稳定碳涂层微电极：实现可扩展、可互操作的神经递质传感，为脑科学研究和临床应用开辟新道路

时间：2025年4月8日

来源：Nature Communications

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为解决当前神经递质传感设备在时空分辨率和与神经元记录集成能力方面的局限，研究人员开展了通过独特碳涂层方法制备高性能伏安电极的研究。结果显示该电极具备高灵敏度、纳摩尔检测限等优势，意义在于推动了脑科学研究和临床应用发展。

在神经科学的奇妙世界里，神经递质如同一个个神秘的信使，它们在大脑中忙碌地穿梭，调控着各种生理和认知过程。想象一下，大脑就像一个庞大而复杂的城市，神经递质则是城市里传递重要信息的使者，维持着城市的正常运转。然而，想要实时、精准地监测这些 “使者” 的动态，却困难重重。目前的神经递质传感设备，就像是老旧的通讯工具，在时空分辨率上表现不佳，难以清晰捕捉神经递质的快速变化；而且它们与神经元记录的集成能力也很弱，无法全面展现大脑中电活动和化学信号之间的紧密联系。这就好比在城市中，通讯工具既无法快速传递信息，又不能与其他重要系统协同工作，严重阻碍了我们对大脑这座 “城市” 的深入了解。对于帕金森病、药物成瘾、抑郁症等大脑疾病患者来说，他们的大脑中神经递质的 “通讯网络” 出现了故障，而现有的传感设备却难以帮助我们精准诊断和治疗。所以，为了更好地探索大脑的奥秘，找到治疗大脑疾病的有效方法，开展新的研究迫在眉睫。

来自达特茅斯学院（Thayer School of Engineering, Dartmouth College）等研究机构的研究人员勇敢地迎接了这一挑战。他们开展了一项关于通过独特碳涂层方法制备高性能伏安电极的研究，致力于提高神经递质传感的性能。研究结果令人振奋，他们成功制备出的碳涂层微电极（CCMs）展现出了卓越的性能，在可扩展性、灵敏度、检测限等方面都有出色表现，并且开发出的双模态神经探针，为研究大脑中神经化学和电信号之间的关系提供了有力工具。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为神经科学研究和临床应用带来了新的曙光。

研究人员在开展研究时，用到了几个主要关键的技术方法。首先是材料制备技术，通过电位沉积法在金微电极上电镀基于石墨烯的碳涂层，并进行 250°C 的温和退火处理，制备出 CCMs；同时采用光刻等技术制作金属微电极和多通道阵列（MEAs）。其次是电化学检测技术，运用电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）、快扫描循环伏安法（FSCV）等对 CCMs 的电化学性能和神经递质传感性能进行检测。此外，还通过动物实验技术，在大鼠和小鼠体内进行 DA 检测和相关实验，验证 CCMs 的性能。

下面来详细看看研究结果：

碳涂层和稳定性：研究人员通过先在金微电极上电镀石墨烯氧化物（GO），再进行 250°C 温和退火的方法，实现了电化学稳定的碳涂层。这种退火处理显著提高了 CCM 的电化学界面稳定性，使电荷转移电阻（）更稳定，双层电容（）变化可忽略不计。从结构上看，退火后碳涂层的层间距减小，氧含量降低，碳得到恢复，这使得碳涂层能够有效抵抗水和离子的渗透，从而保证了高电化学稳定性。
CCM 的可扩展性和神经递质传感性能：研究人员成功制备出大规模的 CCM 阵列，如 100 通道的 CCM 阵列在不同基板上都有很高的良品率。CCM 在检测神经递质时表现出色，以 DA 为例，它在生理相关浓度范围内呈现线性响应，灵敏度高达 125.5 nA/μM，远高于商业碳纤维电极（CFEs）的 15.5 nA/μM，检测限低至 5 nM。同时，CCM 对多种神经递质具有特异性检测能力，如血清素（5-HT）、肾上腺素（EP）、腺苷（ADE）等，并且能够实现多种神经递质的同时检测。
CCM 的可靠性和体内验证：在动态流动池中，CCM 对 DA 的检测展现出快速的时间响应，半峰响应时间（）为 0.30 ± 0.07 s，且在连续测量中具有快速的自我再生能力，在 2 周内保持稳定的 DA 传感性能。在体内实验中，无论是在麻醉大鼠还是清醒小鼠和大鼠中，CCM 都能有效检测到 DA 释放，并且检测到的 DA 浓度和变化符合预期，证明了其在体内检测的可靠性和高时空分辨率。
集成 CCM 和电记录位点的单块神经探针：研究人员将 CCM 与电生理记录位点集成，开发出双模态神经探针。通过该探针，在给予安非他明（AMPH）后，研究人员成功记录了大鼠大脑中 DA 瞬变、局部场电位（LFP）振荡和单单元尖峰。分析发现，DA 浓度变化与高伽马功率（60 - 100Hz）变化在精细时间尺度上呈强正相关，而尖峰频率与 DA 瞬变的相关性则不明显。这表明双模态神经探针能够有效捕捉神经化学和电信号之间的复杂相互作用。

研究结论表明，温和退火显著稳定了电镀碳涂层和所得的碳微电极，使传统微电极阵列转变为具有高性能神经化学传感能力的碳微电极阵列，具备高良品率和良好的均匀性。CCM 的可扩展性和高传感性能使其在多路复用神经化学动力学监测方面极具潜力，并且其与微纳制造技术和多种基板的兼容性，为开发各种高空间分辨率的混合设备提供了途径。通过双模态集成神经探针的应用，揭示了亚秒级 DA 动力学与大脑电活动之间的相关性。然而，研究也存在一些需要进一步探索的方向，如追求体内长期稳定性、解决 FSCV 对电记录造成的伪影、开发强大的抗污染策略以及集成探针上的参考电极等。总体而言，这项研究为神经科学研究和临床应用提供了新的技术平台和研究思路，有望推动相关领域取得重大突破。