Name: gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection
Uploaded: 2019-05-13T14:45:00
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Nous tenons à remercier l'Université américaine, la Subvention de soutien à la recherche de la Faculté, la subvention spatiale DC de la NASA et nSF-MRI-1625977.

1. Construction de microélectrodes en fibre de carbone
<ol><li>
Préparation des fibres de carbone
	<ol>
<li>Pour créer des microélectrodes en fibre de carbone, séparez d'abord les fibres de carbone (fibre de carbone, 7 mm de diamètre) une par une à l'aide de mains, de gants et de spatule.</li>
		<li>Tirez ou tirez une fibre du fil tordu.</li>
		<li>Aspirez une fibre de carbone isolée dans un capillaire en verre (verre capillaire borosilicate à baril unique sans microfilament, diamètre extéri...

<ol>
	<li>Zestos, A. G., Nguyen, M. D., Poe, B. L., Jacobs, C. B., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epoxy+insulated+carbon+fiber+and+carbon+nanotube+fiber+microelectrodes.">Epoxy insulated carbon fiber and carbon nanotube fiber microelectrodes.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 182, 652-658 (2013).</li><li>Bucher, E. S., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+analysis+of+neurotransmitters.">Electrochemical analysis of neurotransmitters.</a> Annual review of analytical chemistry. 8, 239-261 (2015).</li><li>Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Communication&#8212;Carbon+Nanotube+Fiber+Microelectrodes+for+High+Temporal+Measurements+of+Dopamine.">Communication&#8212;Carbon Nanotube Fiber Microelectrodes for High Temporal Measurements of Dopamine.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165, G3071-G3073 (2018).</li><li>Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+comparison+of+norepinephrine+and+dopamine+release+in+rat+brain+by+simultaneous+measurements+with+fast-scan+cyclic+voltammetry.">In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry.</a> Journal of neurochemistry. 119, 932-944 (2011).</li><li>Abdalla, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Ambient+Serotonin+Measurements+at+Carbon-Fiber+Microelectrodes.">In Vivo Ambient Serotonin Measurements at Carbon-Fiber Microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 89, 9703-9711 (2017).</li><li>Ganesana, M., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+changes+in+transient+adenosine+during+cerebral+ischemia+and+reperfusion+injury.">Early changes in transient adenosine during cerebral ischemia and reperfusion injury.</a> PloS one. 13, e0196932 (2018).</li><li>Denno, M. E., Privman, E., Borman, R. P., Wolin, D. C., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+histamine+and+carcinine+in+Drosophila+melanogaster+tissues.">Quantification of histamine and carcinine in Drosophila melanogaster tissues.</a> ACS chemical neuroscience. 7, 407-414 (2016).</li><li>Sanford, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voltammetric+detection+of+hydrogen+peroxide+at+carbon+fiber+microelectrodes.">Voltammetric detection of hydrogen peroxide at carbon fiber microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 82, 5205-5210 (2010).</li><li>Heien, M. L., Johnson, M. A., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resolving+neurotransmitters+detected+by+fast-scan+cyclic+voltammetry.">Resolving neurotransmitters detected by fast-scan cyclic voltammetry.</a> Analytical chemistry. 76, 5697-5704 (2004).</li><li>Raju, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer+modified+carbon+fiber-microelectrodes+and+waveform+modifications+enhance+neurotransmitter+metabolite+detection.">Polymer modified carbon fiber-microelectrodes and waveform modifications enhance neurotransmitter metabolite detection.</a> Analytical Methods. 11, 1620-1630 (2019).</li><li>Jacobs, C. B., Ivanov, I. N., Nguyen, M. D., Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+temporal+resolution+measurements+of+dopamine+with+carbon+nanotube+yarn+microelectrodes.">High temporal resolution measurements of dopamine with carbon nanotube yarn microelectrodes.</a> Analytical chemistry. 86, 5721-5727 (2014).</li><li>Zestos, A. G., Yang, C., Jacobs, C. B., Hensley, D., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanospikes+grown+on+metal+wires+as+microelectrode+sensors+for+dopamine.">Carbon nanospikes grown on metal wires as microelectrode sensors for dopamine.</a> Analyst. 140, 7283-7292 (2015).</li><li>Zestos, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanoelectrodes+for+the+Electrochemical+Detection+of+Neurotransmitters.">Carbon Nanoelectrodes for the Electrochemical Detection of Neurotransmitters.</a> International Journal of Electrochemistry. , (2018).