综述：硒状态与老年冠状动脉疾病患者心外膜脂肪组织炎症的相关性

《Antioxidants》：Selenium Status Is Associated with Inflammation in Epicardial Adipose Tissue in Elderly Patients with Coronary Artery Disease

　　

本综述系统梳理了集光学与电化学通道于一体的多功能探针在体外及体内研究中的最新进展。将电极与光纤集成，为单活细胞内及细胞表面的局域光传输与同步代谢产物电化学检测提供了强有力平台，这类混合器件能够在同一实验体系中桥接光遗传学等光学刺激方法与细胞响应的电化学监测。文中按构型对探针体系进行了系统分类：用于胞内测量的光学纳米内镜、共享光-电化学通道的探针、光与电化学通道物理分离的器件，以及面向神经接口与扫描探针显微镜的定制化探针。针对每类构型，分别讨论了其制备工艺、表面修饰策略及代表性生物学应用。特别聚焦于共享通道设计中光学透过率与电导率之间的固有矛盾、神经组织对植入式探针的力学要求，以及现有扫描探针平台的空间分辨率极限。文末对当前技术局限与未来发展方向进行了批判性评估，指出更高空间分辨率、多分析物同步检测及向体内实验模型更广泛转化是该领域的重要趋势。

1. 1.
   Introduction
   过去十年中，面向单细胞研究的纳尺度器件因具备纳米级分辨率的定量测量能力而备受关注。活细胞内分子过程的解析是现代生物医学的核心挑战之一，但传统成像方法存在显著局限：电子显微镜需固定样本，无法追踪动态过程；荧光显微镜记录的是标记物的位置而非目标分子本身，亦无法直接测定细胞代谢物浓度。这些不足推动了可穿透细胞并实现实时局域测量的探针技术的发展。微纳电极已在细胞生物学、光遗传学与电化学领域得到广泛应用，其双电层电容较小，可实现快速电化学响应，并有助于检测活性氧（ROS）与活性氮（RNS）等短寿命中间体；其微小尺寸及锥形或圆柱形几何构型支持微创胞内测量。尽管电化学传感器已能对单细胞的关键生化参数（ROS、pH、金属离子）进行监测，但将电化学测量与可控光学刺激集成的技术仍处于发展初期，尤其是将纤维电极尺寸缩减至纳米尺度的相关研究具有重要意义。另一方面，光纤纳米内镜的发展实现了单细胞的高分辨率可视化与相互作用，将微纳电极与光纤集成可驱动光电化学反应，并在微液滴、微乳液乃至单活细胞等微小体积中实现多种生化过程的定量评估。光纤具备微创性、高柔性、可将光直接输送至测量位点以及与电化学方法兼容等优势，已成为细胞生物学中实时研究胞内过程的重要工具，并作为电分析化学的补充手段，在生物系统中实现微纳尺度的光敏过程激活与可视化。这类混合器件的应用涵盖从细胞代谢的基础研究到光动力治疗疗效评估方法及光遗传学神经接口的构建。光纤与光遗传学等先进技术的结合，为单细胞的操控与研究开辟了新路径，例如集成了光纤与光遗传学技术的光学神经接口可在体实现毫秒级时间分辨率的特定细胞类型精准光调控，而集成电极的光极（optrode）则可对同一神经元群体同时进行光刺激与电信号记录。本综述系统梳理了当前探针制备、表面修饰及其在活细胞研究（含生物传感）中的应用，围绕从胞内代谢物检测到神经生物学的多种场景讨论了分析性能特征，并聚焦于将光学与电化学模式集成于多功能探针中，以应对细胞生物学与神经科学的关键挑战。
2. 2.
   Optical Nanoendoscopes for Single-Cell Imaging
   高分辨率单细胞可视化是生物学与医学等众多学科的核心需求，纳尺度内镜（nanoendoscope）能够以微创方式进入胞内微环境。根据检测原理，纳米内镜可分为电化学型、光学型、电生理型与形貌型，近期许多工作已实现多种模式的融合。本节重点讨论光学纳米内镜，即以光作为主要探测模式、在亚细胞尺度开展成像与刺激的光学探针。在宏观尺度，光纤束与单根多模光纤已是临床内镜成像的成熟工具；将其推广至单细胞水平，需要亚微米级锥形光纤，以便构建可便携、柔性的不透明生物样本（含组织）微创成像系统。将纳米光子探针集成到光纤成像系统中，可在活细胞内实现纳米尺度的光操控。多种平台被用于构建光学纳米内镜，包括玻璃纳米移液管、锥形光纤、纳米线与纳米管，其中玻璃纳米移液管最为普及，可通过激光拉制仪由石英或硼硅毛细管制备，并可通过表面负载纳米颗粒等功能化策略用于光学测量，如在扫描离子电导显微镜（SICM）中同时实现细胞表面形貌成像与局域电化学测量。刻蚀或拉制的单模光纤是另一类重要平台，可实现无需外接物镜的亚细胞分辨率成像。