活体多位点痕量递质电化学高速检测系统研究

This project is aimed at the urgent need for the new technique to long time continuous detection of trace neurotransmitter release in vivo and related biosensor in the research field of brain science and neurological diseases. Combined with weak signal detection technology, electrochemical detection technology, micro-nanofabrication technologies, surface modification technology, biotechnology, the researches on high-speed electrochemical detection system for multi-site detection of trace neurotransmitter release in vivo will be carried out. Focused on the key scientific issues of high-speed synchronous detection of multi-channel trace neurotransmitter release, and preparation of high-speed multi-site selective Ultramicroelectrodes(UMEs), the studies will be conducted on high-speed high-precision electrochemical detection technology, multi-site UMEs fabrication and modification, and animal experimental verification in vivo. A multi-channel high-speed high-precision electrochemical instrumentation prototype and a batch of multi-site UMEs will be developed, and real-time detection of Glutamate release of living rat will be achieved. New technologies on high-speed detection of multi-channel trace neurotransmitter release and new methods on modification of multi-site UMEs will be established, and original achievements will be obtained. The technology of this project can be extended to detect other chemicals in the brain and be used to research on brain communication mechanism, and so on. So it has a wide range of scientific significance and potential applications in the frontier of neuroscience research.

本项目面向脑科学、脑部疾病病因机制研究对活体痕量神经递质囊泡释放长时间连续检测技术及传感器的迫切需求，拟结合微弱信号检测技术、电化学检测技术、微纳加工技术、表面修饰技术、以及生物学技术等，开展用于活体多位点痕量递质释放检测的电化学高速检测系统研究。重点围绕痕量递质释放多通道同步高速检测、高速高选择性多位点超微电极制备修饰的关键科学问题，进行电化学高精度高速检测技术、多位点超微电极制备修饰及动物活体验证研究。拟研制一套多通道电化学高精度高速检测仪器原理样机及一批多位点超微电极，实现对活体动物神经细胞谷氨酸释放的检测，同时建立多通道痕量递质释放高速检测新技术，建立多位点超微电极制备、修饰新方法，取得原创性成果。本项目的研究成果可扩展应用于脑内其他化学物质检测及大脑通信机制等前沿领域的研究，因而具有广泛的科学意义和潜在的应用价值。

在科学基金等支持下，项目针对痕量神经递质囊泡释放长时间连续检测困难的问题，主要围绕痕量递质释放多通道同步高速检测、高速高选择性多位点微电极制备修饰以及活体动物实验测试验证等方面开展了深入研究，全面完成项目任务和考核指标。在神经递质高速检测方面，提出了自参考电化学检测和采用高频补偿对微弱电流进行高速检测的方法，研制了多通道电化学高精度高速检测仪器原理样机，该仪器能同时检测神经电信号和4通道电化学信号，电流检测精度达1pA，速度达20μs。在多位点微电极阵列制备修饰方面，设计研制了具备自参考功能的植入式微电极阵列，检测位点的直径为5~25μm，电极修饰后能特异性检测谷氨酸、多巴胺等神经递质。在应用验证方面，完成了从小鼠、大鼠到非人灵长类动物神经信号的在体实验验证，获得了神经电和递质浓度变化信号，验证了系统性能。通过本项目的实施，为脑科学研究提供了一种脑内神经递质释放长时间连续检测的新方法和技术手段。.本项目实施的三年中，发表论文32篇，其中SCI/EI收录论文17篇，专业顶级期刊论文3篇；申请国家发明专利6项（授权3项）；获得软件著作权登记2项。相关成果在本领域主流国内国际会议2017年脑科学与类脑智能学术研讨会、2018年生物医学工程联合学术年会、第十五届全国敏感元件与传感器学术会议、China Nano 2017 、IEEE EMBC 2018、IEEE NEMS 2018和IEEE NANO 2019等上进行了展示，与国内外同行进行了深入的学术交流与合作。