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Chemistry

बढ़ी न्यूरोकेमिकल जांच के लिए गोल्ड नैनोकण संशोधित कार्बन फाइबर Microelectrodes

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

इस अध्ययन में, हम सोने नैनोकणों के साथ कार्बन फाइबर microelectrodes संशोधित न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए.

Abstract

30 से अधिक वर्षों के लिए, कार्बन फाइबर microelectrodes (CFMEs) न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने के लिए मानक किया गया है. आम तौर पर, कार्बन फाइबर कांच केशिकाओं में aspirated हैं, एक ठीक टेपर करने के लिए खींच लिया, और फिर एक epoxy का उपयोग करने के लिए इलेक्ट्रोड सामग्री है कि तेजी से स्कैन चक्रीय voltamtry परीक्षण के लिए उपयोग किया जाता है बनाने के लिए सील. नंगे CFMEs के उपयोग के कई सीमाएं हैं, हालांकि. और सबसे पहले, कार्बन फाइबर ज्यादातर बेसल विमान कार्बन, जो एक अपेक्षाकृत कम सतह क्षेत्र है और अन्य नैनो सामग्री की तुलना में कम संवेदनशीलता पैदावार शामिल हैं. इसके अलावा, ग्रेफाइटिक कार्बन अपने लौकिक संकल्प द्वारा सीमित है, और इसकी अपेक्षाकृत कम चालकता. अंत में, neurochemicals और मैक्रो अणुओं कार्बन इलेक्ट्रोड की सतह पर बेईमानी करने के लिए जाना जाता है, जहां वे गैर चालक बहुलक है कि आगे न्यूरोट्रांसमीटर अधिशोषण ब्लॉक फार्म. इस अध्ययन के लिए, हम तेजी से स्कैन चक्रीय voltammetry के साथ neurochemical परीक्षण को बढ़ाने के लिए सोने नैनोकणों के साथ CFMEs संशोधित। Au3 + विद्युत जमा या CFMEs की सतह पर एक कोलाइडयन समाधान से dipcoated था. चूंकि सोना एक स्थिर और अपेक्षाकृत अक्रिय धातु है, यह neurochemicals की विश्लेषणात्मक माप के लिए एक आदर्श इलेक्ट्रोड सामग्री है. गोल्ड नैनोकण संशोधित (AuNP-CFMEs) 4 एच से अधिक के लिए डोपामाइन प्रतिक्रिया करने के लिए एक स्थिरता थी। इसके अलावा, AuNP-CFMEs एक वृद्धि हुई संवेदनशीलता (चक्रीय voltammograms के उच्च शिखर ऑक्सीडेटिव वर्तमान) और तेजी से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण गतिज (कमजेड ईपी या चोटी जुदाई) नंगे असंशोधित CFMEs की तुलना में प्रदर्शन. AuNP-CFMEs के विकास का पता लगाने की कम सीमा पर डोपामाइन एकाग्रता और अन्य neurochemicals में तेजी से परिवर्तन का पता लगाने के लिए उपन्यास इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के निर्माण प्रदान करता है. यह काम neurochemical माप की वृद्धि के लिए विशाल अनुप्रयोगों है. सोने नैनोकण संशोधित CFMEs की पीढ़ी के लिए महत्वपूर्ण हो जाएगा उपन्यास इलेक्ट्रोड सेंसर के विकास के लिए कृंतक और अन्य मॉडलों में विवो में न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने के लिए नशीली दवाओं के दुरुपयोग के neurochemical प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, अवसाद, स्ट्रोक, ischemia, और अन्य व्यवहार और रोग राज्यों.

Introduction

कार्बन फाइबर microelectrodes (CFMEs)1 सबसे अच्छा biosensors के रूप में उपयोग किया जाता है कई महत्वपूर्ण न्यूरोट्रांसमीटरकेऑक्सीकरण का पता लगाने के लिए 2 , डोपामाइन सहित3, norepinephrine4, सेरोटोनिन5, एडेनोसाइन6, हिस्टामाइन7, और अन्य8. जैव असंगति और कार्बन फाइबर के आकार उन्हें प्रत्यारोपण के लिए इष्टतम बनाने के रूप में वहाँ बड़ा मानक इलेक्ट्रोड की तुलना में ऊतक क्षति को कम है. 9 CFMEs उपयोगी इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों के अधिकारी के लिए जाना जाता है और जल्दी माप बनाने में सक्षम हैं जब तेजी से विद्युत रासायनिक तकनीकों के साथ प्रयोग किया जाता है, सबसे अधिक तेजी से स्कैन चक्रीय वोल्टेमिति (FSCV)10,11. एफएससीवी एक तकनीक है जो लागू क्षमता को तेजी से स्कैन करती है और विशिष्ट एनालाइट्स12,13के लिए एक विशिष्ट चक्रीय वोल्टाम्मोग्राम प्रदान करती है . तेजी से स्कैनिंग द्वारा उत्पादित बड़े चार्ज वर्तमान कार्बन फाइबर पर स्थिर है और पृष्ठभूमि हो सकता है विशिष्ट चक्रीय voltammograms का उत्पादन करने के लिए subtracted.

