要点：构建一种新型的光电化学（PEC）微电极Ti/TiO2 HSP，用于定量监测活脑中的硫化氢（H2S）水平。PEC微电极Ti/TiO2 HSP是通过将具有D-π-A结构的有机PEC探针HSP与原位阳极氧化产生的二氧化钛纳米管表面以共价结合的方式形成的。PEC探针HSP可以与H2S有效反应，在长波长激发（560 nm）下产生显著的光电流响应，从而实现了对H2S的定量检测。该传感器具有较高的灵敏度和良好的选择性。利用PEC微电极Ti/TiO2 HSP进行的体内实验，能够监测小鼠大脑不同区域的H2S水平的动态变化。研究结果表明，正常小鼠海马中硫化氢的浓度明显高于纹状体和大脑皮质。此外，在丙炔甘氨酸（propargylglycine）药物刺激后，不同脑区的H2S浓度下降，其中海马区的下降幅度最大。这表明胱硫氨酸γ-lyase（CSE）是该区域负责H2S生成的主要酶，而纹状体的H2S浓度下降不明显，表明H2S生产依赖于其他酶途径。因此，本研究不仅成功地开发了一种高性能的H2S检测传感器，而且为进一步探索H2S在神经生理和病理过程中的作用提供了新的实验工具和理论基础。


硫化氢（H2S）是一种具有生物活性的气体分子。虽然它传统上被认为是一种有毒物质，但最近的研究揭示了它在各种生理过程中的关键作用，包括血管生成、炎症和氧化应激的调节。在神经系统中，特别是在大脑中，H2S作为一种神经调节剂和神经保护剂，影响NMDA受体的活性，调节细胞内信号通路，如钙浓度和cAMP水平。H2S主要由三种酶产生：胱硫氨酸β-合酶、胱硫氨酸γ-裂解酶和3-巯基丙酮酸硫转移酶，它们在大脑中高表达，特别是在海马体中。H2S有助于抗氧化防御、线粒体功能、长期增强、调节炎症反应和血管功能。此外，H2S可以通过促进长期增强和增加神经递质的释放来增强认知功能和记忆的形成。研究还表明，H2S在阿尔茨海默病、帕金森病、缺血性中风、创伤性脑损伤等中枢神经系统疾病中具有治疗潜力。


因此，H2S的定量检测，特别是在活的大脑中，对于理解其生理和病理作用以及开发新的脑疾病治疗策略至关重要。因此，研究人员开发了多种在体内检测H2S的分析方法，主要包括光谱成像技术，如荧光成和MRI以及电化学方法。电化学技术，由于其高时间和空间分辨率、空间定位能力和高灵敏度是高效的，特别是那些基于微纳米电极。目前的研究表明，电化学技术是一种很有前途的体内H2S检测方法，为新的体内检测技术的发展提供了重要的见解和参考。然而，考虑到对高灵敏度、方便性和多功能性的需要，开发用于检测活脑中H2S的高性能传感器仍然是一项长期的研究任务。


光电化学（PEC）分析是电化学分析的一个重要的创新分支，它集成了光学和电化学原理，实现了对生化物质的高灵敏度和选择性检测。PEC传感器的核心原理是由光活性材料在光照下产生载流子，从而产生光伏或光电流响应。通过利用光的激发和电信号的输出，PEC技术最小化了背景信号的干扰，提高了测量的准确性和清晰度。此外，通过定制光活性材料和生物分子识别元件，PEC传感器可以检测多种目标，展示其多功能性，使其成为研究和实际应用中的有效工具。近年来，由于微/纳米电极技术与PEC分析的综合优势和微/纳米电极的小规模效应，结合PEC分析在单细胞和体内传感方面显示出了巨大的潜力。这些小尺度效应包括快速传质速率、高电流密度和高空间分辨率。


