要點(diǎn)：構建一種新型的光電化學(xué)（PEC）微電極Ti/TiO2 HSP，用于定量監測活腦中的硫化氫（H2S）水平。PEC微電極Ti/TiO2 HSP是通過(guò)將具有D-π-A結構的有機PEC探針HSP與原位陽(yáng)極氧化產(chǎn)生的二氧化鈦納米管表面以共價(jià)結合的方式形成的。PEC探針HSP可以與H2S有效反應，在長(cháng)波長(cháng)激發(fā)（560 nm）下產(chǎn)生顯著(zhù)的光電流響應，從而實(shí)現了對H2S的定量檢測。該傳感器具有較高的靈敏度和良好的選擇性。利用PEC微電極Ti/TiO2 HSP進(jìn)行的體內實(shí)驗，能夠監測小鼠大腦不同區域的H2S水平的動(dòng)態(tài)變化。研究結果表明，正常小鼠海馬中硫化氫的濃度明顯高于紋狀體和大腦皮質(zhì)。此外，在丙炔甘氨酸（propargylglycine）藥物刺激后，不同腦區的H2S濃度下降，其中海馬區的下降幅度最大。這表明胱硫氨酸γ-lyase（CSE）是該區域負責H2S生成的主要酶，而紋狀體的H2S濃度下降不明顯，表明H2S生產(chǎn)依賴(lài)于其他酶途徑。因此，本研究不僅成功地開(kāi)發(fā)了一種高性能的H2S檢測傳感器，而且為進(jìn)一步探索H2S在神經(jīng)生理和病理過(guò)程中的作用提供了新的實(shí)驗工具和理論基礎。

硫化氫（H2S）是一種具有生物活性的氣體分子。雖然它傳統上被認為是一種有毒物質(zhì)，但最近的研究揭示了它在各種生理過(guò)程中的關(guān)鍵作用，包括血管生成、炎癥和氧化應激的調節。在神經(jīng)系統中，特別是在大腦中，H2S作為一種神經(jīng)調節劑和神經(jīng)保護劑，影響NMDA受體的活性，調節細胞內信號通路，如鈣濃度和cAMP水平。H2S主要由三種酶產(chǎn)生：胱硫氨酸β-合酶、胱硫氨酸γ-裂解酶和3-巰基丙酮酸硫轉移酶，它們在大腦中高表達，特別是在海馬體中。H2S有助于抗氧化防御、線(xiàn)粒體功能、長(cháng)期增強、調節炎癥反應和血管功能。此外，H2S可以通過(guò)促進(jìn)長(cháng)期增強和增加神經(jīng)遞質(zhì)的釋放來(lái)增強認知功能和記憶的形成。研究還表明，H2S在阿爾茨海默病、帕金森病、缺血性中風(fēng)、創(chuàng )傷性腦損傷等中樞神經(jīng)系統疾病中具有治療潛力。

因此，H2S的定量檢測，特別是在活的大腦中，對于理解其生理和病理作用以及開(kāi)發(fā)新的腦疾病治療策略至關(guān)重要。因此，研究人員開(kāi)發(fā)了多種在體內檢測H2S的分析方法，主要包括光譜成像技術(shù)，如熒光成和MRI以及電化學(xué)方法。電化學(xué)技術(shù)，由于其高時(shí)間和空間分辨率、空間定位能力和高靈敏度是高效的，特別是那些基于微納米電極。目前的研究表明，電化學(xué)技術(shù)是一種很有前途的體內H2S檢測方法，為新的體內檢測技術(shù)的發(fā)展提供了重要的見(jiàn)解和參考。然而，考慮到對高靈敏度、方便性和多功能性的需要，開(kāi)發(fā)用于檢測活腦中H2S的高性能傳感器仍然是一項長(cháng)期的研究任務(wù)。

光電化學(xué)（PEC）分析是電化學(xué)分析的一個(gè)重要的創(chuàng )新分支，它集成了光學(xué)和電化學(xué)原理，實(shí)現了對生化物質(zhì)的高靈敏度和選擇性檢測。PEC傳感器的核心原理是由光活性材料在光照下產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生光伏或光電流響應。通過(guò)利用光的激發(fā)和電信號的輸出，PEC技術(shù)最小化了背景信號的干擾，提高了測量的準確性和清晰度。此外，通過(guò)定制光活性材料和生物分子識別元件，PEC傳感器可以檢測多種目標，展示其多功能性，使其成為研究和實(shí)際應用中的有效工具。近年來(lái)，由于微/納米電極技術(shù)與PEC分析的綜合優(yōu)勢和微/納米電極的小規模效應，結合PEC分析在單細胞和體內傳感方面顯示出了巨大的潛力。這些小尺度效應包括快速傳質(zhì)速率、高電流密度和高空間分辨率。

