Золото наночастицы модифицированных углеродного волокна микроэлектродов для расширенного нейрохимического обнаружения
Summary
В этом исследовании мы модифицировать углеродно-волокнисты с золотыми наночастицами для повышения чувствительности обнаружения нейромедиатора.
Abstract
На протяжении более 30 лет микроэлектроды углеродного волокна (CFMEs) были стандартом для обнаружения нейромедиатора. Как правило, углеродные волокна аспирируются в стеклянные капилляры, вытащил на тонкой конус, а затем запечатаны с помощью эпоксидной для создания электродных материалов, которые используются для быстрого сканирования циклического вольтамметрии тестирования. Использование голых CFMEs имеет ряд ограничений, однако. Прежде всего, углеродное волокно содержит в основном базальный углерод плоскости, который имеет относительно низкую площадь поверхности и дает более низкую чувствительность, чем другие наноматериалы. Кроме того, графитический углерод ограничен своим временным разрешением и относительно низкой проводимостью. Наконец, нейрохимические и макромолекулы, как известно, фол на поверхности углеродных электродов, где они образуют непроводящие полимеры, которые блокируют дальнейшее адсорбции нейромедиатора. Для этого исследования мы модифицируем CFMс с золотыми наночастицами для повышения нейрохимического тестирования с быстрой циклической вольтэмметрией. Au3 “был электродепозитили или окунулся из коллоидного раствора на поверхность CFMEs. Поскольку золото является стабильным и относительно инертным металлом, оно является идеальным электродным материалом для аналитических измерений нейрохимических веществ. Золото наночастицы модифицированные (AuNP-CFMEs) имели стабильность допамина ответ на протяжении более 4 ч. Кроме того, AuNP-CFMEs обладают повышенной чувствительностью (более высокий пик окислительного тока циклических вольтаммограмм) и более быстрыми кинетиками передачи электронов (нижнийEP или пиковое разделение), чем голые неизмененные CFMEs. Разработка AuNP-CFMEs предусматривает создание новых электрохимических датчиков для обнаружения быстрых изменений концентрации допамина и других нейрохимических веществ при более низких пределах обнаружения. Эта работа имеет огромное применение для повышения нейрохимических измерений. Поколение золотых наночастиц модифицированных CFMEs будет жизненно важное значение для разработки новых датчиков электродов для обнаружения нейротрансмиттеров in vivo у грызунов и других моделей для изучения нейрохимических эффектов злоупотребления наркотиками, депрессии, инсульта, ишемии, и других поведенческих и болезней государств.
Introduction
Углеродно-волокнисты хреноводов (CFMEs)1 лучше всего использовать в качестве биосенсоров для обнаружения окисления нескольких важнейших нейротрансмиттеров2, в том числе допамина3, норадреналина, серотонин5, аденозин6, гистамин7, и другие8. Биосовместимость и размер углеродных волокон делают их оптимальными для имплантации, так как по сравнению с более крупными стандартными электродами можно смягчить повреждения тканей. 9 CFMEs, как известно, обладают полезными электрохимическими свойствами и способны сделать быстрые измерения при использовании с быстрыми электрохимическими методами, чаще всего быстро сканировать циклическую вольтамметрию (FSCV)10,11. FSCV это метод, который сканирует прикладной потенциал быстро и обеспечивает конкретные циклические вольтаммограммы для конкретных анализов12,13. Большой зарядный ток, производимый при быстром сканировании, стабилен на углеродных волокнах и может быть вычитан фоном для получения специфических циклических вольтаммограмм.
Благодаря своей оптимальной электрохимии и нейробиологической важности, допамин был широко изучен. Катехоламин допамина является важным химическим посланником, который играет ключевую роль в контроле движения, памяти, познания и эмоций в нервной системе. Избыток или дефицит допамина может вызвать многочисленные неврологические и психологические вмешательства; среди них болезнь Паркинсона, шизофрения и аддиктивное поведение. Сегодня болезнь Паркинсона продолжает быть распространенным расстройством из-за дегенерации нейронов среднего мозга, участвующих в синтезе допамина14. Симптомы болезни Паркинсона включают тремор, медлительность движения, жесткость, и проблемы в поддержании баланса. С другой стороны, стимуляторы, такие как кокаин15 и амфетамин16,17 способствовать переполнению допамина. Злоупотребление наркотиками в конечном итоге заменяет регулярный поток допамина и условия мозга требуют избытка допамина, что в конечном итоге приводит к привыканию поведения.
В последние годы, был акцент на улучшение функциональности электрода в нейромедиатор обнаружения18. Наиболее распространенным методом повышения чувствительности электродов является покрытие поверхности волокна. Удивительно, но было проведено ограниченное исследование, сделанное по электродепозиции металлических наночастиц на углеродные волокна19. Благородные металлические наночастицы, такие как золото, могут быть электродепозитированы на поверхность волокна с другими функциональными материалами20. Например, увеличение области электроактивной поверхности для нейромедиатора адсорбции произойти. Электродепозитные металлические наночастицы образуются быстро, могут быть очищены, и придерживаться углеродного волокна. Электрохимия по-прежнему имеет важное значение как для осаждения благородных металлических наночастиц, так и для улучшения поверхности углеродных волокон, так как позволяет контролировать нуклеацию и рост этих наночастиц. Наконец, увеличение каталитических и проводящих характеристик, а также улучшение общественного транспорта являются одними из других преимуществ использования металлических наночастиц для электроанализа.
Продвинутый лабораторный курс последовательности Американского университета (Experimental Biological Chemistry I и II CHEM 471/671-472/672) представляет собой сочетание аналитических, физических и биохимических лабораторий. Первый семестр представляет собой обзор лабораторных методов. Второй семестр является студентом инициативе и привело исследовательский проект21. Для этих проектов студенты ранее изучили механизм биомолекулы, белка, пептида и аминокислотного синтеза золотых наночастиц22,23. В последнее время основное внимание уделялось формированию производства золотых наночастиц (AuNP) на поверхностях электродов и оценке влияния AuNPs на способность CFMEs обнаруживать нейротрансмиттеры. В настоящей работе, лаборатория применила этот метод, чтобы продемонстрировать, что чувствительность CFMEs в обнаружении допамина окисления повышается за счет электродепозиции AuNP на поверхность волокна. Каждый голый CFME характеризуется различной скоростью сканирования, стабильностью и концентрацией допамина при обнаружении допамина-оксидативных токов для измерения окисления допамина на поверхности CFME. Ау-3был затем электросточен до Au0 и одновременно электродепозитов на поверхность волокна, как наночастицы, а затем ряд экспериментов по характеристике. После прямого сравнения было установлено, что АУНП-CFMEs обладают более высокой чувствительностью к обнаружению допамина. Равномерное покрытие AuNP на поверхность волокна через электродепозицию делает более высокую электроактивную область поверхности; таким образом, увеличивая адсорбцию допамина на модифицированную поверхность электрода. Это привело к более высоким допамина окислительных токов. Потенциальное разделение дофаминового окисления и пиковсокращения (Е п) АУНП-CFMEs также было меньше, что свидетельствует о более быстром кинетике передачи электронов. Будущие работы этого исследования включает в себя in vivo тестирования как голые и AuNP-CFMEs для обнаружения допамина.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании мы демонстрируем новый метод построения золотисто-наночастиц ы модифицированных микроэлектродов углеродного волокна для обнаружения нейротрансмиттеров, таких как допамин с помощью быстрой циклической вулканической вольтамметрии. Этот метод является эффективны…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить Американский университет, Грант поддержки исследований факультета, космический грант НАСА DC, и 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 |
Riferimenti
- 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).
