Snabbscanning av cyklisk voltammetri - Fast-scan cyclic voltammetry

Snabb skanningscyklisk voltammetri som används för att mäta förändrade koncentrationer av dopamin. En kolfiberelektrod används för att snabbt ändra spänningen för att oxidera dopamin och minska dopamin-O-kinon. Den resulterande växelströmmen används för att hitta den momentana koncentrationen av dopamin i den extracellulära vätskan.

Snabbscannad cyklisk voltammetri ( FSCV ) är cyklisk voltammetri med en mycket hög skanningshastighet (upp till 1 × 10 6   V · s −1 ). Tillämpning av hög skanningshastighet möjliggör snabb förvärv av ett voltammogram inom flera millisekunder och säkerställer hög tidsupplösning av denna elektroanalytiska teknik . En förvärvsfrekvens på 10 Hz används rutinmässigt.

FSCV i kombination med kolfibermikroelektroder blev en mycket populär metod för detektion av neurotransmittorer , hormoner och metaboliter i biologiska system. Inledningsvis användes framgångsrikt FSCV för detektion av elektrokemiskt aktiva biogena frigivningar av aminer i kromaffinceller ( adrenalin och noradrenalin ), hjärnskivor ( 5-HT , dopamin , noradrenalin ) och in vivo i bedövade eller vakna och uppförande djur ( dopamin ). Ytterligare förfiningar av metoden har möjliggjort detektering av 5-HT , HA , noradrenalin , adenosin , syre , pH- förändringar in vivo hos råttor och möss samt mätning av dopamin och serotoninkoncentration i fruktflugor .

Principer för FSCV

I snabb-scan cyklisk voltametri (FSCV), en liten kolfiberelektrod är (mikrometerskala) införd in i levande celler, vävnad, eller extracellulära utrymmet . Elektroden används sedan för att snabbt höja och sänka spänningen på ett triangulärt vågform. När spänningen ligger i rätt intervall (typiskt ± 1 volt) oxideras föreningen av intresse upprepade gånger och reduceras. Detta kommer att resultera i en rörelse av elektroner i lösning som i slutändan kommer att skapa en liten växelström (nano förstärkare skala). Genom att subtrahera bakgrundsströmmen som skapats av sonden från den resulterande strömmen är det möjligt att generera en spänning mot strömdiagram som är unik för varje förening. Eftersom tidsskalan för spänningsoscillationerna är känd, kan denna sedan användas för att beräkna en plot av strömmen i lösning som en funktion av tiden. De relativa koncentrationerna av föreningen kan beräknas så länge som antalet elektroner som överförs i varje oxidations- och reduktionsreaktion är känt.

Snabb cyklisk voltammetri

Fördelar som kemisk specificitet, högupplösta och icke-invasiva sonder gör FSCV till en kraftfull teknik för att detektera förändrade kemiska koncentrationer in vivo. FSCVs kemiska specificitet härrör från reduktionspotentialer . Varje förening har en unik reduktionspotential, och så kan växelspänningen ställas in för att välja en viss förening. Som ett resultat kan FSCV användas för att mäta en mängd olika elektriskt aktiva biologiska föreningar såsom katakolaminer, indolaminer och neurotransmittorer . Koncentrationsförändringar avseende askorbinsyra , syre , kväveoxid och vätejoner ( pH ) kan också detekteras. Det kan till och med användas för att mäta flera föreningar samtidigt, så länge den ena har en positiv och den andra har en negativ redoxpotential . Hög upplösning uppnås genom att ändra spänningen vid mycket höga hastigheter, kallad snabb skanningshastighet. Avsökningshastigheter för FSCV är i sekundära skala, oxiderande och reducerande föreningar i mikrosekunder. En annan fördel med FSCV är dess förmåga att användas in vivo. Typiska elektroder består av små kolfibernålar som är mikrometrar i diameter och som kan införas icke-invasivt i levande vävnader. Elektrodens storlek tillåter också att den sondar mycket specifika hjärnregioner. Således har FSCV visat sig vara effektivt för att mäta kemiska fluktuationer hos levande organismer och har använts i samband med flera beteendestudier.

Acceptabla spännings- och strömområden är vanliga begränsningar för FSCV. För att starta måste den elektriska potentialen ligga inom spänningsområdet för elektrolysen av vatten (Eo = ± 1,23). Dessutom måste den resulterande strömmen förbli låg för att undvika celllys såväl som celldepolarisering . Snabb skanning cyklisk voltammetri är också begränsad genom att den bara gör differentiella mätningar de strömmar den mäter är endast relativt bakgrunden, så de kan inte användas för att kvantifiera vilakoncentrationer. Detta beror delvis på det faktum att basströmnivåerna i stor utsträckning påverkas av faktorer som pH, så över längre tidsperioder tenderar dessa värden att glida. Elektrodens ålder är också viktig och sonderna tenderar att vara mindre exakta ju längre de används.

Denna teknik är också begränsad till att kvantifiera koncentrationerna av elektriskt aktiva föreningar och kan endast användas med utvalda molekyler i biologiska system. Trots detta har det utvecklats metoder för att mäta nivåer av icke-elektriska enzymer som har ett elektroaktivt substrat . I detta scenario är emellertid elektrodsonderna också en begränsande faktor i dataupplösningen. Vid mätning av ett elektroaktivt substrat täcks sonden ofta med motsvarande enzym. För att undvika att enzymet interagerar med olika substrat, är elektroden också belagd med en polymer som fungerar som ett selektivt filter mot vissa typer av joner. Men när denna polymer tillsätts sänker den hastigheten med vilken spänningssökningarna kan göras och sänker dataupplösningen effektivt.

Applikationer

Mätning av dopamin in vivo

FSCV används för att övervaka förändringar i koncentrationen av dopamin i däggdjurshjärnan i realtid med känslighet ner till 1 nM. Att använda en inhämtningshastighet på 10 Hz är tillräckligt snabb för att prova dynamik av neurotransmittors frisättning och clearance. Farmakologiska effekten av dopaminerga läkemedel såsom D1 och D2 receptorer agonister och antagonist ( rakloprid , haloperidol ), dopamintransportörblockerare ( kokain , nomifensin , GBR-12909 ) kunde utvärderas med FSCV. Den snabba förvärvsgraden möjliggör också studier av dopamindynamik under beteende.

Effekterna av psykostimulanter (kokain, amfetamin och metamfetamin ), opioider ( morfin och heroin ), cannabinoider , alkohol och nikotin på dopaminerg neurotransmission och utveckling av narkotikamissbruk studerades med FSCV.

Dopamin är en primär neurotransmittor som förmedlar lärande, målstyrande beteende och beslutsfattande. Övervakning av dopaminkoncentration in vivo hos beteende djur med FSCV avslöjar dopaminkodning av hjärnans beslutsprocess.

Mätning av andra monoamin-neurotransmittorer

FSCV används för att studera dynamik av exocytos av noradrenalin och adrenalin från kromaffinceller; frisättning av serotonin från mastceller ; frisättning av 5-HT i hjärnskivor; frisättning av 5-HT i hjärnan hos bedövade gnagare och fruktflugor; frisättning av noradrenalin i hjärnan hos bedövade och fritt rörliga gnagare.

Referenser

Vidare läsning