Snabbavsökning av cyklisk voltammetri

Fast scan cyklisk voltammetri som används för att mäta ändrade koncentrationer av dopamin. En kolfiberelektrod används för att snabbt ändra spänningen för att oxidera dopamin och reducera dopamin-O-kinon. Den resulterande växelströmmen används för att hitta den momentana koncentrationen av dopamin i den extracellulära vätskan.

Fast-scan 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 insamling av ett voltammogram inom flera millisekunder och säkerställer hög tidsupplösning för denna elektroanalytiska teknik . En insamlingshastighet på 10 Hz används rutinmässigt.

FSCV i kombination med kolfibermikroelektroder blev en mycket populär metod för detektion av signalsubstanser , hormoner och metaboliter i biologiska system. Inledningsvis användes FSCV framgångsrikt för att detektera elektrokemiskt aktiva biogena aminer som frigörs i kromaffinceller ( adrenalin och noradrenalin ), hjärnskivor ( 5-HT , dopamin , noradrenalin ) och in vivo i sövda eller vakna och beter sig djur ( dopamin ). Ytterligare förbättringar 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

Vid snabbavsökning av cyklisk voltammetri (FSCV ) sätts en liten kolfiberelektrod (mikrometerskala) in i levande celler , vävnad eller extracellulärt utrymme . Elektroden används sedan för att snabbt höja och sänka spänningen på ett triangulärt vågform. När spänningen är i rätt intervall (typiskt ±1 volt) kommer föreningen av intresse att oxideras och reduceras upprepade gånger. Detta kommer att resultera i en rörelse av elektroner i lösning som i slutändan kommer att skapa en liten växelström (nano ampere-skala). Genom att subtrahera bakgrundsströmmen som skapas av sonden från den resulterande strömmen är det möjligt att generera en spänning vs. strömdiagram som är unik för varje förening. Eftersom tidsskalan för spänningssvängningarna är känd kan denna sedan användas för att beräkna en kurva över strömmen i lösning som 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, hög upplösning och icke-invasiva prober gör FSCV till en kraftfull teknik för att detektera ändrade kemiska koncentrationer in vivo. Den kemiska specificiteten för FSCV härleds från reduktionspotentialer . Varje förening har en unik reduktionspotential, så växelspänningen kan ställas in för att välja för en viss förening. Som ett resultat kan FSCV användas för att mäta en mängd olika elektriskt aktiva biologiska föreningar som 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 som den ena har en positiv och den andra har en negativ redoxpotential . Hög upplösning uppnås genom att ändra spänningen vid mycket höga hastigheter, kallad en snabb skanningshastighet. Skanningshastigheter för FSCV är på sub-andra skalan, 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 mikrometer i diameter och kan sättas in på ett icke-invasivt sätt i levande vävnader. Storleken på elektroden gör det också möjligt för den att undersöka 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 hålla sig inom spänningsområdet för elektrolysen av vatten (Eo = ± 1,23). Dessutom måste den resulterande strömmen förbli låg för att undvika cellys och celldepolarisering . Fast scan cyklisk voltammetri är också begränsad genom att den endast gör differentialmätningar; strömmarna den mäter är endast relativa till bakgrunden, så de kan inte användas för att kvantifiera vilokoncentrationer. Detta beror delvis på att de basala strömnivåerna till stor del påverkas av faktorer som pH, så över längre tidsperioder tenderar dessa värden att glida. Åldern på elektroden är också viktig, och sonder 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 . Men i detta scenario är elektrodsonderna också en begränsande faktor i dataupplösningen. Vid mätning av ett elektroaktivt substrat är sonden ofta belagd med dess motsvarande enzym. För att undvika att enzymet interagerar med olika substrat är elektroden även belagd med en polymer som fungerar som ett selektivt filter mot speciella typer av joner. Men när denna polymer tillsätts sänker den hastigheten med vilken spänningsavsökningarna kan göras och sänker effektivt dataupplösningen.

Ansökningar

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 insamlingshastighet på 10 Hz är tillräckligt snabbt för att sampla dynamiken i signalsubstansfrisättning och clearance. av dopaminerga läkemedel såsom D1- och D2 -receptoragonister och antagonister ( rakloprid , haloperidol ), dopamintransportblockerare ( kokain , nomifensine , GBR 12909 ) kunde utvärderas med FSCV. Den snabba förvärvshastigheten tillåter också studier av dopamindynamik under beteende.

Effekterna av psykostimulanter (kokain, amfetamin och metamfetamin ), opioider ( morfin och heroin ), cannabinoider , alkohol och nikotin på dopaminerga neurotransmissioner och utveckling av drogberoende studerades med FSCV.

Dopamin är en primär signalsubstans som förmedlar inlärning, målstyrande beteende och beslutsfattande. Övervakning av dopaminkoncentrationen in vivo hos djur som beter sig med FSCV avslöjar dopaminkodning av hjärnans beslutsprocess.

Mätning av andra monoaminneurotransmittorer

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

Vidare läsning

•   Bard, AJ; Faulkner, LR (2000). Elektrokemiska metoder: Fundamentals and Applications (2:a upplagan). John Wiley & Sons . ISBN 0-471-04372-9 .
•   Michael, AC; Borland, LM, red. (2007). Elektrokemiska metoder för neurovetenskap . CRC Tryck på . ISBN 978-0-8493-4075-8 .