Polymerkomposit-beschichtete Multifaser-Mikroelektroden als multifunktionelle voltammetrische Mikrosensoren zur Bestimmung von Dopamin

Für die Aufklärung der Kommunikationsmechanismen im Gehirn und für das Verständnis von degenerativen Gehirnerkrankungen wie Parkinsons, ebenso wie für das pharmakologische Wirkstoffscreening ist es notwendig, Neurotransmitterkonzentrationen mit hoher lokaler Auflösung und Selektivität zu bestimmen. Biogene Catechole werden unter Verwendung voltammetrischer Methoden durch Oxidation direkt am Ort ihrer Freisetzung mithilfe von Mikroelektroden, in der Regel Carbonfaser-Mikroelektroden (CFME), bestimmt.

Als Alternative zu den CFME wird in unserer Arbeitsgruppe eine miniaturisierte Einstichsonde zur Bestimmung von Dopamin entwickelt, an deren Spitze sich integriert eine oder mehrere polymermodifizierte Arbeitselektroden für die Neurotransmitterdetektion, eine Referenzelektrode und eine Gegenelektrode befinden.

Hierfür werden Platin-Multifasermikroelektroden der Firma Thomas RECORDING (Gießen) verwendet. Ebenso wie CFME sind diese mit einem Gesamtdurchmesser von 100 µm als minimal invasive Einstichsonden besonders geeignet. Sie besitzen bis zu sieben einzeln adressierbare Platin/Wolfram-Fasern mit Durchmessern von 10-20 µm [1], eingeschmolzen in einen isolierenden Quarzkörper.

Aufgrund von Elektrodenfouling [2, 3] und des im Vergleich zu Carbonfaserelektroden engen Potentialfensters der Edelmetallelektroden finden Platinelektroden bei amperometrischen Messungen an biologischen Proben eher selten Verwendung. Diese Nachteile können jedoch durch geeignete Beschichtung z.B. mit Polymeren beseitigt werden [1]. Ein integrierter Sensor mit Pt-Gegenelektroden, einer Referenzelektrode mit elektrochemisch abgeschiedener Ag/AgCl-Beschichtung und einer mit einem Antifouling-Film aus Polypyrrol beschichteten Arbeitselektrode wurde bereits realisiert (Abb. 1) [4].

Abb. 1.  Integrierter Multifaser-Mikroelektrodensensor. GE: Gegenelektrode, RE: Ag/AgCl-Referenzelektrode, AE: Ar-beitselektrode mit Polypyrrolbeschichtung.

Zurzeit werden Beschichtungen von Poly(ethylendioxythiophen) (PEDOT), Carbon Nanotubes (CNTs) und deren Kombinationen für die Modifizierung der Platin-Mikroelektrodenoberflächen erprobt. Mittels potentiodynamischer  Elektropolymerisation werden dünne Filme auf der Elektrodenoberfläche aus wässriger Lösung abgeschieden.

Durch die Zugabe von oberflächenaktiven Substanzen [5] konnte die Haftung der Filme verbessert sowie deren CNT-Gehalt erhöht werden (Abb. 2). Ebenso kann für kationische Spezies wie Dopamin dadurch eine bessere Permselektivität gegenüber anionischen Störsubstanzen wie Ascorbat, welches in der extrazellulären Gehirnflüssigkeit in vergleichsweise hoher Konzentration vorhanden ist, erreicht werden.

Abb. 2.  ESEM-Aufnahmen von  Pt-Mikroelektrodenoberflächen nach Elektropolymerisation aus wässriger Lösung. Da die CNTs einen Durchmesser von nur ca. 5 nm besitzen, scheint das PEDOT über einzelne CNTs oder über CNT-Bündel wie ein Mantel aufgewachsen zu sein. Maßstab: 3 µm.

Mittels differentieller Pulsvoltammetrie (DPV) konnten mit PEDOT/ CNT/ Additiven beschichteten Platin-Mikroelektroden Konzentrationen von weniger als 500 nM Dopamin in Pufferlösung pH 7,1/ Argon nachgewiesen werden (Abb. 3).

Abb. 3.  Basislinienkorrigierte DPV-Strommessungen bei unterschiedlichen Dopaminkonzentrationen in Phosphatpuffer/ Argon.

Ausschließlich mit PEDOT beschichtete Elektroden zeigten eine geringere Sensitivität. Die elektrochemische Stabilität der Filme wurde nach Lagerung für drei Wochen an Luft und bei Raumtemperatur getestet. Obwohl die Signalintensität auf weniger als 50% ihres ursprünglichen Wertes abnahm, lag die Nachweisgrenze immer noch unterhalb 500 nM Dopamin (Abb. 4).

Abb. 4.  Kalibrationsgeraden, Peakstrom vs. Konzentration, a) frisch hergestellte, mit PEDOT/ CNT/ Additiven modifizierte Elektrode, und b) dieselbe Elektrode, 3 Wochen später.

Durch die elektrochemische Abscheidung solcher Kompositbeschichtungen von leitfähigem Polymer, CNTs und Additiven aus wässriger Lösung steht ein einfaches, umweltfreundliches und massenproduktionstaugliches Verfahren mit hoher Reproduzierbarkeit zur Verfügung. Durch Beschichten der Multifaser-Mikroelektroden mit Filmen unterschiedlicher Sensitivitäten und Selektivitäten sowie den Einsatz unterschiedlicher voltammetrischer Messprotokolle sollen Sensoren entwickelt werden, die simultan mehrere Parameter wie z.B. die Konzentration anderer Neurotransmitter, pH-Wert oder O2-Konzentration bestimmen können. Obwohl bei planaren Mikrosensoren bereits verwirklicht, findet dieses Konzept bei miniaturisierten Einstichsonden offensichtlich bisher kaum Anwendung.

Literatur:

[1]       Thomas RECORDING GmbH, Gießen, Germany, Metal Microelectrodes, 2008. [online]. Available: http://www.thomasrecording.com/en/cms/front_content.php?idcatart=61&lang=1&client=1 [accessed: Dec. 2, 2008].

[2]       D. L. Robinson, A. Hermans, A. T. Seipel, and R. M. Wightman, "Monitoring rapid chemical communication in the brain," Chemical Reviews, vol. 108, pp. 2554-2584, 2008.

[3]       R. F. Lane and A. T. Hubbard, "Differential double pulse voltammetry at chemically modified platinum electrodes for in vivo determination of catechol amines," Anal. Chem., vol. 48, pp. 1287-1293, 1976.

[4]       U. Thomas, K. Bauer, and J. Heinze, "Microsensor composed of multi-fiber microelectrodes." Application DE102004060742A, Juli 6, 2006

[5]       N. Sakmeche, E. A. Bazzaoui, M. Fall, S. Aeiyach, M. Jouini, J. C. Lacroix, J. J. Aaron, and P. C. Lacaze, "Application of sodium dodecylsulfate (SDS) micellar solution as an organized medium for electropolymerization of thiophene derivatives in water," Synthetic Metals International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals, vol. 84, pp. 191-192, 1997.