在本研究中，我们使用金纳米颗粒修饰碳纤维微电极，以提高神经递质检测的灵敏度。
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摘要
摘要
30 多年来，碳纤维微电极（CFMEs）一直是神经递质检测的标准工具。通常，将碳纤维吸入玻璃毛细管中，拉制成细锥形，然后用环氧树脂密封，制成用于快速扫描循环伏安法检测的电极材料。然而，裸碳纤维微电极的使用存在若干局限性。首先，碳纤维主要由基面碳构成，其表面积相对较小，灵敏度低于其他纳米材料。此外，石墨碳在时间分辨率方面受限，且导电性相对较低。最后，已知神经化学物质和大分子会在碳电极表面发生污染，形成非导电性聚合物，阻碍神经递质的进一步吸附。在本研究中，我们通过在碳纤维微电极表面修饰金纳米颗粒，以增强快速扫描循环伏安法对神经化学物质的检测性能。Au3+通过电沉积或浸涂法从胶体溶液中沉积到CFMEs表面。由于金是一种稳定且相对惰性的金属，因此是神经化学物质分析检测的理想电极材料。金纳米颗粒修饰的电极（AuNP-CFMEs）对多巴胺的响应稳定性超过4小时。此外，与未修饰的裸CFMEs相比，AuNP-CFMEs表现出更高的灵敏度（循环伏安图中更高的氧化峰电流）和更快的电子转移动力学（更低的ΔEP或峰分离）。AuNP-CFMEs的开发为检测多巴胺浓度及其他神经化学物质的快速变化提供了新型电化学传感器，并实现了更低的检测限。该研究对提升神经化学检测技术具有广泛的应用前景。金纳米颗粒修饰CFMEs的制备对于开发新型电极传感器至关重要，可用于在啮齿类及其他动物模型中活体检测神经递质，以研究药物滥用、抑郁症、中风、缺血及其他行为与疾病状态下的神经化学效应。
引言
碳纤维微电极（CFMEs）1 最适合作为生物传感器，用于检测多种重要神经递质的氧化反应2，包括多巴胺3去甲肾上腺素4，5-羟色胺5腺苷6，组胺7以及其他8碳纤维的生物相容性和尺寸使其成为植入的理想选择，与较大的标准电极相比，可显著减少对组织的损伤。9 已知碳纤维微电极（CFMEs）具有优良的电化学特性，当与快速电化学技术（最常用的是快速扫描循环伏安法，FSCV）联用时，能够实现快速测量。10,11FSCV 是一种快速扫描施加电位的技术，可为特定分析物提供特有的循环伏安图。12,13快速扫描产生的大充电电流在碳纤维上是稳定的，可通过背景扣除获得特异的循环伏安图。
由于多巴胺具有理想的电化学性质及其在神经生物学中的重要性，它....
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方案
1. 碳纤维微电极的构建
- 碳纤维的制备
- 为了制备碳纤维微电极，首先使用手、手套和刮刀逐一分离碳纤维（碳纤维，直径7 μm）。
- 从绞合的纱线中拉出一根纤维。
- 将分离出的一根碳纤维吸入玻璃毛细管中（单通道硼硅酸盐毛细玻璃管，无内丝，外径1.2 mm，内径0.68 mm）。
- 通过裁剪一块长约10 cm、宽约25 cm的纸板，制备用于电极的电极夹持器。
- 使用垂直毛细管拉制仪拉制电极。
- 打开垂直毛细管拉制仪的滑动门。
- 逆时针旋转钻夹头，松开并取下金属夹持杆，留出足够空间以插入玻璃毛细管。
- 将玻璃毛细管插入电极夹持器中。手动将玻璃毛细管向上推至垂直毛细管拉制仪的顶部。
- 顺时针拧紧钻夹头，固定玻璃毛细管，注意不要折断或破碎玻璃毛细管。
- 将加热器1、加热器2和磁铁的设置调节至制造商推荐的水平，以通过加热、压力和重力将玻璃毛细管拉制成适合电极材料的细锥形。
- 按下红色启动按钮，加热线圈，利用压力、重力和加热作用拉制电极。
- 等待线圈从发红状态冷却。用剪刀从上到下剪断连接两个拉制后电极的碳纤维。采用钻夹头方法，逆时针旋转，将玻璃毛细管从垂直毛细管拉制仪中取出。
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结果