इसके इष्टतम विद्युत रसायन और neurobiological महत्व के कारण, डोपामाइन व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है. catecholamine डोपामाइन एक आवश्यक रासायनिक दूत है कि आंदोलन के नियंत्रण में एक निर्णायक भूमिका निभाता है, स्मृति, अनुभूति, और तंत्रिका तंत्र के भीतर भावना. डोपामाइन की एक अधिशेष या कमी कई स्नायविक और मनोवैज्ञानिक हस्तक्षेप पैदा कर सकता है; इनमें पार्किंसंस रोग, एक प्रकार का पागलपन, और नशे की लत व्यवहार कर रहे हैं. आज, पार्किंसंस रोग डोपामाइन संश्लेषण में शामिल midbrain न्यूरॉन्स के अध: पतन के कारण एक प्रचलित विकार होना जारीहै 14. पार्किंसंस रोग के लक्षणों में कंपन, आंदोलन की सुस्ती, कठोरता, और संतुलन बनाए रखने में समस्याएं शामिल हैं। दूसरी ओर, कोकीन15 और एम्फ़ैटेमिन16,17 जैसे उत्तेजक डोपामाइन के अतिप्रवाह को बढ़ावा देते हैं। नशीली दवाओं के दुरुपयोग अंततः डोपामाइन और शर्तों मस्तिष्क के नियमित प्रवाह के विकल्प डोपामाइन के एक अधिशेष की आवश्यकता होती है, जो अंततः नशे की लत व्यवहार की ओर जाता है.

हाल के वर्षों में, न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने में इलेक्ट्रोड कार्यक्षमता में सुधार लाने पर जोर दिया गया है18. इलेक्ट्रोड संवेदनशीलता को बढ़ाने का सबसे व्यापक तरीका फाइबर सतह कोटिंग द्वारा है. हैरानी की बात है, वहाँ कार्बन फाइबर19पर धातु नैनोकण इलेक्ट्रोडेशन पर सीमित अनुसंधान किया गया है. इस तरह के सोने के रूप में नोबल धातु-nanoparticles, अन्य कार्यात्मक सामग्री20के साथ फाइबर सतह पर electrodeposited किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, होने के लिए न्यूरोट्रांसमीटर अधिशोषण के लिए इलेक्ट्रोएक्टिव सतह क्षेत्र में वृद्धि. इलेक्ट्रोजमान धातु नैनोकणों तेजी से फार्म, शुद्ध किया जा सकता है, और कार्बन फाइबर का पालन करें। इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री महान धातु नैनोकणों और कार्बन फाइबर की सतह वृद्धि दोनों के जमाव के लिए महत्वपूर्ण हो रहा है, क्योंकि यह इन नैनोकणों के नाभिकन और विकास के नियंत्रण के लिए अनुमति देता है। अंत में, वृद्धि हुई उत्प्रेरक और प्रवाहकीय विशेषताओं, और बेहतर बड़े पैमाने पर परिवहन विद्युत विश्लेषण के लिए धातु नैनोकणों का उपयोग करने के अन्य लाभों में से एक हैं।

अमेरिकी विश्वविद्यालय के उन्नत प्रयोगशाला अनुक्रम पाठ्यक्रम (प्रयोगात्मक जैविक रसायन विज्ञान मैं और द्वितीय CHEM 471/671-472/672) विश्लेषणात्मक, शारीरिक, और जैव रसायन प्रयोगशालाओं का एक संयोजन है। पहले सेमेस्टर प्रयोगशाला तकनीकों का अवलोकन है. दूसरे सेमेस्टर एक छात्र संचालित और नेतृत्व अनुसंधान परियोजना21है. इन परियोजनाओं के लिए, छात्रों को पहले जैव अणु, प्रोटीन, पेप्टाइड, और एमिनो एसिड के तंत्र की जांच की है सोने नैनोकणों के सुविधाजनक संश्लेषण22,23. अधिक हाल ही में काम इलेक्ट्रोड सतहों पर सोने नैनोकण (AuNP) उत्पादन के गठन और न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने के लिए CFMEs की क्षमता पर AuNPs प्रभाव के मूल्यांकन पर ध्यान केंद्रित किया है. वर्तमान कार्य में, प्रयोगशाला इस तकनीक को प्रदर्शित करने के लिए लागू किया गया है कि डोपामाइन ऑक्सीकरण का पता लगाने में CFMEs की संवेदनशीलता फाइबर सतह पर AuNP के इलेक्ट्रोडस्थिति के माध्यम से बढ़ाया है. प्रत्येक नंगे CFME अलग स्कैन दर, स्थिरता और डोपामाइन-संकेंद्रण जब डोपामाइन ऑक्सीडेटिव धाराओं का पता लगाने CFME की सतह पर डोपामाइन ऑक्सीकरण को मापने के द्वारा विशेषता है. Au3 + तो Au0 के लिए विद्युत और समवर्ती नैनोकणों के रूप में फाइबर सतह पर electrodeposited, विशेषता प्रयोगों की एक श्रृंखला के बाद किया गया था. एक सीधा तुलना के बाद, AuNP-CFMEs डोपामाइन का पता लगाने के उच्च संवेदनशीलता के अधिकारी पाया गया. इलेक्ट्रोडपोजिशन के माध्यम से फाइबर सतह पर AuNP की वर्दी कोटिंग एक उच्च विद्युत सक्रिय सतह क्षेत्र renders; इस प्रकार, संशोधित इलेक्ट्रोड सतह पर डोपामाइन के अधिशोषण में वृद्धि. यह उच्च डोपामाइन ऑक्सीडेटिव धाराओं के लिए नेतृत्व किया. आउएनपी-सीएफएमई के डोपामाइन ऑक्सीकरण और न्यूनीकरण चोटियों (़ेच) का संभावित पृथक्करण भी छोटा था, जो तीव्र इलेक्ट्रॉन अंतरण गतिकी का सुझाव देते थे। इस अध्ययन के भविष्य के काम करता है डोपामाइन का पता लगाने के लिए दोनों नंगे और AuNP-CFMEs के vivo परीक्षण में शामिल हैं.

