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早晨上班，没什么比一杯热气腾腾的美式更能让你的一天始于神清气爽了。如今，我们又多了一个爱上这种饮品的理由。最近，研究人员报告了一种方法，将咖啡渣制成了环境友好的电极涂层，并将其用来做神经化学测量，这种材料可以帮助科学家更好地控制大脑活动以及检测微量的神经递质。
咖啡渣上次的“辉煌”，还是被用来制造储能用的多孔碳超级电容器。这次，咖啡渣又在生物学方向发挥作用。该研究的首席研究员Ashley Ross团队证明，咖啡渣中的碳涂覆的电极可以在体外检测到微量的生物分子，Ross认为，这是首个将残余咖啡渣重新用于生物传感应用的例子。
Ross说：“我看到一些关于利用废弃的咖啡渣制造多孔碳以储存能量的论文，心想也许我们可以在神经化学检测工作中使用这种导电材料。这也将是一个很好的借口为实验室买大量的咖啡！” 辛辛纳提大学的 Ross博士和她团队的几个成员都自称是咖啡爱好者。
神经科学家使用的传统微电极通常是由纤细而坚固的碳链捆绑在一起而成的碳纤维所制，其制造过程艰苦又昂贵，涉及多个步骤和过于刺激的化学品。最终，Ross 想用咖啡渣中的碳制造整个电极，因为成本低廉并且环保。作为实现这个目标的第一步，研究人员将来自咖啡渣的材料作为传统电极的涂层。
这个最初的挑战由彼时Ross 实验室的暑期学生，现在是肯特州立大学的本科生Kamya Lapsley着手进行。她和实验室的其他成员将用过的咖啡渣烘干，并置于温度约为华氏1300度的管式炉中加热。接下来，他们将这种材料加入到氢氧化钾溶液中，以活化碳并在其结构上打开孔洞。然后，研究人员将混合物置于氮气下再次加热，以去除任何不想要的副产品。剩下的则是一种漆黑的浆状物，而里面充满了多孔碳的微粒。最后，研究人员用水稀释得到的浆状物后，将碳纤维电极浸入其中以涂上一层比人类头发直径还薄100倍的多孔碳。
研究人员运用快速扫描循环伏安法（FSCV）比较了涂层电极和未涂层电极感应少量神经递质多巴胺的性能。FSCV使他们得以对电极施加快速变化的电压，以交替地氧化和还原多巴胺。这项技术可以快速检测到如同在大脑中发生的亚秒级神经递质的释放。研究人员发现，在多巴胺存在的情况下，涂有多孔碳的电极达到的氧化电流水平比裸碳纤维高出三倍以上，表明涂有多孔碳的电极具备更敏感的表面用于检测多巴胺。Ross表示，多孔结构不仅鉴于涂层的大表面积而允许更多的多巴胺分子参与反应，还暂时把多巴胺分子困在电极的裂缝间。这些特性提高了灵敏度，并使研究人员能够进行更快的测量。该小组目前正在探索这些多孔涂层如何影响这项技术的时间解析度。
接下来，研究小组将利用咖啡渣中的多孔碳从头开始制造碳纤维电极，这将赋予整个电极统一的孔隙度，而不仅作用于电极表面。Ross预测，这样就能够进一步提高电极的神经化学物质检测能力，这是因为电极会有更多的总表面积被用于吸附多巴胺分子。同时，Ross也计划将现有的涂层电极放在活鼠的大脑中测试。
通讯作者Ashley E. Ross, PhD：美国辛辛那提大学化学系助理教授
第一作者Blaise J. Ostertag：美国辛辛那提大学化学系博士生
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