Name: gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection
Uploaded: 2019-05-13T14:45:00
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Wir danken der American University, dem Faculty Research Support Grant, dem NASA DC Space Grant und dem NSF-MRI-Nr. 1625977.

1. Bau von Kohlenstofffaser-Mikroelektroden
<ol><li>
Herstellung von Kohlefasern
	<ol>
<li>Um Kohlefaser-Mikroelektroden zu erstellen, trennen Sie zuerst die Kohlefasern (Kohlenstofffaser, 7 mm Durchmesser) einzeln mit Händen, Handschuhen und Spachtel.</li>
		<li>Ziehen oder yank eine Faser aus dem verdrehten Garn.</li>
		<li>Saugen Sie eine isolierte Kohlefaser in eine Glaskapillare (Einfass-Borosilikatkapillarglas ohne Mikrofilament, 1,2 mm Außendurchmesser, 0,68 mm Innendurchmesser).</li>
		<li>Er...

<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>

In dieser Studie zeigen wir eine neuartige Methode zum Bau von Gold-Nanopartikel-modifizierten Kohlenstofffaser-Mikroelektroden für den Nachweis von Neurotransmittern wie Dopamin mit Hilfe von schneller zyklischer Voltammetrie. Die Methode ist ein effizienter, grüner und relativ kostengünstiger Ansatz zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Biomoleküldetektion. Die Dicke des Goldes, das sich auf der Oberfläche der Kohlefaser ablagert, kann durch die Zeit der Elektrodeposition und die Konzentration von Gold in der E...

