活體原位電化學(xué)檢測鼠腦內(nèi)的過氧化氫和多巴胺

張帥　馮濤濤　張麗　張美寧

摘?要?在腦神經(jīng)系統(tǒng)中， 過氧化氫（H2O2）和多巴胺（DA）的同時(shí)分析具有重要的意義，但二者的同時(shí)實(shí)時(shí)分析具有很大的挑戰(zhàn)。本研究制備了可用于二者同時(shí)電化學(xué)分析的環(huán)盤微電極，中間的碳纖維盤（CFdisk）電極通過電化學(xué)沉積選擇性地修飾普魯士藍(lán)（PB），并電聚合聚3，4?乙烯二氧噻吩（PEDOT）保護(hù)PB，檢測H2O2，金環(huán)（Auring）電極檢測DA。研究結(jié)果表明，此電極對H2O2的線性檢測范圍為1～29 μmol/L，檢出限為0.4 μmol/L; 對DA的線性檢測范圍為0.5～25 μmol/L，檢出限為0.18 μmol/L，兩電極之間未交叉干擾。采用此電極檢測了大鼠腦內(nèi)的DA和H2O2濃度的變化。本研究為有關(guān)H2O2和DA的神經(jīng)生理和病理的研究提供了新的方法。

關(guān)鍵詞?過氧化氫; 多巴胺; 活體; 微電極; 電化學(xué)分析

1?引 言

過氧化氫（H2O2）是腦神經(jīng)系統(tǒng)中重要的調(diào)質(zhì)。一方面，H2O2是活性氧物質(zhì)（ROS）之一[1，2]，濃度過高會引起大范圍細(xì)胞損傷，與帕金森綜合癥等疾病密切相關(guān)[3，4]; 另一方面，越來越多的研究表明，H2O2是信號分子[1，5]，不僅是細(xì)胞生長和細(xì)胞器功能的調(diào)節(jié)者，也是神經(jīng)元之間、神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞間的擴(kuò)散性信使分子[6]，并且在突觸傳導(dǎo)和可塑性方面也有著重要作用[7]。如神經(jīng)元中多巴胺（DA）和6?羥基多巴胺（6?OHDA）的氧化產(chǎn)生H2O2，可調(diào)節(jié)神經(jīng)元生理狀態(tài)[8，9]，在紋狀體神經(jīng)元中，谷氨酸激活α?氨基?3?羥基?5?甲基?4?異惡唑丙酸受體（AMPAR）可在下游產(chǎn)生H2O2，產(chǎn)生的H2O2作為信號分子，通過鉀離子?三磷酸腺苷（K?ATP）通道抑制軸突釋放DA[10，11]。因此H2O2與DA的同時(shí)分析對于了解二者的相互作用具有重要意義。

活體原位電化學(xué)分析是將微電極植入特定腦區(qū)， 對腦神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行分析的方法[12～20]，因其為時(shí)空分辨率高，電極易于微型化、陣列化[21～27]，在腦神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用越來越多。但是腦內(nèi)物質(zhì)多樣，性質(zhì)相近，多種物質(zhì)分析必須克服相互之間的交叉干擾[28，29]，因此建立具有高選擇性的多組分的原位實(shí)時(shí)電化學(xué)分析方法具有很大的挑戰(zhàn)。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)可同時(shí)檢測兩組分的微電極，如圖1所示，中間為碳纖維盤（CFdisk），外周為納米金環(huán)（Auring），以H2O2和DA為例，在CFdisk電極上修飾普魯士藍(lán)選擇性分析H2O2，Auring電極檢測DA。本研究結(jié)果有助于更深入研究腦神經(jīng)系統(tǒng)中H2O2和DA的生理功能和二者的相互關(guān)系。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

CHI760D電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）; 三電極系統(tǒng)：CFdiskAuring電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為對電極; WD?2微電極拉制儀（成都儀器廠）; JPC?200磁控濺射鍍膜機(jī)（北京泰科諾科技有限公司）; FE20/EL20型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)（梅特勒?托利多公司）; JSM?7401F掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

