要點:構建一種新型的光電化學(PEC)微電極Ti/TiO2 HSP,用于定量監測活腦中的硫化氫(H2S)水平。PEC微電極Ti/TiO2 HSP是通過將具有D-π-A結構的有機PEC探針HSP與原位陽極氧化產生的二氧化鈦納米管表面以共價結合的方式形成的。PEC探針HSP可以與H2S有效反應,在長波長激發(560 nm)下產生顯著的光電流響應,從而實現了對H2S的定量檢測。該傳感器具有較高的靈敏度和良好的選擇性。利用PEC微電極Ti/TiO2 HSP進行的體內實驗,能夠監測小鼠大腦不同區域的H2S水平的動態變化。研究結果表明,正常小鼠海馬中硫化氫的濃度明顯高于紋狀體和大腦皮質。此外,在丙炔甘氨酸(propargylglycine)藥物刺激后,不同腦區的H2S濃度下降,其中海馬區的下降幅度最大。這表明胱硫氨酸γ-lyase(CSE)是該區域負責H2S生成的主要酶,而紋狀體的H2S濃度下降不明顯,表明H2S生產依賴于其他酶途徑。因此,本研究不僅成功地開發了一種高性能的H2S檢測傳感器,而且為進一步探索H2S在神經生理和病理過程中的作用提供了新的實驗工具和理論基礎。


硫化氫(H2S)是一種具有生物活性的氣體分子。雖然它傳統上被認為是一種有毒物質,但最近的研究揭示了它在各種生理過程中的關鍵作用,包括血管生成、炎癥和氧化應激的調節。在神經系統中,特別是在大腦中,H2S作為一種神經調節劑和神經保護劑,影響NMDA受體的活性,調節細胞內信號通路,如鈣濃度和cAMP水平。H2S主要由三種酶產生:胱硫氨酸β-合酶、胱硫氨酸γ-裂解酶和3-巰基丙酮酸硫轉移酶,它們在大腦中高表達,特別是在海馬體中。H2S有助于抗氧化防御、線粒體功能、長期增強、調節炎癥反應和血管功能。此外,H2S可以通過促進長期增強和增加神經遞質的釋放來增強認知功能和記憶的形成。研究還表明,H2S在阿爾茨海默病、帕金森病、缺血性中風、創傷性腦損傷等中樞神經系統疾病中具有治療潛力。


因此,H2S的定量檢測,特別是在活的大腦中,對于理解其生理和病理作用以及開發新的腦疾病治療策略至關重要。因此,研究人員開發了多種在體內檢測H2S的分析方法,主要包括光譜成像技術,如熒光成和MRI以及電化學方法。電化學技術,由于其高時間和空間分辨率、空間定位能力和高靈敏度是高效的,特別是那些基于微納米電極。目前的研究表明,電化學技術是一種很有前途的體內H2S檢測方法,為新的體內檢測技術的發展提供了重要的見解和參考。然而,考慮到對高靈敏度、方便性和多功能性的需要,開發用于檢測活腦中H2S的高性能傳感器仍然是一項長期的研究任務。


光電化學(PEC)分析是電化學分析的一個重要的創新分支,它集成了光學和電化學原理,實現了對生化物質的高靈敏度和選擇性檢測。PEC傳感器的核心原理是由光活性材料在光照下產生載流子,從而產生光伏或光電流響應。通過利用光的激發和電信號的輸出,PEC技術最小化了背景信號的干擾,提高了測量的準確性和清晰度。此外,通過定制光活性材料和生物分子識別元件,PEC傳感器可以檢測多種目標,展示其多功能性,使其成為研究和實際應用中的有效工具。近年來,由于微/納米電極技術與PEC分析的綜合優勢和微/納米電極的小規模效應,結合PEC分析在單細胞和體內傳感方面顯示出了巨大的潛力。這些小尺度效應包括快速傳質速率、高電流密度和高空間分辨率。