Kohlenstofffaser-Mikroelektroden (CFMEs)1 werden am besten als Biosensoren verwendet, um die Oxidation mehrerer wichtiger Neurotransmitter zu erkennen2, einschließlich Dopamin3, Noradrenalin4, Serotonin5, Adenosin6, Histamin7und andere8. Die Biokompatibilität und Größe von Kohlenstofffasern machen sie optimal für die Implantation, da es im Vergleich zu größeren Standardelektroden gemilderte Gewebeschäden gibt. 9 CFMEs sind dafür bekannt, nützliche elektrochemische Eigenschaften zu besitzen und sind in der Lage, schnelle Messungen zu machen, wenn sie mit schnellen elektrochemischen Techniken verwendet werden, am häufigsten schnell scannenzyklische Voltammetrie (FSCV)10,11. FSCV ist eine Technik, die das angewendete Potenzial schnell scannt und ein spezifisches zyklisches Voltammogramm für bestimmte Analyten12,13bereitstellt. Der große Ladestrom, der durch schnelles Scannen erzeugt wird, ist auf Kohlefasern stabil und kann hintergrundsubtrahiert werden, um spezifische zyklische Voltammogramme zu erzeugen.
Aufgrund seiner optimalen Elektrochemie und neurobiologischen Bedeutung, Dopamin wurde weithin untersucht. Das Katecholamin Dopamin ist ein essentieller chemischer Botenstoff, der eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Bewegung spielt, Speicher, Kognition, und Emotion innerhalb des Nervensystems. Ein Überschuss oder Mangel an Dopamin kann zahlreiche neurologische und psychologische Störungen verursachen; dazu gehören Parkinson-Krankheit, Schizophrenie und Suchtverhalten. Heute, Parkinson-Krankheit ist weiterhin eine weit verbreitete Erkrankung aufgrund der Degeneration von Midbrain Neuronen in Dopamin-Synthesebeteiligt 14. Parkinson-Krankheit Symptome sind Zittern, Langsamkeit der Bewegung, Steifigkeit, und Probleme bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts. Auf der anderen Seite fördern Stimulanzien wie Kokain15 und Amphetamin16,17 den Überlauf von Dopamin. Drogenmissbrauch schließlich ersetzt den regelmäßigen Fluss von Dopamin und Bedingungen das Gehirn, um einen Überschuss an Dopamin zu verlangen, was schließlich zu Suchtverhalten führt.
In den letzten Jahren wurde ein Schwerpunkt auf die Verbesserung der Elektrodenfunktionalität in Neurotransmitter-Erkennung18. Die am weitesten verbreitete Methode zur Verbesserung der Elektrodenempfindlichkeit ist die Beschichtung der Faseroberfläche. Überraschenderweise wurde nur begrenzte Forschungen zur Metall-Nanopartikelelektrodeaufposition auf Kohlenstofffaserndurchgeführt 19. Edelmetall-Nanopartikel wie Gold können mit anderen funktionellen Materialien auf die Faseroberfläche elektrolegiert werden20. Zum Beispiel, Erhöhung der elektroaktiven Oberfläche für Neurotransmitter Adsorption auftreten. Elektroverschrottete Metall-Nanopartikel bilden sich schnell, können gereinigt werden und haften an der Kohlenstofffaser. Die Elektrochemie ist nach wie vor sowohl für die Abscheidung von Edelmetall-Nanopartikeln als auch für die Oberflächenverbesserung von Kohlenstofffasern von Bedeutung, da sie die Kontrolle der Keimbildung und des Wachstums dieser Nanopartikel ermöglicht. Schließlich sind die erhöhten katalytischen und leitfähigen Eigenschaften und der verbesserte Massentransport unter anderem Vorteile der Verwendung von Metall-Nanopartikeln für die Elektroanalyse.
Der Advanced Laboratory Sequence Course der American University (Experimental Biological Chemistry I and II CHEM 471/671-472/672) ist eine Kombination von Analytischen, Physikalischen und Biochemischen Laboratorien. Das erste Semester ist ein Überblick über Labortechniken. Das zweite Semester ist ein studentisches und geführtes Forschungsprojekt21. Für diese Projekte haben die Studierenden zuvor den Mechanismus von Biomolekül, Protein, Peptid und Aminosäure-erleichterte Synthese von Gold-Nanopartikeln22,23untersucht. Neuere Arbeiten konzentrierten sich auf die Bildung von Gold-Nanopartikeln (AuNP) auf Elektrodenoberflächen und die Bewertung von AuNPs-Effekten auf die Fähigkeit von CFMEs, Neurotransmitter zu erkennen. In der vorliegenden Arbeit hat das Labor diese Technik angewendet, um zu zeigen, dass die Empfindlichkeit von CFMEs beim Nachweis der Dopamin-Oxidation durch die Elektrodeposition von AuNP auf die Faseroberfläche erhöht wird. Jede bare-CFME zeichnet sich durch unterschiedliche Scanrate, Stabilität und Dopamin-Konzentration beim Nachweis von Dopamin-oxidativen Strömen aus, um die Dopaminoxidation auf der Oberfläche des CFME zu messen. Au3+ wurde dann auf Au0 elektroreduziert und gleichzeitig als Nanopartikel auf die Faseroberfläche elektrolegiert, gefolgt von einer Reihe von Charakterisierungsexperimenten. Nach einem direkten Vergleich, die AuNP-CFMEs wurden gefunden, um eine höhere Empfindlichkeit der Dopamin-Erkennung besitzen. Die gleichmäßige Beschichtung von AuNP auf die Faseroberfläche über Elektrodenposition macht eine höhere elektroaktive Oberfläche; so erhöht die Adsorption von Dopamin auf die modifizierte Elektrodenoberfläche. Dies führte zu höheren dopaminoxidativen Strömen. Die mögliche Trennung der Dopaminoxidations- und Reduktionsspitzen (Ep) von AuNP-CFMEs war ebenfalls kleiner, was auf eine schnellere Elektronentransferkinetik hindeutet. Zukünftige Arbeiten dieser Studie umfassen die In-vivo-Tests sowohl der Bare- als auch der AuNP-CFMEs zum Nachweis von Dopamin.

