離子選擇性電極在腦神經(jīng)化學(xué)活體分析中的研究進(jìn)展

趙麗君　鄭衛(wèi)　毛蘭群

摘?要?腦功能的實現(xiàn)需要多種離子的共同參與，因此，在活體層次實時監(jiān)測腦內(nèi)離子的動態(tài)變化，對于理解許多生理病理事件具有重要意義。離子選擇性電極作為一類電化學(xué)傳感器，具有成本低、操作簡單、能耗低等特點，被廣泛應(yīng)用于活體分析等領(lǐng)域。本文以離子選擇性電極的發(fā)展歷程為主線，主要對其基本構(gòu)造及其在腦神經(jīng)化學(xué)活體分析領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了評述。

關(guān)鍵詞?離子選擇性電極; 活體分析; 腦神經(jīng)化學(xué); 評述

1?引 言

腦內(nèi)信息傳遞及與腦神經(jīng)相關(guān)的各種生理病理過程都有化學(xué)物質(zhì)參與，而腦內(nèi)的各種離子（如H+、Na+、Mg2+、Ca2+等）對維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的正常生理功能發(fā)揮了重要作用[1～10]。例如，腦內(nèi)H+與細(xì)胞生長與凋亡、酶的活性、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和離子傳輸?shù)让芮邢嚓P(guān)[1，2]。K+對于維持細(xì)胞正常的滲透壓、保持細(xì)胞正常的形態(tài)具有重要作用; 同時，還直接參與神經(jīng)信號的傳導(dǎo)過程[3，4]。Ca2+是參與基因表達(dá)、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、突觸形成和突觸傳導(dǎo)等生理活動的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元素; 并且，作為第二信使，Ca2+參與了調(diào)節(jié)肌肉收縮、激素分泌、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、細(xì)胞代謝和細(xì)胞凋亡等[5～9]。由此可見，腦內(nèi)離子的濃度必須維持在一定的穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)才能實現(xiàn)正常的腦神經(jīng)活動，任何離子濃度的失衡都會對神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響[9，11～14]。因此，建立腦內(nèi)離子動態(tài)變化的活體實時分析方法，對于了解腦神經(jīng)活動的基本過程和神經(jīng)系統(tǒng)性疾?。ㄈ缗两鹕Y、阿茲海默癥、腦缺血等）的發(fā)病機(jī)制、探索生命活動的化學(xué)本質(zhì)具有重要意義[4，5，9，15]。早在1968年，Bradbury等[16]就利用火焰原子吸收分光光度法，實現(xiàn)了對腦內(nèi)Ca2+和Mg2+的檢測。隨著分析方法的不斷發(fā)展，目前離子的檢測方法主要有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、核磁共振和熒光成像等[17～21]，然而這些分析方法無法滿足在活體動物水平上進(jìn)行離子濃度的在線實時檢測的要求[22，23]。與上述方法相比，電化學(xué)方法具有儀器設(shè)備簡單、操作方便，且可以通過靈活設(shè)計電化學(xué)界面來實現(xiàn)選擇性和穩(wěn)定性等優(yōu)點[24，25]。離子選擇性電極（Ion?selective electrode，ISE）作為一類電化學(xué)傳感器，具有體積小、攜帶方便、能耗低、成本低等特點，因此被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和過程控制等領(lǐng)域[26， 27]。此外，使用ISE進(jìn)行檢測時無需對復(fù)雜樣品進(jìn)行預(yù)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的連續(xù)檢測，因此在活體分析領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。本文對液體接觸式ISE和固態(tài)ISE在活體分析領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

2?液體接觸式ISE在腦神經(jīng)化學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的ISE通常稱為液體接觸式離子選擇性電極，它主要是由敏感膜、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極和惰性腔體組成。其中，敏感膜是ISE的核心，它能將待測離子的活度轉(zhuǎn)化為可測量的電位值。敏感膜的種類較多，從最早的玻璃膜、鹵化銀薄膜，逐漸發(fā)展到聚合物敏感膜。目前，聚合物膜敏感膜的主要成分是離子載體、離子交換劑、增塑劑和聚合物基體材料。其中，離子載體是敏感膜的重要組成部分，它可與待測離子鍵合形成配合物，從而實現(xiàn)對待測離子的選擇性分析; 離子交換劑主要是親脂性鹽，其作用是促進(jìn)離子的交換過程，降低帶相反電荷的離子對檢測結(jié)果的干擾; 增塑劑能夠增強(qiáng)敏感膜的塑性; 聚合物基體用于保證敏感膜具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。Ag/AgCl電極通常用作ISE的內(nèi)參比電極。

將液接式ISE插入到含有待測離子的溶液中，由于離子敏感膜只允許待測離子通過，這使得敏感膜內(nèi)外兩側(cè)的離子活度不同，因此待測離子會由高濃度向低濃度擴(kuò)散，導(dǎo)致敏感膜內(nèi)外兩側(cè)電荷分布不均，產(chǎn)生界面電勢，即為ISE的電極電位。ISE的電極電位與溶液中待測離子的活度遵守能斯特方程：

