Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием - Википедия - Fast-scan cyclic voltammetry

Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием используется для измерения изменяющихся концентраций дофамина. Электрод из углеродного волокна используется для быстрого изменения напряжения для окисления дофамина и восстановления дофамин-O-хинона. Результирующий переменный ток используется для определения мгновенной концентрации дофамина во внеклеточной жидкости.

Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием (FSCV) является циклическая вольтамперометрия с очень высокой скоростью сканирования (до 1×106 V ·s−1).[1] Применение высокой скорости сканирования позволяет быстро получить вольтамперограмма в течение нескольких миллисекунд и обеспечивает высокое временное разрешение этого электроаналитический метод. Обычно используется частота сбора данных 10 Гц.

FSCV в сочетании с углеродное волокно микроэлектроды стали очень популярным методом обнаружения нейротрансмиттеры, гормоны и метаболиты в биологических системах.[2] Первоначально FSCV успешно использовался для обнаружения электрохимически активных биогенные амины выпуск в хромаффинные клетки (адреналин и норадреналин ), срезы мозга (5-HT, дофамин, норэпинефрин ) и in vivo в под наркозом или бодрствующих и ведущих себя животных (дофамин ). Дальнейшие усовершенствования метода позволили обнаружить 5-HT, HA, норэпинефрин, аденозин, кислород, pH изменения in vivo в крысы и мышей а также измерение концентрации дофамина и серотонина в плодовые мошки.

Принципы FSCV

В быстром циклическом сканировании вольтамперометрия (FSCV), небольшой углеродное волокно электрод (микрометрическая шкала) вводится в живые клетки, ткань или внеклеточное пространство.[3] Затем электрод используется для быстрого повышения и понижения напряжения в виде треугольной волны. Когда напряжение находится в правильном диапазоне (обычно ± 1 В), интересующее соединение будет многократно окисляться и восстанавливаться. Это приведет к движению электронов в растворе, которое в конечном итоге создаст небольшой переменный ток (шкала наноампер).[4] Вычитая фоновый ток, создаваемый датчиком, из результирующего тока, можно построить график зависимости напряжения от тока, который является уникальным для каждого соединения.[5] Поскольку временной масштаб колебаний напряжения известен, его можно использовать для расчета графика зависимости тока раствора от времени. Относительные концентрации соединения могут быть вычислены, если известно число электронов, перенесенных в каждой реакции окисления и восстановления.

Быстрая циклическая вольтамперометрия

Такие преимущества, как химическая специфичность, высокое разрешение и неинвазивные зонды, делают FSCV мощным методом обнаружения изменяющихся концентраций химических веществ in vivo.[3] Химическая специфичность FSCV определяется потенциалы восстановления. Каждое соединение обладает уникальным восстановительным потенциалом, поэтому переменное напряжение можно выбрать для конкретного соединения.[5] В результате FSCV можно использовать для измерения различных электрически активных биологических соединений, таких как катахоламины, индоламины, и нейротрансмиттеры.[3] Изменения концентрации относительно аскорбиновая кислота, кислород, оксид азота, и ионы водорода (pH ) также можно обнаружить.[2] Его даже можно использовать для измерения нескольких соединений одновременно, если у одного из них есть положительный, а у другого отрицательный окислительно-восстановительный потенциал. Высокое разрешение достигается за счет изменения напряжения с очень высокой скоростью, называемой высокой скоростью сканирования. Скорость сканирования для FSCV находится в субсекундной шкале, окисление и восстановление соединений в микросекундах. Еще одно преимущество FSCV - его способность использоваться in vivo. Типичные электроды состоят из небольших игл из углеродного волокна микрометров в диаметре, которые можно неинвазивно вводить в живые ткани.[2] Размер электрода также позволяет зондировать очень специфические области мозга. Таким образом, FSCV доказал свою эффективность при измерении химических колебаний живых организмов и использовался в сочетании с несколькими исследованиями поведения.

Допустимые диапазоны напряжения и тока являются общими ограничениями FSCV. Для начала электрический потенциал должен оставаться в диапазоне напряжений электролиз воды (Eo = ± 1,23). Кроме того, результирующий ток должен оставаться низким, чтобы избежать лизис клеток а также клетка деполяризация.[4] Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием также ограничена тем, что выполняет только дифференциальные измерения; измеряемые токи относятся только к фону, поэтому их нельзя использовать для количественной оценки концентраций в состоянии покоя. Частично это связано с тем, что на уровни базального тока в значительной степени влияют такие факторы, как pH, поэтому в течение более длительных периодов времени эти значения имеют тенденцию дрейфовать. Возраст электрода также важен, и датчики имеют тенденцию быть менее точными, чем дольше они используются.

