南京大学张晔课题组 Sci. China Mater.：高吸附电化学纤维传感器用于实时、准确检测颅内一氧化氮

2024-02-05 来源：高分子科技

一氧化氮（NO）气体作为信号分子在生物体内具有重要的作用。在大脑中，正常浓度范围内的NO参与诱导和维持神经细胞的发育、控制生化物质分泌以及调节睡眠等重要功能。过量的NO则可能导致有毒化合物的形成，从而引起细胞损伤。此外，NO浓度的变化与多种神经退行性疾病或心脑血管疾病密切相关。目前评估NO浓度主要依赖于对其反应产物亚硝酸根或一氧化氮合酶的浓度进行测定，但这些方法无法实时直接的精确测量NO浓度变化，难以反映生理病理活动中NO的浓度特征。因此，研发一种能够实时直接监测脑部NO的工具对于理解大脑中NO的基础浓度，并为脑科学的发展提供新型的研究手段，显得尤为必要。

电化学一氧化氮传感器能够实时监测颅内一氧化氮浓度，相较于其他监测方法具有操作简单、成本低和具有实时直接监测能力等优势。然而，NO电化学传感在大脑中的应用仍面临着两个困境。一是NO在大脑中浓度较低，通常在纳摩级，对传感的灵敏度提出了高的要求。一是在大脑中传统使用的刚性传感电极在植入后引起神经炎症会诱导大量的一氧化氮合酶的表达，从而使周围脑组织的NO浓度异常，导致测量结果的不准确（图1a）。

近日，南京大学张晔课题组开发设计了一种电化学性能优异且界面稳定的纤维传感器，用于实时准确检测颅内NO的浓度变化。通过在具有高比表面积的碳纳米管纤维上引入羧基官能团，使传感兼具了对NO的物理和化学吸附能力。此外，柔软的电极可以与脑组织的力学性能相匹配，实现了一个高度适应的电极/组织界面。由此设计的颅内一氧化氮传感器表现出迄今为止所报道文献中最高的灵敏度，为3245 pA·nM^?1，检测限为0.1 nM。电极在植入后未观察到显著的炎症反应以及过量的一氧化氮表达，提高了检测的准确性（图1b）。该传感器成功捕捉了大脑中的一氧化氮波动，并实现了对多个脑区的同时检测，促进了对大脑中一氧化氮生理病理作用的研究。成果近期以“A highly adsorptive electrochemical fiber sensor for real-time and accurate detection of intracranial nitric oxide”为题发表在SCIENCE CHINA Materials，DOI：10.1007/s40843-024-2808-2。

图1基于羧基化碳纳米管纤维的NO传感器的示意图

纤维传感器由羧基化的碳纳米管纤维作为导电基底材料，铂纳米颗粒作为催化剂，聚丁香酚和Nafion薄膜作为选择性透过的薄膜。传感的结构和SEM成像如图1c和图1d所示。

图2 碳纳米管纤维的表征

碳纳米管纤维具有优异的电化学活性面积以及BET比表面积（图2a），这为碳纳米管纤维提供了更强的NO物理吸附能力（图2b），从而具备了相比于传统使用的碳纤维和铂丝电极更高的NO响应电流（图2c）。通过酸处理在碳纳米管纤维表面引入羧基官能团，可以进一步提高碳纳米管纤维对NO的吸附能力，但过久的酸处理会破环碳纳米管纤维的结构导致传感纤维的响应电流下降（图2d）。羧基化的碳纳米管纤维具有更高的响应电流和更低的起始电位（图2e），这是由于羧基化的碳纳米管纤维具有了更强的NO化学吸附能力（图2f）并降低了NO在电极表面的吸附能（图2g）。同时，传统使用的碳纤维和铂丝电极，碳纳米管纤的力学性能可以与脑组织相匹配（图2h，i）。

图3 基于羧基化碳纳米管纤维传感器的电化学性能

相较于之前报道的颅内NO传感器，基于羧基化的碳纳米管纤维具有最为优异的电化学性能（3245 pA·nM^?1）以及监测下限（0.1 nM）（图3a-c），而基于碳纤维和铂丝的传感器分别为510 pA·nM^?1和49 pA·nM^?1。在四周的时间内，传感的性能基本保持不变（图3d）。同时，传感器对于诸多不同类型的干扰物质也具有优异的选择性和稳定性（图3e，f）。

图4 基于羧基化碳纳米管纤维传感器与脑组织之间的界面

研究人员进一步评估了纤维传感器与脑组织之间的界面稳定性。植入基于羧基化碳纳米管纤维传感器的周围脑组织没有明显的破坏，细胞形态保持正常（图4a，b）。同时，通过对脑组织中星形胶质细胞进行荧光成像并对脑脊液中的炎症因子进行分析，证明了基于羧基化碳纳米管纤维传感器在植入后并未引起明显的炎症反应（图4c，d）。此外，研究人员还对脑组织中的一氧化氮合酶以及脑脊液中的NO浓度进行了测定，验证了在植入羧基化碳纳米管纤维传感器后周围脑组织不会产生干扰性的NO，影响测试结果的准确性（图e，f）。而基于碳纤维和铂丝的传感器在植入后，周围脑组织均产生了明显的损坏，并存在大量炎症因子和NO表达。

图5 大鼠颅内NO浓度的实时监测

通过将基于羧基化碳纳米管纤维传感器植入到大叔脑部，成功实现了在外界刺激下对皮层NO的浓度检测（图5a-c）。随后我们通过夹闭颈动脉构建脑卒中疾病模型，并成功检测到了在轻型和重型脑卒中下大鼠皮层的NO浓度变化（图5d，e）。在重型脑卒中下，NO浓度变化更大，与大鼠的行为学变化相对应（图5f，g）。通过在轴向空间上排列传感器的传感位点可以实现对大鼠不同脑区的同时检测，在脑卒中疾病模型中，皮层产生了浓度最高的NO，其次是海马体，最后使侧脑室（图5h，i）。这是由于皮层中一氧化氮合酶数量较高，在中风条件下能够迅速产生大量的NO。海马体中的一氧化氮合酶相较于皮层较少，而侧脑室中不存在表达一氧化氮合酶的细胞，NO只能从附近的脑区扩散到侧脑室。这些结果与文献报道的结果一致，验证了传感器实时监测的准确性。

该工作设计开发了一种基于碳纳米管纤维的新型电化学NO纤维传感器，具有迄今为止报告的最高灵敏度（3245 pA·nM^?1），检测限低至0.1 nM。此外，在植入后它能够与脑组织形成稳定的界面，因此没有引起显著的炎症反应或过量的NO表达，提高了检测的准确性。传感器在植入后成功在脑卒中疾病模型下监测到了不同脑区中NO的浓度变化。这种NO传感器为实时监测颅内NO浓度提供了潜在的工具，这对于了解大脑中NO的功能并开发治疗神经系统疾病至关重要。

南京大学现代工程与应用科学学院硕士生高睿、博士后王列和南京中医药大学李丹为论文共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院张晔副教授为论文通讯作者，南京大学是该论文的第一单位。研究工作受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省 “双创团队”项目等基金的支持。相关研究以“A highly adsorptive electrochemical fiber sensor for real-time and accurate detection of intracranial nitric oxide”为题发表在SCIENCE CHINA Materials上。

论文链接 http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-024-2808-2

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