Нет ничего лучше, чем дымящаяся чашка чая, чтобы быстро взбодриться утром. Теперь есть еще одна причина полюбить этот напиток. Сегодня исследователи сообщают о первом применении использованной кофейной гущи в качестве экологически чистого электродного покрытия для чувствительных нейрохимических измерений. В конечном итоге этот материал может помочь ученым лучше понять активность мозга и определить мельчайшие уровни нейротрансмиттеров.
Исследователи представят свои результаты на весенней встрече Американского химического общества (ACS).
Отработанная кофейная гуща ранее использовалась для изготовления пористых углеродных суперконденсаторов для хранения энергии. Но теперь новое исследование под руководством главного исследователя Эшли Росс, доктора философии, направило переработанные кофейные отходы в другое, более биологическое направление. Она и ее команда продемонстрировали, что электроды, покрытые углеродом из этих отходов, могут обнаруживать следовые количества биомолекул in vitro. По словам Росса, это первый пример использования остатков кофейной гущи для биосенсорных приложений.
«Я видел документы об использовании отработанной земли для производства пористого углерода для хранения энергии и подумал, что, возможно, мы могли бы использовать этот проводящий материал в нашей работе по обнаружению нейрохимии», — говорит Росс. «А еще я подумал, что это будет хорошим предлогом, чтобы купить много кофе для лаборатории!» Росс, работающая в Университете Цинциннати, и несколько членов ее команды — самопровозглашенные любители кофе.
Традиционные микроэлектроды, которые используют нейробиологи, обычно изготавливаются из углеродного волокна — тонких твердых углеродных нитей, связанных вместе. Их изготовление, как правило, является трудоемким и дорогостоящим процессом, включающим несколько этапов и использование агрессивных химикатов. В конце концов, Росс хочет изготавливать целые электроды с углеродом 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.
Камия Лапсли, которая летом училась в лаборатории Росса, а в настоящее время учится на бакалавриате в Кентском государственном университете, приняла этот первоначальный вызов. Она и другие сотрудники лаборатории высушивали использованную кофейную гущу и нагревали ее в трубчатой печи при температуре около 1300 градусов по Фаренгейту. Затем они добавили материал в раствор гидроксида калия, чтобы активировать углерод и открыть отверстия в структуре. 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 для обнаружения небольших количеств дофамина, нейротрансмиттера, с циклической вольтамперометрией с быстрым сканированием. С помощью этой техники они прикладывали к электроду быстро меняющееся напряжение, чтобы попеременно окислять и восстанавливать дофамин. Этот метод достаточно быстр, чтобы обнаружить высвобождение нейротрансмиттера за доли секунды, как это происходит в мозгу. Исследователи обнаружили, что электроды, покрытые пористым углеродом, достигают уровня окислительного тока более чем в три раза выше, чем углеродные волокна без покрытия в присутствии дофамина, что указывает на то, что электрод с покрытием обеспечивает более чувствительную поверхность для обнаружения дофамина. Мало того, что пористая структура позволяет большему количеству молекул дофамина участвовать в реакции из-за большой площади поверхности покрытия, он также на мгновение захватывает молекулы дофамина в щелях электрода, говорит Росс. Эти свойства повышают чувствительность и позволяют исследователям проводить более быстрые измерения. В настоящее время группа изучает, как эти пористые покрытия влияют на временное разрешение метода.
Далее команда с нуля изготовит электроды из углеродного волокна с пористым углеродом из отходов кофейной гущи, что придаст электродам равномерную пористость не только на поверхности, но и насквозь. Росс предсказывает, что это повысит их способность к нейрохимическому обнаружению, потому что еще большая общая площадь поверхности электрода будет подвержена адсорбции молекул дофамина. В то же время Росс планирует испытать современные покрытые кофе электроды на мозге живых крыс.
Тем временем не будет недостатка в исходных материалах для выполнения следующих этапов проекта, потому что вся лаборатория, похоже, любит их варево. «Аспиранты предоставили довольно много кофейной гущи — больше, чем нам когда-либо понадобится», — говорит Росс. «Всей моей лаборатории очень понравился этот проект».
Теги: кофе
