отпустите.
- Откройте программное обеспечение InTouchScope, дважды нажав на него.
- Отпустите ключ. Он должен приземлиться на символ I сам по себе.
- Подождите, пока кнопка EVAC перестанет мигать.
- Как только кнопка EVAC перестанет мигать, нажмите кнопку VENT.
- Подождите, пока кнопка VENT перестанет мигать.
- Убедитесь, что рабочая дистанция (WD) находится на уровне 20 мм - 30 мм.
- Во время ожидания подготовьте образец (ы).
-
Сканирования
- Как только кнопка VENT перестает мигать, загрузите образец (ы) в инструмент.
- Убедитесь, что изогнутая часть держателя образца указывается на инструмент при загрузке образца (ы).
- Нажмите кнопку EVAC после загрузки образца(ы).
- Отрегулируйте рабочее расстояние до 10 мм.
- Как только кнопка EVAC перестанет мигать, включите компьютер.
- Нажмите на программное обеспечение In Touch Scope, расположенное на рабочем столе. Есть два в Touch Scope программного обеспечения, нажмите на один без зеленого и желтого круга.
- Как только программное обеспечение открывается, нажмите на OBSERVE (вверху справа от экрана), чтобы включить луч. Убедитесь, что кнопка EVAC перестала мигать перед нажатием на OBSERVE.
- Начните анализ образца (ы).
- Убедитесь, что настройки напряжения, рабочего расстояния (WD) и зонда (PC) являются приемлемыми.
- Увеличьте масштаб (50 X) для более высокой настройки и увеличиваем для более низкой настройки.
- Установите рабочую дистанцию в 10 мм.
- Прежде чем сфотографировать образец (ы), убедитесь, что изображение будет сохранено в папку желаемого назначения.
- Чтобы выбрать нужную папку, нажмите на настройки (вверху слева от экрана).
- Экспорт фотографий с компьютера с помощью флэш-накопителя.
-
Отключение
- Нажмите на OBSERVE, чтобы выключить луч.
- Нажмите кнопку VENT и подождите, пока она перестанет мигать.
- В ожидании кнопки VENT, чтобы остановить мигает, настроить рабочее расстояние обратно до 20 мм - 30 мм.
- Как только кнопка VENT перестает мигать, выгрузите образец (ы) с инструмента.
- Нажмите кнопку EVAC и подождите, пока она перестанет мигать.
- Как только кнопка EVAC перестает мигать, выйдите из программного обеспечения и выключите компьютер.
- Поверните ключ к символу O, чтобы полностью выключить инструмент.
5. Быстрое сканирование циклического тестирования вольтамметрии
- Соедините микроэлектрод из углеродного волокна к потентиостату и хедстейру вместе с эталонным электродом Ag/AgCl.
- Используя микроманипулятор, опустите микроэлектрод углеродного волокна в ячейку потока, вручную регулируя ручки измерения X, Y и No.
- Подготовка буферного раствора в воде DI (131,5 мм NaCl, 3,25 мм KCl, 1,2 мм CaCl2, 1,25 мм2PO4, 1,2 мм MgCl2, и 2,0 мм Na2SO4 с pH скорректированы до 7,4).
- Заполните ячейку потока фосфатным буфером сольников (PBS) (pH 7.4).
- Используя заполненный 60 мл буферного шприца, введите буфер PBS в ячейку потока примерно на 1 мл/мин.
- Поместите электрод в ячейку потока и нанесите форму волны, нажав зеленую кнопку. Наблюдайте за осциллоскопом и либо режьте электрод, либо отрегулируйте выигрыш, чтобы предотвратить перегрузку. Разрешить в течение примерно 10 минут равновесия между каждым электрод перспективе.
- Установите форму волны по умолчанию на форму допамина. Сканирование от - 0,4 V до 1,3 V при 10 Гц и 400 В/с.
- Подготовка бульона раствор 10 мм допамина, серотонина, норадреналина и других в перхлорной кислоте. Разбавить нейрохимические вещества до конечной концентрации 1 мкм в буфере путем пайпетирования 1 мкм раствора допамина в 10 мл буфера PBS с помощью пипетки.
- Чтобы начать измерения, нажмите кнопку записи. После 10 с, вводят 0,2 мл 1 мМ допамина в клетку потока или любой другой концентрации нейромедиатора. Отрегулируйте концентрацию, скорость сканирования, форму волны (удержание потенциала или потенциал переключения) соответственно. Установите общее время выполнения для 30 s.
- Проанализируйте пробег с помощью программного обеспечения анализа HDCV. Изменение параметров по мере необходимости.
- После завершения эксперимента очистите ячейку потока, вводя 3 мл воды, а затем воздух в буфер и инъекционные порты ячейки потока три раза каждый.
