Summary
I denne studien, endrer vi karbon-fiber microelectrodes med gull nanopartikler for å forbedre følsomheten til signalstoffet deteksjon.
Abstract
I mer enn 30 år har karbonfiber microelectrodes (CFMEs) vært standard for signal deteksjon. Vanligvis er karbon fibre pustende i glass blodkar, trakk til en fin taper, og deretter forseglet ved hjelp av en epoxy for å skape elektrode materialer som brukes for rask skanning syklisk voltammetri testing. Bruken av nakne CFMEs har flere begrensninger, skjønt. Først og fremst inneholder karbonfiber hovedsakelig basal fly karbon, som har en relativt lav overflateareal og gir lavere følsomhet enn andre nanomaterialer. Videre er den grafittlag karbon begrenset av sin timelige oppløsning, og dens relativt lav ledningsevne. Til slutt, nevrokjemiske og makromolekyler har vært kjent for å foul på overflaten av karbon elektroder der de danner ikke-ledende polymerer som blokkerer ytterligere signal absorpsjon. For denne studien, endrer vi CFMEs med gull nanopartikler for å forbedre nevrokjemiske testing med rask skanning syklisk voltammetri. Au3 + ble electrodeposited eller dipcoated fra en kolloidalt løsning på overflaten av CFMEs. Siden gull er en stabil og relativt inert metall, er det en ideell elektrode materiale for analytiske målinger av nevrokjemiske. Gold nanopartikkel modifisert (AuNP-CFMEs) hadde en stabilitet til dopamin respons i over 4 h. Videre AuNP-CFMEs viser en økt følsomhet (høyere peak oksidativt strøm av syklisk voltammograms) og raskere elektron overføring Kinetics (lavere ΔEP eller peak separasjon) enn bare uendret CFMEs. Utviklingen av AuNP-CFMEs gir etablering av romanen elektrokjemiske sensorer for å oppdage raske endringer i dopamin konsentrasjon og andre nevrokjemiske ved lavere grenser for deteksjon. Dette arbeidet har store anvendelser for styrking av nevrokjemiske målinger. Generering av gull nanopartikkel endret CFMEs vil være avgjørende for utviklingen av romanen elektrode sensorer for å oppdage nevrotransmittere i vivo i gnager og andre modeller for å studere nevrokjemiske effekter av narkotikamisbruk, depresjon, hjerneslag, iskemi, og andre atferds-og sykdomstilstander.
Introduction
Carbon-Fiber microelectrodes (CFMEs)1 er best brukt som biosensors å oppdage oksidasjon av flere viktige nevrotransmittere2, inkludert dopamin3, noradrenalin4, serotonin5, adenosin6, histamin7, og andre8. Biokompatibilitet og størrelsen på karbon fibre gjør dem optimale for implantation som det er dempet vevsskade sammenlignet med større standard elektroder. 9 CFMEs er kjent for å ha nyttige elektrokjemiske egenskaper og er i stand til å gjøre raske målinger når den brukes med raske elektrokjemiske teknikker, vanligvis rask skanning syklisk voltammetri (FSCV)10,11. FSCV er en teknikk som skanner anvendt potensialet raskt og gir en bestemt syklisk voltammogram for bestemte analytter12,13. Den store ladestrøm produsert av rask skanning er stabil på karbon fibre og kan være bakgrunn-trekkes til å produsere spesifikke sykliske voltammograms.
På grunn av sin optimale elektrokjemi og nevrobiologiske betydning, har dopamin blitt viden studert. Den katekolaminer dopamin er en viktig kjemisk budbringer som spiller en avgjørende rolle i kontroll av bevegelse, hukommelse, kognisjon, og følelser i nervesystemet. Et overskudd eller mangel på dopamin kan forårsake mange nevrologiske og psykologiske forstyrrelser; blant disse er Parkinsons sykdom, schizofreni, og vanedannende atferd. I dag, Parkinsons sykdom fortsetter å være en utbredt lidelse på grunn av degenerasjon av mellomhjernen neurons involvert i dopamin syntese14. Symptomer på Parkinsons sykdom inkluderer tremor, treghet i bevegelse, stivhet og problemer med å opprettholde balansen. På den annen side, sentralstimulerende midler som kokain15 og amfetamin16,17 fremme overløp av dopamin. Narkotikamisbruk erstatter til slutt den vanlige flyten av dopamin og tilstander hjernen til å kreve et overskudd av dopamin, som til slutt fører til vanedannende atferd.