K3[Fe（CN）6]、FeCl3、NaOH、濃H2SO4（98%）、乙腈（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）; 3，4?乙烯二氧噻吩（EDOT）、多巴胺（DA）、H2O2（Sigma公司）; pH 7.4磷酸鹽緩沖溶液（PBS）由50 mmol/L的KH2PO4?K2HPO4組成; 人工腦脊液（aCSF，pH=7.4）由KH2PO4（0.5 mmol/L）、NaHCO3（27.5 mmol/L）、NaCl（126 mmol/L）、KCl（2.4 mmol/L）、CaCl2（1.1 mmol/L）、MgCl2（2.4 mmol/L）和Na2SO4（0.5 mmol/L）組成; 所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水，室溫（25℃）下操作。

2.2?實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1?微電極的制備?微電極的制備如圖1所示，使用微電極拉制儀在820℃的拉制溫度下將玻璃管（i.d. 1.5 mm，L=10 cm）拉制成兩個(gè)尖端很細(xì)的毛細(xì)管，拉制完成后，用玻璃刀割開毛細(xì)管尖端，控制端口直徑為20～30 μm。將碳纖維用導(dǎo)電銀膠連接到銅絲上，小心穿入到上述制備好的毛細(xì)管中。用502膠將毛細(xì)管兩端封住，放置過夜，使502膠固化，制備成碳纖維電極（CFE）。再將CFE置于磁控濺射鍍膜儀中，在玻璃管外壁鍍金層（約350 nm），取出后用銅絲連接金層，并用蠟封金層絕緣，制成金環(huán)電極。將制備好的CFE?Auring電極用2000目砂紙打磨，制成CFdiskAuring電極，超聲，沖洗后備用。

活化CFdiskAuring電極： CFdisk電極在1 mol/L NaOH溶液中+1.5 V電位下活化80 s，然后在0～+1.0 V電位范圍內(nèi)，以50 mV/s的掃速循環(huán)掃描至峰電流穩(wěn)定為止; Auring電極在0.05 mol/LH2SO4溶液中，以50 mV/s的掃速在0.2～ +1.8 V電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描至峰電流穩(wěn)定為止。電極活化之后，在CFdisk電極上利用恒電流沉積法（電流密度，2 μA/cm2），在含有1 mmol/L K3[Fe（CN）6]和1 mmol/L FeCl3的KCl（pH=2，0.1 mol/L）溶液中沉積800 s，獲得普魯士藍(lán)（PB）修飾的CFdisk（PB/CFdisk）電極。將PB/CFdisk電極在含10 μmol/L EDOT的乙腈和KCl混合溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描2圈，電位范圍是0.1～+1.2 V， 掃速為50 mV/s，獲得PEDOT/PB修飾的CFdisk（PEDOT/PB/CFdisk）電極。

2.2.3?動物實(shí)驗(yàn)?實(shí)驗(yàn)動物為雄性Sprague?Dawley純種大鼠（350～400 g）， 購于北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動物中心，于室溫條件下在自然光照周期中自由飲水進(jìn)食，所有動物實(shí)驗(yàn)過程均遵照國家納米科學(xué)中心動物飼養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)條例。大鼠用水合氯醛腹腔注射麻醉（345 mg/kg，i.p.），剔除老鼠頭部毛發(fā)，用酒精消毒后，將大鼠頭部固定在立體定位儀上，開顱，去除軟腦膜。將雙極刺激電極植入到內(nèi)前側(cè)腦束（MFB）

（Ap=2.2 mm，L=1.6 mm，V=7.3 mm），將制備的環(huán)盤微電極植入到伏隔核（NAc）（AP=1.8 mm， L=1.5 mm， V=6.5 mm）。對雙極刺激電極施加頻率60 Hz，±300 μA的電刺激信號3 s，刺激NAc腦區(qū)釋放DA。檢測H2O2時(shí)，將10 mmol/L H2O2以10 μL/min流速注入到NAc區(qū)域，記錄H2O2信號。