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Protocol

1. कार्बन फाइबर microelectrodes का निर्माण

  1. कार्बन फाइबर की तैयारी
    1. कार्बन फाइबर microelectrodes बनाने के लिए, पहले कार्बन फाइबर अलग (कार्बन फाइबर, 7 व्यास में मिमी) एक हाथ का उपयोग कर एक के बाद एक, दस्ताने, और spatula.
    2. मुड़ यार्न से एक फाइबर खींचना या हांक।
    3. एक कांच केशिका (माइक्रोफिलामेंट के बिना एकल बैरल बोरोसिलिकेट केशिका कांच, 1.2 मिमी बाहरी व्यास, 0.68 मिमी आंतरिक व्यास) में एक अलग कार्बन फाइबर aspirate।
    4. चौड़ाई में 25 सेमी से लंबाई में लगभग 10 सेमी है जो कार्डबोर्ड का एक टुकड़ा काटने से इलेक्ट्रोड के लिए एक इलेक्ट्रोड धारक बनाएँ।
  2. एक ऊर्ध्वाधर केशिका खींचने का उपयोग कर इलेक्ट्रोड खींचो.
  3. ऊर्ध्वाधर केशिका खींचने के स्लाइडिंग दरवाजा खोलें।
  4. कांच केशिका डालने के लिए पर्याप्त स्थान के साथ ड्रिल-चॉक counterclockwise घूर्णन द्वारा, ढीला और धातु धारक रॉड को हटा दें।
  5. इलेक्ट्रोड धारक में कांच केशिका डालें। हाथ से मैन्युअल रूप से ऊर्ध्वाधर केशिका के शीर्ष करने के लिए कांच केशिका उठाएँ।
  6. कांच केशिकाओं को तोड़ने या तोड़ने के बिना ड्रिल-चक ों दक्षिणावर्त के साथ कांच केशिका को कसें।
  7. हीटर समायोजित करें 1, हीटर 2, और चुंबक सेटिंग्स निर्माता के लिए कांच केशिकाओं इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए एक ठीक टेपर करने के लिए कांच केशिकाओं खींचने के लिए स्तर का सुझाव दिया।
  8. दबाव, गुरुत्वाकर्षण, और हीटिंग के माध्यम से इलेक्ट्रोड खींचने के लिए coiled कुंडली गर्मी करने के लिए लाल शुरू बटन दबाएँ।
  9. कुंडलीदार कुंडली को अपनी लाल गर्म अवस्था से ठंडा होने दें। ऊपर से नीचे तक खींचे गए इलेक्ट्रोड को जोड़ने वाली कैंची से कार्बन फाइबर को काटें। काउंटर दक्षिणावर्त दिशा में घुमा द्वारा ऊर्ध्वाधर केशिका पुलर से कांच केशिका को दूर करने के लिए ड्रिल-चक विधि का उपयोग करें।

2. कार्बन-फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोड तैयारी

  1. स्टीरियोस्कोप या माइक्रोस्कोप के तहत, सर्जिकल कैंची या एक तेज रेजर ब्लेड के साथ कांच केकेश की सतह से बाहर निकलते हुए कार्बन फाइबर को लगभग 100 -150 डिग्री लंबाई में काट लें।
  2. एक कपास झाड़ू का उपयोग कर एक 25 एमएल शीशी में hardener के 0.2 एमएल के साथ epoxy के 10 ग्राम एपॉक्सी के एक समाधान तैयार करें।
  3. लगभग के लिए एपॉक्सी और हार्डनर समाधान में प्रत्येक इलेक्ट्रोड की केवल टिप डुबकी 15 s.
  4. लगभग 3 s के लिए एसीटोन में कार्बन फाइबर microelectrode के ऊपर उल्लिखित शीर्ष डुबकी दूर कार्बन फाइबर microelectrode के बैरल से किसी भी अतिरिक्त epoxy धोने के लिए.

