В лаборатории электрохимии Университета Цинциннати под руководством Эшли Росс (Ashley Ross) предложен метод получения покрытия электродов для точных нейрохимических измерений из кофейной гущи. Новый материал поможет ученым исследовать активность мозга и определять мельчайшие уровни нейротрансмиттеров. О работе авторы рассказали на весенней конференции Американского химического общества.
Эшли Росс и ее команда продемонстрировали, что электроды, покрытые углеродом из кофейной гущи, могут обнаруживать следовые количества биомолекул in vitro. По словам Росс, это первый пример использования остатков кофейной гущи для биосенсорных приложений. «Я видела работы об использовании кофейного осадка для производства пористого углерода для хранения энергии, и я подумала, что, возможно, мы могли бы использовать этот проводящий материал в нашей работе по обнаружению нейрохимии, — говорит Росс. — А еще я подумала, что это будет хорошим предлогом, чтобы купить много кофе для лаборатории».
Обычно микроэлектроды, которые используют нейробиологи, изготавливаются из углеродного волокна — тонких твердых углеродных нитей, связанных вместе. Их изготовление, как правило, является трудоемким и дорогостоящим процессом, включающим в себя несколько этапов с использованием агрессивных химикатов. В конечном итоге Эшли Росс хочет целиком изготавливать электроды из углерода, добытого из кофейной гущи, потому что такой подход был бы недорогим и безвредным для окружающей среды. В качестве первого шага к достижению этой цели исследователи адаптировали материал из земли в качестве покрытия для обычных электродов.
Сотрудники лаборатории высушивали использованную кофейную гущу и нагревали ее в барабанной печи при температуре более 2300 градусов Цельсия. Затем они добавляли материал в раствор гидроксида калия, чтобы активировать углерод и сделать его структуру пористой. Затем исследователи снова нагрели смесь в атмосфере азота, чтобы удалить нежелательные побочные продукты. То, что осталось, представляло собой чернильную суспензию, полную частиц пористого углерода. В качестве последнего шага исследователи разбавили осадок водой, в которую погрузили электроды из углеродного волокна, чтобы покрыть их слоем пористого углерода почти в сто раз тоньше, чем диаметр человеческого волоса.
Исследователи сравнили характеристики покрытых и непокрытых электродов при обнаружении небольших количеств дофамина в ходе циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием. В данном методе к электроду прикладывается быстро меняющееся напряжение, чтобы попеременно окислять и восстанавливать дофамин. Метод достаточно быстр, чтобы обнаружить высвобождение нейротрансмиттера за доли секунды, как это происходит в мозге. Исследователи обнаружили, что электроды, покрытые пористым углеродом, достигают в присутствии дофамина уровня окислительного тока в три с лишним раза выше, чем углеродные волокна без покрытия, то есть электрод с покрытием обеспечивает более чувствительную поверхность для обнаружения дофамина. Пористая структура не только позволяет большему количеству молекул дофамина участвовать в реакции из-за большой площади поверхности, но и лучше удерживает молекулы дофамина в щелях электрода. Эти свойства повышают чувствительность и позволяют исследователям проводить более быстрые измерения. В настоящее время группа изучает, как пористые покрытия влияют на временное разрешение метода.
Далее команда планирует изготовить электроды полностью из пористого углерода, полученного из кофейной гущи, чтобы придать электродам равномерную пористость не только на поверхности, но и внутри. Росс предсказывает, что это повысит их способность к нейрохимическому обнаружению, потому что еще большая общая площадь поверхности электрода будет подвергаться адсорбции молекул дофамина. В то же время Росс планирует испытать электроды на мозге живых крыс.
Эшли Росс отмечает, что недостатка в исходных материалах лаборатория не испытывает. «Аспиранты предоставили довольно много кофейной гущи — больше, чем нам когда-либо понадобится, — говорит Росс. — Всей моей лаборатории очень понравился этот проект».