I de senere årene har det vært en vekt på å forbedre elektrode funksjonaliteten i signal deteksjon18. Den mest utbredte metoden for å styrke elektrode følsomheten er ved å dekke fiber overflaten. Overraskende, har det vært begrenset forskning gjort på metall nanopartikkel elektrode posisjon på karbon-fiber19. Noble metal-nanopartikler som gull, kan være electrodeposited på fiber overflaten med andre funksjonelle materialer20. For eksempel øker electroactive overflateareal for signalstoffet absorpsjon oppstår. Electrodeposited metall nanopartikler form raskt, kan renses, og holder seg til karbon-fiber. Elektrokjemi fortsetter å være betydelig for både deponering av edle metall nanopartikler og overflate forbedring av karbon-fiber, som det gir mulighet for kontroll av kjernedannelse og vekst av disse nanopartikler. Til slutt, økt katalysator og ledende egenskaper, og forbedret masse transport er blant andre fordeler ved å utnytte metall nanopartikler for electroanalysis.
Den avanserte Laboratory sekvens løpet av amerikanske universitetet (eksperimentell biologisk kjemi I og II CHEM 471/671-472/672) er en kombinasjon av analytiske, fysiske, og biokjemi laboratorier. Det første semesteret er en oversikt over laboratorie teknikker. Det andre semesteret er en student-drevet og ledet forskningsprosjekt21. For disse prosjektene, har studentene tidligere undersøkt mekanismen av biomolekyler, protein, peptid, og aminosyre-tilrettelagt syntese av gull nanopartikler22,23. Nyere arbeid har fokusert på dannelsen av gull nanopartikkel (AuNP) produksjon på elektrode overflater og evalueringen av AuNPs effekter på evnen til CFMEs å oppdage nevrotransmittere. I dagens arbeid, har laboratoriet brukt denne teknikken for å demonstrere at følsomheten av CFMEs i å oppdage dopamin-oksidasjon forsterkes gjennom elektrode posisjon av AuNP på fiber overflaten. Hver bare-CFME er preget av varierende skanning-rate, stabilitet og dopamin-konsentrasjon når du oppdager dopamin-oksidativt strømninger å måle dopamin oksidasjon på overflaten av CFME. Au3 + ble deretter Electroreduced til au0 og samtidig electrodeposited på fiber overflaten som nanopartikler, etterfulgt av en rekke karakterisering eksperimenter. Etter en direkte sammenligning, AuNP-CFMEs ble funnet å ha høyere følsomhet for dopamin deteksjon. Det ensartede belegget på AuNP på fiber overflaten via elektrode posisjon gjengir et høyere electroactive overflate område; dermed øker absorpsjon av dopamin på den modifiserte elektrode overflaten. Dette førte til høyere dopamin oksidativt strømninger. Den potensielle separasjon av dopamin oksidasjon og reduksjon topper (∆ Ep) av AuNP-CFMEs var også mindre, noe som tyder raskere elektron overføring Kinetics. Fremtidige verker av denne studien inkluderer in vivo testing av både Bart-og AuNP-CFMEs for påvisning av dopamin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bygging av karbon-fiber microelectrodes
-
Utarbeidelse av karbon Fibre
- For å lage karbon-fiber microelectrodes, må du først skille karbon fibrene (karbonfiber, 7 mm i diameter) en etter en ved hjelp av hender, hansker og slikkepott.
- Trekk eller dra en fiber fra vridd garn.
- Aspirer en isolert karbonfiber inn i et glass kapillær (single-fat Borosilikatglass kapillær glass uten microfilament, 1,2 mm ytre diameter, 0,68 mm indre diameter).
- Lag en elektrode holder for elektrodene ved å skjære et stykke papp som er ca 10 cm i lengde med 25 cm i bredde.
- Trekk elektrodene ved hjelp av en vertikal kapillær avtrekker.
- Åpne skyvedøren til den vertikale kapillær avtrekker.
- Løsne og fjern den metalliske holderen stangen, ved å dreie Drill-Chuck mot klokken med nok plass til å sette inn glass kapillær.
- Sett glass kapillær inn i elektrodeholderen. Hev glass kapillær til toppen av den vertikale kapillær manuelt for hånd.
- Stram glass kapillær med Drill-Chucks med urviseren uten å bryte eller knuse glass blodkar.
- Juster varmeren 1, varme 2 og magnet innstillinger til produsenten foreslo nivåer for å trekke glass blodkar til en fin taper for elektrode materialer.