3. इलेक्ट्रोडेपोजिशन

  1. माइक्रोमैनिप्युलेटर का उपयोग करते हुए संदर्भ इलेक्ट्रोड, सिल्वर-सिल्वर क्लोराइड (एजी/एजीसीएल) के अलावा 0.5 एमएम एचएयूसीएल4 के विलयन में कार्यशील इलेक्ट्रोड (कार्बन-फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोड) रखें।
  2. काम कर इलेक्ट्रोड और संदर्भ इलेक्ट्रोड potentiostat और headstage करने के लिए कनेक्ट करें।
  3. UNC HDCV सॉफ़्टवेयर खोलें. तरंग को लागू करने के लिए सॉफ्टवेयर पर सेटिंग्स बदलें. कंप्यूटर सेटिंग्स में निम्न तरंग दर्ज करें: 0.2 ट से $1.0 ट में 0.1 M KCl समाधान में 0.5 M HAuCl4 को 10 चक्रों के लिए 50 mV/s की स्कैन दर पर स्कैन करें। तरंग को लागू करने के लिए हरे तीर दबाएँ. फिर, माप की रिकॉर्डिंग शुरू करने के लिए प्रारंभ बटन दबाएँ.

4. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

नोट: छवि नंगे और सोने नैनोकण संशोधित कार्बन फाइबर microelectrodes स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी साधन (SEM) का उपयोग कर। काले प्रवाहकीय टेप पर नमूना लोड और निर्माता का पालन निर्देशों का वर्णन किया.

  1. उपकरण पर टर्निंग
    1. प्रारंभ करें और जारी करने के लिए कुंजी मुड़ें.
    2. इसे डबल क्लिक करके InTouchScope सॉफ्टवेयर खोलें.
    3. कुंजी छोड़ें. यह अपने दम पर मैं प्रतीक पर भूमि चाहिए.
    4. पलक को रोकने के लिए EVAC बटन के लिए प्रतीक्षा करें।
    5. EVAC बटन ब्लिंक करना बंद कर देता है एक बार, वेंट बटन दबाएँ।
    6. ब्लिंकिंग रोकने के लिए वेंट बटन की प्रतीक्षा करें.
    7. सुनिश्चित करें कि काम की दूरी (WD) पर है 20 मिमी - 30 मिमी.
    8. प्रतीक्षा करते समय, नमूना (ओं) तैयार करें।
  2. स्कैनिंग
    1. वेंट बटन निमिष बंद हो जाता है एक बार, साधन में नमूना (ओं) लोड.
    2. सुनिश्चित करें कि नमूना धारक के घुमावदार भाग नमूना (ओं) लोड करते समय साधन की ओर इशारा किया है।
    3. नमूना (ओं) लोड किया गया है एक बार EVAC बटन दबाएँ.
    4. 10 मिमी करने के लिए काम की दूरी समायोजित करें।
    5. EVAC बटन ब्लिंक करना बंद कर देता है एक बार, कंप्यूटर पर चालू करें।
    6. डेस्कटॉप पर स्थित इन टच स्कोप सॉफ़्टवेयर पर क्लिक करें. टच स्कोप सॉफ्टवेयर में दो हैं, हरे और पीले रंग के चक्र के बिना एक पर क्लिक करें.
    7. एक बार सॉफ्टवेयर खुल जाता है, बीम पर बारी करने के लिए OBSERVE (स्क्रीन के ऊपर सही) पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि EVAC बटन OBSERVE पर क्लिक करने से पहले पलक बंद कर दिया है.
    8. नमूने (ओं) का विश्लेषण शुरू करें।
    9. सुनिश्चित करें कि वोल्टेज, कार्य दूरी (WD) और जांच वर्तमान (पीसी) सेटिंग्स स्वीकार्य हैं.
    10. एक उच्च सेटिंग के लिए बाहर ज़ूम ($50X) और एक कम सेटिंग के लिए ज़ूम में।
    11. 10 मिमी पर काम की दूरी निर्धारित करें.
    12. नमूना (ओं) की एक तस्वीर लेने से पहले, सुनिश्चित करें कि चित्र वांछित गंतव्य फ़ोल्डर में सहेजा जाएगा।
    13. वांछित फ़ोल्डर चुनने के लिए, सेटिंग्स (स्क्रीन के ऊपर छोड़ दिया) पर क्लिक करें.
    14. एक फ्लैश ड्राइव के माध्यम से कंप्यूटर से चित्रों को निर्यात.
  3. बंद
    1. बीम बंद करने के लिए OBSERVE पर क्लिक करें.
    2. वेंट बटन दबाएँ और पलक को रोकने के लिए प्रतीक्षा करें।
    3. जबकि वेंट बटन के लिए इंतज़ार कर निमिष रोकने के लिए, काम की दूरी को समायोजित करने के लिए वापस 20 मिमी - 30 मिमी.
    4. वेंट बटन पलक बंद हो जाता है एक बार, साधन से नमूना (ओं) अनलोड.
    5. EVAC बटन दबाएँ, और यह पलक बंद करने के लिए प्रतीक्षा करें।
    6. EVAC बटन निमिष बंद हो जाता है एक बार, सॉफ्टवेयर से बाहर निकलें और कंप्यूटर को बंद कर दिया।
    7. पूरी तरह से साधन बंद करने के लिए हे प्रतीक की कुंजी मुड़ें.

