Guld nanopartikel modificerede carbon fiber Mikroelektroderne til forbedret Neuro kemisk detektion
Summary
I denne undersøgelse ændrer vi carbon-fiber mikroelektroderne med guld nanopartikler for at øge følsomheden af neurotransmitter detektering.
Abstract
I over 30 år har carbon-fiber mikroelektroderne (CFMEs) været standarden for neurotransmitter detektering. Generelt, kulstoffibre aspireres i glas kapillærer, trukket til en fin koniske, og derefter forseglet ved hjælp af en epoxy til at skabe elektrode materialer, der anvendes til hurtig scanning cyklisk voltammetri test. Brugen af bare CFMEs har flere begrænsninger, selv om. Først og fremmest indeholder kulfiber for det meste basal plane Carbon, som har et relativt lavt overfladeareal og giver lavere følsomhed end andre nanomaterialer. Desuden er det grafiske kulstof begrænset af dets tidsmæssige opløsning og dets relativt lave ledningsevne. Endelig, Neuro Chemicals og makromolekyler har været kendt for at foul på overfladen af kulstof elektroder, hvor de danner ikke-ledende polymerer, som blokerer yderligere neurotransmitter adsorption. Til denne undersøgelse ændrer vi CFMEs med guld nanopartikler for at forbedre neurokemiske test med hurtig scanning cyklisk voltammetri. AU3 + blev elektro deponeret eller dipcoated fra en kolloid opløsning på overfladen af cfmes. Da guld er et stabilt og relativt inert metal, er det et ideelt elektrode materiale til analytiske målinger af neurokemikalier. Guld nanopartikel modificeret (AuNP-CFMEs) havde en stabilitet til dopamin respons for over 4 h. Desuden udviser AuNP-CFMEs en øget følsomhed (højere peak oxidativ strøm af cyklisk voltammogrammer) og hurtigere elektron overførings kinetik (lavere ΔEP eller peak separation) end bare umodificerede cfmes. Udviklingen af AuNP-CFMEs giver skabelsen af nye elektrokemiske sensorer til påvisning af hurtige ændringer i dopamin koncentration og andre neurokemikalier ved lavere detektionsgrænser. Dette arbejde har store applikationer til forbedring af neurokemiske målinger. Generering af guld nanopartikel modificerede CFMEs vil være af vital betydning for udviklingen af nye elektrode sensorer til påvisning af neurotransmittere in vivo i gnaver og andre modeller til at studere neurokemiske virkninger af stofmisbrug, depression, slagtilfælde, iskæmi, og andre adfærdsmæssige og sygdomstilstande.
Introduction
Carbon-Fiber mikroelektroder (CFMEs)1 er bedst anvendes som biosensorer til at detektere oxidation af flere afgørende neurotransmittere2, herunder dopamin3, noradrenalin4, serotonin5, adenosin6, histamin7, og andre8. Biokompatibilitet og størrelsen af kulstoffibre gør dem optimale til implantation, da der er afbødet vævsskader i forhold til større standard elektroderne. 9 cfmes er kendt for at besidde nyttige elektrokemiske egenskaber og er i stand til at foretage hurtige målinger, når de anvendes med hurtige elektrokemiske teknikker, mest almindeligt hurtig scanning cyklisk voltammetri (fscv)10,11. Fscv er en teknik, der scanner det anvendte potentiale hurtigt og giver et specifikt cyklisk et til specifikke analytter12,13. Den store opladning strøm produceret af hurtig scanning er stabil på kulstoffibre og kan være baggrund-trækkes til at producere specifikke cyklisk voltammogrammer.
På grund af sin optimale elektrokemi og neurobiologisk betydning, dopamin er blevet bredt undersøgt. Den catecholamin dopamin er en væsentlig kemisk budbringer, der spiller en afgørende rolle i kontrollen af bevægelse, hukommelse, kognition, og følelser i nervesystemet. Et overskud eller mangel på dopamin kan forårsage talrige neurologiske og psykologiske interferens; blandt disse er Parkinsons sygdom, skizofreni, og vanedannende adfærd. I dag, Parkinsons sygdom fortsætter med at være en udbredt lidelse på grund af degeneration af hjernen neuroner involveret i dopamin syntese14. Parkinsons sygdom symptomer omfatter tremor, langsommelighed bevægelighed, stivhed, og problemer med at opretholde balancen. På den anden side, stimulanser såsom kokain15 og amfetamin16,17 fremme overløb af dopamin. Stofmisbrug i sidste ende erstatter den regelmæssige strøm af dopamin og betingelser hjernen til at kræve et overskud af dopamin, som i sidste ende fører til vanedannende adfærd.