=φ0+RTzLFlnaL（1）

其中， φ為電極電位， φ0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，aL為待測離子活度，zL為待測離子的帶電荷數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。當(dāng)aL=1時，可以得到電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位φ0。當(dāng)工作電極和參比電極在溶液中組成原電池時，所測原電池的電動勢為：

E=E0+SlnaI（2）

其中，E為測得的電動勢; 當(dāng)aL=1時，得到電極的標(biāo)準(zhǔn)電動勢E0; S是響應(yīng)斜率，在理想情況下S=2.3026RT/F。在25℃時，S=59.18/zL。

ISE不受待測樣品溶液懸浮物、渾濁度、顏色等因素的影響，且無需樣品分離，因此可直接進(jìn)行原液或原位的分析。自1959年Hinke等[28]首次將微管電極用于細(xì)胞內(nèi)離子活度的測量以來，基于玻璃管的離子選擇性微電極（Ion?selective microelectrode， ISME）得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在生命科學(xué)領(lǐng)域。該類ISME尖端的尺寸可以小到105～106m。在測量時，通常采用兩根玻璃管電極，一根為ISE，尖端填充敏感膜，管內(nèi)填充內(nèi)充液，作為指示電極（圖1A）[29]， 另一根作為參比電極; 或者直接采用將ISME和參比電極整合在一起的雙管微電極（Double?barreled microelectrode， 圖1B）[30]; 甚至是可實現(xiàn)兩種離子同時檢測的三管微電極（Three?barreled microelectrode， 圖1C）[31]。

2.1?腦片層次

腦內(nèi)相關(guān)神經(jīng)生理病理過程的研究主要是基于細(xì)胞層次、腦片層次和活體層次展開的。其中，細(xì)胞層次的研究主要是對相應(yīng)生理病理模型的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行離體培養(yǎng)，然后再以單獨的神經(jīng)細(xì)胞為研究對象，對其進(jìn)行生物及化學(xué)性質(zhì)的分析。在進(jìn)行離體培養(yǎng)的體外研究時，神經(jīng)細(xì)胞由于脫離了細(xì)胞賴以生存的環(huán)境，阻斷了神經(jīng)細(xì)胞與其它細(xì)胞之間的相互聯(lián)系，因此獲得的研究結(jié)果無法還原腦內(nèi)真實的神經(jīng)生理病理過程。而腦片層次的研究能夠在一定程度上解決細(xì)胞層次研究的局限性，因為單個腦片中包含了研究對象的基本微環(huán)境，能夠在一定程度上保留不同細(xì)胞之間的神經(jīng)連接，保證了大腦神經(jīng)功能的完整性，因此在腦片層次開展腦內(nèi)離子的研究能夠更加準(zhǔn)確的反映出神經(jīng)生理病理過程的真實情況。

早在1980年，Benninger等[32]就開始利用兩根雙管ISME檢測了海馬腦切片CA1區(qū)在順行電刺激下的離子濃度變化，所使用的電極由兩根θ管分別拉制而成（圖2），電極尖端直徑為2～4 μm，K+和Ca2+敏感膜分別采用K+交換樹脂和Ca2+中性載體，發(fā)現(xiàn)海馬切片中K+和Ca2+濃度的變化與在體內(nèi)刺激下獲得的結(jié)果相似，該結(jié)果對于研究相關(guān)離子在腦內(nèi)微環(huán)境中變化的機(jī)制和影響具有潛在的應(yīng)用價值。1983年，Yaari等[33]通過降低大鼠海馬腦切片中的Ca2+濃度來誘導(dǎo)CA1區(qū)中的自發(fā)癲癇，利用兩根雙管ISME發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作期間細(xì)胞外Na+濃度降低和K+濃度升高。1987年，Hablitz等[34]用兩根雙管ISME在大鼠新皮質(zhì)切片上進(jìn)一步研究了癲癇發(fā)作期間細(xì)胞外K+和Ca2+的變化。Sick等[35]采用雙管ISME研究了缺氧狀態(tài)下海馬腦切片細(xì)胞外K+濃度的變化與神經(jīng)元興奮性的關(guān)系。1990年，Mcbain等[36]利用ISME實時測量了四甲基銨根離子（TMA+）在海馬腦切片不同腦區(qū)中的擴(kuò)散情況，并通過擴(kuò)散方程進(jìn)行擬合計算得到了細(xì)胞外體積分?jǐn)?shù)（EVF），發(fā)現(xiàn)CA1區(qū)錐體細(xì)胞層EVF為0.12，而CA3區(qū)的錐體細(xì)胞層和顆粒細(xì)胞層的EVF分別為0.18和0.15。而且，當(dāng)海馬腦切片細(xì)胞外K+的濃度從3.5 mmol/L升高至8.5 mmol/L時，CA1區(qū)的EVF可逆地減少了30%，這主要是由于K+濃度的升高，誘導(dǎo)了CA1區(qū)中的自發(fā)性癲癇。這些結(jié)果表明，海馬腦區(qū)不同亞區(qū)的細(xì)胞外間隙存在差異，這可能是海馬腦區(qū)的CA1區(qū)在病理條件下更容易遭受損傷的原因。1993年，Leschinger等[37]采用K+濃度升高和Mg2+、Ca2+濃度降低來誘導(dǎo)癲癇發(fā)作，利用雙管ISME研究了癲癇發(fā)作期間的場電位和細(xì)胞外離子濃度的變化。2000年，Holthoff等[38]用ISME研究了電刺激引起的新大腦皮層腦片細(xì)胞外間隙和K+濃度的變化，進(jìn)一步揭示了皮層腦組織的細(xì)胞外間隙緩沖機(jī)制。由此可見，在腦片層次利用ISME可以實現(xiàn)細(xì)胞周圍或完整組織細(xì)胞外一種或多種離子的同時檢測，并可結(jié)合電生理和膜片鉗等技術(shù)，揭示生理病理條件下離子變化機(jī)制以及與神經(jīng)元之間的相互關(guān)系。