- Trykk på den røde Start knappen for å varme opp spiral spolen for å trekke elektrodene via trykk, gravitasjon og oppvarming.
- La spiral spolen avkjøles fra sin røde varme tilstand. Skjær karbonfiber med saks som forbinder de to trekkes elektrodene fra topp til bunn. Bruk Drill-Chuck-metoden for å fjerne glass kapillær fra den vertikale kapillær avtrekker ved å vri i mot urviseren.
2. carbon-fiber Microelectrode forberedelse
- Under en stereoscope eller mikroskop, kutt karbonfiber stikker ut fra overflaten av glass kapillær med kirurgisk saks eller et skarpt barberblad til ca 100 – 150 μm i lengde.
- Forbered en løsning av epoxy ved å blande 10 g av epoxy med 0,2 mL Herder i et 25 mL hetteglass med en bomullspinne.
- Dypp bare tuppen av hver elektrode inn i epoxy og herder løsning for ca 15 s.
- Dypp den nevnte toppen av karbonfiber microelectrode i aceton for ca 3 s å vaske bort overflødig epoxy fra fat karbonfiber microelectrode.
3. elektrode posisjon
- Plasser arbeids elektroden (carbon-fiber microelectrode) i løsningen av 0,5 mM HAuCl4 i tillegg til referanse elektroden, sølv-sølv klorid (AG/AgCl) ved hjelp av micromanipulator.
- Koble arbeids elektroden og referanse elektroden til potentiostat og headstage.
- Åpne UNC HDCV-programvaren. Endre innstillingene på programvaren for å bruke bølgeformen. Skriv inn følgende bølgeform i datamaskininnstillingene: Skann fra 0,2 V til − 1,0 V i 0,1 M KCl løsning som inneholder 0,5 mM HAuCl4 ved en skannehastighet på 50 mv/s for 10 sykluser. Trykk på den grønne pilen for å bruke bølgeformen. Trykk deretter på Start knappen for å starte registreringen av målingene.
4. skanning av elektron mikroskopi
Merk: image Bart og gull nanopartikkel modifisert karbonfiber microelectrodes ved hjelp av skanning elektron mikroskopi instrument (SEM). Legg prøven på svart ledende tape og følge produsenten beskrevet instruksjoner.
-
Slå på instrumentet
- Vri nøkkelen til START og slipp.
- Åpne InTouchScope programvaren ved å dobbeltklikke på den.
- Slipp tasten. Det bør lande på i symbolet på egen hånd.
- Vent til EVAKUERING-knappen slutter å blinke.
- Når EVAKUERING-knappen slutter å blinke, trykker du på VENT-knappen.
- Vent til VENT-knappen slutter å blinke.
- Kontroller at arbeids avstanden (WD) er på 20 mm – 30 mm.
- Når du venter, klargjør du prøven (e).
-
Skanning
- Når ventil knappen slutter å blinke, legger du prøven (e) inn i instrumentet.
- Kontroller at den buede delen av prøveholderen peker mot instrumentet ved lasting av prøve (r).
- Trykk på EVAKUERING-knappen når prøven (e) er lastet inn.
- Juster arbeids avstanden til 10 mm.
- Når EVAKUERING-knappen slutter å blinke, slår du på datamaskinen.
- Klikk på in touch Scope programvare, som ligger på skrivebordet. Det er to in touch Scope programvare, klikk på den ene uten den grønne og gule sirkelen.
- Når programvaren åpner opp, klikker du på Observer (øverst til høyre på skjermen), for å slå på strålen. Kontroller at EVAKUERING-knappen har sluttet å blinke før du klikker på Observer.
- Begynn å analysere prøven (e).
- Kontroller at innstillingene for spenning, arbeidsavstand (WD) og sonde strøm (PC) er akseptable.
- Zoom ut (~ 50X) for å angi en høyere innstilling og zoome inn for en lavere innstilling.
- Angi arbeidsavstand på 10 mm.
- Før du tar et bilde av prøven (e), må du kontrollere at bildet lagres i den ønskede målmappen.
- For å velge ønsket mappe, klikk på innstillingene (øverst til venstre på skjermen).
- Eksporter bildene fra datamaskinen via en flash-stasjon.
-
Deaktivere
- Klikk på Observer for å slå av strålen.
- Trykk på VENT-knappen og vent til den slutter å blinke.
- Mens du venter på at VENT-knappen slutter å blinke, justerer du arbeids avstanden tilbake til 20 mm – 30 mm.
