防污納米多孔膜修飾在碳釬維微電極對大鼠腦內(nèi)氧氣的體內(nèi)監(jiān)測的應用

氧（O2）參與許多生命活動，其體內(nèi)監(jiān)測至關重要。體內(nèi)電化學碳纖維微電極（CFME）已被證明是一種合適的技術，但其表面結(jié)垢傾向?qū)ζ潆娏鞣�(wěn)定性和可靠性提出了很大挑戰(zhàn)。在此，有科研團隊在CFME表面電接枝了由均勻、緊密排列和垂直排列的納米通道組成的二氧化硅納米多孔膜（SNM），該膜能夠有效保護表面免受生物污染，同時保持對O2的滲透性。與裸CFME相比，植入大鼠大腦后，SNM/CFME保持其對O2的分析靈敏度。此外，植入電極可以在體內(nèi)條件下連續(xù)監(jiān)測O2，顯示出良好的電流穩(wěn)定性，以及快速響應，長達2小時。進一步考慮到SNM的高滲透性、選擇性和生物相容性，他們認為，改良的CFME是一種高度可靠的傳感器，用于長期體內(nèi)監(jiān)測O2以及其他神經(jīng)化學物質(zhì)，有望在生理學、行為學和神經(jīng)學研究中發(fā)揮作用。

 

2019年1月28日，林周課題組在《分析化學》（ANALYTICALCHEMISTRY）上發(fā)表了題為“In Vivo Monitoring of Oxygen in Rat Brain by Carbon Fiber Microelectrode Modified with Anti-fouling Nanoporous Membrane”的研究論文，報告了一種用防污SNM改性的高防污CFME。他們的目的是探索防污納米多孔膜修飾碳纖維微電極對大鼠腦內(nèi)氧氣的體內(nèi)檢測中的穩(wěn)定性、抗污染能力、生物相容性等。
 

方法：親水性、高滲透性和抗生物污染的二氧化硅納米多孔膜（SNM）涂層CFME的圖示或大鼠大腦中O2的連續(xù)監(jiān)測。

結(jié)果：SNM通過電輔助自組裝方法在CFME表面上生長。圓盤形CFME(d=7m)，稱為d-CFME，用于電化學表征，因為它的表面積可以精確控制。所制備的SNM/d-CFME首先通過循環(huán)伏安法(CV)表征，使用Ru(NH3)63+和Fe(CN)63-作為氧化還原探針。由于硅烷醇基團去質(zhì)子化產(chǎn)生的帶負電荷的表面和較小的通道尺寸（直徑2.3nm），SNM表現(xiàn)出明顯的滲透選擇性，有利于反離子（即陽離子）的傳輸并抑制共離子的傳輸（即陰離子）。因此，Ru(NH3)6的電流大小SNM/d-CFME處的3+與裸CFME相當，表明SNM的高滲透性。相比之下，F(xiàn)e(CN)63高度依賴于離子強度。更高的離子強度導致更大的電流。相比之下，d-CFME對離子強度幾乎沒有反應。這些結(jié)果證明了SNM成功地電接枝到d-CFME上。此外SNM/d-CFME在低離子強度溶液中對Fe(CN)63的電流響應在5小時后沒有顯著變化，表明SNM緊湊且保持相當穩(wěn)定。

由于CFME的表面積非常有限，因此在其上生長的SNM的透射電子顯微鏡(TEM)表征非常困難。因此，使用相同的方法在玻璃碳電極(GCE)表面上生長大面積SNM，然后通過TEM刮取結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征。如圖a所示，顯示為亮點的二氧化硅納米孔高度有序且緊密排列，直徑均勻，約為2.3納米。孔密度約為8.4´1012cm2，對應于34.9%的膜孔隙率。圖b所示的TEM照片的橫截面圖顯示SNM由規(guī)則取向的平行通道組成，厚度約為79nm。所有這些特征都與之前報道的相似，證明了SNM的成功增長。

結(jié)論：我們報告了一種用防污SNM改性的高防污CFME，其由超小、均勻、緊密排列和垂直排列的通道組成。表面親水性、高孔隙率和尺寸排斥效應合理化，以說明SNM具有優(yōu)異的抗生物污染能力。在體外和體內(nèi)條件下，SNM能夠有效防止底層電極表面嚴重生物污染，同時保持對O2的高滲透性。因此，植入大鼠大腦的SNM/CFME能夠很好地連續(xù)監(jiān)測O2長達2小時，保持其分析靈敏度和快速響應。采用簡單腦氧模型研究了SNM/CFMEs的防污性能。雖然非侵入性技術，如MRI，也能夠檢測或甚至繪制大腦中的氧氣，但目前的方法可以潛在地擴展到檢測廣泛的電活性物質(zhì)（如多巴胺、尿酸、抗壞血酸和活性氧）。與其他防污材料相比，SNM的明顯優(yōu)勢在于其通道尺寸均勻、垂直方向、高孔隙率和超小厚度，對小分子具有高滲透性。高滲透性有利于目標分析物的質(zhì)量傳輸，從而提高分析靈敏度。

另一方面，未來的工作也將針對SNM的生物相容性和異物效應的探索，盡管二氧化硅是已知的。我們還認為，SNM還可以作為一種高度多孔的納米圖案，用另一個分子層（如PEG、OEG或兩性離子）指導其外表面的進一步改性，從而創(chuàng)建更有效的抗生物污染但具有電化學活性的界面。在這種情況下，改良后的CFME可能工作更可靠，并在更長的時間內(nèi)運行，有望在生理學、行為學和神經(jīng)學研究中發(fā)揮作用。

活體腦化學物質(zhì)在線實時監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測動物神經(jīng)遞質(zhì)濃度的瞬間變化。可以在線檢測:維他命C、鎂離子、葡萄糖、乳酸等物質(zhì)，采用的碳纖維電極是針對腦內(nèi)常見神經(jīng)化學物質(zhì)而開發(fā)的特異選擇性電極，高技術工藝以及大量的活體實驗確保了電極具備極高的可靠性， 可以在動物清醒或麻醉狀態(tài)下實驗，可以擴展與電生理、行為學同步！

 

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