Gold Nanopartikel Modifizierte Kohlenstofffaser-Mikroelektroden für verbesserte neurochemische Detektion
Summary
In dieser Studie modifizieren wir Kohlenstofffaser-Mikroelektroden mit Gold-Nanopartikeln, um die Empfindlichkeit der Neurotransmitter-Detektion zu verbessern.
Abstract
Seit über 30 Jahren sind Kohlenstofffaser-Mikroelektroden (CFMEs) der Standard für die Detektion von Neurotransmittern. Im Allgemeinen werden Kohlefasern in Glaskapillaren angesaugt, zu einer feinen Verjüngung gezogen und dann mit einem Epoxid versiegelt, um Elektrodenmaterialien zu erstellen, die für schnelle zyklische Voltammetrietests verwendet werden. Die Verwendung von bloßen CFMEs hat jedoch mehrere Einschränkungen. Zuallererst enthält die Kohlefaser meist basalen Ebenenkohlenstoff, der eine relativ geringe Oberfläche hat und geringere Empfindlichkeiten als andere Nanomaterialien liefert. Darüber hinaus ist der graphitische Kohlenstoff durch seine zeitliche Auflösung und seine relativ geringe Leitfähigkeit begrenzt. Schließlich sind Neurochemikalien und Makromoleküle bekannt, an der Oberfläche von Kohlenstoffelektroden zu foulen, wo sie nichtleitende Polymere bilden, die weitere Neurotransmitteradsorption blockieren. Für diese Studie modifizieren wir CFMEs mit Gold-Nanopartikeln, um neurochemische Tests mit schneller zyklischer Voltammetrie zu verbessern. Au3+ wurde von einer kolloidalen Lösung auf die Oberfläche von CFMEs elektrodepositiert oder getaucht. Da Gold ein stabiles und relativ inertes Metall ist, ist es ein ideales Elektrodenmaterial für analytische Messungen von Neurochemikalien. Gold-Nanopartikel modifiziert (AuNP-CFMEs) hatte eine Stabilität auf Dopamin-Reaktion für über 4 h. Darüber hinaus weisen AuNP-CFMEs eine erhöhte Empfindlichkeit (höherer oxidativer Spitzenstrom der zyklischen Voltammogramme) und eine schnellere Elektronentransferkinetik (niedrigereEP- oder Peak-Trennung) auf als nackte unveränderte CFMEs. Die Entwicklung von AuNP-CFMEs ermöglicht die Schaffung neuartiger elektrochemischer Sensoren zur Erkennung schneller Veränderungen der Dopaminkonzentration und anderer Neurochemikalien an niedrigeren Nachweisgrenzen. Diese Arbeit hat umfangreiche Anwendungen für die Verbesserung der neurochemischen Messungen. Die Erzeugung von Gold-Nanopartikel-modifizierten CFMEs wird für die Entwicklung neuartiger Elektrodensensoren zur Detektion von Neurotransmittern in vivo bei Nagetieren und anderen Modellen zur Untersuchung neurochemischer Wirkungen von Drogenmissbrauch, Depression, Schlaganfall, Ischämie, und andere Verhaltens- und Krankheitszustände.
Introduction
Kohlenstofffaser-Mikroelektroden (CFMEs)1 werden am besten als Biosensoren verwendet, um die Oxidation mehrerer wichtiger Neurotransmitter zu erkennen2, einschließlich Dopamin3, Noradrenalin4, Serotonin5, Adenosin6, Histamin7und andere8. Die Biokompatibilität und Größe von Kohlenstofffasern machen sie optimal für die Implantation, da es im Vergleich zu größeren Standardelektroden gemilderte Gewebeschäden gibt. 9 CFMEs sind dafür bekannt, nützliche elektrochemische Eigenschaften zu besitzen und sind in der Lage, schnelle Messungen zu machen, wenn sie mit schnellen elektrochemischen Techniken verwendet werden, am häufigsten schnell scannenzyklische Voltammetrie (FSCV)10,11. FSCV ist eine Technik, die das angewendete Potenzial schnell scannt und ein spezifisches zyklisches Voltammogramm für bestimmte Analyten12,13bereitstellt. Der große Ladestrom, der durch schnelles Scannen erzeugt wird, ist auf Kohlefasern stabil und kann hintergrundsubtrahiert werden, um spezifische zyklische Voltammogramme zu erzeugen.
Aufgrund seiner optimalen Elektrochemie und neurobiologischen Bedeutung, Dopamin wurde weithin untersucht. Das Katecholamin Dopamin ist ein essentieller chemischer Botenstoff, der eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Bewegung spielt, Speicher, Kognition, und Emotion innerhalb des Nervensystems. Ein Überschuss oder Mangel an Dopamin kann zahlreiche neurologische und psychologische Störungen verursachen; dazu gehören Parkinson-Krankheit, Schizophrenie und Suchtverhalten. Heute, Parkinson-Krankheit ist weiterhin eine weit verbreitete Erkrankung aufgrund der Degeneration von Midbrain Neuronen in Dopamin-Synthesebeteiligt 14. Parkinson-Krankheit Symptome sind Zittern, Langsamkeit der Bewegung, Steifigkeit, und Probleme bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts. Auf der anderen Seite fördern Stimulanzien wie Kokain15 und Amphetamin16,17 den Überlauf von Dopamin. Drogenmissbrauch schließlich ersetzt den regelmäßigen Fluss von Dopamin und Bedingungen das Gehirn, um einen Überschuss an Dopamin zu verlangen, was schließlich zu Suchtverhalten führt.
