脑是生命体系中最为精妙和复杂的组织器官。脑科学中神经元之间信号的传递主要由电信号和化学信号完成，脑化学物质是脑信号传递和脑功能的物质基础。因此，对脑科学中化学物质实时、动态以及原位分析方法的研究无疑将为认识和了解脑科学的化学本质，以及相关疾病的分子机制奠定重要的基础。基于植入微电极的电化学技术因为无需转染、时空分辨率高和可应用于人脑而备受关注和使用，尤其是神经电极已经被广泛应用于电信号的记录和调控，而基于神经电极的脑机接口更是国际研究热点，为人类健康和人工智能带来新的机遇。但是动态、实时测量脑化学物质，尤其是面向长时程脑化学信号物质的监测仍然存在很大的挑战。

中国人民大学化学与生命资源学院的张美宁教授一直从事脑化学原位实时测量的基础研究，针对脑化学信号物质原位测量的关键科学问题，深入研究电极/脑生物界面，在中国人民大学和国家自然科学基金委等的持续资助下，创制了新型导电聚合物柔性传感电极，减小了植入电极对脑组织的损伤，提高了植入电极和脑组织的匹配性 (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202115074; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204344. Hot paper；Anal. Chem. 2023, 95, 3390; Anal. Chem. 2023, 95, 8580; Anal. Chem. 2019, 91, 10786)；提出了在电极表面构筑两性离子类细胞膜和发展电位型抗蛋白质吸附的新策略，提高了方法的抗蛋白质吸附性能(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23445；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202318973)；建立了脑内硫化氢、多巴胺、抗坏血酸和过氧化氢等多种生理活性物质的电化学分析新方法，发现维生素D缓解突触核蛋白寡聚体神经毒性的功能(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202407063; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202111853)。

神经系统内多种离子，包括H+、K+、Ca2+、Mg2+ 等，通过精确的浓度调节和动态平衡，对维持神经元的正常生理功能发挥着至关重要的作用。近日，张美宁课题组在之前的研究基础上，同北京师范大学毛兰群教授合作突破了传统方法中由于刚性电极和大脑软组织机械性能不匹配和离子选择性电极信号漂移从而导致植入电极信号逐渐降低并失效的瓶颈，实现了鼠脑内这些离子的长时程稳定监测。

该研究工作通过金属有机框架材料包覆离子载体构筑取代传统离子选择性膜克服界面不稳定的问题，以金纳米颗粒修饰的聚乙烯醇纤维作为柔性电极，制备了基于柔性纤维的离子选择电极。所制备的电极对目标离子具有优异的选择性和能斯特响应，有效解决了传统离子选择性电极中因离子选择性膜的存在而易于形成水层，进而导致电位漂移的问题，实现了长达20天的稳定检测。活体实验表明所研制的柔性pH电极具有良好的生物相容性，可以稳定监测鼠脑内的pH变化，并实时监测大鼠睡眠过程中的pH变化。该方法为脑内离子的长时程稳定监测提供了新的思路和策略，为原位实时监测大脑内的离子提供了方法学基础和技术支撑。

图1 柔性离子选择性微传感器的制备过程和响应机制(a)及对H⁺(b)、Ca²⁺(c)和K⁺(d)的响应。

图2   柔性pH电极在大鼠脑中的长期稳定性实验结果。传感器在植入后5天内对pH变化的稳定响应(a,b,c)和对pH的连续监测(d)，以及良好的生物相容性 (e)。

该研究工作的第一作者为中国人民大学化学与生命资源学院博士生刘冉彤。