对于图1，我们展示了一个示意图，其中使用快速扫描循环伏安法（FSCV）测试在体外测量神经递质的浓度。图1显示了施加的多巴胺电压波形。该三角波形以400 V/s的速率从-0.4 V扫描至1.3 V。在图的左侧第二部分，展示了多巴胺氧化为多巴胺邻醌（DOQ）的过程，该过程涉及分析物表面向电极表面转移两个电子。最后，电流-时间曲线与彩色图谱叠加显示。电流-时间曲线代表多巴胺的氧化过程：当无多巴胺氧化时，曲线呈平坦状态；当多巴胺氧化为多巴胺邻醌并在分析物吸附后从电极表面解吸时又被还原回多巴胺，曲线则垂直上升。彩色图谱为电流的三维图示，其中黄色代表背景电流（接近零），绿色代表正向氧化电流（多巴胺氧化为多巴胺邻醌），蓝色代表负向还原电流（多巴胺邻醌还原为多巴胺）。
采用扫描电子显微镜（SEM）对未修饰和修饰后的碳电极表面形貌进行成像。在
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讨论
本研究展示了一种构建金纳米颗粒修饰碳纤维微电极的新方法，用于通过快速扫描循环伏安法检测多巴胺等神经递质。该方法是一种高效、环保且相对经济的手段，可提高生物分子检测的灵敏度。通过控制电沉积时间和电沉积溶液中金的浓度，可调控沉积在碳纤维表面的金层厚度。与未修饰的裸电极相比，金修饰的碳纤维微电极具有显著更大的电活性表面积和更快的电子转移动力学。此外，其灵敏度更高，检测限更低。同时，在流动池中测试至少4小时后，这些电极对多巴胺检测表现出良好的稳定性。对于金修饰碳纤维电极，多巴胺检测的峰值氧化电流在扫描速率和浓度方面均呈现线性响应，表明电极表面的吸附过程起主导控制作用。
该实验方案的关键步骤包括使用垂直毛细管拉制仪拉制碳纤维微电极，以及通过环氧树脂实现玻璃毛细管与碳纤维之间的界面粘附。此外，在碳纤维表面进行金的电沉积具有较大挑战性，关键在于需在电极表面形成一层薄而均匀的金镀层，同时避免金的过度沉积，否则将因噪声和信号过载而影响神经递质的检测。方法的优化与故障排除包括针对电沉积的时间和浓度参数进行条件优化。实验中应尝试使用不同来源的金（如 AuCl3、HAuCl.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢美国大学、教员研究支持资助、NASA DC空间资助以及NSF-MRI#1625977项目的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 盐酸多巴胺 | Sigma Aldrich | H8502-5G | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma Aldrich | P5493-1L | |
| Pine WaveNeuro 恒电位仪 | Pine Instruments | NEC-WN-BASIC | 此订单为批量采购，包含所有其他配件，如前置放大器、适配器、线缆及其他电子组件 |
| Pine 流通池与微操纵器 | Pine Instruments | NEC-FLOW-1 | 此亦为批量订单，包含微操纵器、流通池、旋钮、管路、连接器等 |
| 玻璃毛细管 | A-M Systems | 602500 | |
| T-650 碳纤维 | Goodfellow | C 005711 | |
| Epon 828 环氧树脂 | Miller-Stephenson | EPON 828 TDS | |
| 二亚乙基三胺 | Sigma Aldrich | D93856-5ML | |
| 三氯化金 | Sigma Aldrich | 254169 | 以 HAuCl4 或 AuCl3 形式提供 |
| pH 计 | Fisher | S90528 | |
| 法拉第屏蔽笼 | AMETEK TMC | 81-334-03 | |
| 注射泵 | NEW ERA PUMP | NE-1000 | |
| Eppendorf 移液器及吸头 | Eppendorf | 2231000222 | 此亦为包含多种移液器及吸头的批量订单 |
| 10 - 1,000 mL 烧杯 | VWR | 10536-390 | |
| 碳纤维 | Goodfellow | C 005711 | |
| 扫描电子显微镜（SEM） | JEOL | JSM-IT100 |
参考文献
- 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....
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重印与许可