目前，用于构建微电极PEC传感器的基底主要包括金属线、纳米管、光纤等。其中，钛丝可以通过原位电解产生PEC材料二氧化钛，从而实现光电流响应。Zhang研究小组通过操纵二氧化钛的周期结构和组成，结合适配体的特异性识别功能，成功制备了响应近红外光的二氧化钛光子共振器，能够在体内检测小分子和细胞。纳米管，作为微区域和单细胞操作和测量的关键工具，已经被开发成各种单细胞PEC分析系统。它们的中空结构和可改变的内外表面使这些系统不仅能够实现PEC检测，而且还能促进药物传递和离子电流整流等功能。光纤作为稳定的透光载体，提供稳定的长距离激光传输用于PEC检测。纤维表面的功能化也可以在体内进行PEC检测。这些微/纳米电极PEC技术的发展，大大扩大了PEC传感器的应用范围，为体内检测开辟了新的技术途径。然而，目前用于分析活大脑中H2S的PEC传感器尚未被开发出来。


湖南科技大学陈述教授团队开发了一种基于Ti/TiO2（钛丝/TiO2纳米管阵列）底物和有机PEC探针的PEC微电极，用于体内H2S的定量测定。利用有机探针实现了对目标的特异性识别和光响应。有机PEC探针具有明确的结构，可以合理设计为包含选择性反应基团，其结构和光物理性质易于调整，使其在PEC传感器中应用有效。通过控制钛丝的阳极氧化，得到Ti/TiO2的微电极基底，原位生成二氧化钛纳米管。在构建Ti/TiO2 HSP光电电极的过程中，将H2S特异性识别探针（HSP）共价结合到二氧化钛表面。这种结构模拟了染料敏化太阳能电池电极的典型配置，其中纳米结构的二氧化钛提供了一个大的表面积，有利于与有机染料的大量结合，而二氧化钛作为一个有效的光电子集电器，为强光电流响应提供了基础。


该体系中，微电极上的探针HSP可以与H2S特异性反应，促进2,4-二硝基苯（DNP）醚基序的裂解，形成具有典型D-π-A光活性分子结构的光敏剂，从而显著提高光电流响应。这种PEC微电极对硫化氢表现出快速、特异性的反应，并能在生理pH条件下的水缓冲液和人工脑脊液中对H2S表现出有效的反应。随后，我们使用PEC微电极检测了正常活小鼠大脑不同区域（海马、纹状体、大脑皮层）的H2S水平，并验证了硫化氢在药理调节作用下的脑H2S水平的变化。所有的体内实验结果都表明，该传感器能有效地检测活脑中的H2S。因此，本研究不仅为体内精确定量的H2S提供了有效的工具，也为其他重要生物分子PEC传感器的开发提供了参考范例。

图1 PEC微电极Ti/TiO2 HSP应用原理示意图

图2 Ti/TiO2纳米管的扫描电镜图像

图3光物理性能表征

图4 Ti/TiO2 HSP响应硫化氢表征

图5光电流响应效果

图6定量检测活大脑中硫化氢的PEC微电极Ti/TiO2 HSP


总结：本研究成功开发了一种新型PEC微电极Ti/TiO2 HSP，专门用于活体大脑中硫化氢的定量监测。Ti/TiO2 HSP微电极的构建是通过两步阳极氧化法实现的，这促进了二氧化钛纳米管的形成，为有机PEC探针HSP的共价连接提供了一个强大的底物。HSP探针对硫化氢检测具有高选择性和灵敏度，在生理条件下表现出显著的光电流响应。体内实验显示，硫化氢浓度在不同的大脑区域中存在差异，其中海马体中的硫化氢浓度水平明显高于纹状体和大脑皮层。此外，我们的实验表明，使用丙炔甘氨酸导致硫化氢水平显著下降，特别是在海马体区，强调了该区域对胱硫氨酸裂解酶抑制的敏感性。本研究不仅为实时监测大脑中硫化氢水平的动态变化提供了一种有效的工具，而且为用于体内检测的新型PEC传感器的开发提供了重要的参考和指导。