Microelectrodos de fibra de carbono modificados por nanopartículas de oro para una detección neuroquímica mejorada
Summary
En este estudio, modificamos microelectrodos de fibra de carbono con nanopartículas de oro para mejorar la sensibilidad de la detección de neurotransmisores.
Abstract
Durante más de 30 años, los microelectrodos de fibra de carbono (CFMEs) han sido el estándar para la detección de neurotransmisores. Generalmente, las fibras de carbono se aspiran en capilares de vidrio, se tiran a un cónico fino y luego se sellan con un epoxi para crear materiales de electrodos que se utilizan para pruebas de cismmetría cíclica de escaneo rápido. Sin embargo, el uso de CFMEs desnudas tiene varias limitaciones. En primer lugar, la fibra de carbono contiene principalmente carbono plano basal, que tiene una superficie relativamente baja y produce sensibilidades más bajas que otros nanomateriales. Además, el carbono grafico está limitado por su resolución temporal, y su relativamente baja conductividad. Por último, se sabe que los neuroquímicos y macromoléculas ensucian en la superficie de los electrodos de carbono donde forman polímeros no conductores que bloquean la adsorción de neurotransmisores adicionales. Para este estudio, modificamos las CFMEs con nanopartículas de oro para mejorar las pruebas neuroquímicas con voltammetría cíclica de escaneo rápido. Au3+ fue electrodepositado o sumergido de una solución coloidal en la superficie de las CFMEs. Dado que el oro es un metal estable y relativamente inerte, es un material de electrodo ideal para mediciones analíticas de neuroquímicos. Nanopartículas de oro modificadas (AuNP-CFMEs) tuvieron una estabilidad a la respuesta de dopamina durante más de 4 h. Por otra parte, las AuNP-CFMEs presentan una mayor sensibilidad (corriente oxidativa de pico más alto de las voltografías cíclicas) y cinética de transferencia de electrones más rápida (menorEP o separación de picos) que las CFMEs sin modificar desnudas. El desarrollo de AuNP-CFMEs proporciona la creación de nuevos sensores electroquímicos para detectar cambios rápidos en la concentración de dopamina y otros neuroquímicos en límites más bajos de detección. Este trabajo tiene vastas aplicaciones para la mejora de las mediciones neuroquímicas. La generación de CFTME modificadas por nanopartículas de oro será de vital importancia para el desarrollo de nuevos sensores de electrodos para detectar neurotransmisores in vivo en roedores y otros modelos para estudiar los efectos neuroquímicos del abuso de drogas, depresión, accidente cerebrovascular, isquemia, y otros estados de comportamiento y enfermedades.
Introduction
Los microelectrodos de fibra de carbono (CFME)1 se utilizan mejor como biosensores para detectar la oxidación de varios neurotransmisores cruciales2,incluyendo la dopamina3,la noradrenalina4, la serotonina5,la adenosina6, histamina7, y otros8. La biocompatibilidad y el tamaño de las fibras de carbono las hacen óptimas para la implantación, ya que hay daños tisulares mitigados en comparación con los electrodos estándar más grandes. 9 Se sabe que las CFMEs poseen propiedades electroquímicas útiles y son capaces de realizar mediciones rápidas cuando se utilizan con técnicas electroquímicas rápidas, más comúnmente cyclicammetría de escaneo rápido (FSCV)10,11. FSCV es una técnica que escanea el potencial aplicado rápidamente y proporciona una voltografía cíclica específica para analitos específicos12,13. La gran corriente de carga producida por el escaneo rápido es estable en fibras de carbono y se puede restar en segundo plano para producir voltografías cíclicas específicas.
Debido a su óptima electroquímica y importancia neurobiológica, la dopamina ha sido ampliamente estudiada. La dopamina de la catecolamina es un mensajero químico esencial que desempeña un papel fundamental en el control del movimiento, memoria, cognición, y la emoción dentro del sistema nervioso. Un excedente o deficiencia de dopamina puede causar numerosas interferencias neurológicas y psicológicas; entre ellos se encuentran la enfermedad de Parkinson, la esquizofrenia y el comportamiento adictivo. Hoy, Enfermedad de Parkinson sigue siendo un trastorno frecuente debido a la degeneración de las neuronas del cerebro medio implicadas en la síntesis de dopamina14. Los síntomas de la enfermedad de Parkinson incluyen temblor, lentitud del movimiento, rigidez y problemas para mantener el equilibrio. Por otro lado, estimulantes como la cocaína15 y la anfetamina16,17 promueven el desbordamiento de dopamina. Abuso de drogas eventualmente sustituye el flujo regular de dopamina y condiciones del cerebro para requerir un excedente de dopamina, que finalmente conduce a comportamientos adictivos.
