Nanopartícula de ouro modificado microeletrodos de fibra de carbono para detecção neuroquímica reforçada
Summary
Neste estudo, nós modificamos microeletrodos de fibra de carbono com nanopartículas de ouro para aumentar a sensibilidade da detecção de neurotransmissores.
Abstract
Por mais de 30 anos, microeletrodos de fibra de carbono (CFMEs) têm sido o padrão para a detecção de neurotransmissores. Geralmente, as fibras de carbono são aspiradas em capilares de vidro, puxado para um cone fino e, em seguida, selado usando um epóxi para criar materiais de eletrodo que são usados para o teste de voltametria cíclico de varredura rápida. O uso de CFMEs nua tem várias limitações, no entanto. Em primeiro lugar, a fibra de carbono contém principalmente o carbono plano basal, que tem uma área superficial relativamente baixa e produz sensibilidades inferiores aos outros nanomateriais. Além disso, o carbono grafítico é limitado por sua definição temporal, e por sua condutividade relativamente baixa. Por último, neuroquímicos e macromoléculas têm sido conhecidas por falta na superfície de eletrodos de carbono, onde formam polímeros não condutores que bloqueiam a adsorção do neurotransmissor. Para este estudo, modificamos CFMEs com nanopartículas de ouro para aprimorar o teste neuroquímico com voltametria cíclica de varredura rápida. Au3 + foi electrodepositado ou dipcoated de uma solução coloidal na superfície de cfmes. Desde que o ouro é um metal estável e relativamente inerte, é um material ideal do elétrodo para medidas analíticas dos neurochemicals. A nanopartícula do ouro modificada (AuNP-CFMEs) teve uma estabilidade à resposta do dopamine por mais de 4 h. Além disso, as AuNP-CFMEs exibem uma sensibilidade aumentada (maior pico de corrente oxidativa dos voltammogramas cíclicos) e uma cinética mais rápida de transferência de elétrons (menor ΔEP ou de pico de separação) do que os cfmes não modificados. O desenvolvimento de AuNP-CFMEs fornece a criação de novos sensores eletroquímicos para detectar mudanças rápidas na concentração de dopamina e outros neuroquímicos em limites inferiores de detecção. Este trabalho tem vastas aplicações para o aprimoramento de medições neuroquímicas. A geração de CFMEs modificados de nanopartículas de ouro será de vital importância para o desenvolvimento de novos sensores de eletrodos para detectar neurotransmissores in vivo em roedores e outros modelos para estudar os efeitos neuroquímicos do abuso de drogas, depressão, acidente vascular cerebral, isquemia, e outros Estados comportamentais e de doenças.
Introduction
Microeletrodos de fibra de carbono (CFMEs)1 são melhor utilizados como biossensores para detectar a oxidação de vários neurotransmissorescruciais 2, incluindo dopamina3, norepinefrina4, serotonina5, adenosina6, histamina7, e outros8. A biocompatibilidade e o tamanho das fibras de carbono os tornam ideais para a implantação, pois há dano tecidual atenuado comparado aos eletrodos padrão maiores. 9 cfmes são conhecidas por possuírem Propriedades eletroquímicas úteis e são capazes de fazer medições rápidas quando usadas com técnicas eletroquímicas rápidas, mais comumente a voltametria cíclica de rápida varredura (fscv)10,11. O fscv é uma técnica que verifica o potencial aplicado rapidamente e fornece um voltammograma cíclico específico para os analitos específicos12,13. A corrente de carregamento grande produzida pela exploração rápida é estável em fibras de carbono e pode ser fundo-subtraída para produzir voltammograms cíclicos específicos.
Devido à sua ótima eletroquímica e importância neurobiológica, a dopamina tem sido amplamente estudada. A dopamina da catecolamina é um mensageiro químico essencial que desempenha um papel crucial no controle do movimento, memória, cognição e emoção dentro do sistema nervoso. Um excedente ou deficiência de dopamina pode causar numerosas interferências neurológicas e psicológicas; entre estes são a doença de Parkinson, esquizofrenia, e comportamento viciante. Hoje, a doença de Parkinson continua a ser um distúrbio prevalente devido à degeneração dos neurônios do midbrain envolvidos na síntese de dopamina14. Os sintomas da doença de Parkinson incluem tremor, lentidão do movimento, rigidez e problemas na manutenção do equilíbrio. Por outro lado, estimulantes como a cocaína15 e a anfetamina16,17 promovem o excesso de dopamina. O abuso de drogas eventualmente substitui o fluxo regular de dopamina e condiciona o cérebro a exigir um excedente de dopamina, o que eventualmente leva a comportamentos viciantes.