- Når VENT-knappen slutter å blinke, fjerner du prøven (e) fra instrumentet.
- Trykk på EVAKUERING-knappen, og vent til den slutter å blinke.
- Når EVAKUERING-knappen slutter å blinke, avslutter du programvaren og slår av datamaskinen.
- Vri nøkkelen til O -symbolet for å slå av instrumentet fullstendig.
5. rask skanning syklisk voltammetri testing
- Koble karbonfiber microelectrode til potentiostat og headstage sammen med referanse elektroden AG/AgCl.
- Ved hjelp av micromanipulator, Senk karbonfiber microelectrode inn i strømningscellen godt ved å manuelt justere måle knottene X, Y og Z.
- Forbered buffer løsning i DI vann (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl2, 1,25 mm NaH2PO4, 1,2 mM MgCl2, og 2,0 mm Na2så4 med pH justert til 7,4).
- Fyll strømningscellen med buffer for fosfat bufret saltvann (PBS) (pH = 7,4).
- Bruk en fylt 60 mL buffer sprøyte ved å injisere PBS-bufferen i strømningscellen ved omtrent 1 mL/min.
- Plasser elektroden i strømningscellen og påfør bølgeformen ved å trykke på den grønne knappen. Observer oscilloskop og enten kutte elektroden eller justere gevinsten for å hindre overbelastning. La det være ca. 10 min likevekts mellom hver elektrode løpe.
- Angi standard bølgeform til dopamin bølgeform. Skann fra – 0,4 V til 1,3 V ved 10 Hz og 400 V/s.
- Forbered lagerløsning på 10 mM dopamin, serotonin, noradrenalin, og andre i perklorsyreblank syre. Fortynne nevrokjemiske til endelig konsentrasjon av 1 μM i buffer ved pipettering 1 μM av dopamin lager løsningen i 10 mL PBS buffer ved hjelp av en pipette.
- Trykk på opptaksknappen for å starte målingene. Etter 10 s, injisere 0,2 mL av 1 μM dopamin inn i strømningscelle eller annen konsentrasjon av signalstoffet. Juster konsentrasjonen, skannehastigheten, bølgeform (holde potensialet eller bytte potensial) tilsvarende. Angi total kjøretid for 30 s.
- Analyser kjøringen ved hjelp av HDCV analyseprogramvare. Endre parameterne etter behov.
- Når eksperimentet er fullført, rengjør du strømningscellen ved å injisere 3 mL vann og deretter luft inn i buffer-og injeksjons portene i strømningscellen tre ganger hver.
- Slå av bølgeformen og instrumentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For figur 1viser vi et SKJEMATISK hvor FSCV-testing benyttes for å måle konsentrasjonen av nevrotransmittere i vitro. Figur 1 viser dopamin bølgeform påføres. Trekanten bølgeform skanner fra-0,4 V til 1,3 V ved 400 V/s. I den andre delen av figuren til venstre, det viser oksidasjon av dopamin til dopamin-ortho-quinone (DOQ), en to elektron overføringsprosessen oppstår fra overflaten av analytt til overflaten av elektroden. Endelig, en gjeldende kontra tid tomten er kledde med en farge plott. Den nåværende kontra tid tomten er en representasjon av dopamin oksidasjon. Det er flatt når det ikke er dopamin oksidasjon, og det stiger vertikalt når dopamin er oksidert å dopamin-orthoquinone og redusert ned til dopamin som analytt absorberer, og senere, desorbs fra overflaten av elektroden. Farge plottet er et 3-dimensjonal plott av gjeldende. Den gule strømmen er bakgrunnen gjeldende (nær null), mens den grønne tomten er den positive oksidasjon strøm (dopamin oksidasjon til dopamin orthoquinone), og den blå plottet er den negative reduksjonen strøm (dopamin orthoquinone reduksjon til dopamin).
SEM ble benyttet til bilde overflaten funksjoner av nakne og modifiserte karbon elektroder. I figur 2ser vi en unik forskjell i overflate funksjoner blant tre forskjellige typer elektrode materialer. I figur 2avises et Bart karbonfiber microelectrode. Fiber er ca 7 μm diameter med sylindriske rygger langs utsiden. Figur 2b viser gull nanopartikler electrodeposited på overflaten av karbonfiber for ca 20 min med store skarpe ryggen av gull stikker ut fra overflaten av karbonfiber. Tilstedeværelsen av gull ble ytterligere verifisert med EDS/EDX målinger. Deretter reduserte vi elektrode posisjon tid til 5 min, der vi observerte et tynt uniform belegg gull som vist i figur 2C.