2.2?活體層次

在腦片層次上開展的與離子相關(guān)的研究雖然取得了很多成果，但是由于腦片不能進(jìn)行長時間培養(yǎng)，因此無法進(jìn)行長期生理病理過程的研究; 并且在動物死亡過程中細(xì)胞也會發(fā)生一系列的變化，如細(xì)胞膜通透性的改變使得細(xì)胞會發(fā)生一定程度的水腫。因此，腦片層次上的研究結(jié)果不能完全揭示神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生的變化。為了能夠真實地反映出神經(jīng)系統(tǒng)在各種生理病理過程中對外界刺激的響應(yīng)，更多的研究者開始在活體層次上開展腦內(nèi)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的研究，這也將使我們可以同時結(jié)合行為學(xué)研究去更好地認(rèn)識神經(jīng)生理病理過程。目前采用ISME開展的針對腦神經(jīng)化學(xué)活體分析的研究主要集中在酸中毒、低血糖癥、癲癇、電刺激、SD和缺血以及物質(zhì)干預(yù)等病理模型引起的離子的變化等方面。

2.2.1?酸中毒?1975年， Heuser等[39]通過兩根ISME連續(xù)記錄了貓大腦皮層細(xì)胞外pH值和K+濃度的變化。當(dāng)靜脈注射乙酰唑胺引起腦酸中毒大概10 min后，大腦皮層細(xì)胞外pH值下降至0.203±0.0046（n=8），但在該過程中并未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外K+濃度的變化。該結(jié)果與Severinghaus等[40]的觀點相吻合，即碳酸性酸中毒是由乙酰唑胺對腦組織的直接作用引起的。

2.2.2?低血糖癥?Astrup等[41]在1976年使用雙微管ISME（尖端直徑1～2 μm）研究了大鼠發(fā)生嚴(yán)重低血糖時大腦皮層細(xì)胞外的K+濃度變化，發(fā)現(xiàn)低血糖引起的腦缺氧會導(dǎo)致大腦皮層中細(xì)胞外K+濃度顯著快速增加，表明K+釋放到了細(xì)胞外。1984年，Harris等[42]利用三管ISME研究了胰島素誘導(dǎo)的低血糖癥中細(xì)胞外Ca2+與K+濃度的變化趨勢以及不穩(wěn)定化合物三磷酸腺苷（ATP）和磷酸肌酸（PCr）的濃度變化與能量負(fù)荷（EC）之間的關(guān)系。

2.2.3?癲癇?1977年，Heinemann等[43]用ISME對貓大腦皮層陣發(fā)性活動（電刺激或癲癇）中體感皮層細(xì)胞外aCa和aK進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)重復(fù)電刺激對側(cè)前爪、丘腦腹外側(cè)核和皮層表面時可同時引起aCa的下降和aK的增加，而在癲癇發(fā)作期間aCa顯著下降（下降最多可達(dá)0.7 mmol/L），而且aCa的下降發(fā)生在陣發(fā)性放電和aK升高之前。1985年，Siesjo等[44]用ISME研究了癲癇發(fā)作和停止后恢復(fù)期間大腦皮層細(xì)胞內(nèi)外pH值的變化。

2.2.4?電刺激、SD和缺血?擴(kuò)散性抑制（Spreading depression， SD）是一種腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞去極化后神經(jīng)活動受到抑制的現(xiàn)象，該過程伴隨離子的重新分布、神經(jīng)元的腫脹以及神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞活動的抑制[45～47]。1977年，Nicholson等[48]對大鼠小腦平行纖維?浦肯野細(xì)胞回路進(jìn)行反復(fù)電刺激時，用雙管ISME研究了其細(xì)胞外Ca2+和K+的濃度變化，發(fā)現(xiàn)在該過程中細(xì)胞外Ca2+濃度下降到基線濃度的80%左右，K+濃度增加。而在SD過程中和缺氧末期，細(xì)胞外Ca2+濃度下降到基線的10%左右。但是，在SD和缺氧過程中，細(xì)胞外K+濃度均顯著增加。這些結(jié)果表明， 在神經(jīng)元活動期間，Ca2+濃度會發(fā)生變化，并且在SD和缺氧病理模型下Ca2+濃度變化可能是極端的。由于低濃度的Ca2+和K+會影響神經(jīng)元集合的能力，如細(xì)胞外Ca2+濃度的減少會提高軸突的興奮性、減少化學(xué)突觸傳遞，因此，他們認(rèn)為腦細(xì)胞外微環(huán)境中Ca2+濃度的變化可能是神經(jīng)元整體行為的重要參數(shù)。

