Summary
I denna studie, vi ändra kol-fiber mikroelektroder med Guldnanopartiklar att öka känsligheten hos signalsubstansen upptäckt.
Abstract
I över 30 år, kol-fiber mikroelektroder (CFMEs) har varit standard för signalsubstansen upptäckt. Generellt är kolfibrer aspirerat i glas kapillärer, drog till en fin Kona, och sedan förseglade med hjälp av en epoxi för att skapa elektrod material som används för snabb skanning cyklisk voltametri testning. Användningen av Bare CFMEs har flera begränsningar, dock. Först och främst innehåller kol fiber mestadels basal plan kol, som har en relativt låg yta och ger lägre känslighet än andra nanomaterial. Dessutom är det grafitiska kol begränsas av dess temporala upplösning, och dess relativt låga ledningsförmåga. Slutligen, neurochemicals och makromolekyler har varit kända för att foul på ytan av Kolelektroder där de bildar icke-ledande polymerer som blockerar ytterligare signalsubstansen adsorption. För denna studie, vi modifiera CFMEs med Guldnanopartiklar att förbättra neurokemiska tester med snabb skanning cyklisk voltametri. AU3 + var elektrodeponeras eller dipcoated från en kolloidalt lösning på ytan av cfmes. Eftersom guld är en stabil och relativt inert metall, är det en idealisk elektrod material för analytiska mätningar av neurochemicals. Guld nanopartiklar modifierad (aunp-cfmes) hade en stabilitet till dopamin svar för över 4 h. Dessutom uppvisar AuNP-CFMEs en ökad känslighet (högre topp oxidativ ström av cyklisk voltammograms) och snabbare elektronöverföring kinetik (lägre ΔEP eller Peak separation) än kala oförändrade cfmes. Utvecklingen av AuNP-CFMEs ger skapandet av nya elektrokemiska sensorer för att upptäcka snabba förändringar i dopamin koncentration och andra neurochemicals vid lägre detektionsgränser. Detta arbete har stora tillämpningar för förbättring av neurokemiska mätningar. Generering av guldnanopartikel modifierade CFMEs kommer att vara oerhört viktigt för utvecklingen av nya elektrod sensorer för att upptäcka neurotransmittorer in vivo i gnagare och andra modeller för att studera neurokemiska effekter av drogmissbruk, depression, stroke, ischemia, och andra beteendemässiga och sjukdomstillstånd.
Introduction
Carbon-Fiber mikroelektroder (CFMEs)1 används bäst som biosensorer för att upptäcka oxidation av flera viktiga signalsubstanser2, inklusive dopamin3, noradrenalin4, serotonin5, adenosin6, histamin7, och andra8. Den biokompatibilitet och storlek av kolfibrer göra dem optimala för implantation eftersom det finns mildras vävnadsskada jämfört med större standard elektroder. 9 cfmes är kända för att ha användbara elektrokemiska egenskaper och kan göra snabba mätningar när den används med snabb elektrokemisk teknik, oftast snabb-Scan cyklisk voltametri (fscv)10,11. Fscv är en teknik som skannar den tillämpade potentialen snabbt och ger en specifik cyklisk voltamogrammen för specifika analyter12,13. Den stora laddningsström som produceras av snabb skanning är stabil på kolfibrer och kan vara bakgrund-subtrafieras för att producera specifika cykliska voltammograms.
På grund av dess optimala elektrokemi och neurobiologisk betydelse, dopamin har studerats i stor utsträckning. Den katekolamin dopamin är en viktig kemisk budbärare som spelar en central roll i kontrollen av rörelse, minne, kognition, och känslor inom nervsystemet. Ett överskott eller brist på dopamin kan orsaka många neurologiska och psykologiska störningar; bland dessa är Parkinsons sjukdom, schizofreni, och beroendeframkallande beteende. Idag, Parkinsons sjukdom fortsätter att vara en utbredd sjukdom på grund av degeneration av mellanhjärnan nervceller inblandade i dopamin syntes14. Symtomen på Parkinsons sjukdom inkluderar tremor, långsamhet i rörelse, stelhet och problem med att upprätthålla balansen. Å andra sidan, stimulantia som kokain15 och amfetamin16,17 främja överflöd av dopamin. Drogmissbruk ersätter så småningom det regelbundna flödet av dopamin och villkor hjärnan att kräva ett överskott av dopamin, som så småningom leder till beroendeframkallande beteenden.
