Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием

Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием ( FSCV ) — это циклическая вольтамперометрия с очень высокой скоростью сканирования (до 1 × 10 ⁶ V · s ⁻¹). ^{[ 1 ]} Применение высокой скорости сканирования позволяет быстро получить вольтамперограмму в течение нескольких миллисекунд и обеспечивает высокое временное разрешение этого электроаналитического метода . Обычно используется частота сбора данных 10 Гц.

FSCV в сочетании с микроэлектродами из углеродного волокна стал очень популярным методом обнаружения нейротрансмиттеров , гормонов и метаболитов в биологических системах. ^{[ 2 ]} Первоначально FSCV успешно использовался для обнаружения высвобождения электрохимически активных биогенных аминов в хромаффинных клетках ( адреналин и норадреналин ), срезах головного мозга ( 5-НТ , дофамин , норадреналин ) и in vivo у анестезированных или бодрствующих и ведущих себя животных ( дофамин ). Дальнейшие усовершенствования метода позволили обнаружить 5-HT , HA , норадреналин , аденозин , кислород , pH изменения in vivo у крыс и мышей , а также измерить концентрацию дофамина и серотонина у плодовых мух .

Принципы FSCV

с быстрым сканированием При циклической вольтамперометрии (FSCV) небольшой из углеродного волокна электрод (шкала микрометра) вводится в живые клетки, ткани 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 неоднократно окисляться и восстанавливаться. Это приведет к движению электронов в растворе, что в конечном итоге создаст небольшой переменный ток (в масштабе наноампер). ^{[ 4 ]} Вычитая фоновый ток, создаваемый зондом, из результирующего тока, можно построить график зависимости напряжения от тока, уникальный для каждого соединения. ^{[ 5 ]} Поскольку временной масштаб колебаний напряжения известен, его можно использовать для расчета графика тока в растворе как функции времени. Относительные концентрации соединения можно рассчитать, если известно число электронов, перенесенных в каждой реакции окисления и восстановления.

Такие преимущества, как химическая специфичность, высокое разрешение и неинвазивность зондов, делают FSCV мощным методом обнаружения изменения концентраций химических веществ in vivo. ^{[ 3 ]} Химическая специфичность FSCV обусловлена восстановительным потенциалом . Каждое соединение имеет уникальный потенциал восстановления, поэтому переменное напряжение можно настроить для выбора конкретного соединения. ^{[ 5 ]} В результате FSCV можно использовать для измерения различных электрически активных биологических соединений, таких как катахоламины, индоламины и нейротрансмиттеры . ^{[ 3 ]} изменения концентрации аскорбиновой кислоты , кислорода , оксида азота и ионов водорода ( рН ). Также можно обнаружить ^{[ 2 ]} Его даже можно использовать для одновременного измерения нескольких соединений, если одно из них имеет положительный, а другое — отрицательный окислительно-восстановительный потенциал . Высокое разрешение достигается за счет изменения напряжения на очень высоких скоростях, называемых высокой скоростью сканирования. Скорость сканирования для FSCV составляет доли секунды, окисляющие и восстанавливающие соединения измеряются микросекундами. Еще одним преимуществом FSCV является его возможность использования in vivo. Типичные электроды состоят из небольших игл из углеродного волокна диаметром микрометра, которые можно неинвазивно вводить в живые ткани. ^{[ 2 ]} Размер электрода также позволяет ему исследовать очень специфические области мозга. Таким образом, FSCV доказал свою эффективность при измерении химических колебаний живых организмов и использовался в сочетании с несколькими поведенческими исследованиями.