5. फास्ट स्कैन चक्रीय वोल्टमिति परीक्षण

  1. कार्बन-फाइबर microelectrode potentiostat और headstage के साथ Ag/AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड से कनेक्ट करें।
  2. micromanipulator का उपयोग करना, मैन्युअल रूप से एक्स का समायोजन करके प्रवाह सेल में अच्छी तरह से कार्बन फाइबर microelectrode कम, और जेड माप knobs.
  3. डीआई पानी में बफर समाधान तैयार करें (131.5 एमएम नैकल, 3.25 एमएम केसीएल, 1.2 एम एम सीसीएल2, 1.25 एम एम एन एच2पीओ4, 1.2 एमएम एमजीसीएल2, और 2.0 एमएम ना2SO4 को 7.4) के साथ समायोजित किया गया।
  4. फ्रास्फेट बफरेड लवण (पीबीएस) बफर (पीएच जेड 7.4) के साथ प्रवाह सेल भरें।
  5. भरा हुआ 60 एमएल बफर सिरिंज का उपयोग करके, लगभग 1 एमएल/मिनट पर प्रवाह सेल में पीबीएस बफर इंजेक्ट करें।
  6. प्रवाह सेल में इलेक्ट्रोड प्लेस और हरे बटन दबाकर तरंग लागू होते हैं. आस्टसीलस्कप का निरीक्षण करें और या तो इलेक्ट्रोड में कटौती या अधिभार को रोकने के लिए लाभ को समायोजित करें। प्रत्येक इलेक्ट्रोड रन के बीच लगभग 10 मिनट के बराबर के लिए अनुमति दें.
  7. डोपामाइन तरंग के लिए डिफ़ॉल्ट तरंग सेट करें. से स्कैन करें - 0.4 ट से 1.3 ट पर 10 हर्ट्ज और 400 ट/
  8. परक्लोरिक एसिड में 10 एमएम डोपामाइन, सेरोटोनिन, नोरेपिनेफ्रिन और अन्य का स्टॉक समाधान तैयार करें। पीबीएस बफर के 10 एमएल में डोपामाइन स्टॉक समाधान के 1 डिग्री सेल्सियस पाइपिंग द्वारा बफर में 1 डिग्री सेल्सियस की अंतिम सांद्रता को विलेय न्यूरोकेमिकल्स को एक पिपेट का उपयोग करके।
  9. माप प्रारंभ करने के लिए, रिकॉर्ड बटन दबाएँ. 10 s के बाद, प्रवाह सेल या न्यूरोट्रांसमीटर के किसी भी अन्य एकाग्रता में 1 डिग्री एम डोपामाइन की 0.2 एमएल इंजेक्ट. एकाग्रता समायोजित करें, स्कैन दर, तरंग (संभावित पकड़ या संभावित स्विचन) तदनुसार. 30 s के लिए कुल रन समय निर्धारित करें।
  10. HDCV विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग कर चलाने का विश्लेषण करें। आवश्यकताके नुसार पैरामीटर परिवर्तित करें.
  11. प्रयोग पूरा होने के बाद, 3 एमएल पानी इंजेक्शन लगाकर प्रवाह सेल को साफ करें और फिर प्रवाह सेल के बफर और इंजेक्शन बंदरगाहों में तीन बार हवा करें।
  12. तरंग और साधन बंद करें.

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Representative Results

चित्रा 1के लिए, हम एक योजनाबद्ध जहां FSCV परीक्षण इन विट्रो में न्यूरोट्रांसमीटर की एकाग्रता को मापने के लिए उपयोग किया जाता है दिखाते हैं. चित्र 1 डोपामाइन तरंग लागू प्रदर्शित करता है. त्रिकोण तरंग 400 V/s पर -0.4 V से 1.3 V तक स्कैन करता है। बाईं ओर आंकड़ा के दूसरे भाग में, यह डोपामाइन-ऑर्थो-क्विनोन (DOQ) के लिए डोपामाइन के ऑक्सीकरण प्रदर्शित करता है, एक दो इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रक्रिया इलेक्ट्रोड की सतह के लिए एनालिट की सतह से होता है। अंत में, एक वर्तमान बनाम समय साजिश एक रंग साजिश के साथ मढ़ा है. वर्तमान बनाम समय साजिश डोपामाइन ऑक्सीकरण का एक प्रतिनिधित्व है. यह फ्लैट है जब वहाँ कोई डोपामाइन ऑक्सीकरण है, और यह खड़ी उगता है जब डोपामाइन-ऑर्थोक्विनोन के लिए ऑक्सीकरण है और वापस नीचे एनालाइट adsorbs के रूप में डोपामाइन के लिए कम, और बाद में, इलेक्ट्रोड की सतह से desorbs. रंग साजिश वर्तमान की एक 3-आयामी साजिश है. पीले रंग की धारा पृष्ठभूमि वर्तमान (शून्य के करीब) है, जबकि हरे रंग की साजिश सकारात्मक ऑक्सीकरण वर्तमान है (डोपामाइन ऑर्थोक्विनोन के लिए डोपामाइन ऑक्सीकरण), और नीले रंग की साजिश नकारात्मक कमी वर्तमान है (डोपामाइन के लिए डोपामाइन ऑर्थोक्विनोन में कमी)।