Cheemalapati等开发的单模光纤纳米内镜由化学刻蚀光纤构成，基底直径8 μm，尖端约200 nm，可在亚细胞水平同时实现光的传输与收集，首次展示了成纤维细胞核、Hoechst标记的肝细胞及MDA-MB-231线粒体荧光光谱的局域记录，并在表达黄色荧光蛋白（YFP）的秀丽隐杆线虫（C. elegans）中完成了在体信号采集。Yan等提出的SnO₂纳米线内镜由直径100–250 nm的一维波导附着于直径300–500 nm的锥形光纤上，其小尺寸与机械柔性显著降低了对细胞膜与细胞骨架的损伤，HeLa细胞插入后未见坏死、凋亡或显著细胞毒性应激，而单独使用锥形光纤尖端则导致高达40%的细胞死亡；该内镜还能分辨活细胞内仅相距2 μm的两个量子点簇，并通过光裂解连接子在1分钟内实现量子点的时空递送。Singhal等基于碳纳米管开发了多功能细胞内镜，可在细胞器水平开展细胞研究、流体输运及光学与电化学联合诊断，其长50–60 μm、外径50–200 nm的多壁碳纳米管（MWCNT）通过环氧树脂固定于玻璃微移液管末端，两端开放以支持流体输运，相比常规锥形玻璃移液管，其圆柱几何构型能以约100 nm空间分辨率更深地穿透细胞，置换的细胞物质减少50–1000倍，并可在不破坏细胞骨架或干扰钙稳态的情况下维持超过30分钟的胞内探测，还兼具机械柔性、磁控性及表面增强拉曼散射（SERS）功能。Wen等报道的多模光纤光学内镜技术——空间频率跟踪自适应信标光场编码（STABLE）——通过共传播参考光束与空间频率信标，实现了250 nm的亚衍射空间分辨率，解决了多模光纤对弯曲与机械扰动极度敏感的问题，并在支气管模型与小鼠模型中验证了跨尺度成像与在体亚细胞成像的可行性。上述平台的发展体现了光学纳米内镜从简单锥形光纤尖端向融合等离子体增强、纳米线波导与计算波前校正的复杂设计的演进，不同平台在尖端尺寸、侵入性、生物相容性、探测时长及功能多样性上各具特点，共同表明单一光学模式仅能反映细胞活动的单一维度，这推动了将电化学检测集成到光纤探针设计中的需求。
3. 3.
   Optical Electrodes
   3.1. Fiber Probes with Integrated Optical and Electrochemical Channels
   光电极不仅可作为光导，还可作为微/纳电极，实现高分辨率、高选择性的电化学与光化学响应同步采集。此类探针由三部分组成：作为波导的光纤芯、沉积于光纤表面的导电涂层（工作电极）及外层绝缘层。光纤通常由掺杂二氧化硅或电惰性塑料制成，需在表面沉积金、铂或碳等导电层。根据导电层相对于光纤尖端的分布位置，可分为盘状电极（导电层位于光纤远端面）、环状电极（导电层环绕尖端附近侧表面）与侧面电极（涂层沿光纤侧壁延伸），不同构型中光孔径与电活性表面的空间关系决定了光传输与电化学检测的同步与独立程度。导电涂层通常呈光学不透明性，在盘状电极构型中尤为突出：提高薄膜厚度可增强电极灵敏度，但会直接牺牲光通量。氧化铟锡（ITO）因可见光透过率超过80%、电阻率约为10^?4Ω·cm，常被用于平衡透光与导电需求。早期研究中，直径350 μm的光纤束远端表面被修饰含荧光指示剂或酶指示体系的聚合物层，构建了pH传感器和乙酰胆碱生物传感器，可交替获取视觉与荧光信息。在此基础上发展的电调制荧光传感器，通过在光纤束远端沉积约20 nm半透明金膜并修饰含阳离子染料罗丹明B异硫氰酸酯（RBITC）的Nafion膜，实现了准可逆电化学与约30%可见光透过率的结合，可用于过氧化氢的检测与活性氧（ROS）分布的微区解析。微光环电极（MORE）采用环状构型，以石英光纤为绝缘芯、热沉积约600 nm金层形成导电环，避免了导电层对光的衰减，首次实现了亚100 μs寿命光生粒子的检测。电光混合微探针则将微电极与光纤集成于单一探针体中，可同步测量胞外离子流与胞内荧光信号，并在海兔（Aplysia）囊细胞神经元与HIT胰腺β细胞中成功验证了钙信号与葡萄糖通量的同步监测。针对共享表面光极中电极与出光口邻近导致的光电伪影问题，Spagnolo等利用金属涂层锥形光纤的本征光子特性开发了集成“纤维电极（fibertrode）”，通过调控锥形波导中的模场发射角度，使光子偏离电极表面，在光遗传学在体验证中实现了无伪影的局部场电位与单单元动作电位同步记录。总体而言，光电探针的优势在于多参数检测能力、高时空局域性、氧传感器稳定性及模态融合带来的伪影抑制，但面临制备复杂、几何构型受限及严格光-电化学校准需求等挑战。