En los últimos años, ha habido un énfasis en la mejora de la funcionalidad del electrodo en la detección de neurotransmisores18. El método más extendido para mejorar la sensibilidad de los electrodos es recubrir la superficie de la fibra. Sorprendentemente, ha habido una investigación limitada sobre la electrodeposición de nanopartículas metálicas en fibras de carbono19. Las nanopartículas metálicas nobles, como el oro, pueden electrodepositarse en la superficie de la fibra con otros materiales funcionales20. Por ejemplo, aumentar la superficie electroactiva para la adsorción de neurotransmisores a ocurrir. Las nanopartículas metálicas electrodepositadas se forman rápidamente, se pueden purificar y adherirse a la fibra de carbono. La electroquímica sigue siendo significativa tanto para la deposición de nanopartículas metálicas nobles como para la mejora de la superficie de las fibras de carbono, ya que permite el control de la nucleación y el crecimiento de estas nanopartículas. Por último, el aumento de las características catalíticas y conductoras, y la mejora del transporte de masas son otras ventajas de la utilización de nanopartículas metálicas para el electroanálisis.
El curso de secuencia de Laboratorio Avanzado de la Universidad Americana (Química Biológica Experimental I y II CHEM 471/671-472/672) es una combinación de laboratorios analíticos, físicos y bioquímicos. El primer semestre es una visión general de las técnicas de laboratorio. El segundo semestre es un proyecto de investigación dirigido por estudiantes y dirigido21. Para estos proyectos, los estudiantes han examinado previamente el mecanismo de biomolécula, proteína, péptido y síntesis facilitada por aminoácidos de nanopartículas de oro22,23. El trabajo más reciente se ha centrado en la formación de la producción de nanopartículas de oro (AuNP) en superficies de electrodos y la evaluación de los efectos de los AuNP en la capacidad de las CFMEs para detectar neurotransmisores. En el presente trabajo, el laboratorio ha aplicado esta técnica para demostrar que la sensibilidad de las CFMEs en la detección de la oxidación de la dopamina se mejora a través de la electrodeposición de AuNP sobre la superficie de la fibra. Cada bare-CFME se caracteriza por variar la velocidad de exploración, estabilidad y concentración de dopamina al detectar corrientes oxidativas de dopamina para medir la oxidación de la dopamina en la superficie de la CFME. Au3+ fue entonces electroreducido a Au0 y simultáneamente electrodepositado en la superficie de fibra como nanopartículas, seguido de una serie de experimentos de caracterización. Después de una comparación directa, los AuNP-CCFEs fueron encontrados para poseer mayor sensibilidad de la detección de dopamina. El recubrimiento uniforme de AuNP sobre la superficie de la fibra a través de la electrodeposición hace que una superficie electroactiva más alta; por lo tanto, aumentar la adsorción de la dopamina en la superficie del electrodo modificado. Esto condujo a corrientes oxidativas de dopamina más altas. La separación potencial de los picos de oxidación y reducción de dopamina (Ep) de AuNP-CME también fue menor, lo que sugiere una cinética de transferencia de electrones más rápida. Los trabajos futuros de este estudio incluyen la prueba in vivo de las CFMEs desnudas y AuNP-CFMEs para la detección de dopamina.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este estudio, demostramos un método novedoso para construir microelectrodos de fibra de carbono modificados de nanopartículas de oro para la detección de neurotransmisores como la dopamina mediante la cmiammetría cíclica de exploración rápida. El método es un enfoque eficiente, verde y relativamente barato para mejorar la sensibilidad de la detección de biomoléculas. El espesor del oro depositado en la superficie de la fibra de carbono se puede controlar por el tiempo de la electrodeposición y la concentrac…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría dar las gracias a la Universidad Americana, la Beca de Apoyo a la Investigación de la Facultad, la Subvención Espacial DC de la NASA y la NSF-MRI-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 |
Referenzen
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