</li><li>Kim, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopamine+neurons+derived+from+embryonic+stem+cells+function+in+an+animal+model+of+Parkinson's+disease.">Dopamine neurons derived from embryonic stem cells function in an animal model of Parkinson's disease.</a> Nature. 418, 50 (2002).</li><li>Zestos, A. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ruboxistaurin+Reduces+Cocaine-Stimulated+Increases+in+Extracellular+Dopamine+by+Modifying+Dopamine-Autoreceptor+Activity.">Ruboxistaurin Reduces Cocaine-Stimulated Increases in Extracellular Dopamine by Modifying Dopamine-Autoreceptor Activity.</a> ACS Chemical Neuroscience. 10, 1960-1969 (2019).</li><li>Zestos, A. G., Kennedy, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microdialysis+Coupled+with+LC-MS/MS+for+In+Vivo+Neurochemical+Monitoring.">Microdialysis Coupled with LC-MS/MS for In Vivo Neurochemical Monitoring.</a> The AAPS Journal. 19, 1284-1293 (2017).</li><li>Carpenter, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+and+systemic+administration+of+a+CNS-permeant+tamoxifen+analog+reduces+amphetamine-induced+dopamine+release+and+reinforcing+effects.">Direct and systemic administration of a CNS-permeant tamoxifen analog reduces amphetamine-induced dopamine release and reinforcing effects.</a> Neuropsychopharmacology. 42, 1940 (2017).</li><li>Zestos, A. G., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotube-Based+Microelectrodes+for+Enhanced+Neurochemical+Detection.">Carbon Nanotube-Based Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection.</a> ECS Transactions. 80, 1497-1509 (2017).</li><li>Zachek, M. K., Hermans, A., Wightman, R. M., McCarty, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+Dopamine+Detection:+Comparing+Gold+and+Carbon+Fiber+Microelectrodes+using+Background+Subtracted+Fast+Scan+Cyclic+Voltammetry.">Electrochemical Dopamine Detection: Comparing Gold and Carbon Fiber Microelectrodes using Background Subtracted Fast Scan Cyclic Voltammetry.</a> J Electroanal Chem (Lausanne Switz). 614, 113-120 (2008).</li><li>Li, J., Xie, H., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sensitive+hydrazine+electrochemical+sensor+based+on+electrodeposition+of+gold+nanoparticles+on+choline+film+modified+glassy+carbon+electrode.">A sensitive hydrazine electrochemical sensor based on electrodeposition of gold nanoparticles on choline film modified glassy carbon electrode.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 153, 239-245 (2011).</li><li>Hartings, M. R., Fox, D. M., Miller, A. E., Muratore, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hybrid+integrated+laboratory+and+inquiry-based+research+experience:+replacing+traditional+laboratory+instruction+with+a+sustainable+student-led+research+project.">A hybrid integrated laboratory and inquiry-based research experience: replacing traditional laboratory instruction with a sustainable student-led research project.</a> Journal of Chemical Education. 92, 1016-1023 (2015).</li><li>Hart, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein-templated+gold+nanoparticle+synthesis:+protein+organization,+controlled+gold+sequestration,+and+unexpected+reaction+products.">Protein-templated gold nanoparticle synthesis: protein organization, controlled gold sequestration, and unexpected reaction products.</a> Dalton Transactions. 46, 16465-16473 (2017).</li><li>Hartings, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concurrent+zero-dimensional+and+one-dimensional+biomineralization+of+gold+from+a+solution+of+Au3++and+bovine+serum+albumin.">Concurrent zero-dimensional and one-dimensional biomineralization of gold from a solution of Au3+ and bovine serum albumin.</a> Science and technology of advanced materials. 14, 065004 (2013).</li><li>Xiao, N., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+sensitive+detection+of+neurotransmitters+at+microelectrodes+modified+with+self-assembled+SWCNT+forests.">Rapid, sensitive detection of neurotransmitters at microelectrodes modified with self-assembled SWCNT forests.</a> Analytical chemistry. 84, 7816-7822 (2012).</li><li>Zestos, A. G., Jacobs, C. B., Trikantzopoulos, E., Ross, A. E., Venton, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyethylenimine+Carbon+Nanotube+Fiber+Electrodes+for+Enhanced+Detection+of+Neurotransmitters.">Polyethylenimine Carbon Nanotube Fiber Electrodes for Enhanced Detection of Neurotransmitters.</a> Analytical chemistry. 86, 8568-8575 (2014).</li><li>Yang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanotubes+grown+on+metal+microelectrodes+for+the+detection+of+dopamine.">Carbon nanotubes grown on metal microelectrodes for the detection of dopamine.</a> Analytical chemistry. 88, 645-652 (2015).</li></ol>