3.2. Electrochemical Probes with Light Delivery Through a Glass Nanopipette

利用纳米移液管作为光导，为构建集局域照射与电化学检测于一体的探针提供了简洁方案。玻璃毛细管壁可作为全反射光导，同时容纳光学通道与电化学传感器，尤其适用于扫描光电化学显微镜（SPECM）中对光生物质的同步检测与光源精确定位。Zhang等利用θ型纳米移液管构建了双铂盘电极，玻璃壳作为光导将强度约280 mW/cm²的白光输送至探针下方区域，一铂盘极化于?600 mV（vs. Ag/AgCl）记录氧还原扩散极限电流，另一铂盘极化于+600 mV用于H₂O₂的安培氧化，实现了光合系统I（PSI）生物阴极周围ROS的时空分辨监测。Yu等进一步引入离子电子光电化学策略，在硼硅酸盐纳米移液管的不对称孔口中限域PbS量子点/PEDOT:PSS光电异质结，在470 nm光照下产生跨孔电势梯度驱动阳离子单向迁移，形成约135 pA的零偏压光致离子电流，并利用其对溶解氧的敏感性实现了A549细胞20个亚细胞位点的时空分辨胞内氧测量，可动态监测FCCP与寡霉素处理下的线粒体呼吸变化。上述两类探针代表了互补的设计思路：共享表面构型逐步提升了分析性能指标，而纳米移液管构型则将重点转向空间可达性，两者均处于发展早期，未来需向多路复用检测、更长时程胞内监测及多生物体系验证拓展。