目前，用于構建微電極PEC傳感器的基底主要包括金屬線(xiàn)、納米管、光纖等。其中，鈦絲可以通過(guò)原位電解產(chǎn)生PEC材料二氧化鈦，從而實(shí)現光電流響應。Zhang研究小組通過(guò)操縱二氧化鈦的周期結構和組成，結合適配體的特異性識別功能，成功制備了響應近紅外光的二氧化鈦光子共振器，能夠在體內檢測小分子和細胞。納米管，作為微區域和單細胞操作和測量的關(guān)鍵工具，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成各種單細胞PEC分析系統。它們的中空結構和可改變的內外表面使這些系統不僅能夠實(shí)現PEC檢測，而且還能促進(jìn)藥物傳遞和離子電流整流等功能。光纖作為穩定的透光載體，提供穩定的長(cháng)距離激光傳輸用于PEC檢測。纖維表面的功能化也可以在體內進(jìn)行PEC檢測。這些微/納米電極PEC技術(shù)的發(fā)展，大大擴大了PEC傳感器的應用范圍，為體內檢測開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。然而，目前用于分析活大腦中H2S的PEC傳感器尚未被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

湖南科技大學(xué)陳述教授團隊開(kāi)發(fā)了一種基于Ti/TiO2（鈦絲/TiO2納米管陣列）底物和有機PEC探針的PEC微電極，用于體內H2S的定量測定。利用有機探針實(shí)現了對目標的特異性識別和光響應。有機PEC探針具有明確的結構，可以合理設計為包含選擇性反應基團，其結構和光物理性質(zhì)易于調整，使其在PEC傳感器中應用有效。通過(guò)控制鈦絲的陽(yáng)極氧化，得到Ti/TiO2的微電極基底，原位生成二氧化鈦納米管。在構建Ti/TiO2 HSP光電電極的過(guò)程中，將H2S特異性識別探針（HSP）共價(jià)結合到二氧化鈦表面。這種結構模擬了染料敏化太陽(yáng)能電池電極的典型配置，其中納米結構的二氧化鈦提供了一個(gè)大的表面積，有利于與有機染料的大量結合，而二氧化鈦作為一個(gè)有效的光電子集電器，為強光電流響應提供了基礎。

該體系中，微電極上的探針HSP可以與H2S特異性反應，促進(jìn)2,4-二硝基苯（DNP）醚基序的裂解，形成具有典型D-π-A光活性分子結構的光敏劑，從而顯著(zhù)提高光電流響應。這種PEC微電極對硫化氫表現出快速、特異性的反應，并能在生理pH條件下的水緩沖液和人工腦脊液中對H2S表現出有效的反應。隨后，我們使用PEC微電極檢測了正?；钚∈蟠竽X不同區域（海馬、紋狀體、大腦皮層）的H2S水平，并驗證了硫化氫在藥理調節作用下的腦H2S水平的變化。所有的體內實(shí)驗結果都表明，該傳感器能有效地檢測活腦中的H2S。因此，本研究不僅為體內精確定量的H2S提供了有效的工具，也為其他重要生物分子PEC傳感器的開(kāi)發(fā)提供了參考范例。

圖1 PEC微電極Ti/TiO2 HSP應用原理示意圖

圖2 Ti/TiO2納米管的掃描電鏡圖像

圖3光物理性能表征

圖4 Ti/TiO2 HSP響應硫化氫表征

圖5光電流響應效果

圖6定量檢測活大腦中硫化氫的PEC微電極Ti/TiO2 HSP

總結：本研究成功開(kāi)發(fā)了一種新型PEC微電極Ti/TiO2 HSP，專(zhuān)門(mén)用于活體大腦中硫化氫的定量監測。Ti/TiO2 HSP微電極的構建是通過(guò)兩步陽(yáng)極氧化法實(shí)現的，這促進(jìn)了二氧化鈦納米管的形成，為有機PEC探針HSP的共價(jià)連接提供了一個(gè)強大的底物。HSP探針對硫化氫檢測具有高選擇性和靈敏度，在生理條件下表現出顯著(zhù)的光電流響應。體內實(shí)驗顯示，硫化氫濃度在不同的大腦區域中存在差異，其中海馬體中的硫化氫濃度水平明顯高于紋狀體和大腦皮層。此外，我們的實(shí)驗表明，使用丙炔甘氨酸導致硫化氫水平顯著(zhù)下降，特別是在海馬體區，強調了該區域對胱硫氨酸裂解酶抑制的敏感性。本研究不僅為實(shí)時(shí)監測大腦中硫化氫水平的動(dòng)態(tài)變化提供了一種有效的工具，而且為用于體內檢測的新型PEC傳感器的開(kāi)發(fā)提供了重要的參考和指導。