Dans cette étude, nous démontrons une nouvelle méthode pour construire des microélectrodes de fibre de carbone modifiées d'or-nanoparticule pour la détection des neurotransmetteurs tels que la dopamine utilisant la voltamétrie cyclique de balayage rapide. La méthode est une approche efficace, verte et relativement peu coûteuse pour améliorer la sensibilité de la détection des biomolécules. L'épaisseur de l'or déposé sur la surface de la fibre de carbone peut être contrôlée par le temps de l'électrodé...

Les microélectrodes en fibre de carbone (CFME)1 sont mieux utilisées comme biocapteurs pour détecter l'oxydation de plusieurs neurotransmetteurs cruciaux2, y compris la dopamine3, la noradrénaline4, la sérotonine5, l'adénosine6, histamine7, et d'autres8. La biocompatibilité et la taille des fibres de carbone les rendent optimales pour l'implantation car il y a des dommages de tissu atténués comparés aux électrodes standard plus grandes. 9 CFMLes sont connus pour posséder des propriétés électrochimiques utiles et sont capables de faire des mesures rapides lorsqu'ils sont utilisés avec des techniques électrochimiques rapides, le plus souvent à balayage rapide voltamétrie cyclique (FSCV)10,11. FSCV est une technique qui scanne le potentiel appliqué rapidement et fournit un voltammogramme cyclique spécifique pour des analytes spécifiques12,13. Le grand courant de charge produit par balayage rapide est stable sur les fibres de carbone et peut être sous-traitance de fond pour produire des voltammogrammes cycliques spécifiques.
En raison de son électrochimie optimale et de son importance neurobiologique, la dopamine a été largement étudiée. La dopamine catécholamine est un messager chimique essentiel qui joue un rôle central dans le contrôle du mouvement, de la mémoire, de la cognition et de l'émotion dans le système nerveux. Un surplus ou une carence en dopamine peut causer de nombreuses interférences neurologiques et psychologiques; parmi ceux-ci sont la maladie de Parkinson, la schizophrénie, et le comportement addictif. Aujourd'hui, la maladie de Parkinson continue d'être un trouble répandu en raison de la dégénérescence des neurones du cerveau moyen impliqués dans la synthèse de la dopamine14. Les symptômes de la maladie de Parkinson comprennent des tremblements, la lenteur du mouvement, la raideur et des problèmes de maintien de l'équilibre. D'autre part, les stimulants tels que la cocaïne15 et l'amphétamine16,17 favorisent le débordement de dopamine. L'abus de drogues finit par remplacer le flux régulier de dopamine et les conditions du cerveau pour exiger un surplus de dopamine, ce qui conduit finalement à des comportements addictifs.
Ces dernières années, l'accent a été mis sur l'amélioration de la fonctionnalité des électrodes dans la détection des neurotransmetteurs18. La méthode la plus répandue pour améliorer la sensibilité aux électrodes est en enrobant la surface des fibres. Étonnamment, il y a eu peu de recherches effectuées sur l'électrodposition de nanoparticules métalliques sur les fibres de carbone19. Les nanoparticules de métal nobles telles que l'or, peuvent être électrodéposées sur la surface de fibre avec d'autres matériaux fonctionnels20. Par exemple, augmenter la surface électroactive pour l'adsorption neurotransmetteur à se produire. Les nanoparticules métalliques électrodéposéesse se forment rapidement, peuvent être purifiées et adhèrent à la fibre de carbone. L'électrochimie continue d'être importante à la fois pour le dépôt de nanoparticules de métaux nobles et l'amélioration de la surface des fibres de carbone, car elle permet le contrôle de la nucléation et la croissance de ces nanoparticules. Enfin, l'augmentation des caractéristiques catalytiques et conductrices, et l'amélioration du transport de masse sont parmi d'autres avantages de l'utilisation de nanoparticules métalliques pour l'électroanalyse.