1. 4.
   Combined Optical and Electrochemical Probes with Separated Optical and Electrochemical Channels
   与前文构型不同，分离通道探针将光学、电化学与递送功能分配至探针体内的物理独立通道，使各组件可独立优化。例如，一种光电极生理探针将光学通道置于光纤芯、IrOx电极置于外表面，并辅以全内反射（TIR）层阻止激发光到达导电元件，在HT22神经元中实现了亚微米级尖端穿刺与近完全消除光电伪影的单神经元光刺激。在此基础上发展的三合一胞内纳米探针（TINP）基于θ型纳米移液管，外表面形成IrOx工作电极，一内通道填充Ag/AgCl作为集成自参比电极，另一通道用于局域递送，通过大气等离子射流精确控制暴露的电活性表面长度，实现了单神经元与脑切片水平的胞内pH与电位测量及药物递送诱导的瞬态变化记录。针对在体长期神经接口的需求，Canales等利用热拉伸工艺从聚合物与聚合物-金属复合材料制备了多功能神经探针，首次在自由活动小鼠中实现了长达2个月的光遗传学刺激、神经元活动记录与微流控药物递送同步实验，并显著降低了胶质包裹与血脑屏障破坏。Lu等进一步将该平台拓展至脊髓界面，采用银纳米线（AgNW）网格替代连续金属膜，使探针可承受高达200%的拉伸应变，并在Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠中验证了光刺激诱发脊髓神经活动与肌电信号的能力，慢性植入一周后仍保持稳定记录与轻微星形胶质细胞反应。上述分离通道设计通过功能解耦克服了共享表面的权衡限制，但其在慢性在体验证、进一步纳米化及跨组织模型应用方面仍面临挑战。
2. 5.
   Opto-Electrodes for Scanning Probe Microscopy
   扫描探针显微镜的发展催生了电化学与光学成像的融合。早期实现依赖标准落射荧光单元进行样品照明，目前已形成两大主流：一是光经玻璃纳米移液管传输并由顶端开口出射，二是光纤经逐层修饰形成多功能环状探针，或与玻璃纳米移液管集成用于扫描离子电导显微镜（SICM）。SICM与近场光学显微镜（SNOM）的首例集成通过铝包覆玻璃微移液管同时记录离子电流与532 nm激光的散射光学信号，实现了活心肌细胞的同步形貌与近场光学成像，清晰分辨出约2.1 μm周期的肌节条纹。扫描电化学显微镜与光学显微镜（SECM/OM）的结合则采用金包覆SNOM光纤并经电泳阳极清漆绝缘，形成微米级环状电极，实现了微结构的电化学与光学图像同步采集。Takahashi等利用钛/铂包覆、聚对二甲苯绝缘的纳米探针（有效电极半径约35 nm，光孔径<170 nm）结合石英音叉剪切力反馈，首次实现了生理条件下单细胞的形貌、电化学与荧光同步成像，可评估局域呼吸速率。Maruyama等开发了基于GeO₂掺杂光纤选择性刻蚀与金溅射的高重复性纳米光纤电极，电极半径可低至约5 nm，在负反馈模式下清晰记录了PC12细胞神经突的精细形貌。Bae等首次实现了探针侧照明的纳米级光SECM，利用玻璃密封金属纳米电极同时作为电化学传感器与光导，消除了探针体遮挡造成的阴影效应，在Nb:TiO₂（110）单晶表面实现了FcMeOH氧化与析氧反应的纳米分辨光电化学Mapping。Askarova等通过平凸透镜系统实现非接触式光传输，消除了刚性光纤与压电定位器的机械耦合振荡，在BiVO₄单晶上获得了无伪影的三维表面图像。最新的微光环电极（MORE）用于SPECM，将金包覆光纤集成于环氧绝缘玻璃毛细管并抛光为平面构型，可同步记录紫外-可见-近红外（UV–Vis–NIR）光谱与电化学电流，并在单细胞绿藻（Eremosphaera viridis）中验证了靶向微区光刺激与电化学检测的同步能力。这一领域的演进清晰展现了从被动光学散射到主动局域照明，再到全光谱分辨与电化学同步采集的技术升级。
3. 6.
   Conclusions, Challenges and Potentials
   本文综述的研究表明，将光学与电化学两种基本不同的细胞探测模式集成于单一微型探针是完全可行的，且能提供任一模态单独无法实现的分析能力。然而，多个共性挑战依然存在：制备可重复性受手工组装步骤影响，导致几何变异并限制通量；共享通道中光学透过率与电导率的固有矛盾尚未彻底解决，仍需透明导电材料或光子工程的进一步发展；分离通道与神经探针中刚性探针体与软组织间的力学失配仍可能导致慢性组织损伤与信号退化；SPECM探针的光学通道分辨率仍受限于金属涂层的光泄漏，且生物学验证模型仍较有限。尽管如此，该技术的潜力十分可观。最直接的机遇是将已验证的探针架构拓展至多分析物同步检测，例如配对检测O₂与H₂O₂以评估线粒体功能，或同时检测pH与多巴胺以反映突触活动。更具挑战性的方向是推动从体外验证向真正在体应用的转化，这对探针尺寸、生物相容性与长期信号稳定性提出了更高要求，需要制备材料科学、表面化学与生物学验证的深度融合。总体而言，该领域仍处于早期阶段，从孤立细胞系的概念验证到复杂活体组织的可靠运行仍有较大距离，但也正因此蕴含着巨大的发展空间。