碳纳米纤维修饰柔性多通道电极实现多种神经活性分子的高灵敏度电化学检测

《Sensors》：A Flexible Carbon Nanofiber-Modified Multi-Channel Electrode Enables High-Sensitivity Electrochemical Detection of Multiple Neuroactive Molecules

　　

电化学检测因硬件便携、成本低且可实时原位监测，被广泛视为定量神经活性分子的有力手段，但其标准化、临床转化及现场应用仍受传感界面生物相容性差、机械稳定性不足与检测通用性受限等制约。研究人员提出一种多通道柔性微丝电极阵列，通过电泳沉积（EPD）将碳基纳米材料与壳聚糖（CS）复合膜修饰于微机电系统（MEMS）制备的金微电极表面，其中碳纳米纤维（CNF）构建高导电内骨架与富集传感面，氮掺杂还原氧化石墨烯（NGO）作对照，CS协助成膜并提升生物相容性。在优化沉积电压（–0.9 V）与时间（300 s）下，CS/CNF-Au电极较CS/NGO-Au与裸金电极表现更优，对酪氨酸、色氨酸、去甲肾上腺素、褪黑素及色胺给出分辨良好的响应，检测限分别为9、45、50、15、20 μM，兼具高重现性与初步稳定性。该工作证实调控碳基复合层可构筑高性能电化学界面，为开发兼顾生物相容性与结构可靠性的柔性通用检测平台提供新路径。

研究背景方面，神经活性分子是神经系统胞间信息传递的化学基础，涵盖酪氨酸-儿茶酚胺与色氨酸-吲哚胺两大代谢通路，其精准定量对解析神经环路、疾病机制及临床干预至关重要。电化学检测具备高灵敏、快响应、可实时原位测量与器件微型化优势，但传统刚性电极易致组织微动损伤与免疫排斥，且单一探针“一对一”识别模式难以满足多目标同步检测需求。柔性微机电系统（MEMS）微电极虽改善机械顺应性，仍存在界面生物相容性弱、选择性差与长期稳定性不足等瓶颈。为此，研究人员开展一项基于碳纳米纤维（CNF）修饰的柔性多通道电化学传感研究，旨在以通用型非特异界面结合后处理解码，实现多种结构差异显著的神经活性分子同步检测，论文发表于《Sensors》。

关键技术方法上，研究人员采用MEMS工艺在硅支撑片上依次构建聚酰亚胺（PI）柔性基底、钛/金（Ti/Au）导电图形与PI封装层，经氧反应离子刻蚀释放得61通道、厚约10 μm、位点间距30 μm的柔性微丝电极；通过电泳沉积（EPD）在–0.9 V、300 s条件下将壳聚糖（CS）/CNF或CS/氮掺杂还原氧化石墨烯（NGO）复合液组装于半胱氨酸自组装预处理金表面，以扫描电镜（SEM）、能谱（EDX）、拉曼光谱表征形貌组分，以电化学窗口、电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安（CV）与差分脉冲伏安（DPV）评估界面与检测性能，所有测试基于三电极体系在缓冲液中完成。

研究结果部分，表面形貌与元素组成中，SEM显示裸金平滑，CS/NGO-Au呈二维片层网络，CS/CNF-Au呈一维CNF交织三维导电网络；EDX证实修饰后碳、氮、氧原子比显著升高；拉曼谱中CS/CNF-Au的I_D/I_G为0.378，CS/NGO-Au为1.64，佐证碳骨架与缺陷密度差异。基础电化学表征中，CS/CNF-Au电化学窗口最宽（–1.0至1.0 V），PBS无探针体系电荷转移电阻R_ct仅151.6 Ω，含[Fe(CN)₆]^3?/4?探针体系R_ct为9.384 kΩ，均低于CS/NGO-Au（262.3 Ω与28.51 kΩ），CV氧化还原峰电流最大，活性面积最高。EPD参数优化确定–0.9 V与300 s为最佳，峰形最清晰、电流最强。靶标响应表征中，DPV测得酪氨酸（~0.63 V）、色氨酸（0.74–0.82 V）、去甲肾上腺素（~0.3 V）、褪黑素（0.64–0.74 V）、色胺（0.85 V与0.95 V双峰仅见于50 μM）均呈浓度依赖，检测限9、45、50、15、20 μM；位点间相对标准偏差（RSD）均<15%；酪氨酸连续扫描衰减约39%源于聚酪氨酸钝化；抗干扰实验中去甲肾上腺素与抗坏血酸、尿酸共存时峰位不变。CS/CNF-Au相较CS/NGO-Au在五分子中均具更低氧化过电位与更高信噪比，仅高浓度去甲肾上腺素时NGO略优。

讨论部分指出，该通用界面靠电子转移动力学差异实现峰电位分离，但复杂基质中峰重叠仍须借人工智能与化学计量学在信号层解码；酪氨酸等不可逆氧化产物致膜污染是长期植入主要障碍，需引入防污层或原位清洗；CNF高载量（5 mg/mL）与三维网络较NGO低载量（0.5 mg/mL）堆叠更利活性面积与背景抑制。结论部分翻译如下：综上，本研究提出一种基于EPD的CS/CNF与CS/NGO复合膜修饰MEMS柔性微电极阵列可控制备方法，克服传统滴涂成膜不均，建立工艺-微结构-电化学性能关联机制；构筑的对五种结构差异显著神经活性分子具通用响应的电化学检测平台，依托碳材料高比表面积与导电性结合CS生物相容性，验证了柔性传感用于多靶点神经分子检测潜力，为柔性植入式神经化学监测与闭环神经调控系统开发提供新思路与方法。