Приемлемые диапазоны напряжения и тока являются общими ограничениями FSCV. Для начала электрический потенциал должен оставаться в пределах напряжения электролиза воды (Eo = ± 1,23). Кроме того, результирующий ток должен оставаться низким, чтобы избежать лизиса клеток , а также их деполяризации . ^{[ 4 ]} Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием также ограничена тем, что позволяет проводить только дифференциальные измерения; токи, которые он измеряет, 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 к дрейфу. 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 избранными молекулами в биологических системах. Несмотря на это, были разработаны методы измерения уровней неэлектрических ферментов , имеющих электроактивный субстрат . ^{[ 4 ]} Однако в этом сценарии электроды-зонды также являются ограничивающим фактором разрешения данных. При измерении электроактивного субстрата зонд часто покрывают соответствующим ферментом. Чтобы избежать взаимодействия фермента с различными субстратами, электрод также покрыт полимером , который действует как селективный фильтр против определенных типов ионов. Однако добавление этого полимера снижает скорость сканирования напряжения и эффективно снижает разрешение данных.

Приложения

Измерение дофамина in vivo

FSCV используется для мониторинга изменений концентрации дофамина в мозге млекопитающих в режиме реального времени с чувствительностью до 1 нМ. ^{[ 6 ]} Использование частоты сбора данных 10 Гц достаточно быстро, чтобы оценить динамику высвобождения и клиренса нейротрансмиттеров. Фармакологическое действие дофаминергических препаратов, таких как D1 и D2 рецепторов агонисты и антагонисты ( раклоприд , галоперидол ), транспортеров дофамина блокаторы ( кокаин , номифензин , GBR 12909 ), можно оценить с помощью FSCV. Высокая скорость сбора данных также позволяет изучать динамику дофамина во время поведения.

влияние психостимуляторов (кокаин, амфетамин и метамфетамин ), опиоидов ( морфин и героин ), каннабиноидов , алкоголя и никотина на дофаминергическую С помощью FSCV изучали нейротрансмиссию и развитие наркотической зависимости.

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

Измерение других моноаминовых нейротрансмиттеров

FSCV используется для изучения динамики экзоцитоза норадреналина и адреналина из хромаффинных клеток; высвобождение серотонина из тучных клеток ; высвобождение 5-НТ в срезах мозга; высвобождение 5-НТ в мозге анестезированных грызунов и плодовых мух; высвобождение норадреналина в мозгу наркотизированных и свободно передвигающихся грызунов.

Ссылки

^ Бард. Энциклопедия электрохимии . Уайли. ISBN 978-3-527-30250-5 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Вайтман, Р.М. (2006). «Изучение клеточной химии в биологических системах с помощью микроэлектродов». Наука . 311 (5767): 1570–1574. Бибкод : 2006Sci...311.1570W . дои : 10.1126/science.1120027 . ПМИД 16543451 . S2CID 2959053 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Робинсон, Д.Л.; Вентон, Би Джей; Хейен, ML; Вайтман, Р.М. (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием in vivo» . Клиническая химия . 49 (10): 1763–73. дои : 10.1373/49.10.1763 . ПМИД 14500617 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Вассум, К.М.; Филлипс, ЧП (январь 2015 г.). «Исследование нейрохимических коррелятов мотивации и принятия решений» . ACS Chem Neurosci . 6 (1): 11–3. дои : 10.1021/cn500322y . ПМК 4304500 . ПМИД 25526380 .
^ Jump up to: ^а ^б Випф, Дэвид О.; Кристенсен, Эрик В.; Дикин, Марк Р.; Вайтман, Р. Марк (1988). «Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием как метод измерения кинетики быстрого гетерогенного переноса электронов». Аналитическая химия . 60 (4): 306–310. дои : 10.1021/ac00155a006 .
^ Робинсон, Д.Л.; Вентон, Би Джей; Хейен, ML; Вайтман, Р.М. (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием in vivo» . Клиническая химия . 49 (10): 1763–73. дои : 10.1373/49.10.1763 . ПМИД 14500617 .
^ Глимчер, П.В.; Камерер, CF; Фер, Э.; и др., ред. (2008). Нейроэкономика: принятие решений и мозг . Академическая пресса . ISBN 978-0123741769 .
^ Ган, Джо; Уолтон, Мэн; Филлипс, PEM (2009). «Диссоциируемое кодирование затрат и выгод будущих вознаграждений с помощью мезолимбического дофамина» . Природная неврология . 13 (1): 25–27. дои : 10.1038/nn.2460 . ПМК 2800310 . ПМИД 19904261 .

