摘要
脑神经过程中的信号传递无不具有化学物质的参与，因此实现脑内生理活性物质的高灵敏度和高选择性检测对于从分子层次上认识和了解神经生理活动的化学本质有着重要意义。电化学方法的优点是仪器设备简单、操作方便，通过电化学界面的灵活设计可以实现选择性和稳定性等，因此被广泛用于活体分析领域。本论文以碳材料为基础，通过对材料的合理设计和功能化，实现了鼠脑内神经生理活性物质的电化学检测。 我们系统研究了抗坏血酸(AA)在不同碳基电极上（包括碳的同素异构体及其氧化物）的电化学氧化行为。实验结果表明，在碳纳米管(CNTs)、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、石墨炔(GDY)和氧化石墨炔(GDYO)五种材料中，CNTs对AA电化学氧化的异相电子转移速率最快，而且不同直径和长度的CNTs对AA均有良好的电化学氧化行为。此外，在所有碳材料中，CNTs对AA具有最快的异相电子转移速率常数。通过接触角，电子态密度(DOS)，光电子能谱(XPS)，拉曼光谱的一系列表征，我们发现，AA的电化学氧化与碳材料的无序或缺陷及电子态密度有关，与含氧官能团和碳材料的亲疏水性可能相关。基于此，我们将CNTs修饰在碳纤维电极(CFE)上，实现了鼠脑内电刺激过程中AA的原位电化学检测。 我们利用离子选择性电极(ISE)开发了一种电位测定方法，通过使用空心碳纳米球(HCNs)作为钙离子选择性电极(Ca2+-ISE)的转导层和固态接触层，促进了离子敏感膜(ISM)和导电基底之间的离子-电子信号的相互转导。我们发现HCNs的使用减小了Ca2+-ISE的电位漂移，提高了电极信号响应的稳定性。其中，三壳HCNs(3s-HCNs)作为Ca2+-ISE的转导层时电极具有相对较好的稳定性。因此，我们将Ca2+选择性膜(Ca2+-ISM)滴涂到3s-HCNs修饰的碳纤维电极(CFE)表面，制备了微型的固态Ca2+-ISE。该电极对Ca2+显示出28.1mV/decade的能斯特响应(浓度范围为10-5M-0.05M)，并且该电极在检测时不受中枢神经系统中内源性物质的干扰，具有良好的选择性。因此，使用该电极，能够对大鼠脑内电刺激引起的Ca2+的动态变化进行实时检测。该研究为开发新型的固态ISE(SS-ISE)提供了新的平台，促进了SS-ISE在活体大鼠脑内金属离子和pH检测中的应用。 我们采用GDY一步氧化法制备了GDYO与二氧化锰(MnO2)的复合材料GDYO-MnO2，将其作为钾离子选择性电极(K+-ISE)的转导层，借此调控导电基底和ISM界面离子-电子信号的转导。与无转导层的K+-ISE相比，该电极表现出较低的电位漂移，并且用不同锰含量的GDYO-MnO2构建的K+-ISE的电化学性能存在差异，其中以含锰量9％的GDYO-MnO2作为转导层的K+-ISE性能最优。另外，与含有相同锰含量的GO）与锰氧化物(MnOx)的复合材料GO-MnOx相比，GDYO-MnO2作为固态接触层具有较高的电位稳定性。更重要的是，我们的研究发现，GDYO固有的结构和疏水性可以稳定和抑制ISM和转导层界面处水层的形成。以GDYO-MnO2为固态接触层构建的微型固态K+-ISE表现出良好的稳定性和较高的选择性，能够在动物水平上实现鼠脑内K+的可靠传感。并且，基于GDYO-MnO2用作K+-ISE转导层的策略不需要复杂的处理步骤，就可以推广到其他的SS-ISE，因此具有通用性。 基于GDYO-MnO2作为固态接触材料可以抑制和稳定水层的发现，我们认为将抑制水层的碳纳米材料和快速离子-电子转移的电容材料整合起来能够改善SS-ISE电位的稳定性和重现性。因此，我们将GDYO-MnO2和聚（3，4-乙烯二氧噻吩）(PEDOT)复合形成的GDYO-MnO2-PEDOT(缩写为GDYO(Mn)-PEDOT)作为一种新型的固态接触材料，构建了一个稳定的、可重现的、无线离子传感系统。结果表明，我们设计的微型SS-ISE具有良好的体外稳定性，该电极在一周内的电位漂移为±1.1mV。基于SS-ISE的无线传输系统，可以实现对自由活动的动物脑内Ca+的长期实时稳定的监涓。我们的无线SS-ISE传感系统是在清醒动物身上使用无需反复校准的SS-ISE进行离子无线传感的早期演示，它将极大地促进智能设备的设计和研究，为获得高度可靠的生理结果提供有效的途径。
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