Chemical Science | 用于活体大鼠大脑中实时pH值测定的微米级瞬态离子传输技术

以下文章来源于微纳传感 ，作者JRY

背景介绍

基于分子的活动在大脑活动中起着重要作用，开发用于体内监测中枢神经系统分子的新传感原理和技术正受到广泛关注。然而，大脑的复杂性，如化学物质的多样性、空间分布和动态变化，对传统监测体内神经化学物质的体内监测的方法提出了巨大的挑战，需要一种能同时满足特异性、灵敏度、时间分辨率（~ms）和空间分辨率（~μm）的方法。尽管可用微针耦合光纤和碳纤维电极实时监测大脑中的化学物质，但由于神经化学物质的电活性较差，难以让碳纤维电极发生氧化或还原，难以实现对该部分物质的监测，需要一种用于理解化学相关的生理及病理过程的具有高时空分辨率的新传感工具。

同时，微米/纳米尺度的离子传输在基础和应用领域正受到广泛关注。基于纳米限域空间中离子传输特性，如离子电流整流或脉冲下的电导变化，可用于实现传感，特别是对电惰性分子的传感。尽管纳米管很容易进入细胞内实现胞内化学分析，但其纳米级尖端不适合用于体内分析。且目前大部分基于沟道的传感器都是基于稳态离子传输（即离子电流整流），时间分辨率较差，难以用于监测体内快速动态变化的神经化学物质。

设计原理

由于在聚电解质修饰的微米沟道内可产生微米级不对称离子输运（即微米级离子电流整流，MICR），可基于此开发微米尺度的不对称离子输运的传感器。由于微米管道的尖端尺寸与神经元尺寸相匹配，可以通过组织植入实现对细胞外物质的传感。通过原子转移自由基聚合反应将聚咪唑刷附着到微米管道的内壁上，由于咪唑上的质子随pH值变化会发生结合/解离，从而增加/减少表面电荷密度，进而会导致不同pH下离子电流变化。与传统的基于离子电流整流的方法不同，通过高频方波脉冲电压可控地调节离子输运的瞬态行为，可大大提高微传感器的时间分辨率和稳定性。该基于质子结合/解离的传感器具有高的时空间分辨率和良好的选择性，可用于体内的pH值传感，为通过设计内壁的表面化学性质来制造各种体内微传感器打开了新的大门，也有助于理解不对称离子输运的瞬态过程。

数据介绍

与稳态离子传输相比，高频脉冲电压下的离子电流与时间及脉冲频率相关。低频脉冲下，自由移动的离子有足够的时间重新分布，实现“稳态”响应。相反，在高频脉冲下，由于离子重新分布速率相对较慢，电流很难达到稳定，导致“瞬态”响应。使用脉冲电压作为极化电压，可以实时实现离子的积累和耗尽，不仅可用于研究离子输运的瞬态过程，也可用于传感。与传统基于稳态离子传输的传感方案相比，该方法具有更高的时间分辨率。此外，随着溶液pH值的增加，管道内表面电荷密度降低，每级电位下的最终响应电流逐渐减小。响应电流随着溶液 pH 值的变化而变化，且在特定pH值下稳定，可用于pH测定。

当在微米管道上施加电压时，管道尖端的离子分布情况主要受三个因素影响：离子重新分布的速率、表面电荷密度以及电渗流（EOF）的方向和速度。当施加正电压时，EOF的方向向内，管道外pH值较低的溶液会进入微米管道的尖端，通过咪唑的质子化增加表面电荷密度，导致阴离子富集，反之亦然。由于聚咪唑的质子化导致表面电荷密度增加，将进一步导致向内EOF的增加；同时，EOF的增加会产生更高的表面电荷密度，形成正反馈。质子结合(∼1010.2s-1M-1)/解离(∼103.2 s-1)的速率非常快，不是影响离子分布的限速步骤。离子的重新分布速率与离子的迁移率有关，通过线性扫描，测得离子重新分布的时间大于1 ms。表面电荷密度、离子重新分布速率以及EOF的方向和速度通过影响微米管道尖端的离子分布，进而影响离子电流的大小。这些过程相互影响且与时间相关，从而产生与时间相关的响应电流。当施加低频脉冲电压时，所有过程都有足够的时间达到平衡状态，产生稳态离子流。相反，当施加高频脉冲电压时，由于离子迁移速率相对较慢，离子重新分布未达稳态，会产生与时间相关的响应电流。通过控制脉冲电压的参数，该瞬态响应电流可用于稳定且可重复的体内分析。