Nos últimos anos, tem havido uma ênfase na melhoria da funcionalidade do eletrodo na detecção de neurotransmissores18. O método o mais generalizado de realçar a sensibilidade do elétrodo é revestindo a superfície da fibra. Surpreendentemente, tem havido uma pesquisa limitada feita sobre a eletrodeposição de nanopartículas metálicas sobre fibras de carbono19. O metal nobre-nanopartículas tais como o ouro, pode ser electrodepositado na superfície da fibra com outros materiais funcionais20. Por exemplo, aumentar a área de superfície eletroativa para a adsorção do neurotransmissor ocorra. As nanopartículas de metal electrodepositadas formam rapidamente, podem ser purificadas e aderir à fibra de carbono. A eletroquímica continua a ser significativa tanto para a deposição de nanopartículas de metais nobres quanto para o aprimoramento superficial das fibras de carbono, pois permite o controle da nucleação e do crescimento dessas nanopartículas. Finalmente, as características catalíticas e condutoras aumentadas, e o transporte de massa melhorado estão entre outras vantagens de utilizar nanopartículas do metal para a electroanálise.
O curso avançado da seqüência do laboratório da Universidade Americana (Chemistry biológico experimental I e II CHEM 471/671-472/672) é uma combinação de laboratórios analíticos, físicos, e da bioquímica. O primeiro semestre é uma visão geral das técnicas laboratoriais. O segundo semestre é um projeto de pesquisa conduzido pelo aluno e conduzido21. Para estes projetos, os estudantes examinaram previamente o mecanismo da biomolécula, da proteína, do peptide, e do amino-ácido-síntese facilitada de nanopartículas do ouro22,23. Trabalho mais recente tem focado na formação de nanopartículas de ouro (AuNP) produção em superfícies de eletrodos e a avaliação de efeitos AuNPs sobre a capacidade de CFMEs para detectar neurotransmissores. No presente trabalho, o laboratório aplicou esta técnica para demonstrar que a sensibilidade dos CFMEs na detecção da dopamina-oxidação é reforçada através da eletrodeposição de AuNP na superfície da fibra. Cada Bare-CFME é caracterizada pela variação da taxa de varredura, estabilidade e concentração de dopamina ao detectar correntes dopamina-oxidativas para medir a oxidação da dopamina na superfície do CFME. Au3 + foi então electroreduced para au0 e simultaneamente electrodepositado sobre a superfície da fibra como nanopartículas, seguido por uma série de experimentos de caracterização. Após uma comparação direta, os AuNP-CFMEs foram encontrados para possuir uma sensibilidade mais elevada da deteção do dopamine. O revestimento uniforme de aunp na superfície da fibra através do electrodeposição rende uma área de superfície eletroativa mais elevada; assim, aumentando a adsorção de dopamina na superfície modificada do eletrodo. Isso levou a maior dopamina correntes oxidativas. A separação potencial dos picos de oxidação e redução da dopamina (∆ Ep) de aunp-cfmes também foi menor, sugerindo uma cinética mais rápida de transferência de elétrons. Trabalhos futuros deste estudo incluem o teste in vivo de ambos os Bare-e AuNP-CFMEs para a detecção de dopamina.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste estudo, demonstramos um novo método para a construção de microeletrodos de fibra de carbono modificados com nanopartículas de ouro para a detecção de neurotransmissores como a dopamina usando voltametria cíclica de varredura rápida. O método é uma abordagem eficiente, verde e relativamente barata para melhorar a sensibilidade da detecção de biomoléculas. A espessura do ouro depositada na superfície da fibra de carbono pode ser controlada pelo tempo de eletrodeposição e a concentração de ouro prese…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer à universidade americana, à bolsa de apoio à pesquisa do corpo docente, à NASA DC Space Grant e à 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 |
References
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