Woltamperometria cykliczna z szybkim skanowaniem

Cykliczna woltamperometria szybkiego skanowania stosowana do pomiaru zmieniających się stężeń dopaminy. Elektroda z włókna węglowego służy do szybkiej zmiany napięcia w celu utlenienia dopaminy i redukcji dopaminy-O-chinonu. Powstały prąd zmienny jest wykorzystywany do znalezienia chwilowego stężenia dopaminy w płynie pozakomórkowym.

Woltamperometria cykliczna z szybkim skanowaniem ( FSCV ) to woltamperometria cykliczna o bardzo dużej szybkości skanowania (do   1 × 10 ⁶ V · s ⁻¹ ). Zastosowanie dużej szybkości skanowania pozwala na szybką akwizycję woltamogramu w ciągu kilku milisekund i zapewnia wysoką rozdzielczość czasową tej techniki elektroanalitycznej . Rutynowo stosuje się częstotliwość akwizycji 10 Hz.

FSCV w połączeniu z mikroelektrodami z włókna węglowego stał się bardzo popularną metodą wykrywania neuroprzekaźników , hormonów i metabolitów w układach biologicznych. Początkowo FSCV był z powodzeniem stosowany do wykrywania uwalniania aktywnych elektrochemicznie amin biogennych w komórkach chromochłonnych ( adrenalina i noradrenalina ), skrawkach mózgu ( 5-HT , dopamina , norepinefryna ) oraz in vivo u znieczulonych lub obudzonych i zachowujących się zwierząt ( dopamina ). Dalsze udoskonalenia metody umożliwiły wykrywanie 5-HT , HA , norepinefryny , adenozyny , tlenu , zmian pH in vivo u szczurów i myszy oraz pomiar stężenia dopaminy i serotoniny u muszek owocówek .

Zasady FSCV

woltamperometrii cyklicznej z szybkim skanowaniem (FSCV) mała elektroda z włókna węglowego (w skali mikrometrowej) jest wprowadzana do żywych komórek, tkanek lub przestrzeni pozakomórkowej . Elektroda jest następnie używana do szybkiego podnoszenia i obniżania napięcia w kształcie fali trójkątnej. Gdy napięcie mieści się w prawidłowym zakresie (zwykle ±1 wolt), związek będący przedmiotem zainteresowania będzie wielokrotnie utleniany i redukowany. Spowoduje to ruch elektronów w roztworze, który ostatecznie wytworzy niewielki prąd przemienny (skala nanoamperów). Odejmując prąd tła wytwarzany przez sondę od prądu wynikowego, możliwe jest wygenerowanie wykresu napięcia w funkcji prądu, który jest unikalny dla każdego związku. Ponieważ znana jest skala czasowa oscylacji napięcia, można ją następnie wykorzystać do obliczenia wykresu prądu w roztworze w funkcji czasu. Względne stężenia związku można obliczyć, o ile znana jest liczba elektronów przeniesionych w każdej reakcji utleniania i redukcji.

Szybka woltamperometria cykliczna

Zalety, takie jak specyficzność chemiczna, wysoka rozdzielczość i nieinwazyjne sondy, czynią FSCV potężną techniką wykrywania zmieniających się stężeń chemicznych in vivo. Specyficzność chemiczna FSCV wywodzi się z potencjałów redukcyjnych . Każdy związek ma unikalny potencjał redukcyjny, więc napięcie przemienne można ustawić tak, aby wybrać dla konkretnego związku. W rezultacie FSCV można stosować do pomiaru różnych aktywnych elektrycznie związków biologicznych, takich jak katacholaminy, indolaminy i neuroprzekaźniki . Można również wykryć zmiany stężenia kwasu askorbinowego , tlenu , tlenku azotu i jonów wodoru ( pH ). Można go nawet używać do pomiaru wielu związków jednocześnie, o ile jeden ma dodatni, a drugi ujemny potencjał redoks . Wysoką rozdzielczość uzyskuje się poprzez zmianę napięcia przy bardzo dużych prędkościach, określanych jako duża szybkość skanowania. Szybkości skanowania dla FSCV mieszczą się w skali poniżej sekundy, utleniając i redukując związki w ciągu mikrosekund. Kolejną zaletą FSCV jest możliwość zastosowania in vivo. Typowe elektrody składają się z małych igieł z włókna węglowego o średnicy mikrometrów, które można bezinwazyjnie wprowadzać do żywych tkanek. Rozmiar elektrody pozwala również na sondowanie bardzo specyficznych obszarów mózgu. Zatem FSCV okazał się skuteczny w pomiarze fluktuacji chemicznych żywych organizmów i był używany w połączeniu z kilkoma badaniami behawioralnymi.

