用于快速扫描循环伏安法的薄膜参比电极

《ACS Chemical Neuroscience》：Thin-Film Reference Electrodes for Fast-Scan Cyclic Voltammetry

　　快速扫描循环伏安metry（FSCV）中薄膜参考电极的开发与性能评估。通过比较金、铂、聚苯胺和铂-铱薄膜电极的稳定性、尺寸适应性、pH响应及抗生物污染能力，发现铂-铱电极在微型化（0.1 mm2）、低电位漂移（0.3 mV/min）、高重现性（±50 mV）和抗BSA污染方面显著优于传统Ag/AgCl电极，且与Ag/AgCl在DA检测中灵敏度相当。该成果为植入式神经探针提供了生物相容且可微型化的参考电极解决方案。

　　在现代神经科学和生物医学领域，电化学传感器的应用日益广泛，尤其在实时监测神经递质动态变化方面具有重要意义。这些传感器依赖于参考电极（RE）来提供稳定的电位基准，以确保检测的准确性和可靠性。然而，传统使用的银/氯化银（Ag/AgCl）电极在用于人体研究时存在显著的局限性，主要源于其潜在的细胞毒性。因此，开发一种既具有良好的生物相容性，又能提供稳定电位的新型参考电极成为研究的重点。

本研究评估了多种薄层电极材料，包括金（Au）、铂（Pt）、聚(3,4-乙基二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）以及铂-铱（Pt–Ir）合金，作为快扫描循环伏安法（FSCV）的参考电极。FSCV是一种广泛应用的电化学技术，能够实现高时间分辨率和灵敏度的神经递质实时检测。通过以多巴胺（DA）为模型物质，研究结果表明，Pt–Ir电极在多个方面表现出优越的性能。它不仅能够提供稳定的电位，还具有较低的漂移率和较高的可重复性，即使在减小尺寸至0.1 mm × 0.1 mm的情况下，也能保持良好的稳定性。此外，Pt–Ir电极在不同pH条件下以及存在生物污染剂的情况下，其性能与Ag/AgCl电极相当，甚至在某些情况下表现更优。

在研究中，首先通过光学显微镜观察了不同薄层电极的表面均匀性和尺寸一致性。所有电极均展现出良好的表面质量与精确的尺寸控制，这为后续性能评估奠定了基础。随后，研究者对电极的开路电位（OCP）进行了测量，以评估其稳定性。结果显示，Pt、PEDOT:PSS和Pt–Ir电极的OCP稳定速度均快于Au电极，表明它们在实际应用中能够更快地达到稳定状态，这对于需要快速响应的临床应用尤为重要。

进一步的实验显示，Pt–Ir电极在不同尺寸下均表现出高度的一致性，特别是在0.1 mm × 0.1 mm的小尺寸下，依然能够维持稳定的电位特性。这表明Pt–Ir电极在实现微型化传感器设计方面具有巨大潜力。相比之下，其他材料如Au在减小尺寸时表现出较大的电位漂移，限制了其在小型化设备中的应用。

在评估Pt–Ir电极作为FSCV参考电极的性能时，研究者使用了不同pH值的PBS溶液进行测试。结果显示，Pt–Ir电极在接近生理范围的pH值（如pH 4.0至8.5）下，其性能与Ag/AgCl电极相当，且在pH变化时对多巴胺信号的干扰较小。这一特性对于在体内环境中进行长期、连续的神经递质监测尤为重要，因为体内pH值通常较为稳定，Pt–Ir电极能够在这种环境下提供更可靠的数据支持。

生物污染是影响电化学传感器性能的重要因素之一。研究者通过在含牛血清白蛋白（BSA）的PBS溶液中浸泡电极，模拟了体内的生物污染情况。结果显示，Pt–Ir电极在浸泡7天后仍能保持较高的检测灵敏度，虽然需要调整电位偏移以恢复相同的背景电流曲线。与Ag/AgCl电极相比，Pt–Ir电极表现出相似的电位漂移趋势，且在不同时间点的漂移幅度较小，表明其在实际应用中具有较强的抗污染能力。

此外，研究还探讨了Pt–Ir电极与碳涂层微电极（CCM）的集成潜力。CCM作为一种高灵敏度的神经递质检测工具，其与Pt–Ir电极的结合不仅能够实现更紧凑的神经探针设计，还可能推动多功能神经电子设备的发展。这种集成方式有助于简化手术操作，减少组织损伤，并降低噪声干扰，从而提高临床应用的可行性。

在生物相容性方面，Pt–Ir电极因其在FDA批准的深部脑刺激设备中的长期使用而广受认可。这使其在人体应用中具备显著优势，尤其是在需要长期植入的设备中，Pt–Ir电极能够提供更稳定的电位支持，减少因电极性能下降导致的测量误差。

尽管研究结果显示Pt–Ir电极在多种条件下均表现出良好的性能，但其在复杂生物环境中的长期行为仍需进一步研究。未来的工作可以探索更多抗污染策略，如使用高蛋白抗性涂层或优化表面结构，以进一步提升其在体内的稳定性。同时，对Pt–Ir电极在体内环境中的实际表现进行验证，将有助于推动其在临床中的广泛应用。

综上所述，Pt–Ir电极作为FSCV的参考电极，不仅在性能上与传统Ag/AgCl电极相当，还在生物相容性、尺寸可调性和抗污染能力方面展现出显著优势。这些特性使其成为一种极具潜力的替代材料，特别是在需要微型化和高稳定性的神经递质检测应用中。随着研究的深入和技术的进步，Pt–Ir电极有望在未来成为生物医学领域中不可或缺的一部分，为精准医疗和神经科学研究提供更加可靠的技术支持。