Kraig等[49]在1978年利用ISME測定了SD過程中鯰魚小腦細(xì)胞外K+、Ca2+、Na+和Cl的濃度變化。他們發(fā)現(xiàn)在SD過程中，細(xì)胞外K+的濃度從靜息水平的2.3 mmol/L開始上升，大約在K+濃度上升后的20～40 s內(nèi)（K+濃度超過10 mmol/L時），Ca2+、Na+和Cl的濃度才開始下降。在SD最強(qiáng)烈時，K+上升至35 mmol/L， Ca2+濃度降至0.8 mmol/L（基礎(chǔ)值為2.2 mmol/L），Na+濃度57 mmol/L（基礎(chǔ)值為149 mmol/L），Cl濃度降至47 mmol/L（基礎(chǔ)值為137 mmol/L）; 這些結(jié)果表明了SD過程中細(xì)胞外主要離子濃度變化的幅度和時間順序。1981年，Hansen等[50]用ISME比較了大鼠在SD和缺血兩種情況下大腦皮層間隙離子濃度的變化。在SD和缺血的最初階段，他們觀察到細(xì)胞外K+濃度從3 mmol/L增加到約10 mmol/L， 但其它離子的濃度的變化很小。隨著SD和缺血時間的延長，K+濃度在2～3 s的時間內(nèi)快速增加至55 mmol/L，而此時Na+、Cl和Ca2+的濃度則分別下降至60、75和0.08 mmol/L，同時，這些變化還伴隨著局部電勢的迅速負(fù)移。然而，在SD和缺血兩種生理過程中，離子的變化還是存在一些差異。一方面，在SD發(fā)生的5～10 s內(nèi)，K+的濃度開始增大，而缺血持續(xù)1～2 min后才開始出現(xiàn)K+濃度的增大。另一方面，各離子濃度的擾動在SD結(jié)束后均恢復(fù)正常，但在缺血結(jié)束后，離子濃度的失衡會持續(xù)一段時間，在5 min后K+ 濃度變?yōu)?5 mmol/L，Na+為50 mmol/L，Cl為72 mmol/L，Ca2+為0.06 mmol/L。 這些結(jié)果表明在SD和缺血期間離子濃度的變化可能與細(xì)胞的離子通透性有關(guān)。

1978年，Nicholson等[51]采用兩根雙管ISME同時檢測了貓小腦皮層細(xì)胞外微環(huán)境中Ca2+和K+濃度的變化。當(dāng)給予小腦皮層30 s的局部電刺激時，該腦區(qū)的Ca2+濃度從基線的1.2 mmol/L降至0.8 mmol/L，K+濃度從3 mmol/L增加至8 mmol/L，并且離子濃度的變化幅度與刺激的頻率直接相關(guān)。同樣地，Hansen等[52]利用ISME對大鼠皮層缺血和皮層SD時細(xì)胞外間隙的體積變化進(jìn)行了研究。采用含有標(biāo)記物的50 mmol/L膽堿或50 mmol/L三甲基?三?（羥甲基）?甲基銨離子（N?TRIS）的等滲人工腦脊液沖洗皮層表面，并通過雙管ISME監(jiān)測它們在大腦皮層細(xì)胞外的濃度變化。由于這兩種物質(zhì)都具有較低的細(xì)胞滲透性，因此其濃度的變化反映了細(xì)胞外間隙的體積變化。該研究發(fā)現(xiàn)在SD和缺血期間，細(xì)胞外間隙體積收縮為初始體值的50%左右。

1980年，Krnjevic等[53]通過ISME記錄了電刺激海馬傘部和內(nèi)嗅區(qū)時海馬CA3腦區(qū)不同深度的細(xì)胞外K+和Ca2+活度（aK、aCa）的變化，發(fā)現(xiàn)在錐體細(xì)胞層中aK和aCa變化最大。而且，當(dāng)施加10 Hz的刺激時，aK在CA3腦區(qū)較寬的深度范圍內(nèi)都出現(xiàn)了不同程度的升高; 而aCa則僅在錐體細(xì)胞層中出現(xiàn)了明顯下降，他們認(rèn)為大量Ca2+流入錐體細(xì)胞層可能與海馬功能的“可塑性”有關(guān)。

