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咖啡渣和電極，這兩個看似毫不相干的事物，被科學(xué)家們放到一起，竟產(chǎn)生了難以置信的奇妙應(yīng)用。

一項將在美國化學(xué)學(xué)會（ACS）春季會議上展示的研究成果顯示，將用過的咖啡渣能夠作為環(huán)境友好的電極涂層，用于敏感的神經(jīng)化學(xué)測量。這種材料最終可以幫助科學(xué)家更好地檢測大腦活動，并檢測神經(jīng)遞質(zhì)的微小水平變化。

廢咖啡渣此前曾被用于制造多孔碳超級電容器，用于儲能。但現(xiàn)在，由首席研究員阿什利·羅斯博士（Ashley Ross）領(lǐng)導(dǎo)的新研究已經(jīng)將回收的咖啡廢棄物帶入了另一個更具生物性的方向。她和她的團(tuán)隊已經(jīng)證明，涂有這種廢物中碳的電極可以在體外檢測到微量的生物分子。據(jù)羅斯說，這是第一個將殘留咖啡渣重新用于生物傳感應(yīng)用的例子。

羅斯說：“我看到了一些關(guān)于利用咖啡渣生產(chǎn)多孔碳儲能的論文，我想也許我們可以在神經(jīng)化學(xué)檢測工作中使用這種導(dǎo)電材料。還認(rèn)為這是為實驗室買很多咖啡的好借口！”來自辛辛那提大學(xué)的羅斯和她的團(tuán)隊中的幾個成員都自稱是咖啡愛好者。

長期以來，神經(jīng)科學(xué)家使用的傳統(tǒng)微電極通常由碳纖維、細(xì)的固體碳鏈捆綁在一起制成。制造它們通常是一個艱巨而昂貴的過程，涉及多個步驟和苛刻的化學(xué)品。最終，羅斯希望用咖啡渣中的碳來制造整個電極，因為這種方法既便宜又環(huán)保。作為實現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步，研究人員將這種材料用作常規(guī)電極的涂層。

卡米亞·拉普斯利（Kamya Lapsley）是羅斯實驗室的成員之一，目前是肯特州立大學(xué)的本科生，她接受了這個最初的挑戰(zhàn)。她和其他實驗室成員將用過的咖啡渣烘干，并在700攝氏度的管式爐中加熱。接下來，他們將這種材料加入氫氧化鉀溶液中，以活化碳，并在結(jié)構(gòu)上開孔。

然后，研究人員在氮氣下再次加熱混合物，以去除任何不需要的副產(chǎn)品。剩下的是一種充滿多孔碳斑點的墨色漿體。作為最后一步，研究人員用水稀釋漿體，將碳纖維電極浸入其中，在其上覆蓋一層比頭發(fā)直徑小近百倍的多孔碳。

研究人員用快速掃描循環(huán)伏安法比較了涂覆和未涂覆電極感應(yīng)少量多巴胺（一種神經(jīng)遞質(zhì)）的性能。通過這種技術(shù)，他們向電極施加快速變化的電壓，以交替氧化和減少多巴胺。這項技術(shù)的速度足以檢測到亞秒級的神經(jīng)遞質(zhì)釋放，就像在大腦中發(fā)生的那樣。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在多巴胺存在的情況下，涂有多孔碳的電極達(dá)到的氧化電流水平是裸露碳纖維的三倍以上，這表明涂有多孔碳的電極為多巴胺檢測提供了更靈敏的表面。羅斯說，這種多孔結(jié)構(gòu)不僅因為涂層的大表面積而允許更多的多巴胺分子參與反應(yīng)，而且還會瞬間將多巴胺分子困在電極的縫隙中。

這些特性提高了靈敏度，使研究人員能夠進(jìn)行更快的測量。該小組目前正在探索這些多孔涂層如何影響該技術(shù)的時間分辨率。

接下來，該團(tuán)隊將用廢棄咖啡渣中的多孔碳從頭開始制作碳纖維電極，這將使電極不僅在表面上，而且在整個表面上具有均勻的孔隙率。羅斯預(yù)測，這將繼續(xù)提高他們的神經(jīng)化學(xué)檢測能力，因為電極的更大總表面積將暴露在多巴胺分子的吸附之下。與此同時，羅斯計劃在活體大鼠的大腦中測試當(dāng)前的咖啡涂層電極。

與此同時，項目的下一階段將不乏起始材料，因為整個實驗室似乎都喜歡喝咖啡。羅斯說：“研究團(tuán)隊中的各位提供的咖啡渣比我們需要的多得多。我的整個實驗室都非常喜歡這個項目。”

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