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

　　關鍵詞 活體電化學分析; 腦神經化學; 原位檢測; 評述

　　1 引 言

　　腦科學是目前國際前沿科技的熱點研究領域之一， 對腦功能的研究有助于理解人類認知、情感等復雜生理過程的本質， 以及神經系統疾病的形成和發展規律。腦神經信號的傳遞以及代謝過程都離不開化學物質的參與， 因此， 針對腦內神經遞質、調質、能量代謝物質、自由基、離子等諸多神經化學物質開展腦神經分析化學研究， 對于探索和認識神經生理、病理的分子機制， 都具有極其重要的意義。

　　腦神經化學物質的分析一般分為單囊泡、單細胞、腦片和活體等不同層次。其中， 在單囊泡、單細胞及腦片層次上進行化學物質檢測脫離了活體生存的真實環境， 較難保持細胞之間固有的聯系和相互作用。相比較而言， 活體層次對腦化學物質進行分析， 能夠更加真實、直接地反映神經系統在各種生理、病理過程中對外界刺激的響應， 因而能夠為腦神經生理、病理過程物質基礎的探索提供最為直接的信息。

　　電化學分析方法通常具有靈敏度高、選擇性好、時空分辨率高等優點， 且檢測電極易于微型化， 適用于活體原位分析測定。活體原位電化學分析方法可望應用于腦內不同化學物質基礎水平及其在一系列生理、病理過程中濃度變化的監測。腦神經活體原位電化學分析可追溯到20世紀50年代， Clark等[1]利用玻璃封裝的鉑絲作為研究電極， 首次通過電化學伏安法實現了腦內氧氣濃度變化的實時監測。但是， 這一研究并沒有引起研究者們的廣泛關注。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行活體電化學研究， 其電極結構如圖1A所示。該研究得到了活體腦內的第一張循環伏安圖(圖1B)，進一步驗證了在腦內使用電化學方法實現生理活性物質檢測的可行性， 引起了神經生理學家的高度關注， 標志著活體原位腦神經電化學分析的誕生。

　　近年來， 隨著分析科學、化學、電子科學、神經科學等多學科的快速發展和交叉融合， 腦神經活體原位電化學分析也不斷發展完善， 為相關生理、病理過程研究提供了重要的實驗方法， 進一步推動了分析化學與腦神經科學的實質性交叉與融合。本文著重介紹活體原位電分析化學方法的原理、特點及其在腦神經化學研究中應用的進展， 并對其發展趨勢進行展望。

　　2 活體原位電化學分析方法

　　目前，在神經科學領域， 利用電化學分析方法可實現多種生理活性物質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及其活體原位電化學分析方法。

　　2.1 基于伏安法的活體原位電化學分析

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

　　根據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， 并降低擴散層變化的影響， 具有靈敏度高、選擇性高、可同時區分多種電化學活性物質等優勢， 但時間分辨率比較低， 無法記錄快速變化過程。自20世紀70年代以來， 以差分脈沖伏安法(Differential pulse voltammetry， DPV)為代表， 并包括常規脈沖伏安法(Normalpulse voltammetry， NPV)、 差分常規脈沖伏安法(Differential normal pulse voltammetry， DNPV)及方波伏安法(Square wave voltammetry， SWV)等在內的脈沖伏安法逐漸被應用于腦內多種神經遞質的同時檢測。為了提高伏安法的時間分辨率， 實現短時間遞質快速變化過程的實時分析， 以快速掃描循環伏安法(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展。FSCV方法可實現快速分析， 但背景電流大， 難以用于神經化學物質基礎水平的檢測和長時程記錄。目前， 該方法主要應用于多巴胺刺激釋放等電化學活性神經化學物質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。檢測過程中， 直流電壓以一定頻率和幅值進行步進掃描， 并在每次步進時疊加固定幅值(10～100 mV)的方波脈沖， 記錄脈沖結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算配合原位電化學檢測使用的微電極， 可有效排除雙電層充電電流以及擴散層變化的影響， 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， 使用DPV方法可有效排除氧化還原電流的相互干擾， 實現不同物質的區分及定量分析。

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

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