- Выключите форму волны и инструмент.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Для рисунка 1, мы показываем схему, где FSCV тестирование используется для измерения концентрации нейротрансмиттеров в пробирке. Рисунок 1 отображает форму допамина волны применяется. Сканирование формы треугольника от -0,4 В до 1,3 В при 400 В/с. Во второй части фигуры слева, он отображает окисление допамина допамина-орто-хинона (ДОЗ), два процесса передачи электрона происходит от поверхности analyte к поверхности электрода. Наконец, текущий против времени сюжет накладывается с цветом сюжета. Текущий и временный участок представляет собой представление окисления допамина. Это плоская, когда нет окисления допамина, и он поднимается вертикально, когда допамин окисляется допамина-ортохинона и сводится обратно вниз допамина, как аналитик адсорб, а затем, desorbs от поверхности электрода. Цветной сюжет представляет собой трехмерный сюжет тока. в желтом токе является фоновый ток (близко к нулю), в то время как зеленый участок является положительным током окисления (допамин окисления допамина ортохинон), и синий участок отрицательного сокращения тока (допамин ортохинон сокращение допамина).
SEM был использован для изображения поверхностных особенностей голых и модифицированных углеродных электродов. На рисунке 2мы видим уникальную разницу в особенностях поверхности между тремя различными типами электродных материалов. На рисунке 2aпоказан микроэлектрод голого углеродного волокна. Диаметр волокна составляет около 7 мкм с цилиндрическими хребтами вдоль экстерьера. На рисунке 2b показаны золотые наночастицы, наклеенные на поверхность углеродного волокна в течение примерно 20 минут с большим острым гребнем золота, выступающим с поверхности углеродного волокна. Наличие золота было дополнительно проверено с помощью измерений EDS/EDX. Затем мы сократили время электродепозиции до 5 мин, где мы наблюдали тонкое равномерное покрытие золота, как показано на рисунке 2c.
Сравнение чувствительности и передачи электронов
Рисунок 3а показывает сравнение чувствительности и передачи электронов. Как показано на перекрывающихся циклических voltammograms, золотистые микроэлектроды углеродного волокна имеют значительно более высокие пиковые окислительные токи(рисунок 3b) и более быстрые кинетики передачи электронов (яEP). Значение было измерено с непарной t-тест (P 0.004 и .0016, соответственно). Бары ошибок являются стандартной ошибкой среднего значения.
Стабильности
Голые(рисунок 4а)и золотые наночастицы модифицированные (рисунок4b) CFMEs были помещены в ячейку потока для 4 ч. Измерения были приняты для обнаружения 1 ММ допамина каждый час более 4 ч. Оба электрода имели стабильную реакцию по отношению к допамина. Стабильная реакция на дофамин (без окисления воды) имеет решающее значение для проведения измерений в биологических тканях. Бары ошибок являются стандартной ошибкой среднего значения.
Скорость сканирования
Скорость сканирования варьировалась от 100 В/с до 1000 В/с. Оба голые (Рисунок 5a) и золотые наночастицы (Рисунок5b) модифицированные электроды показали линейную реакцию в отношении обнаружения допамина, поэтому, указывая на управление адсорбцией на поверхность голых и золотых наночастиц, модифицированных микроэлектрод. Бары ошибок являются стандартной ошибкой среднего значения.
Концентрации
Концентрация была варьироваться от 100 нМ до 100 мм допамина для голых(рисунок 6a) и золота наночастицы изменены (Рисунок6b) углеродного волокна микроэлектродов. Линейный диапазон был от 100 нМ до 10 мкм. После 10 км. мы наблюдаем асимптотическую кривую, обозначающего, что допамин перенасыщен на поверхности микроэлектрода углеродного волокна. Линейный ответ на пикового тока окисления допамина в отношении концентрации допамина обозначает контроль адсорбции на поверхность электрода. Физиологически соответствующие концентрации допамина в головном мозге находятся в пределах этого диапазона и варьируются между областями мозга.