SEM नंगे और संशोधित कार्बन इलेक्ट्रोड की छवि सतह सुविधाओं के लिए उपयोग किया गया था. चित्र 2 मेंहम तीन विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रोड पदार्थों में पृष्ठीय विशेषताओं में अद्वितीय अंतर देखते हैं। चित्र 2क मेंएक नंगे कार्बन फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोड दिखाया गया है। फाइबर बाहरी साथ बेलनाकार लकीरों के साथ लगभग 7 डिग्री मीटर व्यास है. चित्रा 2b कार्बन फाइबर की सतह से बाहर निकल सोने की बड़ी तेज रिज के साथ लगभग 20 मिनट के लिए कार्बन फाइबर की सतह पर electrodeposited सोने नैनोकणों से पता चलता है। सोने की उपस्थिति आगे EDS/EDX माप के साथ सत्यापित किया गया था. फिर हमने इलेक्ट्रोड जमाव समय को 5 मि . मिनट तक कम कर दिया , जहां हमने चित्र 2चमें दर्शाए अनुसार एक पतली एकरूप कोटिंग सोने को देखा .

संवेदनशीलता और इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की तुलना

चित्र 3क संवेदनशीलता और इलेक्ट्रॉन अंतरण की तुलना दर्शाता है। जैसा कि ओवरलैपिंग चक्रीय वोल्टाम्मोग्राम के साथ दिखाया गया है, सोने-संशोधित कार्बन फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोइड्स में काफी अधिक शिखर ऑक्सीडेटिव धाराएं हैं (चित्र 3 ख) और तीव्र इलेक्ट्रॉन अंतरण गतिजविज्ञान (जेडईपी)। महत्व एक अयुग्मित टी-परीक्षण के साथ मापा गया था ( क्रमशःP $.004 और .0016)। त्रुटि पट्टियाँ माध्य की मानक त्रुटि होती हैं.

स्थिरता

नंगे (चित्र 4क) और सोने के नैनोकण संशोधित (चित्र 4b) CFMEs प्रवाह सेल में रखा गया था के लिए 4 ज. माप का पता लगाने के लिए लिया गया 1 $M डोपामाइन हर घंटे से अधिक 4 ज. दोनों इलेक्ट्रोड डोपामाइन के संबंध में एक स्थिर प्रतिक्रिया थी. डोपामाइन के लिए एक स्थिर प्रतिक्रिया (पानी ऑक्सीकरण के बिना) जैविक ऊतक में माप प्रदर्शन के लिए गंभीर रूप से महत्वपूर्ण है. त्रुटि पट्टियाँ माध्य की मानक त्रुटि होती हैं.

स्कैन दर

स्कैन दर 100 वी/एस से 1,000 वी/एस तक अलग-अलग थी। दोनों नंगे (चित्र 5क) और सोने के नैनोकण (चित्र 5ख) संशोधित इलेक्ट्रोड ने डोपामाइन का पता लगाने के संबंध में एक रैखिक प्रतिक्रिया दिखाई, इसलिए, नंगे और सोने के नैनोकण की सतह पर अधिशोषण नियंत्रण का संकेत संशोधित माइक्रोइलेक्ट्रोड. त्रुटि पट्टियाँ माध्य की मानक त्रुटि होती हैं.

एकाग्रता

सांद्रता 100 एन एम से 100 डिग्री सेल्सियस डोपामाइन के लिए नंगे (चित्र 6क) और सोने के नैनोकण संशोधित (चित्र 6ख) कार्बन फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोइड्स में भिन्न थी। रैखिक श्रेणी 100 नृम से 10 डिग्री सेल्सियस तक थी। 10 डिग्री सेल्सियस के बाद, हम एक उपगामी वक्र का निरीक्षण करते हैं जिसमें यह बताया गया है कि डोपामाइन कार्बन फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोड की सतह पर अतिसंतृप्त है। डोपामाइन सांद्रता के संबंध में डोपामाइन के शिखर ऑक्सीकरण धारा के लिए रैखिक अनुक्रिया इलेक्ट्रोड की सतह के लिए अधिशोषण नियंत्रण को दर्शाता है. मस्तिष्क में डोपामाइन की शारीरिक रूप से प्रासंगिक सांद्रता इस सीमा के भीतर हैं और मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच बदलती हैं।

