基于二氧噻吩电致变色聚合物的生物电信号超灵敏无标记光学检测技术

为解决传统电极检测技术空间受限、荧光标记法存在光漂白等问题，斯坦福大学团队开发了基于P(OE3)-E共聚物的电致变色光学记录技术（ECORE），实现了3.3μV超高灵敏度、亚毫秒级时间分辨率的无标记生物电信号检测，成功捕捉大鼠心脏场电位、心肌细胞和神经元动作电位，为活体电生理研究提供了革命性工具。

　　

在探索生命活动的奥秘时，生物电信号如同自然界最精妙的密码——从心脏的规律搏动到大脑神经元的电光火石，这些微弱的电活动（通常仅数十微伏）承载着生命调控的核心信息。然而，传统电极检测技术面临空间分辨率低、机械侵入性强等局限，而荧光电压成像又受困于光毒性、光漂白等瓶颈。如何实现高灵敏度、非侵入式的生物电信号监测，成为横亘在科研人员面前的一道难题。

斯坦福大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有电致变色特性的π-共轭聚合物。这类材料能够将电压变化转化为光学信号，通过测量光吸收变化来反映生物电活动，无需外源性标记即可实现"电-光"转换。团队通过系统比较四种二氧噻吩基聚合物——电聚合PEDOT（PEDOT-epoly）、旋涂PEDOT:PSS（PEDOT-spin）、含寡聚醚侧链的P(OE3)-D及其与EDOT的共聚物P(OE3)-E，发现P(OE3)-E在细胞培养条件下展现出卓越的电致变色对比度。这种由3,4-丙撑二氧噻吩（ProDOT）与3,4-乙撑二氧噻吩（EDOT）构成的共聚物，其氧化还原电位与生物环境完美匹配，在561nm激光下灵敏度达ΔR=14.9×10^-5，较传统PEDOT提升110%，信噪比高达300，理论检测限达3.3μV。

研究采用三大关键技术：1）通过原子力显微镜（AFM）和紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）表征聚合物薄膜形貌与电致变色特性；2）建立棱镜耦合全内反射光学平台，结合差分光电检测实现微伏级信号捕捉；3）使用胚胎大鼠心脏、hiPSC来源心肌细胞（hiPSC-CMs）和原代海马神经元验证生物相容性。

研究结果揭示：

1. 材料特性表征：P(OE3)-E薄膜表面粗糙度仅0.7nm，在-300至+300mV电压刺激下呈现显著的深蓝-浅蓝颜色转变，其π-π*跃迁吸收峰位于608nm。循环伏安法显示其活性位点浓度为0.6±0.2μmol/mm³，氧化还原过渡电位约+100mV，与生理电位窗口高度吻合。

1. 心脏场电位记录：在开路条件下，P(OE3)-E对大鼠心脏场电位的检测灵敏度（ΔR=6.4×10^-5）显著优于其他材料，能稳定记录18分钟以上，时间分辨率达10kHz，清晰捕捉到3-6ms的快速去极化峰。

2. 心肌细胞动作电位：hiPSC-CMs在P(OE3)-E薄膜上产生ΔR=4.2×10^-5的光学信号，钠通道阻滞剂奎尼丁（quinidine）处理使信号幅度从5.5×10^-5降至检测限以下，证实了检测特异性。该材料展现惊人稳定性——连续5周保持>3.6×10^-5的灵敏度。

3. 神经元电活动监测：P(OE3)-E成功记录到原代海马神经元0.6×10^-5的微弱动作电位，时间分辨率足以分辨93Hz的爆发性放电。卡巴胆碱（carbachol）刺激使神经元放电频率从0.8Hz提升至1.3Hz，动态响应特征与电生理预期完全一致。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地证明：通过精确调控聚合物骨架结构（ProDOT-EDOT共聚）与侧链化学（寡聚醚修饰），可大幅提升电致变色灵敏度，使光学记录技术首次达到与传统电极媲美的检测水平。P(OE3)-E材料兼具非侵入性、无光毒性、长期稳定（>5周）等优势，为心脏病理模型筛选、神经环路解析等高通量研究提供了全新解决方案。该技术突破不仅推动了有机电子学与生物医学的交叉融合，更为发展下一代活体电生理成像技术奠定了材料基础。