Sammenligning av følsomhet og elektron overføring
Figur 3a viser en sammenligning av følsomhet og elektron overføring. Som vist med overlappende syklisk voltammograms, har gull-modifisert karbonfiber microelectrodes betydelig høyere topp oksidativt strømninger (figur 3b) og raskere elektron overføring Kinetics (ΔEP). Betydningen ble målt med en ikke sammenkoblet t-test (henholdsvisP = .004 og. 0016). Feil linjer er standard feil av gjennomsnittet.
Stabilitet
Den nakne (figur 4a) og gull nanopartikkel endret (figur 4b) CFMEs ble plassert i strømningscellen for 4 t. målingene ble tatt for påvisning av 1 μM dopamin hver time over 4 timer. Begge elektrodene hadde en stabil respons med hensyn til dopamin. En stabil reaksjon på dopamin (uten vann oksidasjon) er kritisk viktig for å utføre målinger i biologisk vev. Feil linjer er standard feil av gjennomsnittet.
Frekvens for skanning
Skanningen rate var varierte fra 100 V/s til 1 000 V/s. Både bare (figur 5a) og gull Nanopartikkel (figur 5B) modifiserte elektroder viste en lineær respons med hensyn til dopamin deteksjon, derfor indikerer absorpsjons kontroll til overflaten av Bart og gull nanopartikkel endret microelectrode. Feil linjer er standard feil av gjennomsnittet.
Konsentrasjon
Konsentrasjonen var variert fra 100 nM til 100 μM dopamin for Bart (figur 6a) og gull nanopartikkel endret (figur 6b) karbonfiber microelectrodes. Det lineære området var fra 100 nM til 10 μM. Etter 10 μM observerer vi en asymptotiske kurve som betegner at dopamin er overmettet på overflaten av karbonfiber microelectrode. Den lineære responsen på toppen oksidasjon strøm av dopamin med hensyn til dopamin konsentrasjon betegner absorpsjons kontroll til overflaten av elektroden. Fysiologisk relevante konsentrasjoner av dopamin i hjernen er innenfor dette området og varierer mellom hjerneregioner.
Figur 1. En skjematisk av dopamin oksidasjon. Overlegg av karbon-fiber microelectrode oksiderende dopamin. Charge overføringen er vist fra overflaten som Dopamin er oksidert til dopamin-orthoquinone og tilbake til dopamin som trekanten dopamin bølgeform påføres (-0,4 V til 1,3 V ved 400 V/s). Den nåværende kontra tid og farge plott vises betegner dopamin oksidasjon (grønn) og dopamin reduksjon (blå). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. SEM bilder av (a) bare carbon fiber microelectrode, (b) gull-nanopartikkel modifisert karbonfiber microelectrodes med en 20 min elektrode avsetning tid, og (c) gull-nanopartikkel modifisert microelectrodes med en 5-min elektrode avsetning tid. Dette gir bevis på prinsippet resultater at størrelsen og tykkelsen av gull nanopartikkel belegg kan styres av elektrode posisjon tid. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Følsomhet sammenligning av nakne og gull-nanopartikkel modifiserte elektroder. (A) overlegg av syklisk voltammograms av nakne og gull nanopartikkel endret microelectrodes. (B). bar grafen betegner forskjeller i peak oksidativt strøm av Bart og gull nanopartikkel modifisert microelectrodes. (C). søylediagram som viser forskjellen i ΔEP mellom Bart og gull nanopartikkel modifiserte microelectrodes. Feil linjer er standard feil av gjennomsnittet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Stabilitet eksperiment. (A) bare og (B) Gold nanopartikkel-modifisert microelectrodes ble plassert i en strømningscelle for totalt minst 4 t. Deres følsomhet mot 1 μM dopamin ble målt over 4 h. Begge hadde en ensartet respons på dopamin over 4 t. feil stolper er standard feil av gjennomsnittet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Søke frekvens eksperiment. (A) bare og (B) Gold nanopartikkel-modifiserte microelectrodes ble plassert i en strømningscelle, og skannings raten var variert fra 100 v/s til 1 000 v/s. Både nakne og gull nanopartikkel modifisert microelectrodes hadde en lineær respons med hensyn til skannehastighet, og dermed betegner absorpsjons kontroll av dopamin til overflaten av Bart og gull nanopartikkel modifisert karbonfiber microelectrode. Feil linjer er standard feil av gjennomsnittet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Konsentrasjon eksperiment. (A) bare og (B) Gold nanopartikkel-modifisert microelectrodes ble eksponert for ulike konsentrasjoner av dopamin 100 nM – 100 μM. Både Bart og gull nanopartikkel modifisert microelectrodes hadde en lineær respons med hensyn til dopamin opp til 10 μM, og dermed betegner absorpsjons kontroll til overflaten av elektroden. Ved konsentrasjoner høyere enn 10 μM, observerer vi en asymptotiske kurve, som er et tegn på dopamin metning på overflaten av elektroden ved å okkupere alle absorpsjons nettsteder og resulterer i mer diffusjon kontroll. