基于可植入离子选择性电极的活体原位分析方法研究

Bioactive ions are a kind of important ions in central neutral systems that are correlated with the cognition, memory, behavior and diseases during the physiology and pathology process. However, the high spatial resolution in the different region of brain and the fast dynamic variation of bioactive ions in extracellular environment of neutral system hamper the in vivo analysis by using the present analytical methods. In this project, we devote to develop a kind of implantable carbon fiber based all-solid-state ion-selective electrodes with enhanced stability and temporal-spatial resolution by using porous carbon nanomaterials (porous graphene) with high double layer capacity and hydrophobicity as ion-electron solid contact. Then, in combination with the rational design of surface of as-fabricated electrode, an in vivo electrochemical method for monitoring bioactive ions with antifouling property can be accomplished. Moreover, the present approach can realize the in vivo and real-time analysis of bioactive ions that related to the physiology and pathology in the brain. This strategy not only expands the application of porous carbon nanomaterials for in vivo analysis fields, but also offers a new approach for detecting bioactive ions selectively and sensitively in vivo.

生理活性离子作为脑神经系统内重要的离子，与认知、记忆、运动、疾病等密切相关。但脑内生理活性离子在脑区分布不同且变化速率较快使得现有的方法难以做到活体、实时、动态分析。本项目拟通过利用具有大双电层电容和超疏水性的多孔碳纳米材料（如多孔石墨烯）为固体转导层构建具有高稳定性、高时空分辨率的可植入碳纤维全固态离子选择性电极；在此基础上，通过合理调控电极表面亲疏水性质，提高电极在活体内的抗污染能力；进一步地，探讨所构建的方法在生理或者病理过程中多种重要生理活性离子的动态变化规律，为揭示脑内相关离子变化所引起的特定生理病理事件提供理论基础。本项目的实施不仅拓展了多孔碳纳米材料在活体分析领域中的新应用，而且也为活体中生理活性离子的高灵敏、高选择性检测提供新方法。

脑内生理活性离子浓度的改变与引起神经中枢系统功能异常密切相关。因此，开展脑内生理活性离子的检测，掌握其动态辩护变化规律对于揭示脑内神经过程的化学具有极其重要的意义。本项目通过寻求和设计具有大双电层电容和疏水性的多孔碳纳米材料为固体转导层构建具有高稳定性、高时空分辨率的全固态离子选择性电极。以石油沥青为原料，设计合成具有大比表面积(SBET=2842.7 m²/g)和优良的电容（电极电容可达6.5 μF，导电性相比裸电极提高了近100倍）的疏水性多孔碳材料，在此基础上，通过对沥青基碳材料进行氮掺杂进行表面修饰提高了材料的比电容（300 μF）和导电性（42 μA），进而通过加入阳离子交换剂Nafion对转导层进行修饰，增强了固态转导层的疏水性以及长期电位稳定性（5.8 mV/h）可实现对钙离子的体外选择性检测。其次，利用天然存在的具有木质结构的松果作为前驱体，通过碳化和KOH活化制备具有较大的比表面积以及孔径，优良的疏水性以及导电性的蜂窝状结构碳材料，进一步通过调控温度和反应物比例调控蜂窝状结构碳材料的孔径大小，进行氮掺杂改变表面官能团的亲疏水性，进一步地通过与导电聚合物进行复合，增强其导电性，实现对钙离子的选择性检测。本项目的实施为进一步实现可植入脑内的碳纤维离子选择性电极的活体原位分析方法奠定了理论基础，也开发了可再生物质在活体分析领域中的新应用。