要點(diǎn)：構(gòu)建一種新型的光電化學(xué)（PEC）微電極Ti/TiO2 HSP，用于定量監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)的有機(jī)PEC探針HSP與原位陽(yáng)極氧化產(chǎn)生的二氧化鈦納米管表面以共價(jià)結(jié)合的方式形成的。PEC探針HSP可以與H2S有效反應(yīng)，在長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)（560 nm）下產(chǎn)生顯著的光電流響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S的定量檢測(cè)。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(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，能夠監(jiān)測(cè)小鼠大腦不同區(qū)域的H2S水平的動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)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(zhì)。此外，在丙炔甘氨酸（propargylglycine）藥物刺激后，不同腦區(qū)的H2S濃度下降，其中海馬區(qū)的下降幅度最大。這表明胱硫氨酸γ-lyase（CSE）是該區(qū)域負(fù)責(zé)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(chǎn)依賴于其他酶途徑。因此，本研究不僅成功地開發(fā)了一種高性能的H2S檢測(cè)傳感器，而且為進(jìn)一步探索H2S在神經(jīng)生理和病理過程中的作用提供了新的實(shí)驗(yàn)工具和理論基礎(chǔ)。

硫化氫（H2S）是一種具有生物活性的氣體分子。雖然它傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一種有毒物質(zhì)，但最近的研究揭示了它在各種生理過程中的關(guān)鍵作用，包括血管生成、炎癥和氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)。在神經(jīng)系統(tǒng)中，特別是在大腦中，H2S作為一種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑和神經(jīng)保護(hù)劑，影響NMDA受體的活性，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，如鈣濃度和cAMP水平。H2S主要由三種酶產(chǎn)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(zhuǎn)移酶，它們?cè)诖竽X中高表達(dá)，特別是在海馬體中。H2S有助于抗氧化防御、線粒體功能、長(zhǎng)期增強(qiáng)、調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和血管功能。此外，H2S可以通過促進(jìn)長(zhǎng)期增強(qiáng)和增加神經(jīng)遞質(zhì)的釋放來增強(qiáng)認(rèn)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(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中具有治療潛力。

因此，H2S的定量檢測(cè)，特別是在活的大腦中，對(duì)于理解其生理和病理作用以及開發(fā)新的腦疾病治療策略至關(guān)重要。因此，研究人員開發(fā)了多種在體內(nèi)檢測(cè)H2S的分析方法，主要包括光譜成像技術(shù)，如熒光成和MRI以及電化學(xué)方法。電化學(xué)技術(shù)，由于其高時(shí)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(xué)技術(shù)是一種很有前途的體內(nèi)H2S檢測(cè)方法，為新的體內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了重要的見解和參考。然而，考慮到對(duì)高靈敏度、方便性和多功能性的需要，開發(fā)用于檢測(cè)活腦中H2S的高性能傳感器仍然是一項(xiàng)長(zhǎng)期的研究任務(wù)。

光電化學(xué)（PEC）分析是電化學(xué)分析的一個(gè)重要的創(chuàng)新分支，它集成了光學(xué)和電化學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生化物質(zhì)的高靈敏度和選擇性檢測(cè)。PEC傳感器的核心原理是由光活性材料在光照下產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生光伏或光電流響應(yīng)。通過利用光的激發(fā)和電信號(hào)的輸出，PEC技術(shù)最小化了背景信號(hào)的干擾，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和清晰度。此外，通過定制光活性材料和生物分子識(shí)別元件，PEC傳感器可以檢測(cè)多種目標(biāo)，展示其多功能性，使其成為研究和實(shí)際應(yīng)用中的有效工具。近年來，由于微/納米電極技術(shù)與PEC分析的綜合優(yōu)勢(shì)和微/納米電極的小規(guī)模效應(yīng)，結(jié)合PEC分析在單細(xì)胞和體內(nèi)傳感方面顯示出了巨大的潛力。這些小尺度效應(yīng)包括快速傳質(zhì)速率、高電流密度和高空間分辨率。