Under de senaste åren har det varit en betoning på att förbättra elektrod funktioner i signalsubstansen detektion18. Den mest utbredda metoden för att förbättra elektrod känsligheten är genom att belägga fiber ytan. Överraskande, det har varit begränsad forskning gjort på metall nanopartikel elektrodeposition på kol-fibrer19. Ädel metall-nanopartiklar som guld, kan elektrodeponeras på fiber ytan med andra funktionella material20. Till exempel, att öka den elektroaktiva ytan för signalsubstansen adsorption inträffa. Elektrodeponerade metallnanopartiklar bildas snabbt, kan renas, och följa kol-fiber. Elektrokemi fortsätter att vara betydande för både avsättning av ädel metall nanopartiklar och ytförbättring av kol-fibrer, eftersom det gör det möjligt för kontroll av nukleation och tillväxt av dessa nanopartiklar. Slutligen, de ökade katalytiska och ledande egenskaper, och förbättrad masstransport är bland andra fördelar med att använda metallnanopartiklar för elektroanalys.
Den avancerade laboratoriet sekvens kurs av American University (experimentell biologisk kemi I och II CHEM 471/671-472/672) är en kombination av analytiska, fysikaliska, och biokemi laboratorier. Första terminen är en översikt över laboratorietekniker. Andra terminen är ett student drivet och lett forskningsprojekt21. För dessa projekt har studenterna tidigare undersökt mekanismen för Biomolecule, protein, peptid, och aminosyra-förenklad syntes av Guldnanopartiklar22,23. Nyare arbete har fokuserat på bildandet av guld nanopartiklar (aunp) produktion på elektrodytor och utvärderingen av mops effekter på förmågan hos cfmes att upptäcka signalsubstanser. I det nuvarande arbetet har laboratoriet tillämpat denna teknik för att visa att känsligheten för CFMEs i att upptäcka dopamin-oxidation förstärks genom elektrodeposition av AuNP på fiber ytan. Varje Bare-CFME kännetecknas av varierande Scan-Rate, stabilitet och dopamin-koncentration när upptäcka dopamin-oxidativa strömmar att mäta dopamin oxidation på ytan av CFME. AU3 + var då elektroreducerad till AU0 och samtidigt electrodeponeras på fiber ytan som nanopartiklar, följt av en rad karakterisering experiment. Efter en direkt jämförelse, den AuNP-CFMEs befanns ha högre känslighet av dopamin upptäckt. Den enhetliga beläggning av AuNP på fiber ytan via elektrodeposition gör en högre elektroaktiv yta; Sålunda, öka adsorption av dopamin på den modifierade elektrod ytan. Detta ledde till högre dopamin oxidativa strömmar. Den potentiella separationen av dopamin oxidation och reduktions toppar (∆ Ep) av aunp-cfmes var också mindre, vilket tyder på snabbare elektronöverföring kinetik. Framtida verk av denna studie omfattar in vivo testning av både kala-och AuNP-CFMEs för detektion av dopamin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. konstruktion av kol fiber mikroelektroder
-
Beredning av kolfibrer
- För att skapa kol-fiber mikroelektroder, först separera kolfibrer (kolfiber, 7 mm i diameter) en efter en med händer, handskar och spatel.
- Dra eller YANK en fiber från den vridna garn.
- Aspirera en isolerad kolfiber till ett glas kapillär (Single-fat borosilikatglas kapillärglas utan mikrofilament, 1,2 mm ytterdiameter, 0,68 mm innerdiameter).
- Skapa en elektrodhållare för elektroderna genom att skära en bit kartong som är ca 10 cm i längd med 25 cm i bredd.
- Dra elektroderna med en vertikal kapillärdragare.
- Öppna skjutdörren på den vertikala kapilläravdragare.
- Lossa och ta bort den metalliska hållaren spö, genom att vrida borrchucken moturs med tillräckligt utrymme för att infoga glaset kapillär.
- Sätt in glas kapillär i elektrodhållaren. Höj glaset kapillär till toppen av den vertikala kapillär manuellt för hand.
- Dra åt glaset kapillär med borrchuckar medurs utan att bryta eller splittra glaset kapillärerna.
- Justera värmare 1, värmare 2, och magnet inställningar till tillverkaren föreslagna nivåer för att dra glas kapillärer till en fin Kona för elektrod material.