Ekholm等[54]在1993年探討了短暫性腦缺血過程中能量恢復(fù)與Na+/K+轉(zhuǎn)運之間的關(guān)系，其中Na+/K+轉(zhuǎn)運是通過ISME測定的細(xì)胞外K+的濃度變化來反映的。1984年，Mutch等[55]利用雙管ISME研究了SD和全腦缺血過程中大鼠頂葉皮層細(xì)胞外pH的變化。Moghaddam等[56]采用ISME測定了SD和缺氧時紋狀體腦區(qū)細(xì)胞外K+濃度，同時用碳纖維微電極測定腦內(nèi)多巴胺的濃度。在SD過程中，隨著K+濃度的急劇升高產(chǎn)生了多巴胺的釋放，而在缺氧狀態(tài)下，多巴胺的釋放則明顯先于細(xì)胞外K+濃度的快速上升。這表明，雖然SD和缺血過程中紋狀體腦區(qū)內(nèi)存在明顯的多巴胺釋放，但在這兩種生理過程中，K+濃度升高與多巴胺釋放的先后順序是不同的，這可能是由不同的機(jī)制造成的。Silver等[57]采用ISME對大鼠腦缺血缺氧時細(xì)胞內(nèi)外游離Ca2+濃度的變化進(jìn)行了研究。Nedergaard等[58]采用ISME研究了大鼠局灶性缺血模型中細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外pH值之間的關(guān)系。

2.2.5?物質(zhì)干預(yù)?Zhang等[59]用ISME研究了地佐環(huán)平（MK?801）對重度低血糖患者腦細(xì)胞aK和aCa的影響。Young等[60]用ISME研究了貓實驗性脊髓損傷時大劑量皮質(zhì)類固醇對血液量、誘發(fā)電位和細(xì)胞外Ca2+濃度的影響， 采用大劑量皮質(zhì)類固醇進(jìn)行治療對實驗性脊髓損傷血流量、誘發(fā)電位和細(xì)胞外Ca2+濃度的影響。Heinemann等[61]用ISME檢測了興奮性和抑制性氨基酸電滲作用引起的貓感覺運動皮層細(xì)胞外Ca2+的濃度變化。Pumain等[62]用ISME研究了興奮性氨基酸誘導(dǎo)的大鼠運動皮層中的離子濃度變化。

由于ISE使用方法簡單，數(shù)據(jù)容易處理，儀器設(shè)備操作簡單，響應(yīng)時間較快（在0.1 s到幾秒之間），因此非常適合用于活體腦內(nèi)離子的檢測。并且，在活體層次利用ISME開展的研究非常有利于探索生理病理條件下離子的變化及其與其他物質(zhì)或神經(jīng)元放電等的相互關(guān)系，這對于理解疾病的發(fā)病機(jī)制非常重要， 對于疾病的預(yù)防和治療具有指導(dǎo)作用。

3?固態(tài)離子選擇性電極的發(fā)展及在活體分析中的應(yīng)用

雖然液體接觸式ISE在單細(xì)胞和活體分析方面得到了廣泛地應(yīng)用，但仍然存在一定的局限性。液體接觸式ISE含有將敏感膜與內(nèi)參比電極分開的內(nèi)部填充溶液（通常稱為內(nèi)充液），因此液體接觸式ISE對內(nèi)充液的蒸發(fā)、樣品溫度和壓強(qiáng)的變化非常敏感[27，63]。此外，樣品和內(nèi)充液之間存在離子強(qiáng)度的差異，由此產(chǎn)生的滲透壓會導(dǎo)致水流入或流出內(nèi)充液，從而引起內(nèi)充液較大的體積變化，導(dǎo)致ISE敏感膜的分層和靈敏度的降低[27]。因此，液體接觸式ISE需要良好的維護(hù)，如定期更換內(nèi)充液。此外，將內(nèi)充液的體積降低到遠(yuǎn)低于毫升水平是比較困難的，這就限制了傳感器的微型化[64]。盡管目前由玻璃微米管制備的有效面積小于100 nm的液體接觸式ISE已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于其具有較大的電阻，使得檢測過程噪音增加、響應(yīng)速率降低[65]，從而限制了液體接觸式ISE的發(fā)展和應(yīng)用。固態(tài)ISE（solid?state ion?selective electrode，SS?ISE）可以通過在敏感膜和導(dǎo)電基底之間形成固體接觸來消除液體接觸式ISE內(nèi)充液的影響。1970年， Hirata等[66]提出了一種全固態(tài)Cu2+的ISE（Cu2+ISE），該電極是將Cu2S浸漬的敏感膜直接滴涂在鉑絲上構(gòu)成。隨后，Cattrall等[67]用涂有Ca2+摻雜聚合物膜的鉑絲構(gòu)建了第一個包含離子載體的涂絲電極（即覆絲電極，Coated?wire electrode， CWE），該電極通常被認(rèn)為是最早的SS?ISE。

為了探索SS?ISE在活體分析中的應(yīng)用，Hao等[23]以碳纖維電極為基底電極，以氫離子敏感膜為識別元件，設(shè)計并制備了微型化的氫離子SS?ISE（H+?ISE），制備的H+?ISE在較窄的生理pH范圍內(nèi)（pH 6.0～8.0）對溶液pH值的變化表現(xiàn)出良好的響應(yīng)和可逆性，并且不受中樞神經(jīng)系統(tǒng)中內(nèi)源性物質(zhì)的干擾。更重要的是，H+敏感膜無論是在體外 BSA 溶液中，還是在鼠腦內(nèi)，都表現(xiàn)出了良好的抗蛋白吸附性能，這使得鼠腦內(nèi)pH值的檢測具有很好的可靠性。因此，利用該H+?ISE發(fā)展了一種電位分析方法，實時監(jiān)測了酸堿紊亂模型下大鼠杏仁核腦區(qū)pH值的變化（圖3）。