Le cours de séquence de laboratoire avancé de l'Université américaine (chimie biologique expérimentale I et II CHEM 471/671-472/672) est une combinaison de laboratoires analytiques, physiques et biochimiques. Le premier semestre est un aperçu des techniques de laboratoire. Le deuxième semestre est un projet de recherche dirigé par les étudiants21. Pour ces projets, les étudiants ont déjà examiné le mécanisme de la biomolécule, des protéines, du peptide et de la synthèse facilitée par les acides aminés des nanoparticules d'or22,23. Des travaux plus récents ont porté sur la formation de la production de nanoparticules d'or (AuNP) sur les surfaces d'électrodes et l'évaluation des effets des SNP sur la capacité des CFME à détecter les neurotransmetteurs. Dans le présent travail, le laboratoire a appliqué cette technique pour démontrer que la sensibilité des CFME dans la détection de la dopamine-oxydation est améliorée par l'électrodéposition de l'AuNP sur la surface de la fibre. Chaque CFME nu est caractérisé par le taux de balayage variable, la stabilité et la dopamine-concentration en détectant des courants dopamine-oxydatifs pour mesurer l'oxydation de dopamine sur la surface du CFME. Au3 a ensuite été électroréduit à Au0 et simultanément électrodéposé sur la surface de la fibre sous forme de nanoparticules, suivie d'une série d'expériences de caractérisation. Après une comparaison directe, les AuNP-CFMEs se sont avérés posséder une sensibilité plus élevée de la détection de dopamine. Le revêtement uniforme d'AuNP sur la surface de fibre par électrodéposition rend une surface électroactive plus élevée ; ainsi, augmentant l'adsorption de dopamine sur la surface modifiée d'électrode. Ceci a mené aux courants oxydants plus élevés de dopamine. La séparation potentielle des pics d'oxydation et de réduction de dopamine (Ep) des AuNP-CFMEs était également plus petite, suggérant une cinétique plus rapide de transfert d'électrons. Les travaux futurs de cette étude comprennent l'essai in vivo des CFMP nus et d'AuNP pour la détection de la dopamine.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Dopamine hydrochloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>H8502-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Saline</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>P5493-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pine WaveNeuro Potentiostat</td>
			<td>Pine Instruments</td>
			<td>NEC-WN-BASIC</td>
			<td>This orders comes in bulk with all other accessories such as headstages, adapters, cords, and other electronics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pine Flow Cell and Micromanipulator</td>
			<td>Pine Instruments</td>
			<td>NEC-FLOW-1</td>
			<td>This is also another bulk order including the micromanipulator, flow cell, knobs, tubing, connectors, etc.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass-Capillary</td>
			<td>A-M Systems</td>
			<td>602500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-650 Carbon Fiber</td>
			<td>Goodfellow</td>
			<td>C 005711</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epon 828 Epoxy</td>
			<td>Miller-Stephenson</td>
			<td>EPON 828 TDS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diethelynetriamine</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D93856-5ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold (III) chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>254169</td>
			<td>Comes as either HAuCl4 or AuCl3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH meter</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S90528</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Farraday Cage</td>
			<td>AMETEK TMC</td>
			<td>81-334-03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump</td>
			<td>NEW ERA PUMP</td>
			<td>NE-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eppendorf Pipettes and Tips</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>2231000222</td>
			<td>This is also a bulk order containing multiple pipettes and tips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 -1,000 mL beakers</td>
			<td>VWR</td>
			<td>10536-390</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon fiber</td>
			<td>Goodfellow</td>
			<td>C 005711</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEM</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>JSM-IT100</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection

Depuis plus de 30 ans, les microélectrodes en fibre de carbone (CFME) sont la norme pour la détection des neurotransmetteurs. Généralement, les fibres de carbone sont aspirées dans des capillaires en verre, tirées à un cône fin, puis scellées à l'aide d'une époxy pour créer des matériaux d'électrode qui sont utilisés pour les tests de volclic rapide de la volclicmétrie. L'utilisation de CFMEt nus a cependant plusieurs limites. Tout d'abord, la fibre de carbone contient principalement du carbone d'avion basal, qui a une surface relativement faible et donne des sensibilités plus faibles que les autres nanomatériaux. En outre, le carbone graphitique est limité par sa résolution temporelle et sa conductivité relativement faible. Enfin, les neurochimiques et les macromolécules ont été connus pour s'encrasser à la surface des électrodes de carbone où ils forment des polymères non-conductifs qui bloquent d'autres adsorption neurotransmetteur. Pour cette étude, nous modifions les CFME avec des nanoparticules d'or afin d'améliorer les tests neurochimiques avec une voltamétrie cyclique à balayage rapide. Au3a a été électrodéposé ou dipcoaté à partir d'une solution colloïdale sur la surface des CFME. Puisque l'or est un métal stable et relativement inerte, c'est un matériau électrode idéal pour les mesures analytiques des neurochimiques. La nanoparticule d'or modifiée (AuNP-CFMEs) a eu une stabilité à la réponse de dopamine pendant plus de 4 h. De plus, les AuNP-CFMEs présentent une sensibilité accrue (courant oxydatif de pointe plus élevé des voltammogrammes cycliques) et une cinétique de transfert d'électrons plus rapide (séparation inférieure ou paroxysme) que les CFME non modifiés nus. Le développement d'AuNP-CFMEs fournit la création de nouveaux capteurs électrochimiques pour détecter les changements rapides dans la concentration de dopamine et d'autres neurochimiques à des limites inférieures de détection. Ce travail a de vastes applications pour l'amélioration des mesures neurochimiques. La génération de CFME modifiés par nanoparticules d'or sera d'une importance vitale pour le développement de nouveaux capteurs d'électrodes pour détecter les neurotransmetteurs in vivo chez les rongeurs et d'autres modèles pour étudier les effets neurochimiques de l'abus de drogues, de la dépression, des accidents vasculaires cérébraux, de l'ischémie, et d'autres états comportementaux et de la maladie.

Pour la figure 1, nous montrons un schéma où le test FSCV est utilisé pour mesurer la concentration de neurotransmetteurs in vitro. La figure 1 affiche la forme d'onde dopaminergique appliquée. La forme d'onde triangle scanne de -0,4 V à 1,3 V à 400 V/s. Dans la deuxième partie de la figure à gauche, il affiche l'oxydation de la dopamine à la dopamine-ortho-quinone (DOQ), un processus de transfert de deux électrons se p...