<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

Seit über 30 Jahren sind Kohlenstofffaser-Mikroelektroden (CFMEs) der Standard für die Detektion von Neurotransmittern. Im Allgemeinen werden Kohlefasern in Glaskapillaren angesaugt, zu einer feinen Verjüngung gezogen und dann mit einem Epoxid versiegelt, um Elektrodenmaterialien zu erstellen, die für schnelle zyklische Voltammetrietests verwendet werden. Die Verwendung von bloßen CFMEs hat jedoch mehrere Einschränkungen. Zuallererst enthält die Kohlefaser meist basalen Ebenenkohlenstoff, der eine relativ geringe Oberfläche hat und geringere Empfindlichkeiten als andere Nanomaterialien liefert. Darüber hinaus ist der graphitische Kohlenstoff durch seine zeitliche Auflösung und seine relativ geringe Leitfähigkeit begrenzt. Schließlich sind Neurochemikalien und Makromoleküle bekannt, an der Oberfläche von Kohlenstoffelektroden zu foulen, wo sie nichtleitende Polymere bilden, die weitere Neurotransmitteradsorption blockieren. Für diese Studie modifizieren wir CFMEs mit Gold-Nanopartikeln, um neurochemische Tests mit schneller zyklischer Voltammetrie zu verbessern. Au3+ wurde von einer kolloidalen Lösung auf die Oberfläche von CFMEs elektrodepositiert oder getaucht. Da Gold ein stabiles und relativ inertes Metall ist, ist es ein ideales Elektrodenmaterial für analytische Messungen von Neurochemikalien. Gold-Nanopartikel modifiziert (AuNP-CFMEs) hatte eine Stabilität auf Dopamin-Reaktion für über 4 h. Darüber hinaus weisen AuNP-CFMEs eine erhöhte Empfindlichkeit (höherer oxidativer Spitzenstrom der zyklischen Voltammogramme) und eine schnellere Elektronentransferkinetik (niedrigereEP- oder Peak-Trennung) auf als nackte unveränderte CFMEs. Die Entwicklung von AuNP-CFMEs ermöglicht die Schaffung neuartiger elektrochemischer Sensoren zur Erkennung schneller Veränderungen der Dopaminkonzentration und anderer Neurochemikalien an niedrigeren Nachweisgrenzen. Diese Arbeit hat umfangreiche Anwendungen für die Verbesserung der neurochemischen Messungen. Die Erzeugung von Gold-Nanopartikel-modifizierten CFMEs wird für die Entwicklung neuartiger Elektrodensensoren zur Detektion von Neurotransmittern in vivo bei Nagetieren und anderen Modellen zur Untersuchung neurochemischer Wirkungen von Drogenmissbrauch, Depression, Schlaganfall, Ischämie, und andere Verhaltens- und Krankheitszustände.

Für Abbildung 1zeigen wir einen Schaltplan, bei dem FSCV-Tests verwendet werden, um die Konzentration von Neurotransmittern in vitro zu messen. Abbildung 1 zeigt die angewendete Dopamin-Wellenform. Die Dreieckswellenform scannt von -0,4 V bis 1,3 V bei 400 V/s. Im zweiten Teil der Figur links zeigt es die Oxidation von Dopamin zu Dopamin-Ortho-Chinon (DOQ), ein zwei Elektronentransfer-Prozess tritt von der Oberfläche des Analyt...

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Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection

In dieser Studie modifizieren wir Kohlenstofffaser-Mikroelektroden mit Gold-Nanopartikeln, um die Empfindlichkeit der Neurotransmitter-Detektion zu verbessern.

Gold Nanopartikel Modifizierte Kohlenstofffaser-Mikroelektroden für verbesserte neurochemische Detektion

