咖啡渣能幫助做腦電波檢測？

早晨上班，沒什麼比一杯熱氣騰騰的美式更能讓你的一天始于神清氣爽了。如今，我們又多了一個愛上這種飲品的理由。最近，研究人員報告了一種方法，将咖啡渣制成了環境友好的電極塗層，并将其用來做神經化學測量，這種材料可以幫助科學家更好地控制大腦活動以及檢測微量的神經遞質。

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咖啡渣上次的“輝煌”，還是被用來制造儲能用的多孔碳超級電容器。這次，咖啡渣又在生物學方向發揮作用。該研究的首席研究員Ashley Ross團隊證明，咖啡渣中的碳塗覆的電極可以在體外檢測到微量的生物分子，Ross認為，這是首個将殘餘咖啡渣重新用于生物傳感應用的例子。

Ross說：“我看到一些關于利用廢棄的咖啡渣制造多孔碳以儲存能量的論文，心想也許我們可以在神經化學檢測工作中使用這種導電材料。這也将是一個很好的借口為實驗室買大量的咖啡！” 辛辛納提大學的 Ross博士和她團隊的幾個成員都自稱是咖啡愛好者。

神經科學家使用的傳統微電極通常是由纖細而堅固的碳鍊捆綁在一起而成的碳纖維所制，其制造過程艱苦又昂貴，涉及多個步驟和過于刺激的化學品。最終，Ross 想用咖啡渣中的碳制造整個電極，因為成本低廉并且環保。作為實作這個目标的第一步，研究人員将來自咖啡渣的材料作為傳統電極的塗層。

電子顯微鏡下的碳纖維和多空碳納米纖維 | 參考資料 [2]

這個最初的挑戰由彼時Ross 實驗室的暑期學生，現在是肯特州立大學的大學生Kamya Lapsley着手進行。她和實驗室的其他成員将用過的咖啡渣烘幹，并置于溫度約為華氏1300度的管式爐中加熱。接下來，他們将這種材料加入到氫氧化鉀溶液中，以活化碳并在其結構上打開孔洞。然後，研究人員将混合物置于氮氣下再次加熱，以去除任何不想要的副産品。剩下的則是一種漆黑的漿狀物，而裡面充滿了多孔碳的微粒。最後，研究人員用水稀釋得到的漿狀物後，将碳纖維電極浸入其中以塗上一層比人類頭發直徑還薄100倍的多孔碳。

研究人員運用快速掃描循環伏安法（FSCV）比較了塗層電極和未塗層電極感應少量神經遞質多巴胺的性能。FSCV使他們得以對電極施加快速變化的電壓，以交替地氧化和還原多巴胺。這項技術可以快速檢測到如同在大腦中發生的亞秒級神經遞質的釋放。研究人員發現，在多巴胺存在的情況下，塗有多孔碳的電極達到的氧化電流水準比裸碳纖維高出三倍以上，表明塗有多孔碳的電極具備更敏感的表面用于檢測多巴胺。Ross表示，多孔結構不僅鑒于塗層的大表面積而允許更多的多巴胺分子參與反應，還暫時把多巴胺分子困在電極的裂縫間。這些特性提高了靈敏度，并使研究人員能夠進行更快的測量。該小組目前正在探索這些多孔塗層如何影響這項技術的時間解析度。

接下來，研究小組将利用咖啡渣中的多孔碳從頭開始制造碳纖維電極，這将賦予整個電極統一的孔隙度，而不僅作用于電極表面。Ross預測，這樣就能夠進一步提高電極的神經化學物質檢測能力，這是因為電極會有更多的總表面積被用于吸附多巴胺分子。同時，Ross也計劃将現有的塗層電極放在活鼠的大腦中測試。

Ross還表示，實驗室并不缺乏項目材料，因為實驗室的成員都愛喝咖啡。

參考文獻

[1]Society, A. C. (n.d.). Waste coffee grounds could someday help detect brain waves. Retrieved March 21, 2022, from https://phys.org/news/2022-03-coffee-grounds-brain.html

[2] Ostertag, B. J., Cryan, M. T., Serrano, J. M., Liu, G., & Ross, A. E. (2022). Porous Carbon Nanofiber-Modified Carbon Fiber Microelectrodes for Dopamine Detection. ACS Applied Nano Materials, 5(2), 2241–2249. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c03933

編譯：張明宇

編輯：酥魚

排版：尹甯流

題圖來源：Pixabay

研究團隊

通訊作者Ashley E. Ross, PhD：美國辛辛那提大學化學系助理教授

第一作者Blaise J. Ostertag：美國辛辛那提大學化學系博士生

論文資訊

釋出期刊美國化學學會學術期刊 ACS

釋出時間2022年1月21日

論文标題Porous Carbon Nanofiber-Modified Carbon Fiber Microelectrodesfor Dopamine Detection

（DOI：https://doi.org/10.1021/acsanm.1c03933）