Этот метод также ограничен количественным определением концентраций электрически активных соединений и может использоваться только с выбранными молекулами в биологических системах. Несмотря на это, были разработаны методы измерения уровней неэлектрических ферменты которые имеют электроактивный субстрат.[4] Однако в этом сценарии электродные зонды также являются ограничивающим фактором в разрешающей способности данных. При измерении электроактивного субстрата зонд часто покрывается соответствующим ферментом. Чтобы избежать взаимодействия фермента с различными субстратами, электрод также покрывают полимер который действует как селективный фильтр против определенных типов ионов. Однако, когда этот полимер добавляется, он снижает скорость, с которой может выполняться сканирование напряжения, и эффективно снижает разрешение данных.

Приложения

Измерение дофамина in vivo

FSCV используется для мониторинга изменений концентрации дофамина в головном мозге млекопитающих в режиме реального времени с чувствительностью до 1 нМ.[6] Использование частоты сбора данных 10 Гц достаточно быстро, чтобы измерить динамику высвобождения и клиренса нейромедиаторов. Фармакологическое действие дофаминергических препаратов, таких как D1 и D2 рецепторы агонисты и антагонист (раклопорд, галоперидол ), переносчик дофамина блокираторы (кокаин, номифензин, GBR 12909 ) можно оценить с помощью FSCV. Высокая скорость приобретения также позволяет изучать динамику дофамина во время поведения.

Эффекты психостимуляторы (кокаин, амфетамин и метамфетамин ), опиоиды (морфий и героин ), каннабиноиды, алкоголь и никотин на дофаминергический нейротрансмиссию и развитие наркозависимости изучали с помощью FSCV.

Дофамин является основным нейромедиатором, опосредующим обучение, целенаправленное поведение и принятие решений. Мониторинг концентрации дофамина in vivo у ведущих поведение животных с FSCV показывает, что дофамин кодирует процесс принятия решений мозгом.[7][8]

Измерение других моноаминовых нейромедиаторов

FSCV используется для изучения динамики экзоцитоз норадреналина и адреналина из хромаффинных клеток; релиз серотонин из тучные клетки; высвобождение 5-HT в срезах мозга; выброс 5-HT в головной мозг анестезированных грызунов и плодовых мух; высвобождение норэпинефрина в головном мозге обезболенных и свободно перемещающихся грызунов.

Рекомендации

  1. ^ Бард. Энциклопедия электрохимии. Вайли. ISBN  978-3-527-30250-5.
  2. ^ а б c Вайтман, Р. М. (2006). «Исследование клеточной химии в биологических системах с помощью микроэлектродов». Наука. 311 (5767): 1570–1574. Bibcode:2006Научный ... 311.1570W. Дои:10.1126 / science.1120027. PMID  16543451. S2CID  2959053.
  3. ^ а б c Робинсон, DL; Venton, BJ; Heien, ML; Вайтман, РМ (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью быстрой циклической вольтамперометрии in vivo». Клиническая химия. 49 (10): 1763–73. Дои:10.1373/49.10.1763. PMID  14500617.
  4. ^ а б c Вассум, км; Филлипс, ЧП (январь 2015 г.). «Исследование нейрохимических коррелятов мотивации и принятия решений». ACS Chem Neurosci. 6 (1): 11–3. Дои:10.1021 / cn500322y. ЧВК  4304500. PMID  25526380.
  5. ^ а б Wipf, Дэвид O .; Кристенсен, Эрик В .; Deakin, Mark R .; Уайтман, Р. Марк (1988). «Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием как метод измерения кинетики быстрой гетерогенной передачи электрона». Аналитическая химия. 60 (4): 306–310. Дои:10.1021 / ac00155a006.
  6. ^ Робинсон, DL; Venton, BJ; Heien, ML; Вайтман, РМ (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью быстрой циклической вольтамперометрии in vivo». Клиническая химия. 49 (10): 1763–73. Дои:10.1373/49.10.1763. PMID  14500617.
  7. ^ Glimcher, P.W .; Camerer, C.F .; Fehr, E .; и др., ред. (2008). Нейроэкономика: принятие решений и мозг. Академическая пресса. ISBN  978-0123741769.
  8. ^ Gan, J. O .; Уолтон, М. Э .; Филлипс, П. Э. М. (2009). «Диссоциативное кодирование затрат и выгод будущих вознаграждений с помощью мезолимбического дофамина». Природа Неврология. 13 (1): 25–27. Дои:10.1038 / № 2460. ЧВК  2800310. PMID  19904261.

дальнейшее чтение