盡管這類電極制備簡單，但是其電位穩(wěn)定性卻很難與液體接觸式ISE相媲美。這是由于CWE是將敏感膜直接修飾在導(dǎo)電基底上形成的，由于敏感膜是離子導(dǎo)電的，而導(dǎo)電基底是電子導(dǎo)電的，因此在敏感膜和導(dǎo)電基底之間會形成“block”界面，阻礙了敏感膜與導(dǎo)電基底之間離子與電子的相互轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而產(chǎn)生了一個純電容界面[27， 68]。為了提高 CWE 的電位穩(wěn)定性，需要在 ISM 與金屬基底之間引入固態(tài)轉(zhuǎn)導(dǎo)層，用于離子與電子的可逆轉(zhuǎn)導(dǎo)。正如Nikolskii等[69]總結(jié)的，為了得到電位穩(wěn)定且可靠的SS?ISEs，轉(zhuǎn)導(dǎo)層必須具備以下3個條件：（1）可逆的離子?電子相互轉(zhuǎn)導(dǎo); （2）具有較高交換電流密度的理想非極化界面; （3）沒有副反應(yīng)。目前， 最常用的中間轉(zhuǎn)導(dǎo)層主要是導(dǎo)電聚合物、碳納米材料和金屬納米顆粒等[27，70～75]。

目前， SS?ISE的離子?電子的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制主要有兩種[27，75]。一種是在轉(zhuǎn)導(dǎo)層和敏感膜之間形成類似于不對稱電容器的雙電層電容[27，75～77]，如圖4A所示，一側(cè)是離子（敏感膜中的陰離子和陽離子），另一側(cè)是電荷（轉(zhuǎn)導(dǎo)層中的電子或空穴），在敏感膜和轉(zhuǎn)導(dǎo)層之間的界面電容依賴于雙電層的電荷量。轉(zhuǎn)導(dǎo)層主要是碳納米材料和金屬納米顆粒[27，75]。另一種是基于轉(zhuǎn)導(dǎo)層的氧化還原反應(yīng)提供的可逆離子?電子的轉(zhuǎn)導(dǎo)[27，75，78]，轉(zhuǎn)導(dǎo)層的氧化還原反應(yīng)涉及到了待測離子或者其疏水的對離子，如圖4B所示。該類氧化還原反應(yīng)包括摻雜小陰離子或者大電解質(zhì)的導(dǎo)電聚合物，摻雜物質(zhì)的含量由氧化還原電容和聚合物的導(dǎo)電性控制。導(dǎo)電聚合物既可以被氧化， 又可以被還原，使得它具有氧化還原的緩沖能力。這種類型的轉(zhuǎn)導(dǎo)層通常是導(dǎo)電聚合物，如聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚3?辛基噻吩（POT）和聚（3，4?乙烯二氧噻吩）（PEDOT）等[27，75]。

在SS?ISE應(yīng)用過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)SS?ISE仍面臨著一個關(guān)鍵問題：導(dǎo)電基底/ISM界面水層的存在[27，63]使得SS?ISE對滲透壓的變化非常敏感，而且不可避免地會發(fā)生電位漂移。為了提高電位的穩(wěn)定性，必須采取有效措施防止形成水層。目前，將疏水的納米材料引入轉(zhuǎn)導(dǎo)層是阻止水層形成的有效方法，最常用材料主要是碳材料，如碳納米管、炭黑、三維多孔碳、石墨烯、富勒烯、膠體印跡多孔碳和多孔碳球等[27，63]。Zhao等[5]以空心碳納米球（Hollow carbon nanospheres， HCNs）作為轉(zhuǎn)導(dǎo)層構(gòu)建了固態(tài)Ca2+ISE，發(fā)現(xiàn)無轉(zhuǎn)導(dǎo)層的Ca2+ISE電位漂移為2.2 mV/h，而HCNs作為轉(zhuǎn)導(dǎo)層改善了SS?ISE電位的長期穩(wěn)定性（0.020 mV/h）。他們用內(nèi)部結(jié)構(gòu)為3層的HCNs作為轉(zhuǎn)導(dǎo)層構(gòu)建了微型化的Ca2+ISE，并將該電極用于電刺激引起的SD過程中細(xì)胞外Ca2+濃度動態(tài)變化的研究（圖5），發(fā)現(xiàn)在SD過程中大鼠大腦皮層細(xì)胞外Ca2+濃度降低了50.0%±7.5%，這表明SD過程中有大量的Ca2+會流入細(xì)胞內(nèi)。該研究成果為SS?ISE的微型化、活體腦內(nèi)金屬離子和pH值的測量提供了新的平臺。