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Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection

Dans cette étude, nous modifions les microélectrodes en fibre de carbone avec des nanoparticules d'or pour améliorer la sensibilité de la détection des neurotransmetteurs.

Microélectrodes de fibres de carbone modifiées par nanoparticules d'or pour une détection neurochimique améliorée

For over 30 years, carbon-fiber microelectrodes (CFMEs) have been the standard for neurotransmitter detection. Generally, carbon fibers are aspirated into ...

La méthode est significative parce qu’elle permet la détection neurochimique avec la résolution spatiale et temporelle élevée qui peut potentiellement augmenter des méthodes in vivo de détection neurochimique. Le principal avantage de cette technique est qu’il s’agit d’une méthode rapide, facile et reproductible pour améliorer la sensibilité et la résolution temporelle de la détection des neurotransmetteurs. Sanuja Mohanaraj et Pauline Wonnenberg, étudiantes diplômées de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure.Pour commencer, séparez le matériau en fibre de carbone en brins individuels et tirez une seule fibre de carbone de sept micromètres de diamètre à partir d’un brin. Connectez une ligne de vide à un capillaire en verre borosilicate et aspirez la fibre de carbone dans le capillaire. Ensuite, coupez un morceau de carton de 10 centimètres sur 25 centimètres pour servir de support d’électrode.Collez une serviette en papier autour du carton comme support, puis insérez le capillaire dans le support d’électrode et fixez-le soigneusement dans un pull capillaire vertical. Configurer le pull capillaire pour tirer le capillaire en verre à un cône fin pour les matériaux d’électrode et de le démarrer. Une fois que la bobine de chauffage s’est refroidie, coupez la fibre de carbone reliant les électrodes tirées par tube.Retirez soigneusement les microélecrodes du puller capillaire. Guidé par un stéréoscope ou un microscope, utilisez une lame tranchante ou des ciseaux chirurgicaux pour réduire la fibre de carbone saillante sur chaque électrode à environ 100 à 150 micromètres de longueur. Ensuite, dans un flacon de 25 millilitres, utiliser un coton-tige pour mélanger 10 grammes d’époxy avec 0,2 millilitres de durcisseur.Remplir un autre flacon d’acétone. Pour chaque électrode, plonger la pointe de fibre de carbone dans l’époxy pendant 15 secondes, puis la tremper dans l’acétone pendant trois secondes pour éliminer l’excès d’époxy. Après époxyde, les électrodes epoxiées sont ensuite durcies au four pendant trois heures à 125 degrés Celsius.Ensuite, utilisez un micromanipulateur pour placer une microélecrode en fibre de carbone dans une électrode de référence argent-argent-chlorure dans une solution de 0,5 millimolaire d’acide chloroaurique dans 0,1 chlorure de potassium aqueux molaire. Connectez les électrodes à un potentiostat avec une microélecrode en fibre de carbone comme électrode de travail. Scannez l’électrode de 0,2 volt à moins un volt à 50 millivolts par seconde pendant 10 cycles pour effectuer le dépôt d’électrodes.Il est essentiel d’optimiser les paramètres de dépôt du revêtement en or. Trop de revêtement causera le bruit et la surcharge de signal tandis que trop peu de revêtement n’améliorera pas la détection neurochimique. Avant le test, préparer une solution de stock de 10 millimillires de dopamine dans l’acide perchlorique et environ un litre de pH 7,4 tampon à base de PBS dans l’eau déionisée.Pipette un microlitre de la solution de stock de dopamine en 10 millilitres de tampon pour faire une solution de dopamine d’environ un micromolaire. Connectez ensuite une microélecrode en fibre de carbone et une électrode de référence au chlorure argenté-argent à un potentiostat. Fixez l’électrode en fibre de carbone et l’électrode de référence dans le stade