功能化碳纤维微电极脑活体神经递质分子检测方法研究

Neurotransmitters are the brain’s chemical messengers and the neurotransmitter abnormalities are associated with depression nervous system diseases. The aim of this project is to develop novel electrochemical methods in vivo for the detection and quantification of brain neurotransmitters including the biological amines and amino acid neurotransmitters with functional carbon fiber microelectrodes in vivo incorporating nanotechnology and ultrafast cyclic voltammetry. The project will be focused on strategy to improve the sensitivity and selectivity of the amperometric and ultrafast cyclic voltammetric methods for brain neurotransmitters in vivo. The main research work includes: to study nanomaterials modified electrode to improve sensitivity of the methods for the detection of biological amine neurotransmitters; to design and fabricate the enzyme-catalyzed oxidation electrochemical biosensors to improve sensitivity and selectivity of the methods for monitoring of amino acids nerve neurotransmitter; to design and fabricate functional working electrodes and reference electrodes to improve potential stability and biocompatibility of the electrodes; to study applications of the quantification monitoring methods developed in cultured rat brain slices and in living rate brains under the electrical and drug stimulations; to explore neurochemical mechanisms of depression, emotional and memory processes with developed methods. The research results obtained in this project will provide the scientific methods to study generation of depression and other diseases and clinics, and facilitate the methods and techniques to study the physiology, pathology and pharmacology, promote the research process of emotions and memories from the molecular level.

神经递质是脑化学信使，神经递质异常与抑郁症等神经系统疾病相关。研究神经递质脑活体原位实时分析方法是神经生物化学及分析化学的前沿课题。本项目集纳米技术和碳纤维电极和超快循环伏安检测技术于一体，旨在研究生物原胺类和氨基酸类神经递质分子脑活体检测新方法。重点研究提高安培法和超快循环伏安法检测灵敏度和选择性的策略；研究纳米材料修饰电极提高检测生物原胺类神经递质灵敏度的方法；研究酶催化氧化电化学酶传感器提高监测氨基酸类神经递质灵敏度和选择性的方法；研究电极功能化提高稳定性和生物相容性的方法；研究在大鼠脑切片和脑活体中电刺激和药物刺激下神经递质监测新方法及其应用；探索检测新技术在抑郁症神经生化机制、情感和记忆过程研究中的应用。研究成果将为抑郁症等疾病的产生及诊疗研究提供科学方法手段，将促进脑生理学、病理学及药理学的研究，为从分子水平上开展情感与记忆过程研究提供关键方法和技术。

神经递质是脑化学信使，神经递质异常与抑郁症等神经系统疾病相关。研究建立神经递质脑活体分析方法可为神经递质异常而产生的神经系统疾病的研究提供化学物质分析方法，促进脑科学的研究。本项目主要开展了纳米材料功能化电极的基础性研究和细胞膜电极的研究两个方面的工作。在基础性研究方面，开展了3个方面的研究，1）纳米功能化电极研究，建立了一种以8-羟基脱氧鸟苷为DNA氧化损伤典型的生物标志物纳米材料基因毒性评价新方法、碳纳米管功能化碳电极伏安法检测谷胱甘肽新方法、金纳米功能化碳电极电化学阻抗法测定心肌肌钙蛋白I新方法和金纳米-Nafion功能化碳纤维电极伏安法检测5-羟色胺的新方法。2）功能纳米粒子信号增强策略的研究，提出四种检测信号放大的策略，包括金纳米和酶双信号放大策略，凝集素识别的电化学阵列生物传感法检测癌胚抗原；金纳米诱导银纳米沉积的增强电化学溶出信号策略测定DNA；金纳米粒子和模拟DNA酶催化氧化双重信号放大策略，阻抗法测定MicroRNA；金纳米粒子附着于细菌表面增大电子转移阻抗策略，阻抗法测定细菌。3）酶活性检测新方法方面，建立了检测蛋白激酶A 和酪蛋白激酶2、磷脂酶A2、焦磷酸酶活性和抑制剂筛选的新方法、疏水介质中痕量水检测新方法。在提高电极生物相容性研究方面，首次提出并开展了细胞膜电极的研究，研制了细胞膜参比电极、细胞膜氧电极、细胞膜pH电极、细胞膜谷氨酸酶电极。研究结果表明，修饰细胞膜的参比电极植入大鼠脑后28天，参比电极的性能稳定，大鼠脑组织损伤较小。该研究为研制长期植入大脑组织的各类微电极的研究提供新途径。本项目研究成果为检测神经递质提供了新器件和新方法，为脑科学研究等提供先进的技术手段，将极大地促进脑科学研究的发展。已在Anal. Chem.等SCI源刊上发表研究论文11篇。