In den letzten Jahren wurde ein Schwerpunkt auf die Verbesserung der Elektrodenfunktionalität in Neurotransmitter-Erkennung18. Die am weitesten verbreitete Methode zur Verbesserung der Elektrodenempfindlichkeit ist die Beschichtung der Faseroberfläche. Überraschenderweise wurde nur begrenzte Forschungen zur Metall-Nanopartikelelektrodeaufposition auf Kohlenstofffaserndurchgeführt 19. Edelmetall-Nanopartikel wie Gold können mit anderen funktionellen Materialien auf die Faseroberfläche elektrolegiert werden20. Zum Beispiel, Erhöhung der elektroaktiven Oberfläche für Neurotransmitter Adsorption auftreten. Elektroverschrottete Metall-Nanopartikel bilden sich schnell, können gereinigt werden und haften an der Kohlenstofffaser. Die Elektrochemie ist nach wie vor sowohl für die Abscheidung von Edelmetall-Nanopartikeln als auch für die Oberflächenverbesserung von Kohlenstofffasern von Bedeutung, da sie die Kontrolle der Keimbildung und des Wachstums dieser Nanopartikel ermöglicht. Schließlich sind die erhöhten katalytischen und leitfähigen Eigenschaften und der verbesserte Massentransport unter anderem Vorteile der Verwendung von Metall-Nanopartikeln für die Elektroanalyse.
Der Advanced Laboratory Sequence Course der American University (Experimental Biological Chemistry I and II CHEM 471/671-472/672) ist eine Kombination von Analytischen, Physikalischen und Biochemischen Laboratorien. Das erste Semester ist ein Überblick über Labortechniken. Das zweite Semester ist ein studentisches und geführtes Forschungsprojekt21. Für diese Projekte haben die Studierenden zuvor den Mechanismus von Biomolekül, Protein, Peptid und Aminosäure-erleichterte Synthese von Gold-Nanopartikeln22,23untersucht. Neuere Arbeiten konzentrierten sich auf die Bildung von Gold-Nanopartikeln (AuNP) auf Elektrodenoberflächen und die Bewertung von AuNPs-Effekten auf die Fähigkeit von CFMEs, Neurotransmitter zu erkennen. In der vorliegenden Arbeit hat das Labor diese Technik angewendet, um zu zeigen, dass die Empfindlichkeit von CFMEs beim Nachweis der Dopamin-Oxidation durch die Elektrodeposition von AuNP auf die Faseroberfläche erhöht wird. Jede bare-CFME zeichnet sich durch unterschiedliche Scanrate, Stabilität und Dopamin-Konzentration beim Nachweis von Dopamin-oxidativen Strömen aus, um die Dopaminoxidation auf der Oberfläche des CFME zu messen. Au3+ wurde dann auf Au0 elektroreduziert und gleichzeitig als Nanopartikel auf die Faseroberfläche elektrolegiert, gefolgt von einer Reihe von Charakterisierungsexperimenten. Nach einem direkten Vergleich, die AuNP-CFMEs wurden gefunden, um eine höhere Empfindlichkeit der Dopamin-Erkennung besitzen. Die gleichmäßige Beschichtung von AuNP auf die Faseroberfläche über Elektrodenposition macht eine höhere elektroaktive Oberfläche; so erhöht die Adsorption von Dopamin auf die modifizierte Elektrodenoberfläche. Dies führte zu höheren dopaminoxidativen Strömen. Die mögliche Trennung der Dopaminoxidations- und Reduktionsspitzen (Ep) von AuNP-CFMEs war ebenfalls kleiner, was auf eine schnellere Elektronentransferkinetik hindeutet. Zukünftige Arbeiten dieser Studie umfassen die In-vivo-Tests sowohl der Bare- als auch der AuNP-CFMEs zum Nachweis von Dopamin.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie zeigen wir eine neuartige Methode zum Bau von Gold-Nanopartikel-modifizierten Kohlenstofffaser-Mikroelektroden für den Nachweis von Neurotransmittern wie Dopamin mit Hilfe von schneller zyklischer Voltammetrie. Die Methode ist ein effizienter, grüner und relativ kostengünstiger Ansatz zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Biomoleküldetektion. Die Dicke des Goldes, das sich auf der Oberfläche der Kohlefaser ablagert, kann durch die Zeit der Elektrodeposition und die Konzentration von Gold in der E…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der American University, dem Faculty Research Support Grant, dem NASA DC Space Grant und dem NSF-MRI-Nr. 1625977.
Materials
| Dopamine hydrochloride | Sigma Aldrich | H8502-5G | |
| Phosphate Buffered Saline | Sigma Aldrich | P5493-1L | |
| Pine WaveNeuro Potentiostat | Pine Instruments | NEC-WN-BASIC | This orders comes in bulk with all other accessories such as headstages, adapters, cords, and other electronics |
| Pine Flow Cell and Micromanipulator | Pine Instruments | NEC-FLOW-1 | This is also another bulk order including the micromanipulator, flow cell, knobs, tubing, connectors, etc. |
| Glass-Capillary | A-M Systems | 602500 | |
| T-650 Carbon Fiber | Goodfellow | C 005711 | |
| Epon 828 Epoxy | Miller-Stephenson | EPON 828 TDS | |
| Diethelynetriamine | Sigma Aldrich | D93856-5ML | |
| Gold (III) chloride | Sigma Aldrich | 254169 | Comes as either HAuCl4 or AuCl3 |
| pH meter | Fisher | S90528 | |
| Farraday Cage | AMETEK TMC | 81-334-03 | |
| Syringe Pump | NEW ERA PUMP | NE-1000 | |
| Eppendorf Pipettes and Tips | Eppendorf | 2231000222 | This is also a bulk order containing multiple pipettes and tips |
| 10 -1,000 mL beakers | VWR | 10536-390 | |
| Carbon fiber | Goodfellow | C 005711 | |
| SEM | JEOL | JSM-IT100 |
References
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