另外，Zhao等[4]發(fā)現(xiàn)氧化石墨炔（Graphdiyne oxide， GDYO）與水的結(jié)合速度優(yōu)于其它含碳材料。因此，他們首次將GDYO 用作SS?ISE的轉(zhuǎn)導(dǎo)層，同時采用MnO2作為輔助中間層，構(gòu)建了K+?ISE。通過計時電位法發(fā)現(xiàn)，以GDYO?MnO2為轉(zhuǎn)導(dǎo)層的K+?ISE的電位漂移（（11±2） μV/s）明顯低于以MnO2為轉(zhuǎn)導(dǎo)層的K+?ISE（（39±3） μV/s），這表明GDYO獨特的結(jié)構(gòu)和疏水性能夠阻礙和穩(wěn)定水層，進(jìn)而提高SS?ISE的電位穩(wěn)定性。他們進(jìn)一步以GDYO?MnO2為轉(zhuǎn)導(dǎo)層構(gòu)建了微型的K+?ISE，研究了電刺激條件下大鼠大腦皮層細(xì)胞外K+濃度的變化，發(fā)現(xiàn)電刺激手段使得細(xì)胞外的K+濃度增加了3倍。GDYO作為轉(zhuǎn)導(dǎo)層可推廣到不同的ISE，且不需要復(fù)雜的處理步驟，這為腦內(nèi)離子傳感提供了新的機(jī)會。

離子的動態(tài)變化越來越多地被認(rèn)為在許多腦疾病的生理病理學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此，在腦神經(jīng)科學(xué)研究中測量活體大腦中細(xì)胞外離子的濃度顯得尤為重要。然而，目前大多數(shù)用于直接測量活體腦組織細(xì)胞外離子濃度的電極一般是基于玻璃毛細(xì)管的液體接觸式ISE，不僅在制作過程中易碎、耗時，而且這種探針只能用于測量大腦中單一深度和位置的細(xì)胞外離子濃度。最近，Odijk等[79]設(shè)計并制備了一種可在活體動物腦內(nèi)同時測量不同深度和位置的微型ISE電極，如圖6所示，他們首先在陣列電極上電沉積導(dǎo)電聚合物PEDOT（如圖6D所示）， 然后再修飾K+的敏感膜，形成的K+?ISE用于研究野生型小鼠KCl刺激導(dǎo)致的SD過程中大腦皮層細(xì)胞外K+濃度的變化，該電極不受pH、值或O2的干擾，具有很好的穩(wěn)定性和選擇性。而且，單純裸露的PEDOT電極也可用于電位和神經(jīng)元活動的記錄，該研究為同一電極同時檢測不同深度和不同位置的離子變化和相關(guān)神經(jīng)元的活動奠定了基礎(chǔ)。另外，這種微制造技術(shù)還可以將不同種類的傳感器集成到同一個平臺上，實現(xiàn)不同物質(zhì)的同時檢測。

大腦功能的實現(xiàn)依賴于多種化學(xué)物質(zhì)的共同作用，而單一化學(xué)物質(zhì)的檢測難以闡明其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和疾病發(fā)生的生理病理機(jī)制。因此，實現(xiàn)大腦中多種物質(zhì)的同時檢測尤為重要。趙凡等[80]設(shè)計并構(gòu)建了一種能夠同時檢測谷氨酸和Ca2+的新型雙功能微電極（DFME）生物傳感器。該傳感器通過在Pt微電極（Pt?ME）上同時修飾谷氨酸氧化酶GluOX和Pt納米顆粒（PtNPs）用作谷氨酸的電流記錄通道，電沉積的PtNPs大大提高了谷氨酸生物傳感器的靈敏度; 采用全固態(tài)Ca2+選擇性微電極作為Ca2+的電位記錄通道（圖7）。該雙功能微電極不僅兩個通道的檢測信號互不干擾，并且具有良好的選擇性和較低的檢測限，已成功應(yīng)用于大鼠SD和缺血過程中谷氨酸和Ca2+濃度的實時檢測。該研究對理解生理病理過程中谷氨酸和Ca2+的共同作用提供了很好的平臺，而且為兩種或多種化學(xué)物質(zhì)同時檢測提供了一種新的分析方法。

