Name: gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection
Uploaded: 2019-05-13T14:45:00
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Nos gustaría dar las gracias a la Universidad Americana, la Beca de Apoyo a la Investigación de la Facultad, la Subvención Espacial DC de la NASA y la NSF-MRI-1625977.

1. Construcción de microelectrodos de fibra de carbono
<ol><li>
Preparación de fibras de carbono
	<ol>
<li>Para crear microelectrodos de fibra de carbono, primero separe las fibras de carbono (fibra de carbono, 7 mm de diámetro) una por una usando manos, guantes y espátulas.</li>
		<li>Tire o tire de una fibra del hilo retorcido.</li>
		<li>Aspirar una fibra de carbono aislada en un capilar de vidrio (vidrio capilar de borosilicato de un solo barril sin microfilamento, diámetro exterior de 1,2 mm,...

<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>

En este estudio, demostramos un método novedoso para construir microelectrodos de fibra de carbono modificados de nanopartículas de oro para la detección de neurotransmisores como la dopamina mediante la cmiammetría cíclica de exploración rápida. El método es un enfoque eficiente, verde y relativamente barato para mejorar la sensibilidad de la detección de biomoléculas. El espesor del oro depositado en la superficie de la fibra de carbono se puede controlar por el tiempo de la electrodeposición y la concentrac...

Los microelectrodos de fibra de carbono (CFME)1 se utilizan mejor como biosensores para detectar la oxidación de varios neurotransmisores cruciales2,incluyendo la dopamina3,la noradrenalina4, la serotonina5,la adenosina6, histamina7, y otros8. La biocompatibilidad y el tamaño de las fibras de carbono las hacen óptimas para la implantación, ya que hay daños tisulares mitigados en comparación con los electrodos estándar más grandes. 9 Se sabe que las CFMEs poseen propiedades electroquímicas útiles y son capaces de realizar mediciones rápidas cuando se utilizan con técnicas electroquímicas rápidas, más comúnmente cyclicammetría de escaneo rápido (FSCV)10,11. FSCV es una técnica que escanea el potencial aplicado rápidamente y proporciona una voltografía cíclica específica para analitos específicos12,13. La gran corriente de carga producida por el escaneo rápido es estable en fibras de carbono y se puede restar en segundo plano para producir voltografías cíclicas específicas.
Debido a su óptima electroquímica y importancia neurobiológica, la dopamina ha sido ampliamente estudiada. La dopamina de la catecolamina es un mensajero químico esencial que desempeña un papel fundamental en el control del movimiento, memoria, cognición, y la emoción dentro del sistema nervioso. Un excedente o deficiencia de dopamina puede causar numerosas interferencias neurológicas y psicológicas; entre ellos se encuentran la enfermedad de Parkinson, la esquizofrenia y el comportamiento adictivo. Hoy, Enfermedad de Parkinson sigue siendo un trastorno frecuente debido a la degeneración de las neuronas del cerebro medio implicadas en la síntesis de dopamina14. Los síntomas de la enfermedad de Parkinson incluyen temblor, lentitud del movimiento, rigidez y problemas para mantener el equilibrio. Por otro lado, estimulantes como la cocaína15 y la anfetamina16,17 promueven el desbordamiento de dopamina. Abuso de drogas eventualmente sustituye el flujo regular de dopamina y condiciones del cerebro para requerir un excedente de dopamina, que finalmente conduce a comportamientos adictivos.
En los últimos años, ha habido un énfasis en la mejora de la funcionalidad del electrodo en la detección de neurotransmisores18. El método más extendido para mejorar la sensibilidad de los electrodos es recubrir la superficie de la fibra. Sorprendentemente, ha habido una investigación limitada sobre la electrodeposición de nanopartículas metálicas en fibras de carbono19. Las nanopartículas metálicas nobles, como el oro, pueden electrodepositarse en la superficie de la fibra con otros materiales funcionales20. Por ejemplo, aumentar la superficie electroactiva para la adsorción de neurotransmisores a ocurrir. Las nanopartículas metálicas electrodepositadas se forman rápidamente, se pueden purificar y adherirse a la fibra de carbono. La electroquímica sigue siendo significativa tanto para la deposición de nanopartículas metálicas nobles como para la mejora de la superficie de las fibras de carbono, ya que permite el control de la nucleación y el crecimiento de estas nanopartículas. Por último, el aumento de las características catalíticas y conductoras, y la mejora del transporte de masas son otras ventajas de la utilización de nanopartículas metálicas para el electroanálisis.
El curso de secuencia de Laboratorio Avanzado de la Universidad Americana (Química Biológica Experimental I y II CHEM 471/671-472/672) es una combinación de laboratorios analíticos, físicos y bioquímicos. El primer semestre es una visión general de las técnicas de laboratorio. El segundo semestre es un proyecto de investigación dirigido por estudiantes y dirigido21. Para estos proyectos, los estudiantes han examinado previamente el mecanismo de biomolécula, proteína, péptido y síntesis facilitada por aminoácidos de nanopartículas de oro22,23. El trabajo más reciente se ha centrado en la formación de la producción de nanopartículas de oro (AuNP) en superficies de electrodos y la evaluación de los efectos de los AuNP en la capacidad de las CFMEs para detectar neurotransmisores. En el presente trabajo, el laboratorio ha aplicado esta técnica para demostrar que la sensibilidad de las CFMEs en la detección de la oxidación de la dopamina se mejora a través de la electrodeposición de AuNP sobre la superficie de la fibra. Cada bare-CFME se caracteriza por variar la velocidad de exploración, estabilidad y concentración de dopamina al detectar corrientes oxidativas de dopamina para medir la oxidación de la dopamina en la superficie de la CFME. Au3+ fue entonces electroreducido a Au0 y simultáneamente electrodepositado en la superficie de fibra como nanopartículas, seguido de una serie de experimentos de caracterización. Después de una comparación directa, los AuNP-CCFEs fueron encontrados para poseer mayor sensibilidad de la detección de dopamina. El recubrimiento uniforme de AuNP sobre la superficie de la fibra a través de la electrodeposición hace que una superficie electroactiva más alta; por lo tanto, aumentar la adsorción de la dopamina en la superficie del electrodo modificado. Esto condujo a corrientes oxidativas de dopamina más altas. La separación potencial de los picos de oxidación y reducción de dopamina (Ep) de AuNP-CME también fue menor, lo que sugiere una cinética de transferencia de electrones más rápida. Los trabajos futuros de este estudio incluyen la prueba in vivo de las CFMEs desnudas y AuNP-CFMEs para la detección de dopamina.