- Tryck på den röda startknappen för att värma upp spiral spolen för att dra elektroderna genom tryck, gravitation och värme.
- Låt lindade spolen svalna från sin röda heta tillstånd. Skär kol fiber med sax som förbinder de två dragna elektroderna uppifrån och ned. Använd Drill-Chuck metod för att ta bort glaset kapillär från den vertikala kapillär avdragare genom vridning i moturs riktning.
2. beredning av kol fiber mikroelektrod
- Under en stereoskop eller Mikroskop, klippa kol fiber sticker ut från ytan av glaset kapillär med kirurgisk sax eller en vass rakblad till cirka 100-150 μm i längd.
- Bered en lösning av epoxi genom att blanda 10 g epoxi med 0,2 mL härdare i en 25 mL injektionsflaska med en bomullspinne.
- Doppa bara spetsen på varje elektrod i epoxin och härdare lösning för cirka 15 s.
- Doppa den ovan nämnda toppen av kol fiber mikroelektroden i aceton för cirka 3 s för att tvätta bort överflödig epoxi från fat av kolfiber mikroelektrod.
3. elektrodeposition
- Placera arbetselektroden (kol fiber mikroelektroden) i lösningen 0,5 mM HAuCl4 utöver referenselektroden, silver-silverklorid (AG/AgCl) med hjälp av mikromanipulatorn.
- Anslut arbetselektroden och referenselektroden till potentiostaten och headstage.
- Öppna programmet UNC HDCV. Ändra inställningarna på programvaran för att tillämpa vågformen. Ange följande vågform i datorinställningarna: Skanna från 0,2 V till − 1,0 V i 0,1 M KCl lösning som innehåller 0,5 mM HAuCl4 med en skanningshastighet på 50 MV/s i 10 cykler. Tryck på den gröna pilen för att tillämpa vågformen. Tryck sedan på Start-knappen för att påbörja inspelningen av mätningarna.
4. scanning elektronmikroskopi
Obs: image Bare och Gold nanopartiklar modifierade kolfiber mikroelektroder med hjälp av scanning Electron microskopi instrument (SEM). Ladda provet på svart Konduktiv tejp och efter tillverkarens beskrivna instruktioner.
-
Slå på instrumentet
- Vrid på knappen för att starta och släppa.
- Öppna InTouchScope-programvaran genom att dubbelklicka på den.
- Släpp nyckeln. Den ska landa på i -symbolen på egen hand.
- Vänta tills EVAC-knappen slutar blinka.
- När EVAC-knappen slutar blinka, tryck på VENT-knappen.
- Vänta tills VENT-knappen slutar blinka.
- Säkerställ att arbetsavståndet (WD) är 20 mm – 30 mm.
- Förbered provet (erna) i väntan.
-
Skanning
- När ventilationsknappen slutar blinka, Fyll på provet (s) i instrumentet.
- Se till att den böjda delen av provhållaren är riktad mot instrumentet vid lastning av prov (er).
- Tryck på EVAC-knappen när provet (-erna) är inlästa.
- Justera arbetsavståndet till 10 mm.
- När EVAC-knappen slutar blinka, slå på datorn.
- Klicka på programvaran in Touch scope som finns på skrivbordet. Det finns två i touch scope programvara, klicka på en utan den gröna och gula cirkeln.
- När programvaran öppnas, klicka på Observera (överst till höger på skärmen), för att slå på strålen. Se till att EVAC-knappen har slutat blinka innan du klickar på Observera.
- Börja analysera provet/prov.
- Kontrollera att inställningarna för spänning, arbetsavstånd (WD) och sond ström (PC) är acceptabla.
- Zooma ut (~ 50X) för en högre inställning och zooma in för en lägre inställning.
- Ställ in arbetsavståndet på 10 mm.
- Innan du tar en bild av prov (er), se till att bilden kommer att sparas till önskad målmapp.
- För att välja önskad mapp, klicka på Inställningar (överst till vänster på skärmen).
- Exportera bilderna från datorn via en flashenhet.
-
Stänga
- Klicka på Observera för att stänga av strålen.
- Tryck på VENT-knappen och vänta tills den slutar blinka.
- När du väntar på att ventilationsknappen ska sluta blinka justerar du arbetsavståndet tillbaka till 20 mm – 30 mm.