在一小时内，由于负电压下的极化状态会导致管道内部溶液浓度回到初始状态，该pH传感器具有稳定的输出电流，电流波动小于3 nA h -1。相反，当在恒定的正电压下发生极化时，由于质子在恒定电压下沿单一方向持续流入（或流出）管道尖端，管道尖端难以在短时间内形成稳定的离子分布，使得即使对于相同pH的溶液，输出信号也会逐渐增加。当管道的尺寸从纳米级变为微米级时，这种现象会更加明显。

此外，响应电流的稳定性与所施加的阶跃电压相关。由于EOF整流发生在相反的电位上，当施加较大的负阶跃电压时，较大的向外EOF将驱动内部溶液占据微米管道的尖端，管道外的溶液在较小的正电势极化下不能完全进入微米管道的尖端，导致响应不稳定，难以获得稳定的响应电流。当施加较小的负阶跃电压时，较大的内部EOF将驱动外部溶液进入管道，无论溶液的pH值如何，都可以产生稳定且灵敏的响应。通过调整脉冲电压参数，该pH传感器可实现良好的稳定性和高时间分辨率。

当施加的负阶跃电压变化时，相同的正阶跃电位下的响应电流响应也会随之改变。较小的负电压（如-0.4V）将导致弱离子耗尽，进而导致强离子在正电压下富集。而较大的负电压（如-1.0V）会导致强离子耗尽和弱离子富集，证明了在不降低时间分辨率的情况下也可以提高灵敏度。依据离子分布瞬态模型，可以根据特定的要求调节传感器的性能，同时满足体内分析对时间分辨率、灵敏度和稳定性的要求，为开发各种基于瞬态离子输运的传感器奠定了重要基础。

在实时pH测定中发现该传感器具有良好的可重复性，添加潜在的干扰物后验证了其良好的选择性，在pH 5.8至8.0范围内响应电流随pH线性变化，并且该响应是可逆的。将PvimB改性的微米管道植入大鼠的大脑皮层，监测呼吸纯CO 2气体、产生酸碱紊乱时pH的变化。刺激前电流相对稳定，当大鼠吸入15s纯CO2时观察到电流增加，然后回到基线。由于电极在植入脑组织后灵敏度会降低，为了确定pH的变化量，对其进行了校准。依据校准后的测量结果，吸入纯CO2气体会使pH值迅速降低约0.10±0.05（3只大鼠的5次独立测量），与之前观测的吸入CO2 时的结果一致。这些结果验证了基于瞬态离子传输的微传感器在高时空分辨率体内分析中的适用性。

总结

通过监测pH值，微米级瞬态离子传输可用于高时空动态活体传感。微米级的不对称离子传输可满足实时神经化学分析对时间和空间分辨率的要求。提出的瞬态模型可用于理解与时间相关的离子传输过程。制备的pH传感器具有高时间分辨率（∼ms）、高灵敏度、特异性、可重复性、可逆性和稳定性，可用于实时监测大鼠大脑中pH值的变化。这项研究不仅为大鼠大脑中pH值的测定提供了一种新方法，而且通过合理设计微米管道的表面化学性质，可作为各种神经化学物质监测的通用平台。此外，本研究也有助于理解不对称离子输运的瞬态过程。

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d1sc00061f

转自：“NANO学术”微信公众号

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