<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

Durante más de 30 años, los microelectrodos de fibra de carbono (CFMEs) han sido el estándar para la detección de neurotransmisores. Generalmente, las fibras de carbono se aspiran en capilares de vidrio, se tiran a un cónico fino y luego se sellan con un epoxi para crear materiales de electrodos que se utilizan para pruebas de cismmetría cíclica de escaneo rápido. Sin embargo, el uso de CFMEs desnudas tiene varias limitaciones. En primer lugar, la fibra de carbono contiene principalmente carbono plano basal, que tiene una superficie relativamente baja y produce sensibilidades más bajas que otros nanomateriales. Además, el carbono grafico está limitado por su resolución temporal, y su relativamente baja conductividad. Por último, se sabe que los neuroquímicos y macromoléculas ensucian en la superficie de los electrodos de carbono donde forman polímeros no conductores que bloquean la adsorción de neurotransmisores adicionales. Para este estudio, modificamos las CFMEs con nanopartículas de oro para mejorar las pruebas neuroquímicas con voltammetría cíclica de escaneo rápido. Au3+ fue electrodepositado o sumergido de una solución coloidal en la superficie de las CFMEs. Dado que el oro es un metal estable y relativamente inerte, es un material de electrodo ideal para mediciones analíticas de neuroquímicos. Nanopartículas de oro modificadas (AuNP-CFMEs) tuvieron una estabilidad a la respuesta de dopamina durante más de 4 h. Por otra parte, las AuNP-CFMEs presentan una mayor sensibilidad (corriente oxidativa de pico más alto de las voltografías cíclicas) y cinética de transferencia de electrones más rápida (menorEP o separación de picos) que las CFMEs sin modificar desnudas. El desarrollo de AuNP-CFMEs proporciona la creación de nuevos sensores electroquímicos para detectar cambios rápidos en la concentración de dopamina y otros neuroquímicos en límites más bajos de detección. Este trabajo tiene vastas aplicaciones para la mejora de las mediciones neuroquímicas. La generación de CFTME modificadas por nanopartículas de oro será de vital importancia para el desarrollo de nuevos sensores de electrodos para detectar neurotransmisores in vivo en roedores y otros modelos para estudiar los efectos neuroquímicos del abuso de drogas, depresión, accidente cerebrovascular, isquemia, y otros estados de comportamiento y enfermedades.