4?ISE在腦神經(jīng)活體分析化學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展

近年來， ISE在腦神經(jīng)化學(xué)活體分析中得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中液接式ISE和全固態(tài)ISE在腦神經(jīng)化學(xué)活體分析領(lǐng)域仍然占有重要的地位。Filippidis等[81]將液接式ISME和顱內(nèi)壓（ICP）探針植入大鼠頂葉皮層，用于實時監(jiān)測大鼠局灶性腦損傷后血管加壓素?1a受體（V1aR）選擇性抑制劑SR49059對細(xì)胞外Na+、K+濃度和ICP的調(diào)節(jié)作用。Haj?Yasein等[82]用液接式ISME評估了水通道蛋白?4（AQP4）缺失對成年小鼠海馬腦區(qū)和胼胝體急性切片中活性誘導(dǎo)的K+變化的影響。Yao等[83]研究了AQP4介導(dǎo)的細(xì)胞外K+和細(xì)胞外間隙（ECS）體積變化對野生型和AQP4缺陷型小鼠皮層擴(kuò)散性抑制（CSD）去極化的速度、頻率和幅度的影響。Odackal等[84]利用雙管液接式ISME研究了低鈉血癥發(fā)生和恢復(fù)正常時冠狀腦切片中Ca2+變化的幅度、時間及相應(yīng)的機(jī)制。Haack等[85]演示了雙管液接式ISME的制備和校準(zhǔn)，并將該電極用于小鼠海馬腦區(qū)急性腦切片，研究了外源性給與谷氨酸受體激動劑或癲癇活動期間細(xì)胞外K+濃度的變化。他們還進(jìn)一步描述了同心ISME的構(gòu)建，并對比了Na+敏感的雙管電極和同心電極的響應(yīng)特性。Moon等[86]開發(fā)了一種用于同時檢測NO和K+的雙電化學(xué)微型傳感器。該傳感器由Pt和Ag的微盤電極構(gòu)成，其中采用電鍍法對Pt盤表面進(jìn)行改性，然后用氟化干凝膠對其進(jìn)行包覆用于檢測NO， 將Ag盤表面氧化成AgCl，在硅烷化后涂覆K+選擇性膜， 用于K+的檢測。該傳感器具有良好的選擇性， 響應(yīng)時間快， 在體內(nèi)6 h內(nèi)具有穩(wěn)定性，而且該電極尺寸較小，可插入生物組織，因此被用于大鼠癲癇發(fā)作時NO和K+動態(tài)變化的檢測。Octeau等[87]詳細(xì)講述了液接式單極K+?ISME的制備、校準(zhǔn)和使用，并將該電極用于成年海馬腦切片電刺激引起的K+的濃度變化的檢測。Zhao等[88]使用TMA+作為ECS的離子示蹤劑，研究了大鼠軀體感覺皮層在SD過程中ECS體積分?jǐn)?shù)α和擴(kuò)散迂曲度λ的動態(tài)變化，其中TMA+的擴(kuò)散采用液接式雙管ISME進(jìn)行檢測。另外，ISE本身性能的提高也成為該領(lǐng)域的研究熱點之一，如開發(fā)新型的離子載體[89]、 尋找合適的轉(zhuǎn)導(dǎo)層，提高電位的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性[90～94]、 發(fā)展新的信號輸出方法[95，96]、 發(fā)展可同時檢測兩種或多種離子的多通道或陣列電極[97，98]等， 這些研究將為ISE在活體分析領(lǐng)域提供更多的發(fā)展機(jī)會和應(yīng)用前景。

5?總結(jié)與展望

目前，離子選擇性電極的研究取得了較大的發(fā)展和進(jìn)步。相較于傳統(tǒng)ISE，SS?ISE無需特別維護(hù)、制備方法簡單、使用壽命較長、響應(yīng)速度更快、檢測限更低，因此在活體分析領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。未來以下幾個方面將倍受研究者的關(guān)注：（1）雖然在過去的幾十年內(nèi)SS?ISE取得了較大的進(jìn)步和發(fā)展，但是獲得具有可重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電位仍然是的SS?ISE發(fā)展面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，因此開發(fā)具有較大雙電層電容或氧化還原電容的轉(zhuǎn)導(dǎo)層仍是SS?ISE主要的研究方向之一; （2）SS?ISE與先進(jìn)微制造技術(shù)的兼容性，為制造包含多功能傳感器和可穿戴電子設(shè)備的微型化芯片提供了可能，這對于生物活體以及單細(xì)胞檢測具有較大的發(fā)展前景; （3）SS?ISE有望重振離子選擇性場效應(yīng)晶體管領(lǐng)域，并與納米線器件相結(jié)合，開辟新的可能性; （4）SS?ISE可與無線傳感技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，這對于實現(xiàn)活體動物清醒條件下的測量也十分有效，也可與柔性器件相結(jié)合，實現(xiàn)對活體動物的無損傷檢測。

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Recent Advances of Ion?Selective Electrode for ?in Vivo

Analysis in Brain Neurochemistry

ZHAO Li?Jun1， ZHENG Wei*1， MAO Lan?Qun*2，3

1（College of Materials Science and Chemical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

2（Beijing National Laboratory for Molecular Science， Key Laboratory of Analytical Chemistry for Living Biosystems，

Institute of Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

3（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract?In the central nervous system， the realization of brain functions cannot be achieved without the participation of many ions， therefore， it is of great significance to real?time monitor the dynamic of ions in the living brain for understanding many physiological and pathological events. As a kind of electrochemical sensor， ion?selective electrode has been widely used for in vivo analysis and other fields in the past half century due to its low cost， simple operation and low energy consumption. This review mainly focuses on the development of ion?selective electrodes， and introduces its basic structure and application in the field of brain neurochemical analysis.

Keywords?Ion?selective electrode; In vivo analysis; Brain neurochemistry; Review