Дальнейшее чтение

Бард, Эй Джей; Фолкнер, ЛР (2000). Электрохимические методы: основы и приложения (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-04372-9 .
Майкл, AC; Борланд, LM, ред. (2007). Электрохимические методы в нейробиологии . ЦРК Пресс . ISBN 978-0-8493-4075-8 .

[1] Бард. Энциклопедия электрохимии . Уайли. ISBN 978-3-527-30250-5 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с Вайтман, Р.М. (2006). «Изучение клеточной химии в биологических системах с помощью микроэлектродов». Наука . 311 (5767): 1570–1574. Бибкод : 2006Sci...311.1570W . дои : 10.1126/science.1120027 . ПМИД 16543451 . S2CID 2959053 .

[:3-3] Jump up to: ^а ^б ^с Робинсон, Д.Л.; Вентон, Би Джей; Хейен, ML; Вайтман, Р.М. (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием in vivo» . Клиническая химия . 49 (10): 1763–73. дои : 10.1373/49.10.1763 . ПМИД 14500617 .

[:1-4] Jump up to: ^а ^б ^с Вассум, К.М.; Филлипс, ЧП (январь 2015 г.). «Исследование нейрохимических коррелятов мотивации и принятия решений» . ACS Chem Neurosci . 6 (1): 11–3. дои : 10.1021/cn500322y . ПМК 4304500 . ПМИД 25526380 .

[:4-5] Jump up to: ^а ^б Випф, Дэвид О.; Кристенсен, Эрик В.; Дикин, Марк Р.; Вайтман, Р. Марк (1988). «Циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием как метод измерения кинетики быстрого гетерогенного переноса электронов». Аналитическая химия . 60 (4): 306–310. дои : 10.1021/ac00155a006 .

[6] Робинсон, Д.Л.; Вентон, Би Джей; Хейен, ML; Вайтман, Р.М. (октябрь 2003 г.). «Обнаружение субсекундного высвобождения дофамина с помощью циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием in vivo» . Клиническая химия . 49 (10): 1763–73. дои : 10.1373/49.10.1763 . ПМИД 14500617 .

[7] Глимчер, П.В.; Камерер, CF; Фер, Э.; и др., ред. (2008). Нейроэкономика: принятие решений и мозг . Академическая пресса . ISBN 978-0123741769 .

[8] Ган, Джо; Уолтон, Мэн; Филлипс, PEM (2009). «Диссоциируемое кодирование затрат и выгод будущих вознаграждений с помощью мезолимбического дофамина» . Природная неврология . 13 (1): 25–27. дои : 10.1038/nn.2460 . ПМК 2800310 . ПМИД 19904261 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

v т и Электроаналитические методы
Техники	Адсорбционная инверсионная вольтамперометрия Амперометрическое титрование Анодная зачистная вольтамперометрия Объемный электролиз Катодная инверсионная вольтамперометрия Хроноамперометрия Кулонометрия Циклическая вольтамперометрия Дифференциальная импульсная вольтамперометрия Электрогравиметрия Гидродинамическая техника Линейная вольтамперометрия с разверткой Нормальная импульсная вольтамперометрия Полярография Потенциометрия Вольтамперометрия с вращающимся электродом Прямоугольная вольтамперометрия Лестничная вольтамперометрия Вольтамперометрия
Инструментарий	Амперостат Вспомогательный электрод Падающий ртутный электрод Электрод Электролитическая ячейка Гальванический элемент Подвесной ртутный капельный электрод Ионоселективный электрод Ртутный кулонометр рН-метр Потенциостат Электрод сравнения Вращающийся дисковый электрод Вращающийся кольцевой дисковый электрод Соляной мост Насыщенный каломельный электрод Хлоридсеребряный электрод Стандартный водородный электрод Ультрамикроэлектрод Вольтаметр Рабочий электрод
Теория	Коэффициент активности Уравнение Батлера – Фольмера Обозначение ячеек Уравнение Коттрелла Уравнение Дебая – Хюккеля Двойной слой Законы электролиза Фарадея Полуреакция Ионная сила Уравнение Нернста
Аналитическая химия