Para la Figura1, mostramos un esquema donde se utilizan pruebas FSCV para medir la concentración de neurotransmisores in vitro. La Figura 1 muestra la forma de onda de dopamina aplicada. La forma de onda triangular escanea de -0,4 V a 1,3 V a 400 V/s. En la segunda parte de la figura a la izquierda, muestra la oxidación de la dopamina a la dopamina-orto-quinona (DOQ), un proceso de transferencia de dos electrones se produce des...

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Gold Nanoparticle Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Enhanced Neurochemical Detection

En este estudio, modificamos microelectrodos de fibra de carbono con nanopartículas de oro para mejorar la sensibilidad de la detección de neurotransmisores.

Microelectrodos de fibra de carbono modificados por nanopartículas de oro para una detección neuroquímica mejorada

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

El método es significativo porque permite la detección neuroquímica con alta resolución espacial y temporal que potencialmente puede mejorar los métodos in vivo de detección neuroquímica. La principal ventaja de esta técnica es que es un método rápido, fácil y reproducible para mejorar la sensibilidad y resolución temporal de la detección de neurotransmisores. Demostrando el procedimiento serán Sanuja Mohanaraj y Pauline Wonnenberg, estudiantes graduados de mi laboratorio.Para empezar, separe el material de fibra de carbono en hebras individuales y tire de una sola fibra de carbono de siete micrómetros de diámetro de una hebra. Conecte una línea de vacío a un capilar de vidrio borosilicato y aspire la fibra de carbono en el capilar. Luego corta una pieza de cartón de 10 centímetros por 25 centímetros para servir como soporte de electrodo.Pegue una toalla de papel alrededor del cartón como soporte, luego inserte el capilar en el soporte del electrodo y fíjelo cuidadosamente en un tirador capilar vertical. Configure el tirador capilar para tirar del capilar de vidrio a un fino cónico para los materiales de los electrodos e iniciarlo. Una vez que los acabados de tracción y la bobina de calentamiento se haya enfriado, corte la fibra de carbono que conecta los electrodos tirados por tubo.Retire cuidadosamente los microelectrodos del tirador capilar. Guiado por un estereoscopio o microscopio, utilice una cuchilla afilada o tijeras quirúrgicas para recortar la fibra de carbono saliente en cada electrodo a unos 100 a 150 micrómetros de longitud. A continuación, en un vial de 25 mililitros, utilice un hisopo de algodón para mezclar 10 gramos de epoxi con 0,2 mililitros de endurecedor.Llene otro vial con acetona. Para cada electrodo, sumerja la punta de fibra de carbono en epoxi durante 15 segundos y luego sumerja en acetona durante tres segundos para eliminar el exceso de epoxi. Después de la epoxiing, los electrodos epoxied se curan en el horno durante tres horas a 125 grados Celsius.A continuación, utilice un micromaniprógrafo para colocar un microelectrodo de fibra de carbono en un electrodo de referencia de cloruro de plata-plata en una solución de 0,5 mililitrolares de ácido cloroáurico en cloruro de potasio acuoso molar 0,1. Conecte los electrodos a un potenciostato con un microelectrodo de fibra de carbono como electrodo de trabajo. Escanee el electrodo de 0,2 voltios a menos un voltio a 50 milivoltios por segundo durante 10 ciclos para realizar la deposición de electrodos.Es fundamental optimizar los parámetros para depositar el recubrimiento de oro. Demasiado recubrimiento causará ruido y sobrecarga de señal, mientras que demasiado poco recubrimiento no mejorará la detección neuroquímica. Antes de la prueba, preparar una solución de 10 mililitrolares de dopamina en ácido perclórico y alrededor de un litro de pH 7.4 tampón basado en PBS en agua desionizada.Pipetear un microlitros de la solución de stock de dopamina en 10 mililitros de tampón para hacer una solución de dopamina de aproximadamente un micromolar. A continuación, conecte un