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張美寧Angew.:原位工程碳基材料-碳纖維用于體內(nèi)神經(jīng)化學(xué)傳感!

 崛步化學(xué) 2024-06-21 發(fā)布于北京
研究?jī)?nèi)容
            
開(kāi)發(fā)具有高空間和時(shí)間分辨率的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和原位分析方法對(duì)于探索大腦中的生物化學(xué)過(guò)程至關(guān)重要。盡管基于碳纖維(CF)微電極的體內(nèi)電化學(xué)方法在監(jiān)測(cè)生理和病理過(guò)程中的神經(jīng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面是有效的,但復(fù)雜的后修飾阻礙了大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用。
            
中國(guó)人民大學(xué)張美寧開(kāi)發(fā)了一種碳基材料原位工程的通用策略,通過(guò)引入聚多巴胺以錨定沸石咪唑酸酯骨架作為前驅(qū)體,然后一步熱解,大規(guī)模生產(chǎn)功能性碳纖維。該策略展示了優(yōu)異的通用性和設(shè)計(jì)靈活性,克服了復(fù)雜的改性后程序,避免了改性層的分層。簡(jiǎn)化了功能性CF基微電極的制造和集成。設(shè)計(jì)了高度穩(wěn)定和選擇性的H+、O2和抗壞血酸微傳感器,并在生理和缺血再灌注病理過(guò)程中監(jiān)測(cè)CO2暴露對(duì)腦組織O2含量的影響。相關(guān)工作以“General In Situ Engineering of Carbon-Based Materials on Carbon Fiber for In Vivo Neurochemical Sensing”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。    
            
            
研究要點(diǎn)
            
要點(diǎn)1. 作者提出了一種基于碳纖維的碳基材料原位工程的通用策略,促進(jìn)了功能性碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)。該策略允許直接制造具有功能CF的微傳感器,無(wú)需進(jìn)一步的修改過(guò)程。
            
要點(diǎn)2. 首先在碳纖維表面生長(zhǎng)一層廣泛使用的天然膠聚多巴胺(PDA),以錨定沸石咪唑酸酯骨架(ZIFs),這是一類新型可設(shè)計(jì)的候選前驅(qū)體模板,通過(guò)熱解生產(chǎn)各種碳基材料。通過(guò)調(diào)節(jié)ZIF的含量和結(jié)構(gòu),構(gòu)建了一個(gè)功能多樣的功能CF庫(kù)。    
            
要點(diǎn)3. 基于該策略,作者設(shè)計(jì)了高度穩(wěn)定和選擇性的H+、O2和抗壞血酸微傳感器,并在生理和缺血再灌注病理過(guò)程中監(jiān)測(cè)CO2暴露對(duì)腦組織O2含量的影響。發(fā)現(xiàn)二氧化碳暴露導(dǎo)致H+和O2濃度增加,AA釋放減少。
            
這項(xiàng)研究可能有助于了解高碳酸血癥在缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用。
            
研究圖文
            
圖1.(a)制備基于CF的微傳感器的后修飾策略示意圖,滿足可植入體內(nèi)傳感器的選擇性、穩(wěn)定性和靈敏度挑戰(zhàn)。(b)制備N/C-(ZIF-8衍生)、Co/N/C-(ZIF-67@ZIF-8衍生)和CNT-(ZIF-8/67衍生)官能化的CF的原位工程策略示意圖。    
圖2.(a)以(上)和不以(下)N/C為轉(zhuǎn)導(dǎo)層的H+-ISE微傳感器的原理圖。(b)N/C-CF的SEM。(c)ISECF(上)和ISEN/C(下)在0.1 M HCl中的計(jì)時(shí)電位測(cè)定結(jié)果,施加電流為+0.1 nA 10 s,然后為-0.1 nA 10秒。(d)具有Co/N/C功能CF的O2微傳感器原理圖。(e)Co/N/C-F的SEM。(f)CF微電極(左)和Co/N/C-CF微電極(右)在飽和有N2(藍(lán)色)、含有100 μM H2O2(綠色)和200 μM O2(橙色)的磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)中獲得的循環(huán)伏安圖(CV);掃描速率,50 mV s-1。(g)具有CNT功能化CF的AA微傳感器示意圖。(h)CNT-CF的SEM。(i) 在不存在(虛線)和存在200 μM AA(實(shí)線)的磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)中,在CF微電極(上)和CNT-CF微電極(下)處獲得的CV;掃描速率,50 mV s-1。    
圖3.(a)ISEN/C的原理圖。(b)基于CF(藍(lán)色)和基于N/C-CF(綠色)的H+-ISE在磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)中4000 s的典型OCP。(c)ISEN/C從pH 6.0到8.0的校準(zhǔn)曲線。(d)在磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)中,加入K+(1, 2, 5, 10 mM)、Na+(1, 2, 5,10 mM)、N2氣體(100 mL·min-1 100s)、AA(200 μM)、DA(10 μM),DOPAC(20 μM)和5-HT(10 μM),UA(50 μM)以及NE(10 μM)、E(10 μM)、H+(0.4 pH)和HCO3-(20 mM)時(shí),ISEN/C的典型電位響應(yīng)。(e)Co/N/C對(duì)O2的傳感機(jī)理示意圖。(f)在磷酸鹽緩沖液(pH 7.4)中加入N2氣體(100 mL·min-1,100s)、HCO3-(20 mM)、AA(200 μM)、DA(10 μM),DOPAC(20 μM)和5-HT(10 μM)、UA(50 μM)以及不同pH(7.4,7.2,7.0)時(shí),Co/N/C-CF的典型安培響應(yīng);電勢(shì),相對(duì)于Ag/AgCl為-0.05V。(g)不同物在各自濃度下引起的電流變化如f所示。(h)在每10分鐘吸入純O2 10 s后,用Co/N/C-C-F在大鼠大腦海馬中記錄典型的體內(nèi)安培反應(yīng)-相對(duì)于Ag/AgCl為0.05 V。(i)CNT對(duì)AA的傳感機(jī)制示意圖;電勢(shì),相對(duì)于Ag/AgCl為0.1 V。(k)在含有200 μM AA(pH 7.4)的磷酸鹽緩沖液中,CF微電極(藍(lán)色,相對(duì)于Ag/AgCl為0.4 V)和CNT-CF微電極(粉紅色,相對(duì)于Ag/AgCl為0.1 V)的典型安培響應(yīng)持續(xù)1小時(shí)。(l)AA在大鼠腦中CNT-CF微電極上1小時(shí)的體內(nèi)安培反應(yīng);電勢(shì),相對(duì)于Ag/AgCl為0.1 V。    
圖4. 雙通道微電極傳感器的典型響應(yīng)。
            
文獻(xiàn)詳情
          
General In Situ Engineering of Carbon-Based Materials on Carbon Fiber for In Vivo Neurochemical Sensing
Hui Zeng, Guoyuan Ren, Nan Gao, Tianci Xu, Peng Jin,[a] Yongyue Yin, Rantong Liu, Shuai Zhang, Meining Zhang,* Lanqun Mao
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: https:///10.1002/anie.202407063

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