I de seneste år, har der været en vægt på at forbedre elektrode funktionalitet i neurotransmitter detektion18. Den mest udbredte metode til at øge elektrodens følsomhed er ved belægning af fiber overfladen. Overraskende, der har været begrænset forskning udført på metal nanopartikel elektro deposition på carbon-fibre19. Ædelmetal-nanopartikler såsom guld, kan være elektro deponeret på fiber overfladen med andre funktionelle materialer20. For eksempel, øge det elektro aktive overflade område for neurotransmitter adsorptions at forekomme. Elektro deponerede metal nanopartikler form hurtigt, kan renses, og overholde carbon-fiber. Elektrokemi fortsætter med at være signifikant for både aflejring af ædle metal nanopartikler og overflade forbedring af kulstof-fibre, da det giver mulighed for kontrol af nukleation og vækst af disse nanopartikler. Endelig er de øgede katalytiske og ledende egenskaber og forbedret masse transport blandt andre fordele ved at udnytte metal nanopartikler til elektro analyse.
Det avancerede laboratorie sekvensforløb af American University (eksperimentel biologisk kemi I og II CHEM 471/671-472/672) er en kombination af analytiske, fysiske og biokemiske laboratorier. Det første semester er en oversigt over laboratorieteknikker. Andet semester er et studie orienteret og ledet forskningsprojekt21. For disse projekter, har eleverne tidligere undersøgt mekanismen af biomolekyle, protein, peptid, og aminosyre-lettet syntese af guld nanopartikler22,23. Nyere arbejde har fokuseret på dannelsen af guld nanopartikel (AuNP) produktion på elektrode overflader og evaluering af AuNPs virkninger på evnen af CFMEs til at opdage neurotransmittere. I det nuværende arbejde, laboratoriet har anvendt denne teknik til at påvise, at følsomheden af CFMEs i påvisning af dopamin-oxidation er forbedret gennem elektro aflejring af AuNP på fiber overfladen. Hver bare-CFME er karakteriseret ved varierende scanningshastighed, stabilitet og dopamin-koncentration, når de detekterer dopamin-oxidative strømme til at måle dopamin oxidation på overfladen af CFME. AU3 + blev derefter electroreduced til AU0 og samtidig elektro deponeret på fiber overfladen som nanopartikler, efterfulgt af en række karakterisering eksperimenter. Efter en direkte sammenligning, den AuNP-CFMEs fandtes at besidde højere følsomhed af dopamin opdagelse. Den ensartede belægning af AuNP på fiber overfladen via elektro aflejring gør et højere elektro aktivt overfladeareal; således øge adsorptions af dopamin på den modificerede elektrode overflade. Dette førte til højere dopamin oxidativ strømme. Den potentielle adskillelse af dopaminoxidering og reduktions toppe (∆ Ep) af aunp-cfmes var også mindre, hvilket tyder på hurtigere elektron overførings kinetik. Fremtidige værker af denne undersøgelse omfatter in vivo test af både nøgne-og AuNP-CFMEs til påvisning af dopamin.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse viser vi en ny metode til at konstruere guld-nanopartikel modificerede carbon fiber mikroelektroder til påvisning af neurotransmittere som dopamin ved hjælp af hurtig scanning cyklisk voltammetri. Metoden er en effektiv, grøn og relativt billig tilgang til at øge følsomheden af biomolekyle detektion. Tykkelsen af guld deponeret på overfladen af kulfiber kan styres af tidspunktet for elektro aflejring og koncentrationen af guld til stede i elektro aflejrings opløsningen. Guld modificerede carb…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke American University, Fakultets forskningsstøtte tilskuddet, NASA DC Space Grant og 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).