目前,用于構建微電極PEC傳感器的基底主要包括金屬線、納米管、光纖等。其中,鈦絲可以通過原位電解產生PEC材料二氧化鈦,從而實現光電流響應。Zhang研究小組通過操縱二氧化鈦的周期結構和組成,結合適配體的特異性識別功能,成功制備了響應近紅外光的二氧化鈦光子共振器,能夠在體內檢測小分子和細胞。納米管,作為微區域和單細胞操作和測量的關鍵工具,已經被開發成各種單細胞PEC分析系統。它們的中空結構和可改變的內外表面使這些系統不僅能夠實現PEC檢測,而且還能促進藥物傳遞和離子電流整流等功能。光纖作為穩定的透光載體,提供穩定的長距離激光傳輸用于PEC檢測。纖維表面的功能化也可以在體內進行PEC檢測。這些微/納米電極PEC技術的發展,大大擴大了PEC傳感器的應用范圍,為體內檢測開辟了新的技術途徑。然而,目前用于分析活大腦中H2S的PEC傳感器尚未被開發出來。


湖南科技大學陳述教授團隊開發了一種基于Ti/TiO2(鈦絲/TiO2納米管陣列)底物和有機PEC探針的PEC微電極,用于體內H2S的定量測定。利用有機探針實現了對目標的特異性識別和光響應。有機PEC探針具有明確的結構,可以合理設計為包含選擇性反應基團,其結構和光物理性質易于調整,使其在PEC傳感器中應用有效。通過控制鈦絲的陽極氧化,得到Ti/TiO2的微電極基底,原位生成二氧化鈦納米管。在構建Ti/TiO2 HSP光電電極的過程中,將H2S特異性識別探針(HSP)共價結合到二氧化鈦表面。這種結構模擬了染料敏化太陽能電池電極的典型配置,其中納米結構的二氧化鈦提供了一個大的表面積,有利于與有機染料的大量結合,而二氧化鈦作為一個有效的光電子集電器,為強光電流響應提供了基礎。


該體系中,微電極上的探針HSP可以與H2S特異性反應,促進2,4-二硝基苯(DNP)醚基序的裂解,形成具有典型D-π-A光活性分子結構的光敏劑,從而顯著提高光電流響應。這種PEC微電極對硫化氫表現出快速、特異性的反應,并能在生理pH條件下的水緩沖液和人工腦脊液中對H2S表現出有效的反應。隨后,我們使用PEC微電極檢測了正常活小鼠大腦不同區域(海馬、紋狀體、大腦皮層)的H2S水平,并驗證了硫化氫在藥理調節作用下的腦H2S水平的變化。所有的體內實驗結果都表明,該傳感器能有效地檢測活腦中的H2S。因此,本研究不僅為體內精確定量的H2S提供了有效的工具,也為其他重要生物分子PEC傳感器的開發提供了參考范例。

圖1 PEC微電極Ti/TiO2 HSP應用原理示意圖

圖2 Ti/TiO2納米管的掃描電鏡圖像

圖3光物理性能表征

圖4 Ti/TiO2 HSP響應硫化氫表征

圖5光電流響應效果

圖6定量檢測活大腦中硫化氫的PEC微電極Ti/TiO2 HSP


總結:本研究成功開發了一種新型PEC微電極Ti/TiO2 HSP,專門用于活體大腦中硫化氫的定量監測。Ti/TiO2 HSP微電極的構建是通過兩步陽極氧化法實現的,這促進了二氧化鈦納米管的形成,為有機PEC探針HSP的共價連接提供了一個強大的底物。HSP探針對硫化氫檢測具有高選擇性和靈敏度,在生理條件下表現出顯著的光電流響應。體內實驗顯示,硫化氫濃度在不同的大腦區域中存在差異,其中海馬體中的硫化氫濃度水平明顯高于紋狀體和大腦皮層。此外,我們的實驗表明,使用丙炔甘氨酸導致硫化氫水平顯著下降,特別是在海馬體區,強調了該區域對胱硫氨酸裂解酶抑制的敏感性。本研究不僅為實時監測大腦中硫化氫水平的動態變化提供了一種有效的工具,而且為用于體內檢測的新型PEC傳感器的開發提供了重要的參考和指導。