长期实时监测活体脑内生理及病理变化过程电信号的化学表达信号，是解析脑生理病理的机制、靶向药物治疗的关键。华东师范大学田阳教授团队已经提出了特异性分子与电化学信号协同识别的高选择性新策略, 建立了内外参比同时校准的新方法和开拓了超稳定分子组装的通用传感模式，突破性了复杂脑活体分析中选择性差、准确度低、界面组装不稳定等关键难题。但是仍存在一些重要的挑战，如在活体中传感器容易受到生物蛋白污染而导致信号衰减，传感信号不可逆而无法长期实时追踪脑活体中化学物质的动态变化。

针对上述问题，田阳教授团队在前期超稳定金-炔界面组装工作的基础上，设计构建了一种新型抗生物污染的超细纤维微阵列。通过电沉积法、巧妙地将氧化石墨烯带交替缠绕在金颗粒修饰碳纤维电极表面。所发展的界面氧化石墨烯带与金颗粒相间，具有超亲水和带负电等特性，不仅大幅提高了电极的抗污染性能，而且保留了金颗粒表面修饰功能化分子的能力。与此同时，设计合成并筛选出可逆性好、选择性高的Ca²⁺识别配体METH，实现了对Ca²⁺ (10.0 μM – 31.6 mM)的精准可逆测量，对干扰物响应小于3%。此外该电极响应时间小于1.3秒，快于商业化的液膜电极（5-15秒）。运用该传感器，实时追踪和准确分析了哺乳动物多个脑区Ca²⁺浓度的动态变化以及神经元活性，连续稳定测量60天，信号衰减小于8%，这是迄今为止活体脑中化学信号连续稳定测量的最长记录。

随后将由8根探针组装的微电极阵列植入鼠脑的7个脑区，实时监测了脑缺血再灌注（I / R）过程中细胞外Ca²⁺的可逆动态变化。首次发现了缺血过程中活体脑Ca²⁺由外向内逐渐内流，速率是越来越慢。而且针对脑缺血和脑出血的治疗过程，揭示了活性氧（ROS）清除剂可以减轻中风后Ca²⁺异常并保护神经元活性，表明ROS对Ca²⁺超负荷和神经元死亡具有重要的影响。

该工作开辟了一种通过实时跟踪和准确量化活体脑电信号的化学表达分子的浓度，分布和变化速度的新方法；提出了一种长期稳定、高可逆且选择性好的新传感策略，为研究脑化学信号的实时变化和准确定量提供了新的解决方案。这为理解大脑生理病理过程、治疗大脑疾病和发展人工智能，创造了新工具。

论文信息：

Long-term tracking and dynamically quantifying of reversible changes of extracellular Ca²⁺ in multiple brain regions of freely moving animals

Yuandong Liu, Dr. Zhichao Liu, Dr. Fan Zhao[a], Prof. Yang Tian

第一作者为华东师范大学的在读博士研究生刘原东。通讯作者为华东师范大学田阳教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202102833

点击 “ 阅读原文 ” ，可直达阅读该论文原文。

Angewandte Chemie International Edition

《德国应用化学》(Angewandte Chemie)创刊于1888年，是德国化学学会（GDCh）的官方期刊并由Wiley–VCH出版。作为化学领域的权威期刊，《德国应用化学》涵盖了化学研究的各个领域，刊发包括新闻、综述、观点、通讯、研究论文等在内的各种内容。

更多精选文章

Angew. Chem. ：具有非公度调制结构的深紫外非线性光学硼硫酸盐

Chem. Eur. J. ：原位固氮提高钠离子电池碳负极材料电化学性能

EurJIC：包含二聚蒽环配体的Dy(III)配位聚合物：热诱导相变伴随着磁性和光学性质的变化