Dopuszczalne zakresy napięcia i prądu są powszechnymi ograniczeniami FSCV. Aby rozpocząć, potencjał elektryczny musi mieścić się w zakresie napięcia elektrolizy wody (Eo = ± 1,23). Dodatkowo, wynikowy prąd musi pozostać niski, aby uniknąć lizy komórek , jak również depolaryzacji komórek . Woltamperometria cykliczna z szybkim skanowaniem jest również ograniczona, ponieważ wykonuje tylko pomiary różnicowe; prądy, które mierzy, odnoszą się tylko do tła, więc nie można ich użyć do ilościowego określenia stężeń spoczynkowych. Wynika to częściowo z faktu, że na podstawowe poziomy prądu duży wpływ mają czynniki takie jak pH, więc w dłuższych okresach wartości te mają tendencję do dryfowania. Wiek elektrody jest również ważny, a sondy są zwykle mniej dokładne, im dłużej są używane.

Ta technika jest również ograniczona do ilościowego określania stężeń związków aktywnych elektrycznie i może być stosowana tylko z wybranymi cząsteczkami w układach biologicznych. Mimo to opracowano metody pomiaru poziomów enzymów nieelektrycznych , które mają elektroaktywny substrat . Jednak w tym scenariuszu sondy elektrodowe są również czynnikiem ograniczającym rozdzielczość danych. Podczas pomiaru substratu elektroaktywnego sonda jest często pokryta odpowiednim enzymem. Aby uniknąć interakcji enzymu z różnymi substratami, elektroda jest również pokryta polimerem, który działa jak selektywny filtr przeciwko określonym typom jonów. Jednak dodanie tego polimeru zmniejsza prędkość, z jaką można wykonać skanowanie napięcia i skutecznie obniża rozdzielczość danych.

Aplikacje

Pomiar dopaminy in vivo

FSCV służy do monitorowania zmian stężenia dopaminy w mózgu ssaków w czasie rzeczywistym z czułością do 1 nM. Użycie częstotliwości akwizycji 10 Hz jest wystarczająco szybkie, aby pobrać próbkę dynamiki uwalniania i klirensu neuroprzekaźnika. Działanie farmakologiczne leków dopaminergicznych, takich jak agoniści i antagoniści receptorów D1 i D2 ( raklopryd , haloperidol ), blokery transporterów dopaminy ( kokaina , nomifenzyna , GBR 12909 ) można ocenić za pomocą FSCV. Szybkie tempo akwizycji pozwala również na badanie dynamiki dopaminy podczas zachowania.

Za pomocą FSCV badano wpływ środków psychostymulujących (kokainy, amfetaminy i metamfetaminy ), opioidów ( morfiny i heroiny ), kannabinoidów , alkoholu i nikotyny na neuroprzekaźnictwo dopaminergiczne i rozwój uzależnienia od narkotyków.

Dopamina jest głównym neuroprzekaźnikiem pośredniczącym w uczeniu się, zachowaniu zorientowanym na cel i podejmowaniu decyzji. Monitorowanie stężenia dopaminy in vivo u zachowujących się zwierząt z FSCV ujawnia kodowanie dopaminy w procesie podejmowania decyzji w mózgu.

Pomiar innych neuroprzekaźników monoaminowych

FSCV służy do badania dynamiki egzocytozy noradrenaliny i adrenaliny z komórek chromochłonnych; uwalnianie serotoniny z komórek tucznych ; uwalnianie 5-HT w skrawkach mózgu; uwalnianie 5-HT w mózgu znieczulonych gryzoni i muszek owocowych; uwalnianie noradrenaliny w mózgu znieczulonych i swobodnie poruszających się gryzoni.

Dalsza lektura

•   Bard, AJ; Faulkner, LR (2000). Metody elektrochemiczne: podstawy i zastosowania (wyd. 2). John Wiley & Synowie . ISBN 0-471-04372-9 .
•   Michał, AC; Borland, LM, wyd. (2007). Metody elektrochemiczne dla neuronauki . CRC Naciśnij . ISBN 978-0-8493-4075-8 .