- När ventilationsknappen slutar blinka, lossa provet/prov från instrumentet.
- Tryck på EVAC-knappen och vänta tills den slutar blinka.
- När EVAC-knappen slutar blinka, Stäng av programvaran och Stäng av datorn.
- Vrid nyckeln till O -symbolen för att helt stänga av instrumentet.
5. snabb skanning cyklisk voltametri testning
- Anslut kol fiber mikroelektrod till potentiostat och headstage tillsammans med AG/AgCl referenselektrod.
- Med hjälp av micromanipulator, sänk kol fiber mikroelektroden i flödet cellen väl genom att manuellt justera X, Y, och Z mått rattar.
- Bered buffertlösning i DI-vatten (131,5 mM NaCl, 3,25 mM KCl, 1,2 mM CaCl2, 1,25 mm NaH2Po4, 1,2 mM Mgcl2och 2,0 mm Na2so4 med pH justerat till 7,4).
- Fyll cellen flöde med fosfatbuffrad saltlösning (PBS) buffert (pH = 7,4).
- Använd en fylld 60 mL buffert spruta, injicera PBS buffert i cellen flöde på cirka 1 mL/min.
- Placera elektroden i cellen flöde och tillämpa vågformen genom att trycka på den gröna knappen. Observera oscilloskopet och antingen klippa elektroden eller justera förstärkningen för att förhindra överbelastning. Låt det ta cirka 10 minuter av jämning mellan varje elektrod körning.
- Ställ in standard vågformen till dopamin vågformen. Skanna från – 0,4 V till 1,3 V vid 10 Hz och 400 V/s.
- Bered stamlösning av 10 mM dopamin, serotonin, noradrenalin, och andra i perklorsyra. Späd ut neurochemicals till slutlig koncentration av 1 μM i buffert genom att Pipettera 1 μM av dopamin stamlösningen i 10 mL PBS-buffert med hjälp av en pipett.
- För att påbörja mätningarna, tryck på inspelningsknappen. Efter 10 s, injicera 0,2 mL av 1 μM dopamin i cellen flöde eller någon annan koncentration av signalsubstansen. Justera koncentrationen, skanningshastighet, vågform (Holding potential eller växling potential) i enlighet därmed. Ange den totala körningstiden för 30 s.
- Analysera körningen med hjälp av HDCV-Analysprogramvaran. Ändra parametrarna efter behov.
- När experimentet är klart, Rengör cellen flöde genom att injicera 3 mL vatten och sedan luft i bufferten och insprutnings portar i cellen flöde tre gånger vardera.
- Stäng av vågformen och instrumentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För bild 1, visar vi en schematisk där FSCV testning används för att mäta koncentrationen av signalsubstanser in vitro. Figur 1 visar dopamin vågform tillämpas. Triangeln vågform skannar från-0,4 V till 1,3 V vid 400 V/s. I den andra delen av figuren till vänster, den visar oxidation av dopamin till dopamin-Ortho-quinone (DOQ), en två elektronöverföring process sker från ytan av analyten till ytan av elektroden. Slutligen är en aktuell kontra tid tomt överlagras med en färg Plot. Den nuvarande kontra tid tomt är en representation av dopamin oxidation. Det är platt när det inte finns någon dopamin oxidation, och det stiger vertikalt när dopamin oxideras till dopamin-ortokinon och reduceras tillbaka ner till dopamin som analyten adsorber, och därefter, avger från ytan av elektroden. Färgen Plot är en 3-dimensionell tomt av nuvarande. Den gula strömmen är bakgrunds strömmen (nära noll), medan den gröna tomten är den positiva oxidations strömmen (dopamin oxidation till dopamin ortokinon), och den blå handlingen är den negativa reduktions strömmen (dopamin ortoquinon reduktion till dopamin).
SEM utnyttjades till bildytans egenskaper hos de kala och modifierade kol elektroderna. I figur 2ser vi unika skillnader i ytfunktioner bland tre olika typer av elektrod material. I figur 2Avisas en mikroelektrod med bara kolfiber. Fibern är ca 7 μm diameter med cylindriska åsar längs utsidan. Figur 2b visar Guldnanopartiklar electrodeponeras på ytan av kol fiber för ca 20 min med stora skarpa ås av guld sticker ut från ytan av kolfiber. Närvaron av guld har verifierats ytterligare med EDS/EDX mätningar. Vi minskade sedan elektronedsättningen tiden till 5 min där vi observerade en tunn enhetlig beläggning guld som visas i figur 2C.