Рисунок 1. Схема окисления допамина. Наложение углеродного волокна микроэлектродов окисления допамина. Передача заряда показана с поверхности, как допамин окисляется допамина-ортохинона и обратно в допамина, как треугольник допамина волновой формы применяется (-0,4 В до 1,3 В на 400 V /s). Текущий против времени и цвет участки показаны обозначающие окисление допамина (зеленый) и допамина сокращения (синий). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2. SEM изображения (а) голые углеродного волокна микроэлектрода, b) золото-наночастицы модифицированных микроэлектродов углеродного волокна с 20 мин электродного осаждения времени, и (с) золото-наночастицы модифицированных микроэлектродов с 5-мин электродного осаждения времени. Это является доказательством принципиальных результатов, что размер и толщина золотых наночастиц покрытия могут контролироваться время электродепозиции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3. Сравнение чувствительности голых и золотистых наночастиц модифицированных электродов. (A) Наложение циклических вольтаммограмм голых и золотых наночастиц модифицированных микроэлектродов. (B), Бар график, обозначающий различия в пикового окислительного тока голых и золотых наночастиц модифицированных микроэлектродов. (C). График бара, показывающий разницу вEP между голыми и золотыми наночастицами модифицированных микроэлектродов. Бары ошибок являются стандартной ошибкой среднего значения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4. Эксперимент по стабильности. (A) Голые и (( B) золотые наночастицы модифицированные микроэлектроды были помещены в ячейку потока в общей сложности не менее 4 ч. Их чувствительность к 1 мМ допамина была измерена более 4 ч. Оба имели единый ответ на допамина более 4 ч. Ошибка баров являются стандартной ошибкой среднего. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5. Эксперимент скорости сканирования. (A) Голые и (( B) золотые наночастицы модифицированные микроэлектроды были помещены в ячейку потока, и скорость сканирования была изменена от 100 В/с до 1000 В/с. Как голые, так и золотые наночастицы модифицированных микроэлектродов имели линейный ответ в отношении скорости сканирования, тем самым обозначая контроль адсорбции допамина на поверхность голого и золотого наночастицы, модифицированного микроэлектрода углеродного волокна. Бары ошибок являются стандартной ошибкой среднего значения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6. Концентрационный эксперимент. (A) Голые и (( B) золотые наночастицы модифицированные микроэлектроды подверглись воздействию различных концентраций допамина 100 нм - 100 мкм. Как голые, так и золотые наночастицы модифицированных микроэлектродов имели линейный ответ в отношении дофамина до 10 мкм, тем самым обозначая контроль адсорбции на поверхность электрода. При концентрациях выше 10 мкм мы наблюдаем асимптотическую кривую, которая свидетельствует о насыщении дофамина на поверхности электрода, занимая все места адсорбции и приводя к более диффузионному контролю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании мы демонстрируем новый метод построения золотисто-наночастиц ы модифицированных микроэлектродов углеродного волокна для обнаружения нейротрансмиттеров, таких как допамин с помощью быстрой циклической вулканической вольтамметрии. Этот метод является эффективным, зеленым и относительно недорогим подходом к повышению чувствительности обнаружения биомолекул. Толщина золота, отложенного на поверхность углеродного волокна, может контролироваться к моменту электродепозиции и концентрации золота, присутствующее в растворе электродепозиции. Золото модифицированных углеродного волокна микроэлектродов было показано, что значительно выше электроактивных площадей поверхности, чем голые электроды в дополнение к более быстрой кинетики передачи электронов. Они также имели более высокую чувствительность и более низкие пределы обнаружения, чем голые неизмененные электродные материалы. Кроме того, электроды показали стабильность к обнаружению допамина при тестировании в клетке потока, по крайней мере 4 ч. Был линейный ответ в отношении пикового окислительного тока для обнаружения допамина в отношении скорости сканирования и концентрации для золотых модифицированных электродов углеродного волокна, обозначающих контроль адсорбции на поверхность электрода.
Критические шаги в протоколе включают вытягивание микроэлектродов углеродного волокна с вертикальным капиллярным тягачом и достижение межлицевой адгезии между стеклянным капилляром и углеродным волокном с использованием эпоксидной смолы. Кроме того, электродепозиция золота на поверхность углеродного волокна является довольно сложной задачей, чтобы поддерживать баланс между наличием тонкого равномерного покрытия золота на поверхности электрода и чрезмерной сдачи избыточного золота на поверхность электрод, который будет препятствовать обнаружению нейромедиатора через шум и перегрузку сигнала. Модификации и устранение неполадок метод включают оптимизацию метода электродепозиции как по времени, так и по концентрации. Для проведения этихэкспериментов следует использовать различные источники золота (AuCl 3, HAuCl4и другие золотые гидраты). Ограничения метода включают возможность электрозагрузочного золота перегрузки сигнала потентиоста из-за переосаждения. Кроме того, как металлический электрод, золотые модифицированные электроды потенциально могут окислять воду при сканировании более высоких потенциалов (более 1,45 В), что может помешать анализу сигнала.
Метод является заметным прогрессом в этой области, как золото наночастицы модифицированных микроэлектродов значительно повысить обнаружение нейромедиатора и не были тщательно изучены для обнаружения нейромедиатора с помощью FSCV. Другой метод повышения электрохимических сигналов для CMFEs через модификацию с углеродными нанотрубками24,25,26. Dipcoating электродов в углеродных нанотрубки подвески часто увеличивает сигнал. Тем не менее, шум также увеличивается, так как слой отложенных углеродных нанотрубок неоднороден. Золотое осаждение наночастиц является быстрым, воспроизводимым и эффективным методом создания расширенных датчиков биомолекулы. Разработка будущего метода будет включать в себя оптимизацию золотистого наночастиц модификации микроэлектродов углеродного волокна, создав тонкие, однородные слои золота над поверхностью над микроэлектродами углеродного волокна. Кроме того, будет проведено исследование и оптимизация выявления других нейрохимических веществ (норадреналина, серотонина, гистамина, аденозина и др.). Наконец, эти усовершенствованные золотистые микроэлектроды будут использоваться для выполнения виво-измерений нейротрансмиттеров в моделях грызунов или плодовых мух. Улучшение обнаружения допамина с помощью изменения золотых наночастиц позволяет для многих возможных приложений и исследований в нейронауки, такие как изучение болезни Паркинсона, злоупотребление наркотиками, и другие расстройства.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить Американский университет, Грант поддержки исследований факультета, космический грант НАСА DC, и 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 |
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).