目前，用于構(gòu)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(chǎn)生PEC材料二氧化鈦，從而實(shí)現(xiàn)光電流響應(yīng)。Zhang研究小組通過操縱二氧化鈦的周期結(jié)構(gòu)和組成，結(jié)合適配體的特異性識(shí)別功能，成功制備了響應(yīng)近紅外光的二氧化鈦光子共振器，能夠在體內(nèi)檢測(cè)小分子和細(xì)胞。納米管，作為微區(qū)域和單細(xì)胞操作和測(cè)量的關(guān)鍵工具，已經(jīng)被開發(fā)成各種單細(xì)胞PEC分析系統(tǒng)。它們的中空結(jié)構(gòu)和可改變的內(nèi)外表面使這些系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PEC檢測(cè)，而且還能促進(jìn)藥物傳遞和離子電流整流等功能。光纖作為穩(wěn)定的透光載體，提供穩(wěn)定的長(zhǎng)距離激光傳輸用于PEC檢測(cè)。纖維表面的功能化也可以在體內(nèi)進(jìn)行PEC檢測(cè)。這些微/納米電極PEC技術(shù)的發(fā)展，大大擴(kuò)大了PEC傳感器的應(yīng)用范圍，為體內(nèi)檢測(cè)開辟了新的技術(shù)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(fā)出來。

湖南科技大學(xué)陳述教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于Ti/TiO2（鈦絲/TiO2納米管陣列）底物和有機(jī)PEC探針的PEC微電極，用于體內(nèi)H2S的定量測(cè)定。利用有機(jī)探針實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的特異性識(shí)別和光響應(yīng)。有機(jī)PEC探針具有明確的結(jié)構(gòu)，可以合理設(shè)計(jì)為包含選擇性反應(yīng)基團(tuán)，其結(jié)構(gòu)和光物理性質(zhì)易于調(diào)整，使其在PEC傳感器中應(yīng)用有效。通過控制鈦絲的陽(yáng)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(gòu)建Ti/TiO2 HSP光電電極的過程中，將H2S特異性識(shí)別探針（HSP）共價(jià)結(jié)合到二氧化鈦表面。這種結(jié)構(gòu)模擬了染料敏化太陽(yáng)能電池電極的典型配置，其中納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈦提供了一個(gè)大的表面積，有利于與有機(jī)染料的大量結(jié)合，而二氧化鈦?zhàn)鳛橐粋€(gè)有效的光電子集電器，為強(qiáng)光電流響應(yīng)提供了基礎(chǔ)。

該體系中，微電極上的探針HSP可以與H2S特異性反應(yīng)，促進(jìn)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(jié)構(gòu)的光敏劑，從而顯著提高光電流響應(yīng)。這種PEC微電極對(duì)硫化氫表現(xiàn)出快速、特異性的反應(yīng)，并能在生理pH條件下的水緩沖液和人工腦脊液中對(duì)H2S表現(xiàn)出有效的反應(yīng)。隨后，我們使用PEC微電極檢測(cè)了正?；钚∈蟠竽X不同區(qū)域（海馬、紋狀體、大腦皮層）的H2S水平，并驗(yàn)證了硫化氫在藥理調(diào)節(jié)作用下的腦H2S水平的變化。所有的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，該傳感器能有效地檢測(cè)活腦中的H2S。因此，本研究不僅為體內(nèi)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(fā)提供了參考范例。

圖1 PEC微電極Ti/TiO2 HSP應(yīng)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(yīng)硫化氫表征

圖5光電流響應(yīng)效果

圖6定量檢測(cè)活大腦中硫化氫的PEC微電極Ti/TiO2 HSP

總結(jié)：本研究成功開發(fā)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(jiān)測(cè)。Ti/TiO2 HSP微電極的構(gòu)建是通過兩步陽(yáng)極氧化法實(shí)現(xiàn)的，這促進(jìn)了二氧化鈦納米管的形成，為有機(jī)PEC探針HSP的共價(jià)連接提供了一個(gè)強(qiáng)大的底物。HSP探針對(duì)硫化氫檢測(cè)具有高選擇性和靈敏度，在生理?xiàng)l件下表現(xiàn)出顯著的光電流響應(yīng)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，硫化氫濃度在不同的大腦區(qū)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(shí)驗(yàn)表明，使用丙炔甘氨酸導(dǎo)致硫化氫水平顯著下降，特別是在海馬體區(qū)，強(qiáng)調(diào)了該區(qū)域?qū)﹄琢虬彼崃呀饷敢种频拿舾行浴１狙芯坎粌H為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦中硫化氫水平的動(dòng)態(tài)變化提供了一種有效的工具，而且為用于體內(nèi)檢測(cè)的新型PEC傳感器的開發(fā)提供了重要的參考和指導(dǎo)。