microelectrodo de fibra de carbono y un electrodo de referencia de cloruro de plata y plata a un potenciostato. Fije el electrodo de fibra de carbono y el electrodo de referencia en la etapa principal del aparato de células de flujo y utilice el micromaniprógrafo para bajarlos a la celda de flujo.Dibuje 60 mililitros del tampón PBS en una jeringa. Llene la celda de flujo con tampón y monte la jeringa en una bomba de jeringa. Comience a fluir el búfer a través de la celda de flujo a una velocidad de un mililitro por minuto.A continuación, configure el potenciostato para buscar menos 0,4 voltios a 1,3 voltios a 10 hercios y 400 voltios por segundo. Aplique brevemente la forma de onda al microelectrodo, observe el osciloscopio y ajuste la ganancia para evitar la sobrecarga. Deje que el microelectrodo se equilibre durante 10 minutos en el búfer.A continuación, extraiga la solución de dopamina diluida en una jeringa y conéctela al puerto de inyección de la célula de flujo. Establezca el tiempo total de ejecución en el potenciostato en 30 segundos. Comience a registrar las mediciones, espere 10 segundos y luego inyecte 0,2 mililitros de solución de dopamina en la celda de flujo.Cuando finalice la ejecución, procese los datos con software de análisis de voltammetría cíclica de alta definición. Deje que el microelectrodo se vuelva a equilibrar durante 10 minutos antes de realizar otra prueba. Una vez finalizadas las pruebas, limpie la celda de flujo inyectando tres mililitros de agua y tres mililitros de aire en el búfer y los puertos de inyección tres veces.Las fibras de carbono recubiertas fueron imágenes con microscopía electrónica de barrido. El grosor y el tamaño de partícula de los recubrimientos de nanopartículas de oro se pueden controlar por el tiempo de deposición del electrodo. 20 minutos de deposición de electrodos arrojaron una gruesa capa de oro con crestas afiladas, mientras que cinco minutos produjo un fino recubrimiento de oro uniforme.Los microelectrodos de fibra de carbono recubiertos con nanopartículas de oro tenían corrientes oxidativas pico significativamente más altas y cinética de transferencia de electrones más rápida que los electrodos no modificados. El recubrimiento de nanopartículas de oro no tuvo ningún efecto significativo en la estabilidad de las respuestas de los electrodos como se muestra aquí en una solución de dopamina. Los electrodos recubiertos de nanopartículas desnudas y doradas respondieron linealmente para escanear cambios en la velocidad con una magnitud mucho mayor de cambio en los electrodos recubiertos de oro.Esto indicó que la absorción de dopamina podría ser controlada a través de la tasa de exploración. Los electrodos recubiertos de nanopartículas desnudas y doradas respondieron linealmente entre concentraciones de dopamina de 100 nanomolares a 10 micromolares. Se observó una curva asintomática a concentraciones más altas, lo que indica que la dopamina está sobresaturada en la superficie del electrodo.La capacidad de detectar cambios neuroquímicos en una escala de tiempo más rápida y en sensibilidades más altas ayudará a responder preguntas complejas en neurociencia. Este método también tiene usos en química analítica, metabolómica y ciencia ambiental. Si bien es fácil de aprender, la demostración visual es fundamental para aprender a hacer, modificar y probar los microelectrodos.Las instrucciones futuras para este método incluyen ajustar la deposición de oro y otros recubrimientos para tener en cuenta el grosor, tamaño, forma y morfología para optimizar la detección de neurotransmisores específicos. Los investigadores deben practicar el manejo de fibras pequeñas bajo un microscopio antes de probar esta técnica. También, solución de aceite de neurotransmisor debe prepararse en una campana de humo porque utilizan 1 ácido percloro molar.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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Investigación

Química

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