Figure 1
चित्र 1. डोपामाइन ऑक्सीकरण का एक योजनाबद्ध. कार्बन फाइबर microelectrode ऑक्सीकरण डोपामाइन के ओवरले. चार्ज हस्तांतरण सतह से दिखाया गया है के रूप में डोपामाइन-ऑर्थोक्विनोन के लिए ऑक्सीकरण और त्रिकोण डोपामाइन तरंग लागू किया जाता है के रूप में वापस डोपामाइन के लिए (-0.4 V करने के लिए 1.3 V 400 V/ वर्तमान बनाम समय और रंग भूखंडों डोपामाइन ऑक्सीकरण (हरा) और डोपामाइन में कमी (नीला) denoting दिखाया जाता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2. SEM छवियों के (क) नंगे कार्बन फाइबर microelectrode, (ख) सोने-नानोकण एक 20 मिनट इलेक्ट्रोड जमा समय के साथ कार्बन फाइबर microelectrodes संशोधित, और (ग) सोने-नानोकण एक 5-मिनट इलेक्ट्रोड जमा समय के साथ microelectrodes संशोधित. यह सिद्धांत परिणाम है कि आकार और सोने नैनोकण कोटिंग्स की मोटाई इलेक्ट्रोडपोजिशन समय द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है का सबूत प्रदान करता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3. नंगे और सोने-नानोकण संशोधित इलेक्ट्रोड की संवेदनशीलता तुलना| (क) नंगे और सोने के नैनोकण के चक्रीय वोल्टामोग्राम का ओवरले संशोधित माइक्रोइलेक्ट्रोइड्स। (बी) बार ग्राफ नंगे और सोने नैनोकण संशोधित microelectrodes की चोटी ऑक्सीडेटिव धारा में अंतर को दर्शाता है। (सी ) बार ग्राफ नंगे और सोने के नैनोकण संशोधित microelectrodes के बीच$ EP में अंतर दिखा. त्रुटि पट्टियाँ माध्य की मानक त्रुटि होती हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4. स्थिरता प्रयोग| (क) बरे तथा (ठ) सोने के नैनोकण-संशोधित माइक्रोइलेक्ट्रोडों को प्रवाह कोशिका में कम से कम 4 ज के लिए रखा गया था। 1 डिग्री सेल्सियस डोपामाइन के प्रति उनकी संवेदनशीलता 4 ज से अधिक मापा गया था। दोनों 4 h. त्रुटि सलाखों पर डोपामाइन के लिए एक समान प्रतिक्रिया थी मतलब के मानक त्रुटि हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5. स्कैन दर प्रयोग| (क) बरे तथा (ठ) सोने के नैनोकण-संशोधित माइक्रोइलेक्ट्रोडों को प्रवाह कोशिका में रखा गया था तथा स्कैन दर 100 टधकर 1,000 ट/ दोनों नंगे और सोने नैनोकण संशोधित microelectrodes दर को स्कैन करने के संबंध में एक रैखिक प्रतिक्रिया थी, इस प्रकार नंगे और सोने नैनोकण संशोधित कार्बन फाइबर microelectrode की सतह के लिए डोपामाइन के अधिशोषण नियंत्रण denoting. त्रुटि पट्टियाँ माध्य की मानक त्रुटि होती हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6. एकाग्रता प्रयोग| (ए) नंगे और (बी) सोने के नैनोकण-संशोधित microelectrodes डोपामाइन के विभिन्न सांद्रता के संपर्क में थे 100 nM - 100 $M. दोनों नंगे और सोने नैनोकण संशोधित microelectrodes अप करने के लिए डोपामाइन के संबंध में एक रैखिक प्रतिक्रिया थी 10 डिग्री सेल्सियस, इस प्रकार इलेक्ट्रोड की सतह के लिए अधिशोषण नियंत्रण denoting. 10 डिग्री सेल्सियस से अधिक सांद्रता पर, हम एक उपगामी वक्र का निरीक्षण करते हैं, जो सभी अधिशोषण स्थलों पर कब्जा करके इलेक्ट्रोड की सतह पर डोपामाइन संतृप्ति का सूचक है और इसके परिणामस्वरूप अधिक विसरण नियंत्रण होता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

इस अध्ययन में, हम तेजी से स्कैन चक्रीय voltammetry का उपयोग कर डोपामाइन जैसे न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने के लिए सोने-नानोकण संशोधित कार्बन फाइबर microelectrodes का निर्माण करने के लिए एक उपन्यास विधि का प्रदर्शन. विधि जैव अणु का पता लगाने की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए एक कुशल, हरे, और अपेक्षाकृत सस्ती दृष्टिकोण है। कार्बन फाइबर की सतह पर जमा सोने की मोटाई इलेक्ट्रोडपोजिशन के समय और इलेक्ट्रोडपोजिशन समाधान में मौजूद सोने की एकाग्रता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। गोल्ड संशोधित कार्बन फाइबर microelectrodes तेजी से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण गतिज के अलावा नंगे इलेक्ट्रोड की तुलना में काफी अधिक विद्युत सक्रिय सतह क्षेत्रों के लिए दिखाया गया. उन्होंने यह भी उच्च संवेदनशीलता और नंगे असंशोधित इलेक्ट्रोड सामग्री की तुलना में पता लगाने की कम सीमा थी. इसके अलावा, इलेक्ट्रोड कम से कम 4 एच के लिए प्रवाह सेल में परीक्षण किया जब डोपामाइन का पता लगाने की दिशा में एक स्थिरता से पता चला. वहाँ दोनों स्कैन दर और सोने संशोधित कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड की सतह के लिए अधिशोषण नियंत्रण को निरूपित इलेक्ट्रोड के लिए एकाग्रता के संबंध में डोपामाइन का पता लगाने के लिए चोटी ऑक्सीडेटिव वर्तमान के संबंध में एक रैखिक प्रतिक्रिया थी.