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne studien, viser vi en ny metode for å konstruere gull-nanopartikkel modifisert karbonfiber microelectrodes for påvisning av nevrotransmittere som Dopamin bruker rask skanning syklisk voltammetri. Metoden er en effektiv, grønn og relativt rimelig tilnærming for å øke følsomheten til biomolekyler deteksjon. Tykkelsen av gull avsatt på overflaten av karbonfiber kan styres av tidspunktet for elektrode posisjon og konsentrasjonen av gull til stede i elektrode posisjon løsning. Gold endret carbon-fiber microelectrodes ble vist å ha betydelig høyere electroactive overflateområder enn nakne elektroder i tillegg til raskere elektron overføring Kinetics. De hadde også høyere følsomhet og lavere grenser for påvisning enn bare uendret elektrode materialer. Videre viste elektrodene en stabilitet mot dopamin deteksjon når testet i strømningscellen i minst 4 t. Det var en lineær respons med hensyn til peak oksidativt strøm for dopamin deteksjon med hensyn til både skannehastighet og konsentrasjon for gull modifiserte karbonfiber elektroder som betegner absorpsjons kontroll til overflaten av elektroden.
Kritiske trinn i protokollen inkluderer trekking av karbon-fiber microelectrodes med vertikal kapillær avtrekker og oppnå grenseflate vedheft mellom glass kapillær og karbonfiber ved hjelp av epoxy. Videre er elektrode posisjon av gull på overflaten av karbonfiber ganske utfordrende å opprettholde en balanse mellom å ha en tynn uniform belegg av gull på overflaten av elektroden og over-deponering overflødig gull på overflaten av til hinder for signal deteksjon gjennom støy og signal overbelastning. Modifikasjoner og feilsøking metoden inkluderer optimalisere metoden for elektrode posisjon med hensyn til både tid og konsentrasjon. Ulike kilder til gull (AuCl3, HAuCl4, og andre gull hydrerer) bør utnyttes til å utføre disse eksperimentene. Begrensninger av metoden inkluderer muligheten for electrodeposited gull overbelastning signalet av potentiostat på grunn av over-avsetning. Videre, som et metall elektrode materiale, kan gull modifiserte elektroder potensielt oksidere vann ved skanning til høyere potensialer (over 1,45 V), noe som kan forstyrre analytt signal.
Metoden er en markert avansement i feltet som gull nanopartikkel endret microelectrodes betydelig forbedre signalstoffet deteksjon og har ikke blitt grundig undersøkt for signalstoffet deteksjon bruker FSCV. En annen metode for å styrke elektrokjemiske signaler for CMFEs er gjennom modifikasjon med Carbon nanorør24,25,26. Dipcoating elektroder i karbon nanorør suspensjoner øker ofte signalet. Imidlertid er støyen også økt som laget av avsatt karbon nanorør er heterogen. Gold nanopartikkel deponering er en rask, reproduserbar og effektiv metode for å lage forbedrede biomolekyler sensorer. Fremtidig metodeutvikling vil omfatte optimalisering av gull nanopartikkel modifikasjon av karbon-fiber microelectrodes lage tynne, ensartede lag av gull over overflaten over karbonfiber microelectrodes. Videre vil studien og optimalisering av påvisning av andre nevrokjemiske (noradrenalin, serotonin, histamin, adenosin, og andre) også utføres. Til slutt, disse forbedrede gull-modifisert microelectrodes vil bli brukt til å utføre in vivo målinger av nevrotransmittere i gnager eller frukt flymodeller. Forbedringen av dopamin deteksjon gjennom gull nanopartikkel modifikasjon gir mulighet for mange mulige anvendelser og studier i Neurosciences som studerer Parkinsons ' s sykdom, rusmisbruk, og andre lidelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke American University, fakultetet forskning støtte Grant, NASA DC Space Grant, og 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).