3?結(jié)果與討論

3.1?環(huán)盤微電極的制備與表征

圖1A為環(huán)盤電極的制備過程圖，中間為CFdisk電極，并被拉制的玻璃毛細(xì)管包被，玻璃管外壁利用濺射的方法鍍一層Au膜，為了形成納米Auring電極，側(cè)壁用石蠟絕緣。所制備的環(huán)盤電極電鏡表征圖如圖1C和1D所示，整個(gè)電極的外徑約為40 μm，CFdisk電極的直徑約為7 μm，納米Auring的厚度約為350 nm。此外，在挑選的毛細(xì)管玻璃壁厚度和拉制儀溫度下，CFdisk和Auring電極之間玻璃管的厚度約為10 μm。

圖2為環(huán)盤電極、CFdisk電極和Auring電極在5 mmol/LRu（NH3）6Cl3溶液中的循環(huán)伏安圖。如圖2實(shí)線所示，在0.5～+0.1 V的電位范圍內(nèi)，環(huán)盤電極中的CFdisk和Auring電極單獨(dú)施加電位時(shí)，兩個(gè)電極的循環(huán)伏安圖為典型的穩(wěn)態(tài)伏安曲線，

說明CFdisk和Auring均具有微電極的特征。為了考察CFdiskAuring電極中CFdisk電極和Auring電極之間是否存在擴(kuò)散層交蓋，并且可獨(dú)立工作，使用兩通道，將CFdiskAuring環(huán)盤電極中的兩個(gè)電極同時(shí)施加電位，如圖2虛線所示，CFdisk和Auring的循環(huán)伏安圖也為穩(wěn)態(tài)曲線，并且兩個(gè)電極的電流大小和分別施加電位的圖相同，說明兩個(gè)電極之間未擴(kuò)散層交蓋。上述研究結(jié)果說明，此電極可用于兩組分的同時(shí)檢測。

3.2?環(huán)盤電極對H2O2和DA的電化學(xué)響應(yīng)

如前所述，利用Auring電極檢測電刺激DA的釋放，并通過電化學(xué)沉積的方法，將對H2O2有選擇性催化的PB沉積在中間CFdisk電極上。H2O2雖然具有電化學(xué)活性，但是在一般電極上氧化還原過電位很大，氧化電位高于+0.6 V，還原電位低于

0.5 V，而PB在中性溶液中容易結(jié)構(gòu)坍塌，因此用電聚合的方法將導(dǎo)電聚合物PEDOT原位聚合在PB/CFdisk電極上，用以保持PB在中性溶液的穩(wěn)定性。圖3為所制備的電極對H2O2和DA在中性溶液中的電化學(xué)響應(yīng)圖。 PB/CFdisk電極修飾PEDOT前后循環(huán)掃描25圈的穩(wěn)定性圖如圖3A和圖3B所示，

圖3?PB/CFdisk電極在電聚合PEDOT（A）前和（B）后在PBS溶液中的循環(huán)掃描（CV）圖，掃速50 mV/s; （C）PEDOT/PB/CFdisk電極在PBS中加入300 μmol/L H2O2前（a）、后（b）的CV圖，掃速5 mV/s; （D）Auring電極在PBS中加入100 μmol/L DA前（a）、后（b）的CV圖，掃速50 mV/s

