通过基于竞争性吸附的光电化学微传感器对癫痫患者大脑中次氯酸的体内监测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：In Vivo Monitoring of Hypochlorous Acid in Epileptic Brains via a Competitive Absorption-Based Photoelectrochemical Microsensor

实时原位监测脑中HOCl的挑战及光电化学微传感器开发：本研究构建了基于竞争光吸收机制的光电化学微传感器，通过整合特异性HOCl响应染料CY-FPA与CuO-Cu?O异质结，实现小鼠癫痫模型脑区HOCl动态的高灵敏检测，并首次揭示Apigenin抑制MPO活性缓解氧化应激的机制。

　　
光电流化学微传感器在活体脑内过氧化氢监测中的应用研究

一、研究背景与意义
中枢神经系统（CNS）的精准神经化学信号监测对于理解癫痫、中风、阿尔茨海默氏等神经退行性疾病机制至关重要。传统电化学传感器存在选择性差、易受生物环境干扰等缺陷，而荧光探针则面临血脑屏障穿透率低、组织穿透深度有限等瓶颈。研究团队创新性地采用光电流化学（PEC）微传感器技术，通过整合特异性有机染料与半导体异质结材料，成功解决了非电化学活性分子（如HOCl）的活体监测难题。

二、技术原理与材料创新
该研究构建了基于竞争性光吸收机制的PEC微传感器系统。核心创新点体现在两个方面：首先，开发出具有 HOCl 特异识别功能的氰基染料 CY-FPA，该染料通过分子内电荷转移（ICT）机制实现光吸收谱的可调谐特性，在近红外波段展现出优异的穿透能力；其次，采用 CuO-Cu?O 异质结半导体材料，其独特的带隙结构（CuO 3.2 eV 和 Cu?O 2.0 eV）为光电转换提供了高效界面。当 HOCl 存在时，会特异性破坏 CY-FPA 的共轭结构，导致光吸收竞争平衡发生改变，通过监测光电流变化实现 HOCl 的定量检测。

三、实验设计与验证
1. 传感器构建：采用铜微电极阵列，通过可控线圈加热法在电极尖端原位生长 CuO-Cu?O 异质结。将合成得到的 CY-FPA 染料溶液通过旋涂法均匀覆盖于微电极表面，形成染料-半导体复合膜。经 HRTEM 和 XRD 表征，证实异质结材料具有清晰的晶格结构（(11-1) 晶面间距 0.252 nm）和良好结晶度。

2. 性能测试：通过标准溶液测试显示，传感器对 0.1 μM HOCl 检测限达 0.01 μM，选择性系数＞500（对 H2O2、NO2- 等干扰物质），抗生物膜性能提升 3 个数量级。特别设计的抗污复合膜（含 BSA 和聚合物涂层）有效抑制了蛋白吸附和生物污染。

3. 动物模型验证：在清醒癫痫小鼠模型中，成功实现了深脑组织（皮质、海马、纹状体） HOCl 的实时监测。结果显示，癫痫发作期间皮质 HOCl 浓度较基线升高 2.8 倍（p＜0.01），而海马区域在发作后 30 分钟出现显著代偿性升高，这为理解癫痫网络动态提供了新视角。

四、重要发现与机制解析
1. 区域特异性氧化应激动态：首次绘制了癫痫模型小鼠不同脑区 HOCl 的空间分布图谱。皮质区域 HOCl 水平与癫痫发作强度呈正相关（r=0.82），而海马区域在发作后呈现 biphasic 变化模式，提示神经突触可塑性调节机制。

2. 药物作用机制揭示：通过监测药物干预后的 HOCl 动态变化，发现芹菜素（apigenin）通过抑制髓过氧化物酶（MPO）活性，阻断 HOCl 的上游合成途径。实验数据显示，给药后 60 分钟皮质 HOCl 下降率达 73.5%，且该效应具有脑区特异性（皮质＞海马＞纹状体）。

3. 传感器性能优化：开发的三维抗污膜结构（厚度 50-80 nm）将长期稳定性提升至 120 天以上，表面改性处理使染料负载量达到 0.8 μM/g 膜，较传统工艺提高 3 倍。微电极阵列密度优化至 100 μm 间距，可实现 0.5 mm3 空间分辨率（沿电极轴向）。

五、技术优势与临床应用
1. 空间分辨率突破：采用微流控技术制作的微电极阵列（直径 10 μm）配合光纤导光系统，可实现深脑组织（深度＞3 mm） HOCl 的实时监测，空间分辨率达到亚毫米级。

2. 动态监测能力：实验验证传感器在活体脑组织中的响应时间＜5 秒，采样频率可达 100 Hz，满足神经化学动态过程的追踪需求。长期植入实验显示传感器稳定性＞200 小时。

3. 临床转化潜力：已建立标准化检测流程，包括电极植入定位（误差＜50 μm）、背景信号校正（动态范围＞6 orders）和 artifact 识别算法（准确率＞95%）。该技术平台可拓展至其他非电化学活性分子的监测（如 NO2-、H2O2）。

六、研究局限与改进方向
当前研究存在以下局限性：1）传感器响应时间在复杂脑脊液环境中仍需优化；2）对高浓度 HOCl（＞1 mM）存在信号饱和现象；3）尚未建立跨物种（从小鼠到灵长类）的通用检测模型。后续研究计划包括：开发可穿戴式微传感器阵列、构建 HOCl 浓度-光电流数学模型、优化长期植入的生物相容性材料体系。

七、学术贡献与产业化前景
本研究首次实现了活体脑内 HOCl 的实时空间动态监测，为神经退行性疾病研究提供了新工具。技术突破体现在：1）提出竞争性光吸收机制检测非电化学活性分子的新范式；2）开发出适用于活体脑监测的稳定复合膜材料体系；3）建立神经化学动态监测与药物效应评估的闭环研究方法。产业化方面，团队已与医疗设备企业合作开发原型机，预计在 3-5 年内实现临床转化。

八、作者团队贡献
研究团队采用跨学科协作模式，其中：Gao Shiao 负责传感器整体设计（光吸收谱调控、半导体材料选择）、原位生长工艺开发及数据建模；Song Yuhuan 主导实验方案制定（包括动物模型选择、行为学评估）和数据处理；Jiang Yixuan 负责材料表征（HRTEM、XRD、FTIR）和生物相容性测试；Wang Xiao 参与微电极加工工艺优化和长期稳定性测试；Ye Xiaoxue 统筹研究项目并负责资金管理及合作对接。

九、资助与支持
本研究获国家自然科学基金（项目号 22276047、22227804）和湖北省"青年英才计划"资助。特别感谢武汉大学生物医学工程中心提供的高精度微纳加工平台，以及伦理委员会（批号 WUIRB2023-0012）对动物实验的审批支持。

十、技术转化路径
1. 研发阶段：优化传感器响应速度（目标＜2 秒）和检测线性范围（目标＞10 mM）
2. 中试阶段：开发自动化微电极加工线，实现批量化生产（日产量＞500 根）
3. 临床前：建立 primate 模型验证，完成 ISO 13485医疗器械质量管理体系认证
4. 临床应用：重点针对癫痫持续状态、急性脑损伤等急症场景，开发便携式监测设备

本研究为神经化学动态监测提供了创新解决方案，其技术原理可延伸至其他氧化应激相关疾病（如中风、帕金森病）的生物标志物检测，具有广阔的临床转化前景。