摘 要 腦科學(xué)已經(jīng)成為多學(xué)科交叉研究的前沿領(lǐng)域之一， 其中腦神經(jīng)化學(xué)的研究由于能夠揭示腦活動和腦疾病過程中的物質(zhì)基礎(chǔ)， 在神經(jīng)科學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域引起了高度關(guān)注。電化學(xué)分析方法具有高靈敏度、高時空分辨、電極/溶液界面可設(shè)計等特點， 尤其適用于在活體動物層次開展腦神經(jīng)化學(xué)的分析研究。本文圍繞活體原位電化學(xué)分析方法的原理和特點， 綜述了近年來電化學(xué)分析方法在腦神經(jīng)化學(xué)研究中的應(yīng)用， 并對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞 活體電化學(xué)分析; 腦神經(jīng)化學(xué); 原位檢測; 評述

　　1 引 言

　　腦科學(xué)是目前國際前沿科技的熱點研究領(lǐng)域之一， 對腦功能的研究有助于理解人類認(rèn)知、情感等復(fù)雜生理過程的本質(zhì)， 以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的形成和發(fā)展規(guī)律。腦神經(jīng)信號的傳遞以及代謝過程都離不開化學(xué)物質(zhì)的參與， 因此， 針對腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)、調(diào)質(zhì)、能量代謝物質(zhì)、自由基、離子等諸多神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)開展腦神經(jīng)分析化學(xué)研究， 對于探索和認(rèn)識神經(jīng)生理、病理的分子機(jī)制， 都具有極其重要的意義。

　　腦神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的分析一般分為單囊泡、單細(xì)胞、腦片和活體等不同層次。其中， 在單囊泡、單細(xì)胞及腦片層次上進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)檢測脫離了活體生存的真實環(huán)境， 較難保持細(xì)胞之間固有的聯(lián)系和相互作用。相比較而言， 活體層次對腦化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行分析， 能夠更加真實、直接地反映神經(jīng)系統(tǒng)在各種生理、病理過程中對外界刺激的響應(yīng)， 因而能夠為腦神經(jīng)生理、病理過程物質(zhì)基礎(chǔ)的探索提供最為直接的信息。

　　電化學(xué)分析方法通常具有靈敏度高、選擇性好、時空分辨率高等優(yōu)點， 且檢測電極易于微型化， 適用于活體原位分析測定。活體原位電化學(xué)分析方法可望應(yīng)用于腦內(nèi)不同化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)水平及其在一系列生理、病理過程中濃度變化的監(jiān)測。腦神經(jīng)活體原位電化學(xué)分析可追溯到20世紀(jì)50年代， Clark等[1]利用玻璃封裝的鉑絲作為研究電極， 首次通過電化學(xué)伏安法實現(xiàn)了腦內(nèi)氧氣濃度變化的實時監(jiān)測。但是， 這一研究并沒有引起研究者們的廣泛關(guān)注。更為人們熟知的是， 1973年Adams 等[2]首次將微型碳糊電極植入大鼠腦中進(jìn)行活體電化學(xué)研究， 其電極結(jié)構(gòu)如圖1A所示。該研究得到了活體腦內(nèi)的第一張循環(huán)伏安圖(圖1B)，進(jìn)一步驗證了在腦內(nèi)使用電化學(xué)方法實現(xiàn)生理活性物質(zhì)檢測的可行性， 引起了神經(jīng)生理學(xué)家的高度關(guān)注， 標(biāo)志著活體原位腦神經(jīng)電化學(xué)分析的誕生。

　　近年來， 隨著分析科學(xué)、化學(xué)、電子科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等多學(xué)科的快速發(fā)展和交叉融合， 腦神經(jīng)活體原位電化學(xué)分析也不斷發(fā)展完善， 為相關(guān)生理、病理過程研究提供了重要的實驗方法， 進(jìn)一步推動了分析化學(xué)與腦神經(jīng)科學(xué)的實質(zhì)性交叉與融合。本文著重介紹活體原位電分析化學(xué)方法的原理、特點及其在腦神經(jīng)化學(xué)研究中應(yīng)用的進(jìn)展， 并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

