单原子Zn1-TiO2光电化学生物传感器实现癫痫模型中去甲肾上腺素（NE）的跨脑区协同调控实时监测

研究人员针对复杂体内环境中去甲肾上腺素（NE）与多巴胺（DA）、肾上腺素（EP）难以区分的技术瓶颈，开发了基于Zn单原子修饰TiO2（Zn1-TiO2）的光电化学（PEC）生物传感器。通过分子对接策略实现NE的60毫秒级实时检测，揭示蓝斑核（LC）、皮层（Cx）和海马（Hip）在癫痫发作中的NE协同释放机制，为神经退行性疾病研究提供新工具。

　　

研究背景
神经递质是大脑信息传递的化学信使，其中去甲肾上腺素（NE）在觉醒、学习记忆及癫痫等病理过程中起关键作用。然而，NE与结构相似的多巴胺（DA）、肾上腺素（EP）在体内易发生酶促转化，传统检测方法难以实现快速区分和原位监测。现有荧光探针存在响应延迟，而微透析技术时空分辨率不足。更棘手的是，癫痫等疾病涉及多个脑区（如LC、Cx、Hip）的NE动态协同，但缺乏能同步捕捉跨脑区信号的技术。

研究设计与方法
华东师范大学的研究团队通过低温电沉积法构建Zn单原子修饰的TiO₂纳米管（Zn₁-TiO₂），结合抗生物污染水凝胶涂层，开发出可植入式微光电电极。利用同步辐射X射线吸收谱（XANES/EXAFS）和密度泛函理论（DFT）验证Zn-O-Ti配位结构，通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）鉴定NE氧化产物。在戊四氮（PTZ）诱导的癫痫小鼠模型中，同步记录LC、Cx、Hip的PEC信号与脑电图（EEG）。

研究结果
Zn₁-TiO₂光电极的制备与表征
通过像差校正电镜（AC HAADF-STEM）观察到TiO₂表面原子级分散的Zn位点（图2a）。X射线光电子能谱（XPS）显示Zn 2p_3/2结合能1021.84 eV，证实Zn^δ+氧化态。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实NE通过邻苯二酚羟基与Ti位点、侧链胺基与Zn单原子形成五元环结构（图3e），吸附能达-6.29 eV（图3f）。

NE的选择性检测机制
Zn₁-TiO₂对NE的选择性比DA/EP高50倍（图3d）。DFT计算显示EP因甲基位阻无法形成稳定配位（图3f）。光照下NE氧化为醌式结构（NE_ox），通过液相色谱检测到m/z 166.0490特征峰（图3n），吸附能降至-0.01 eV（图3o），实现持续检测。

癫痫模型的跨脑区NE动态
癫痫发作时，LC的NE在60毫秒内激增（图5d），抑制皮层异常放电；而海马NE后期下降与神经元凋亡相关（图5g）。免疫组化显示癫痫后海马 caspase-3表达升高3倍，新物体识别（NOR）测试证实记忆损伤（图5h）。抗癫痫药唑尼沙胺（ZNS）预处理可阻断NE波动（图5f）。

结论与意义
该研究首创单原子"锁钥"识别策略，实现NE的毫秒级特异检测，揭示癫痫中LC-NE系统通过快速激活皮层抑制通路、海马代偿性耗竭的协同调控机制。Zn₁-TiO₂的生物相容性和稳定性（连续工作>8周）为神经退行性疾病研究提供新范式，相关成果发表于《Nature Communications》。