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文章导读
神经递质 (NTs) 在大脑的神经传递过程中发挥着至关重要的作用，其浓度的变化与多种神经退行性疾病 (NDs) 密切相关。对NTs进行实时检测对于NDs的临床诊断意义重大，然而，由于NTs浓度较低且呈动态释放状态，同时还存在高浓度的抗坏血酸等干扰物质，因此对NTs进行定量分析颇具挑战性。传统的检测方法，如高效液相色谱和毛细管电泳分离、质谱等，存在样本量大、耗时长、成本高等缺点，并不适合即时诊断。电化学传感器凭借其高灵敏度、易于小型化、便携、成本低以及稳定性好等优点，成为NTs检测的有力替代工具。纳米复合材料 (NCs) 的引入极大地提高了电化学传感器的性能，使其在环境监测等领域具有广阔的应用前景。
由釜山大学Seung-Cheol Chang团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的这篇文章，探讨了基于纳米复合材料的电化学传感器在神经退行性疾病中检测神经递质的应用，为早期诊断这些疾病提供了一种高灵敏度、高稳定性的检测手段。
研究过程及结果
NTs依据其功能可划分为抑制性 (例如GABA和5-HT)、兴奋性 (例如谷氨酸、EP和NE) 或者兼具两者 (比如DA)。DA主要在大脑的黑质和腹侧被盖区合成，同时也在肾上腺髓质中合成，其水平失衡与精神分裂症以及帕金森病等神经系统疾病相关。GABA由GLU合成，主要存在于大脑之中，对神经元的生长、增殖、迁移以及分化起着调节作用，其信号失调与癫痫、帕金森病以及亨廷顿病等神经系统疾病有关联。
1. 纳米复合材料 (NCs)
纳米复合材料的应用显著提高了传感器的性能。这些材料包括碳基纳米材料、金属有机框架 (MOFs)、金属和金属氧化物等，它们通过提高比表面积、加速电子转移和减少表面污染来增强传感器的性能。如：
碳基NCs：
分级多孔碳：具有独特的孔径分布，大孔促进扩散，中孔促进质量传递，微孔增加比表面积，从而提高传感性能。
石墨烯：具有独特的片状结构、大的比表面积和良好的导电性。
碳纳米管 (CNTs)：具有高导电性、抗污染能力和高表面积等特点，其π-电子在管端负责高响应电流和质量转移系数。
石墨烯量子点 (GQDs)：是一种0维纳米材料，具有小尺寸、高表面积、化学惰性、良好的分散性、低毒性和优异的电学和化学性质。
聚合物基NCs：
导电聚合物：如聚苯胺 (PANI)、聚吡咯 (PPy) 等，具有结晶性和高反应性，能提供良好的信号转导，通过修饰聚合物层的厚度和连接特定的官能团可提高选择性。
聚 (溴甲酚绿)：与Fe3O4和MWCNTs协同作用用于5-HT检测，具有高电子密度的羟基基团，能有效结合目标物。
聚 (对氨基苯磺酸)：与MWCNTs协同作用用于5-HT检测，能增加峰电流。
聚噻吩：与AuNP和过氧化物酶 (PEDOT) 协同作用用于EP检测，能增强EP氧化峰。
卟啉-核聚合物：用于DA检测，其电子吸氟原子能提高电子迁移率和放大电化学信号。
图为用于监测大鼠嗜铬细胞瘤 (PC-12) 细胞DA释放的电化学传感器示意图。
分子印迹聚合物 (MIPs)：
通过模板分子印迹聚合物基质，形成与分析物结合的空腔，实现目标检测。其化学识别方法包括非共价、半共价和共价三种。目前对MIPs与NTs的识别机制研究较少，优化生产方法、克服电聚合的缺点是重要挑战。
图为 (A) 纸基MIP电化学传感器估测5-HT的示意图。(B) 传感器对5-HT浓度的典型LSV反应。(C) 在存在其他干扰物质的情况下对5-HT的选择性。
2. 多功能电化学技术在NTs分析中的应用
NTs的电化学分析中通常存在污损问题，导致传感器响应降低。为解决此问题，需要使用功能NCs修饰的电化学传感器并采用新的电化学技术进行分析。
快速扫描循环伏安法 (FSCV)：可用于评估NTs释放和摄取的快速变化，能基于施加电位依赖的氧化和还原过程提供选择性检测，如通过FSCV技术研究DA和5-HT在麻醉大鼠大脑尾状核中的功能。
快速循环方波伏安法 (FCSWV) 与大振幅循环方波伏安法 (CSWV) 结合：可用于区分DA与EP和NE，增加检测的灵敏度和选择性，如结合这两种技术研究大鼠纹状体中DA的释放，以揭示正常和异常的大脑功能。
图为用于DA检测的伏安传感器原理图。
研究总结
在过去的十年间，基于NCs的传感器研究呈现出指数级增长态势。各种先进的NCs，诸如分级多孔碳、石墨烯基二维和三维NCs、GQDs、CNTs、导电聚合物、MIPs以及MOFs等，引起了研究人员的极大兴趣。由于许多NCs具备高表面积以及优异的导电性等特性，它们被广泛应用于开发用于NTs测量的电化学传感器。基于NC的电化学传感器因其对NTs的敏感性以及快速估计能力，成为未来诊断应用的有力候选者。作者认为当前的研究重点在于将新型NCs进行组合以实现传感器卓越的分析性能。然而，这些传感器的商业化应用仍是一项重大挑战，需要实现对NTs在各种共存物种中的选择性分析。此外，实际样品中蛋白质的吸附所导致的污损问题会对测量结果产生影响，传感器测定结果的复现性还有待进一步提高。尽管电化学传感器具有诸多优势，但在人体样本中检测NTs时，在生物相容性和实时连续监测方面仍然面临着严峻挑战。通过使用高表面积且具有目标特异性的NCs对传感器进行修饰，可以有效克服污染的影响，有助于推动NDs的诊断革命。
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阅读英文原文
原文出自 Chemosensors 期刊
Rajarathinam, T.; Kang, M.; Hong, S.; Chang, S.-C. Nanocomposite-Based Electrochemical Sensors for Neurotransmitters Detection in Neurodegenerative Diseases. Chemosensors 2023, 11, 103.
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探索神经递质的纳米级守卫：革新电化学传感器技术 | MDPI Chemosensors
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*本文由MDPI中国办公室翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。
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