Fig.3?CVs obtained at Prussian blue （PB）/CFdiskmicroelectrode in PBS before （A） and after （B） electropolymerized of poly（3，4?ethylenedioxythiophene） （PEDOT） at pH=7.4 and scan rate=50 mV/s; （C） CVsobtained at PEDOT/PB/CFdiskelectrode in PBS in the absence （a） and presence （b） of 300 μmol/LH2O2. Scan rate： 5 mV/s; （D） CVs obtained at Auringelectrode in PBS in the absence （a） and presence （b） of 100 μmol/L DA. Scan rate： 50 mV/sPB/CFdisk電極在+0.18 V有一對可逆的PB的氧化還原峰，氧化還原峰電流在循環(huán)掃描的過程中，因?yàn)镻B在中性溶液中不穩(wěn)定，電流逐漸減小，而經(jīng)過PEDOT保護(hù)的PB/CFdisk電極，PB的氧化還原峰電流并未明顯的降低，說明PEDOT對PB具有很好的保護(hù)作用。當(dāng)在中性PBS中加入300 μmol/L H2O2時(shí)，PB的氧化峰電流減小，還原峰電流增加（圖3C），說明PB對H2O2具有良好的催化作用。DA在Auring電極上的電化學(xué)行為（圖3D）表明， DA在+0.18 V處氧化電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)，說明DA在Auring電極上有很好的電化學(xué)響應(yīng)。

3.3?環(huán)盤電極對H2O2和DA的電化學(xué)分析

為了避免環(huán)盤電極上H2O2和DA的相互干擾，本研究選擇PEDOT/PB/CFdisk電極對H2O2的檢測電位為0.05 V。首先考察了PEDOT/PB/CFdisk電極和Auring電極對H2O2和DA檢測的線性和靈敏度，結(jié)果如圖4所示。由圖4A可見，在0.05 V電位下，在PBS溶液中連續(xù)加入一定濃度的H2O2時(shí)，PEDOT/PB/CFdisk電極具有良好的電流響應(yīng)，H2O2濃度在1～29 μmol/L范圍內(nèi)，電流響應(yīng)與濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系（I （pA）=27.67-4.37CH2O2（μmol/L）， R=0.98），檢出限為0.4 μmol/L（S/N=3）。Auring電極對DA也具有良好的響應(yīng)，DA濃度在0.5～25 μmol/L，其電流響應(yīng)值與DA濃度呈良好的線性關(guān)系（I （nA）=0.40 （nA）+ 0.45CDA （μmol/L）， R=0.99），檢出限為0.18 μmol/L（S/N=3）。

進(jìn)一步考察了環(huán)盤電極之間是否存在交叉干擾，結(jié)果如圖5所示，當(dāng)PBS溶液中加入20 μmol/L H2O2后，Auring電極上未出現(xiàn)明顯的電流變化， 而PEDOT/PB/CFdisk電極上的電流則明顯下降。加入圖4?（A）在PBS溶液中連續(xù)加入一定濃度的H2O2后PEDOT/PB/CFdisk電極的電流響應(yīng)圖。電位：

0.05 Vvs. Ag/AgCl; （B）從圖（A）中獲取的電流信號值與H2O2濃度的線性關(guān)系; （C）在PBS中連續(xù)加入一定濃度的DA后Auring電極的電流響應(yīng)及（D）從圖（C）中獲取的電流信號值與DA濃度的線性關(guān)系，電位： +0.3 V vs. Ag/AgCl

Fig.4?（A） Amperometric responses curve obtained at PEDOT/PB/CFdiskelectrode in the PBS upon successive addition of different concentrations of H2O2 （μmol/L） as labeled; （B） Linear curve of current responses obtained from （A） to the concentration of H2O2. Applied potential： -0.05 V vs. Ag/AgCl; （C） Amperometric responses curve obtained at Auringelectrode in the PBS upon successive addition of different concentrations of DA （μmol/L） as labeled. Applied potential： +0.3 V vs. Ag/AgCl; （D） Linear curve of current responses obtained from （C） to the concentration of DA10 μmol/LDA后，Au?ring電極的電流出現(xiàn)了明顯增加，而PEDOT/PB/CFdisk電極的電流未明顯變化。

這些結(jié)果表明，PEDOT/PB/CFdiskAuring電極兩個(gè)通道之間未交叉干擾，因此可用于MFB?NAc腦區(qū)中H2O2和DA的同時(shí)檢測。