प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम ऊर्ध्वाधर केशिका खींचने के साथ कार्बन फाइबर microelectrodes की खींच और कांच केशिका और कार्बन फाइबर epoxy का उपयोग कर के बीच interfacial आसंजन को प्राप्त करने में शामिल हैं. इसके अलावा, कार्बन फाइबर की सतह पर सोने की इलेक्ट्रोड स्थिति इलेक्ट्रोड की सतह पर सोने की एक पतली वर्दी कोटिंग होने और अधिक जमा अतिरिक्त सोने की सतह पर होने के बीच एक संतुलन बनाए रखने के लिए के रूप में काफी चुनौतीपूर्ण है इलेक्ट्रोड, जो शोर और संकेत अधिभार के माध्यम से न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने में बाधा होगी. संशोधन और समस्या निवारण विधि दोनों समय और एकाग्रता के संबंध में इलेक्ट्रोडस्थिति की विधि का अनुकूलन शामिल हैं. इन प्रयोगों को करने के लिए सोने के विभिन्न स्रोतों (AuCl3, HAuCl4, और अन्य सोने के हाइड्रेट्स) का उपयोग किया जाना चाहिए। विधि की सीमाओं में अधिक जमा होने के कारण potentiostat के संकेत overloading विद्युत जमा सोने की संभावना शामिल है. इसके अलावा, एक धातु इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में, सोने संशोधित इलेक्ट्रोड संभावित पानी ऑक्सीकरण सकता है जब उच्च क्षमता के लिए स्कैनिंग (पर 1.45 वी), जो analyte संकेत के साथ हस्तक्षेप कर सकता है.

विधि सोने नैनोकण संशोधित microelectrodes काफी न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने में वृद्धि के रूप में क्षेत्र में एक उल्लेखनीय प्रगति है और अच्छी तरह से FSCV का उपयोग कर न्यूरोट्रांसमीटर का पता लगाने के लिए जांच नहीं की गई है. सीएमएफई के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल संकेतों को बढ़ाने की एक अन्य विधि कार्बन नैनोट्यूब24,25,26के साथ संशोधन के माध्यम से है . कार्बन नैनोट्यूब निलंबन में डिपकोटिंग इलेक्ट्रोड अक्सर संकेत बढ़ जाती है। हालांकि, शोर भी बढ़ जाता है के रूप में जमा कार्बन नैनोट्यूब की परत विषम है. सोने के नैनोकण जमाव बढ़ाया जैव अणु सेंसर बनाने के लिए एक त्वरित, reproduible, और प्रभावी तरीका है। भविष्य की विधि विकास कार्बन फाइबर microelectrodes के सोने नैनोकण संशोधन के अनुकूलन शामिल होंगे पतली बनाने के लिए, कार्बन फाइबर microelectrodes पर सतह पर सोने की वर्दी परतों. इसके अलावा, अन्य न्यूरोकेमिकल्स (नोरेपिनेफ्रिन, सेरोटोनिन, हिस्टामाइन, एडेनोसाइन, और अन्य) का पता लगाने का अध्ययन और अनुकूलन भी किया जाएगा। अंत में, इन बढ़ाया सोने संशोधित microelectrodes कृंतक या फल मक्खी मॉडल में न्यूरोट्रांसमीटर के vivo माप में प्रदर्शन करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा. सोने नैनोकण संशोधन के माध्यम से डोपामाइन का पता लगाने की वृद्धि पार्किंसंस रोग का अध्ययन के रूप में कई संभव अनुप्रयोगों और तंत्रिका विज्ञान में अध्ययन के लिए अनुमति देता है, नशीली दवाओं के दुरुपयोग, और अन्य विकारों.

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

हम अमेरिकी विश्वविद्यालय, संकाय अनुसंधान सहायता अनुदान, नासा डीसी अंतरिक्ष अनुदान, और NSF-MRI ] 1625977 धन्यवाद देना चाहूंगा.

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

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References

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रसायन विज्ञान अंक 147 तेजी से स्कैन चक्रीय वोल्टमिति FSCV कार्बन फाइबर microelectrode डोपामाइन न्यूरोट्रांसमीटर सोने नैनोकणों
बढ़ी न्यूरोकेमिकल जांच के लिए गोल्ड नैनोकण संशोधित कार्बन फाइबर Microelectrodes
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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).

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