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

Die Methode ist signifikant, weil sie neurochemische Detektion mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht, die potenziell in vivo Methoden der neurochemischen Detektion verbessern kann. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass es eine schnelle, einfache und reproduzierbare Methode ist, um die Empfindlichkeit und zeitliche Auflösung der Neurotransmitter-Erkennung zu verbessern. Demonstriert wird das Verfahren von Sanuja Mohanaraj und Pauline Wonnenberg, Absolventen meines Labors.Zunächst trennen Sie Kohlefasermaterial in einzelne Stränge und ziehen Sie eine einzelne Sieben-Mikrometer-Carbonfaser aus einem Strang. Schließen Sie eine Vakuumleitung an eine Borosilikatglaskapillare an und saugen Sie die Kohlefaser in die Kapillare. Dann schneiden Sie ein 10-Zentimeter-und 25-Zentimeter-Stück Karton als Elektrodenhalter dienen.Kleben Sie ein Papiertuch als Stütze um die Pappe, legen Sie die Kapillare in den Elektrodenhalter ein und befestigen Sie sie vorsichtig in einem vertikalen Kapillarzieher. Konfigurieren Sie den Kapillarzieher, um die Glaskapillare zu einer feinen Verjüngung für Elektrodenmaterialien zu ziehen und zu starten. Sobald das Ziehen beendet ist und die Heizspule abgekühlt ist, schneiden Sie die Kohlefaser, die die rohrgezogenen Elektroden verbindet.Entfernen Sie vorsichtig die Mikroelektroden aus dem Kapillarzieher. Mit einer scharfen Klinge oder einer chirurgischen Schere, die die hervorstehende Kohlefaser an jeder Elektrode auf etwa 100 bis 150 Mikrometer Länge trimmt, indem Sie sie von einem Stereoskop oder Mikroskop leiten. Als nächstes, in einer 25-Milliliter-Durchstechflasche, verwenden Sie einen Wattestäbchen, um 10 Gramm Epoxid mit 0,2 Milliliter härter zu mischen.Füllen Sie eine weitere Durchstechflasche mit Aceton. Für jede Elektrode die Kohlefaserspitze 15 Sekunden lang in Epoxid eintauchen und dann drei Sekunden lang in Aceton tauchen, um überschüssiges Epoxid zu entfernen. Nach dem Epoxying werden die epoxied Elektroden dann im Ofen für drei Stunden bei 125 Grad Celsius ausgehärtet.Als nächstes verwenden Sie einen Mikromanipulator, um eine Kohlefaser-Mikroelektrode in eine Silber-Silber-Chlorid-Referenzelektrode in einer 0,5-Millimolar-Lösung aus Chlorauurinsäure in 0,1 molares wässriges Kaliumchlorid zu platzieren. Verbinden Sie die Elektroden mit einer Carbonfaser-Mikroelektrode als Arbeitselektrode an einen Potentiostat. Scannen Sie die Elektrode von 0,2 Volt auf minus einen Volt bei 50 Millivolt pro Sekunde für 10 Zyklen, um die Elektrodenabscheidung durchzuführen.Es ist wichtig, die Parameter für die Ablagerung der Goldbeschichtung zu optimieren. Zu viel Beschichtung verursacht Lärm und Signalüberlastung, während zu wenig Beschichtung die neurochemische Erkennung nicht verbessert. Bereiten Sie vor dem Test eine 10-Millimolar-Stammlösung von Dopamin in Perchlorsäure und etwa einen Liter pH 7,4 PBS-basierten Puffer in entionisiertem Wasser vor.Pipette einen Mikroliter der Dopamin-Stammlösung in 10 Milliliter Puffer, um eine etwa eine Mikromolar Dopamin-Lösung zu machen. Dann verbinden Sie eine Kohlefaser-Mikroelektrode und eine Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode mit einem Potentiostat. Fixieren Sie die Kohlefaserelektrode und die Referenzelektrode in der Kopfstufe des Durchflusszellengeräts und verwenden Sie den Mikromanipulator, um sie in die Durchflusszelle zu senken.Zeichnen Sie 60 Milliliter des PBS-Puffers in eine Spritze. Füllen Sie die Durchflusszelle mit Puffer, und montieren Sie die Spritze in einer Spritzenpumpe. Beginnen Sie mit einer Rate von einem Milliliter pro Minute mit dem Fließen des Puffers durch die Durchflusszelle.Konfigurieren Sie dann den Potentiostat so, dass er für minus 0,4 Volt bis 1,3 Volt bei 10 Hertz und 400 Volt pro Sekunde scannt. Tragen Sie die Wellenform kurz auf die Mikroelektrode auf, beobachten Sie das Oszilloskop und passen Sie die Verstärkung an, um eine Überlastung zu vermeiden. Lassen Sie die Mikroelektrode 10 Minuten im Puffer aussetzen.Ziehen Sie dann die verdünnte Dopaminlösung in eine Spritze und verbinden Sie sie mit dem Injektionsanschluss der Durchflusszelle. Stellen Sie die Gesamtlaufzeit auf dem Potentiostat auf 30 Sekunden ein. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Messungen, warten Sie 10 Sekunden und injizieren Sie dann 0,2 Milliliter Dopaminlösung in die Durchflusszelle.Wenn der Lauf abgeschlossen ist, verarbeiten Sie die Daten mit einer hochauflösenden zyklischen Voltammetrieanalysesoftware. Lassen Sie die Mikroelektrode 10 Minuten lang wieder ausduquirieren, bevor Sie einen weiteren Test durchführen. Wenn die Tests abgeschlossen sind, reinigen Sie die Durchflusszelle, indem Sie dreimal drei Milliliter Wasser und drei Milliliter Luft in den Puffer- und Injektionsanschluss injizieren.Beschichtete Kohlefasern wurden mit Rasterelektronenmikroskopie abgebildet. Die Dicke und Partikelgröße der Gold-Nanopartikelbeschichtungen kann durch die Abscheidungszeit der Elektroden gesteuert werden. 20 Minuten Elektrodenablagerung ergaben eine dicke Goldbeschichtung mit scharfen Graten, während fünf Minuten zu einer dünnen gleichmäßigen Goldbeschichtung führten.Gold nanopartikelbeschichtete Kohlenstofffaser-Mikroelektroden hatten deutlich höhere oxidative Spitzenströme und eine schnellere Elektronentransferkinetik als unveränderte Elektroden. Die Gold-Nanopartikelbeschichtung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Stabilität der Elektrodenreaktionen, wie hier in einer Dopaminlösung nachgewiesen wurde. Sowohl nackte als auch goldfarbene nanopartikelbeschichtete Elektroden reagierten linear auf Scanratenänderungen mit einer viel größeren Veränderungsgröße der goldbeschichteten Elektroden.Dies deutete darauf hin, dass die Dopamin-Absorption über die Scanrate gesteuert werden konnte. Sowohl nackte als auch goldnanopartikelbeschichtete Elektroden reagierten linear zwischen Dopaminkonzentrationen von 100 Nanomolar bis 10 Mikromolar. Eine asymptotische Kurve wurde bei höheren Konzentrationen beobachtet, was darauf hindeutet, dass Dopamin an der Elektrodenoberfläche übersättigt ist.Die Fähigkeit, neurochemische Veränderungen auf einer schnelleren Zeitskala und bei höheren Empfindlichkeiten zu erkennen, wird helfen, komplexe Fragen in der Neurowissenschaft zu beantworten. Diese Methode wird auch in der analytischen Chemie, Metabolomik und Umweltwissenschaft verwendet. Während es leicht zu erlernen ist, ist visuelle Demonstration entscheidend für das Lernen, die Mikroelektroden herzustellen, zu modifizieren und zu testen.Zukünftige Richtungen für diese Methode umfassen die Anpassung der Ablagerung von Gold und anderen Beschichtungen, um Dicke, Größe, Form und Morphologie zu berücksichtigen, um den Nachweis bestimmter Neurotransmitter zu optimieren. Forscher sollten den Umgang mit kleinen Fasern unter dem Mikroskop üben, bevor sie diese Technik ausprobieren. Auch, Neurotransmitter-Stammlösung sollte in einer Rauchhaube vorbereitet werden, weil sie 1 Molar Perchlorsäure verwenden.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Transport of Surface-modified Carbon Nanotubes through a Soil Column