利用計(jì)時(shí)電流法檢測時(shí)，電極的穩(wěn)定性也是活體分析要考慮的重點(diǎn)問題。如圖6A所示，在2000 s內(nèi)， PEDOT/PB/CFdisk電極能保持良好的穩(wěn)定性。本研究采用濺射成膜方式形成的Auring電極，檢測DA在2000 s內(nèi)同樣擁有良好的穩(wěn)定性，這與文獻(xiàn)[30]報(bào)道的金電極對DA檢測具有良好的穩(wěn)定性一致。

3.4?鼠腦內(nèi)的H2O2和DA的活體檢測

為了證明Auring電極能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測活體內(nèi)DA的變化，將環(huán)盤電極植入到SD大鼠的NAc腦圖6?（A）在PBS溶液中加入10 μmol/L H2O2后的PEDOT/PB/CFdisk電極的電流響應(yīng)圖。電位： -0.05 V vs.Ag/AgCl; （B）在PBS溶液中加入10 μmol/L DA后的Auring電極的電流響應(yīng)圖。電位： +0.3 Vvs.Ag/AgCl

Fig.6?（A） Amperometric current response of （A） H2O2 （10 μmol/L） at PEDOT/PB/CFdiskelectrode in PBS and （B） DA （10 μmol/L） at Auringelectrode in PBS. Applied potential： -0.05 V vs.Ag/AgClat PEDOT/PB/CFdiskelectrode; +0.3 V vs. Ag/AgCl at Auringelectrode

區(qū)，并在MFB區(qū)域用雙極電極進(jìn)行電刺激（60 Hz，±300 μA，3 s）。如圖7A所示，在刺激后，Auring電極上記錄到短暫的脈沖式電流變化，

這種釋放模式與文獻(xiàn)[13，14]報(bào)道一致。但是，在刺激下未觀察到H2O2濃度變化。為了考察PB/PEDOT/CFdisk電極能對H2O2具有響應(yīng)，利用微灌注的方式，在微電極附近灌注H2O2（10 mmol/L），結(jié)果如圖7B所示，灌注H2O2 100 s后，電流逐漸下降，并達(dá)到峰值; 停止灌注后，電流又恢復(fù)到基線值，說明PB/PEDOT/CFdisk電極對在活體內(nèi)對H2O2也具有良好的響應(yīng)。

4?結(jié) 論

制備了用于H2O2和DA檢測的環(huán)盤微電極，此電極對H2O2和DA均有良好的電流響應(yīng)和穩(wěn)定性。PEDOT/PB/CFdisk電極和Auring電極之間未交叉干擾，可檢測活體內(nèi)H2O2和DA濃度的變化。雖然在電刺激的過程中未觀察到二者濃度同時(shí)變化，但此方法可用于其它的生理或者病理過程中有關(guān)H2O2和DA濃度的變化，并促進(jìn)與之相關(guān)的生理和病理的研究。

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In Vivo Electrochemical Detection

of Hydrogen Peroxide and Dopamine

ZHANG Shuai， FENG Tao?Tao， ZHANG Li， ZHANG Mei?Ning*

（Department of Chemistry， Renmin University of China， Beijing 100872， China）

Abstract?Simultaneous analysis of hydrogen peroxide （H2O2） and dopamine （DA） in the central nervous system is of great significance and has great challenges. Herein， a ring?disk microelectrode for simultaneous electrochemical analysis of H2O2 and DA was developed. To selectively detect H2O2， the carbon fiber disk （CFdisk） electrode in the middle of the ring?disk microelectrode was electrochemically modified by Prussian blue （PB） and poly（2，3?dihydrothieno?1，4?dioxin） （PEDOT）. The Auringon the periphery of the ring?disk microelectrode was used to detect DA. The ring?disk microelectrode exhibited sensitive response to H2O2 （linearity range： 1-29 μmol/L） and DA （linearity range： 0.5-25 μmol/L） with a detection limit of 0.4 μmol/Land 0.18 μmol/L， respectively. The ring?disk microelectrode was successfully used in measuring H2O2 and DA in rat brain. This method provided a new platform for the study of neurophysiology and pathology of H2O2 and DA.

Keywords?Hydrogen peroxide; Dopamine; In vivo; Microelectrodes; Electrochemical analysis