Jämförelse av känslighet och elektronöverföring
Figur 3a visar en jämförelse mellan känslighet och elektronöverföring. Som visas med överlappande cykliska voltammograms, guld-modifierade kol fiber mikroelektroder har betydligt högre topp oxidativ strömmar (figur 3b) och snabbare elektronöverföring kinetik (ΔEP). Signifikansen mättes med ett icke-parat t-test (P = .004 respektive. 0016). Felstaplar är standardfel för medelvärdet.
Stabilitet
Den kala (figur 4a) och guldnanopartikel modifierad (figur 4b) cfmes placerades i cellen flöde för 4 h. mätningar har vidtagits för detektion av 1 μm dopamin varje timme över 4 timmar. Båda elektroderna hade ett stabilt svar med avseende på dopamin. Ett stabilt svar på dopamin (utan vatten oxidation) är oerhört viktigt för att utföra mätningar i biologisk vävnad. Felstaplar är standardfel för medelvärdet.
Skanningshastighet
Skanningshastigheten varierade från 100 V/s till 1 000 V/s. Både kala (figur 5a) och Guldnanopartiklar (Figur 5b) modifierade elektroder visade en linjär respons med avseende på dopamin detektion, vilket indikerar adsorptionskontroll till ytan av den kala och guldnanopartikel som modifierats mikroelektrod. Felstaplar är standardfel för medelvärdet.
Koncentration
Koncentrationen varierade från 100 nM till 100 μM dopamin för nakna (figur 6a) och guld nanopartikel modifierad (figur 6b) mikroelektroder kolfiber. Det linjära området var från 100 nM till 10 μM. Efter 10 μM, vi observerar en asymptotisk kurva som betecknar att dopamin är övermättas på ytan av kol fiber mikroelektroden. Den linjära reaktionen för topp oxidations strömmen av dopamin med avseende på dopamin koncentrationen betecknar adsorptionskontroll till ytan av elektroden. De fysiologiskt relevanta koncentrationerna av dopamin i hjärnan är inom detta intervall och varierar mellan hjärnregioner.
Figur 1. En schematisk av dopamin oxidation. Overlay av kol-fiber mikroelektrod oxiderande dopamin. Charge transfer visas från ytan som dopamin oxideras till dopamin-ortokinon och tillbaka till dopamin som triangeln dopamin vågform appliceras (-0,4 V till 1,3 V vid 400 V/s). Den nuvarande kontra tid och färg tomter visas betecknar dopamin oxidation (grön) och dopamin minskning (blå). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. SEM bilder av (a) Bare kolfiber mikroelektrod, (b) guld-nanoparticle modifierade kolfiber mikroelektroder med en 20 min elektrod deposition tid, och (c) guld-nanoparticle modifierade mikroelektroder med en 5-min elektrod deposition tid. Detta ger bevis på princip resultat att storleken och tjockleken av guldnanopartikel beläggningar kan styras av elektronedfall tid. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Känslighet jämförelse av nakna och guld-nanopartiklar modifierade elektroder. (A) overlay av cykliska voltammograms av kala och guld nanopartiklar modifierade mikroelektroder. (B). stapeldiagram som betecknar skillnader i maximal oxidativ ström av nakna och guldnanopartikelmodifierade mikroelektroder. (C). stapeldiagrammet visar skillnad i ΔEP mellan kala och guld nanopartiklar modifierade mikroelektroder. Felstaplar är standardfel för medelvärdet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Stabilitets experiment. (A) kala och (B) nanopartikelmodifierade mikroelektroder i guld placerades i en flödescell för sammanlagt minst 4 timmar. Deras känslighet mot 1 μM dopamin mättes över 4 h. Båda hade ett enhetligt svar på dopamin över 4 h. felstaplar är standardfel av medelvärdet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Scan Rate experiment. (A) kala och (B) guld nanopartikel-modifierade mikroelektroder placerades i en flödescell, och skanningshastigheten varierade från 100 v/s till 1 000 v/s. Både nakna och guld nanopartiklar modifierade mikroelektroder hade en linjär respons med avseende på skanningshastighet, vilket betecknar adsorption kontroll av dopamin till ytan av den kala och guld nanopartiklar modifierade kolfiber mikroelektrod. Felstaplar är standardfel för medelvärdet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Koncentrations experiment. (A) kala och (B) guld nanopartikelmodifierade mikroelektroder exponerades för olika koncentrationer av dopamin 100 nm – 100 μm. Både kala och guld nanopartiklar modifierade mikroelektroder hade en linjär respons med avseende på dopamin upp till 10 μm, vilket betecknar adsorption kontroll till ytan av elektroden. Vid koncentrationer högre än 10 μM, vi observerar en asymptotisk kurva, vilket är ett tecken på dopamin mättnad på ytan av elektroden genom att ockupera alla adsorption platser och resulterar i mer diffusion kontroll. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna studie, vi visar en ny metod för att konstruera guld-nanoparticle modifierade kolfiber mikroelektroder för detektion av signalsubstanser som dopamin med snabb skanning cyklisk voltametri. Metoden är en effektiv, grön och relativt billig metod för att förbättra känsligheten för detektion av biomolekyler. Tjockleken på guld deponeras på ytan av kolfiber kan styras av tiden för elektrodeposition och koncentrationen av guld som finns i elektroavsättning lösning. Guldmodifierade kol fiber mikroelektroder visades ha betydligt högre elektroaktiva ytområden än Bare elektroder förutom snabbare elektronöverföring kinetik. De hade också högre känslighet och lägre detektionsgränser än kala icke-modifierade elektrod material. Dessutom visade elektroderna en stabilitet mot dopamin detektion när testas i cellen flöde för minst 4 h. Det fanns en linjär respons med avseende på topp oxidativ ström för dopamin detektion med avseende på både skanningshastighet och koncentration för de guldmodifierade kol fiber elektroder som betecknar adsorptionskontroll till ytan av elektroden.
Kritiska steg i protokollet inkluderar att dra av kol-fiber mikroelektroder med vertikal kapillär avdragare och uppnå gränsskikts vidhäftning mellan glaset kapillär och kolfiber med hjälp av epoxi. Dessutom är elektroavsättning av guld på ytan av kolfiber ganska utmanande att upprätthålla en balans mellan att ha en tunn enhetlig beläggning av guld på ytan av elektroden och över-deponerar överskott av guld på ytan av elektrod, vilket skulle hindra signalsubstansen upptäckt genom buller och signal överbelastning. Ändringar och felsökning av metoden är att optimera metoden för elektronedfall med avseende på både tid och koncentration. Olika källor av guld (AuCl3, haucl4, och andra guldhydrater) bör utnyttjas för att utföra dessa experiment. Begränsningar av metoden inkluderar möjligheten att den elektrodeponerade guld överbelasta signalen från potentiostat på grund av över-deposition. Dessutom, som en metall elektrod material, kan guld modifierade elektroder potentiellt oxidera vatten vid skanning till högre potentialer (över 1,45 V), som kan störa analyt signal.
Metoden är en markant avancemang inom området som guld nanopartiklar modifierade mikroelektroder avsevärt förbättra signalsubstansen upptäckt och har inte undersökts grundligt för signalsubstansen upptäckt med hjälp av fscv. En annan metod för att förbättra elektrokemiska signaler för cmfes är genom modifiering med kolnanorör24,25,26. Dipcoating elektroder i kolnanorör suspensioner ökar ofta signalen. Men bullret ökar också eftersom lagret av deponerade kolnanorör är heterogena. Guldnanopartikel deposition är en snabb, reproducerbar och effektiv metod för att skapa förbättrade biomolekyl-sensorer. Framtida metodutveckling kommer att omfatta optimering av guld nanopartikel modifiering av kolfiber mikroelektroder skapa tunna, enhetliga lager av guld över ytan över kol fiber mikroelektroder. Dessutom, studien och optimering av upptäckten av andra neurochemicals (noradrenalin, serotonin, histamin, adenosin, och andra) kommer också att utföras. Slutligen kommer dessa förstärkta guld-modifierade mikroelektroder användas för att utföra in vivo mätningar av signalsubstanser i gnagare eller modeller fruktfluga. Förbättringen av dopamin detektion genom guld nanopartikel modifiering möjliggör många möjliga tillämpningar och studier i neurovetenskap som studerar Parkinsons sjukdom, drogmissbruk, och andra sjukdomar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi vill tacka American University, fakultetens forskningsstöd Grant, NASA DC Space Grant, och 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).