Transport von oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Nanoröhren durch eine Bodensäule

Carbon nanotubes (CNTs) are widely manufactured nanoparticles, which are being utilized in a number of consumer products, such as sporting goods, ...

Forschung

Chemie

A Filter-based Surface Enhanced Raman Spectroscopic Assay for Rapid Detection of Chemical Contaminants

Ein Filter-basierten oberflächenverstärkter Raman-spektroskopische Assay zum schnellen Nachweis von chemischen Verunreinigungen

We demonstrate a method to fabricate highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopic (SERS) substrates using a filter syringe system that can be ...

Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods

Hydrochinon-basierte Synthese von Gold-Nanostäbchen

Gold nanorods are an important kind of nanoparticles characterized by peculiar plasmonic properties. Despite their widespread use in nanotechnology, the ...

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

Flüssigkeit-Cell Transmissions-Elektronenmikroskopie zur Nachverfolgung Selbstmontage von Nanopartikeln

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

Extraction of Ramie Fiber in Alkali Hydrogen Peroxide System Supported by Controlled-release Alkali Source

Gewinnung von Ramie-Faser in Alkali-Wasserstoffperoxid-System unterstützt durch kontrollierte Freisetzung Alkali-Quelle

This protocol demonstrates a method for ramie fiber extraction by scouring raw ramie in an alkali hydrogen peroxide system supported by a ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Elektrochemische Impedanz Spektroskopie als Instrument zur elektrochemischen Rate Konstanten Schätzung

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

Schnelle Nanoprobe Signal-Verbesserung durch In Situ -Gold-Nanopartikel-Synthese

The use of nanoprobes such as gold, silver, silica or iron-oxide nanoparticles as detection reagents in bioanalytical assays can enable high sensitivity ...

Luminophore Formation in Various Conformations of Bovine Serum Albumin by Binding of Gold(III)

Luminophore Formation in Various Conformations of Bovine Serum Albumin by Binding of GoldIII

Luminophor Bildung in verschiedenen Konformationen von Rinderserumalbumin durch Bindung von Gold(III)

The purpose of the presented protocols is to study the process of Au(III) binding to BSA, yielding conformation change-induced red fluorescence (&#955;em ...

Synthesis of Aptamer-PEI-g-PEG Modified Gold Nanoparticles Loaded with Doxorubicin for Targeted Drug Delivery

Synthese von Aptamer-PEI-g-PEG Modifizierte Gold-Nanopartikel, die mit Doxorubicin für die gezielte Arzneimittelabgabe geladen werden

Due to drug resistance and toxicity in healthy cells, use of doxorubicin (DOX) has been limited in clinical cancer therapy. This protocol describes the ...

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Quantitativer SERS-Nachweis von Harnsäure durch Bildung präziser plasmonischer Nanoverbindungen in Aggregaten von Goldnanopartikeln und Cucurbit[n]uril

This work describes a rapid and highly sensitive method for the quantitative detection of an important biomarker, uric acid (UA), via surface-enhanced ...