de tête de l’appareil de cellule d’écoulement et utilisez le micromanipulateur pour les abaisser dans la cellule d’écoulement.Dessinez 60 millilitres du tampon PBS dans une seringue. Remplissez la cellule d’écoulement avec le tampon, et montez la seringue dans une pompe de seringue. Commencez à couler tampon à travers la cellule d’écoulement à une vitesse d’un millilitre par minute.Configurez ensuite le potentiostat pour scanner moins 0,4 volts à 1,3 volts à 10 hertz et 400 volts par seconde. Appliquez brièvement la forme d’onde sur la microélecrode, observez l’oscilloscope et ajustez le gain pour éviter la surcharge. Laissez le microélecrode équilibrer pendant 10 minutes dans le tampon.Puis dessiner la solution de dopamine diluée dans une seringue et la connecter au port d’injection de la cellule d’écoulement. Réglez le temps de course total sur le potentiostat à 30 secondes. Commencez à enregistrer les mesures, attendez 10 secondes, puis injectez 0,2 millilitres de solution dopaminerique dans la cellule d’écoulement.Lorsque la course se termine, traiter les données avec un logiciel d’analyse de voltammétrie cyclique haute définition. Laissez la microélecrode rééquilibrer pendant 10 minutes avant d’effectuer un autre test. Lorsque les essais sont terminés, nettoyez la cellule d’écoulement en injectant trois millilitres d’eau et trois millilitres d’air dans le tampon et les ports d’injection à trois reprises.Les fibres de carbone enduites ont été imaged avec la microscopie électronique de balayage. L’épaisseur et la taille des particules des revêtements de nanoparticules d’or peuvent être contrôlées par le temps de dépôt des électrodes. 20 minutes de dépôt d’électrodes ont donné un épais revêtement doré avec des crêtes pointues tandis que cinq minutes ont donné un revêtement en or uniforme mince.Les microélecrodes en fibre de carbone enduites de nanoparticules d’or avaient des courants oxydatifs de pointe significativement plus élevés et une cinétique de transfert d’électrons plus rapide que les électrodes non modifiées. Le revêtement nanoparticule d’or n’a eu aucun effet significatif sur la stabilité des réponses d’électrode comme démontré ici dans une solution de dopamine. Les électrodes recouvertes de nanoparticules nues et dorées ont réagi de façon linéaire aux changements de taux d’analyse avec une ampleur beaucoup plus grande de changement dans les électrodes recouvertes d’or.Ceci a indiqué que l’absorption de dopamine pourrait être commandée par l’intermédiaire du taux de balayage. Les électrodes nues et dorées recouvertes de nanoparticules ont répondu linéairement entre les concentrations de dopamine de 100 nanomolaires à 10 micromolaires. Une courbe asymptotique a été observée à des concentrations plus élevées, ce qui indique que la dopamine est sursaturée à la surface de l’électrode.La capacité de détecter les changements neurochimiques à une échelle de temps plus rapide et à des sensibilités plus élevées aidera à répondre à des questions complexes en neurosciences. Cette méthode a également des utilisations dans la chimie analytique, métabolomique, et la science de l’environnement. Bien qu’il soit facile à apprendre, la démonstration visuelle est essentielle pour apprendre à faire, modifier et tester les microélecrodes.Les orientations futures de cette méthode comprennent l’ajustement du dépôt d’or et d’autres revêtements pour tenir compte de l’épaisseur, de la taille, de la forme et de la morphologie afin d’optimiser la détection de neurotransmetteurs spécifiques. Les chercheurs devraient s’exercer à manipuler de petites fibres au microscope avant d’essayer cette technique. En outre, la solution de stock de neurotransmetteur devrait être préparée dans une hotte de fumée parce qu’ils emploient l’acide perchlorique molar de molar.

Research

JoVE Journal

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