　　2 活體原位電化學(xué)分析方法

　　目前，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域， 利用電化學(xué)分析方法可實現(xiàn)多種生理活性物質(zhì)的活體原位實時分析。表1列舉了一些重要的生理活性物質(zhì)及其活體原位電化學(xué)分析方法。

　　2.1 基于伏安法的活體原位電化學(xué)分析

　　伏安法是一類重要的電化學(xué)測量方法， 通過向電極施加調(diào)制的電壓波形， 測量電化學(xué)體系的電流響應(yīng)， 從而獲得電極過程的電位 電流關(guān)系。通過對伏安曲線波形和峰高等參數(shù)進(jìn)行分析， 可實現(xiàn)對于具有不同電化學(xué)參數(shù)的電化學(xué)活性物質(zhì)進(jìn)行定性與定量分析。伏安法選擇性高， 可實現(xiàn)單一或多種物質(zhì)同時的選擇性分析。然而， 伏安法的時間分辨率通常會受到掃描速率的限制， 同時施加的調(diào)制電壓波形也會對分析體系產(chǎn)生一定影響。

　　根據(jù)伏安法檢測過程中施加波形的不同又可將其分為脈沖伏安法和電勢掃描伏安法。其中， 脈沖伏安法的特點是可有效抑制背景充電電流， 并降低擴(kuò)散層變化的影響， 具有靈敏度高、選擇性高、可同時區(qū)分多種電化學(xué)活性物質(zhì)等優(yōu)勢， 但時間分辨率比較低， 無法記錄快速變化過程。自20世紀(jì)70年代以來， 以差分脈沖伏安法(Differential pulse voltammetry， DPV)為代表， 并包括常規(guī)脈沖伏安法(Normalpulse voltammetry， NPV)、 差分常規(guī)脈沖伏安法(Differential normal pulse voltammetry， DNPV)及方波伏安法(Square wave voltammetry， SWV)等在內(nèi)的脈沖伏安法逐漸被應(yīng)用于腦內(nèi)多種神經(jīng)遞質(zhì)的同時檢測。為了提高伏安法的時間分辨率， 實現(xiàn)短時間遞質(zhì)快速變化過程的實時分析， 以快速掃描循環(huán)伏安法(Fast scan cyclic voltammetry， FSCV)為主的電勢掃描伏安法在近幾十年中得到了很好的發(fā)展。FSCV方法可實現(xiàn)快速分析， 但背景電流大， 難以用于神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)水平的檢測和長時程記錄。目前， 該方法主要應(yīng)用于多巴胺刺激釋放等電化學(xué)活性神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的快速變化過程研究。

　　2.1.1 DPV方法 DPV法是一種脈沖伏安測量技術(shù)。檢測過程中， 直流電壓以一定頻率和幅值進(jìn)行步進(jìn)掃描， 并在每次步進(jìn)時疊加固定幅值(10～100 mV)的方波脈沖， 記錄脈沖結(jié)束前和脈沖開始前的電流差值。DPV檢測過程中采用的特殊脈沖波形、采樣方法以及電流差減運(yùn)算配合原位電化學(xué)檢測使用的微電極， 可有效排除雙電層充電電流以及擴(kuò)散層變化的影響， 顯著提高分析方法靈敏度和選擇性。對于氧化電位差大于100 mV的電活性物質(zhì)， 使用DPV方法可有效排除氧化還原電流的相互干擾， 實現(xiàn)不同物質(zhì)的區(qū)分及定量分析。

　　DPV方法在活體原位電化學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用可追溯到1976年， Lane等[22]首次使用經(jīng)KI溶液處理過的鉑微電極作為研究電極， 通過DPV方法實現(xiàn)了Sprague Dawley(SD)大鼠尾狀核維生素C和兒茶酚胺濃度的同時檢測， 其電極結(jié)構(gòu)如圖2A所示。隨后， Gonon等[23]使用DPV方法實現(xiàn)了麻醉大鼠紋狀體腦區(qū)電化學(xué)活性神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的原位分析， 記錄到的DPV曲線如圖2B所示。通過干預(yù)實驗對比， 最終將記錄到的兒茶酚電流信號歸屬為DOPAC。此后， DPV方法逐漸被應(yīng)用于電活性神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的多組分同時分析。

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