基于双模检测仪器的大鼠神经放电和神经化学信号同步检测研究

研制了一种可同步检测神经电生理和化学信号的双模检测仪,并应用此仪器开展了双模同步检测实验。此仪器具有0.3μV电压分辨率的64通道神经电生理检测功能、pA级电流精度的4通道电化学检测功能,具备动作电位分离分类、计时电流法、循环伏安法等常用的检测功能,并且能实现对双模神经信号的同步观测和分析。在采用此仪器开展的单模实验中,完整地检测到了64通道的模拟神经信号,结合微电极阵列获得了信噪比( S/N)为6的神经动作电位发放;采用循环伏安法,获得了铁氰化钾在溶液浓度0.1~10 mmol/L范围内与电流响应的线性相关系数为0.9889;同时,采用计时电流法获得了抗坏血酸在溶液浓度10~800μmol/L 范围内与电流响应的线性相关系数为0.9841。结合大鼠脑缺血模型开展了双模检测实验,在该模型中成功地同步检测到了神经动作电位发放和抗坏血酸浓度变化引起的电流变化,并发现大鼠大脑初级感觉皮层抗坏血酸浓度与动作电位发放呈一定负相关关系。     

脑死亡过程中谷氨酸与场电位的同步检测微电极阵列研究

高浓度胞外K+会引起神经元的去极化、谷氨酸释放、甚至细胞死亡。为研究高浓度K+对在体神经元的影响,采用微机电系统( MEMS)方法制作了一种植入式微电极阵列( MEA),其上包含形状、位置固定的电化学(50伊150μm)和电生理(直径为15μm)检测位点,可同时进行脑内神经递质谷氨酸、局部场电位信号( LFP)双模检测。将这种MEA植入到大鼠纹状体后,给大鼠皮层施加高浓度K+刺激,结果表明,高钾刺激增加了纹状体内谷氨酸浓度,同时抑制了神经电生理活动。这是首次采用双模MEA研究神经元在体死亡过程,结果验证了双模微电极阵列在体检测的可行性,可用于研究脑内神经电化学、电生理的时空关系。     

应用于神经通路研究的微机电系统探针与低功耗低噪声单集成芯片系统

针对神经内海马区谷氨酸化学递质与神经电生理信号的并行双模检测需要, 设计了8通道电化学递质与电生理双模并行检测传感芯片微系统, 系统组件包括:基于SOI(Silicon-on-insulator)工艺衬底制备的微机电系统MEMS(Micro-electro-mechanical system)神经信息检测探针、低噪声颅内神经电小信号放大器、低功耗中速SAR(Successive approximation register)-ADC(Analog/Digital Converter)模/数转换器、精简低能耗OOK(On-Off-Keying)/FSK(Frequency-Shift-Keying)调制射频发射器.本微型神经信息传感芯片系统具有体积小、抗干扰、化学递质与电生理信号并行检测、灵敏性好、线性度高等特点.对电生理裸探针的4个电生理位点表面沉积铂黑, 电极阻抗优化为35.0 kΩ;通过酶固定技术在谷氨酸检测位点上纳米定向修饰酶复膜结构(Pt-mPD-GluOx)以形成具有特异选择性的生物识别点, 实现神经化学递质谷氨酸的检测;在6～35 μmol/L谷氨酸浓度范围内线性度是0.97, 单位面积灵敏度是0.0069 pA/(μmol/L), 电流响应误差<3.0 pA, 表明此探针可以实现特异选择功能.同时, 基于数模混合180 nm的ASIC(Application specific integrated circuit)芯片制造工艺(SmicRF180 nm 1Poly6M)制造的神经电生理传感后端信息调理单芯片, 其内部关键测试指标:微弱小信号低噪系电压放大器(等效输入噪声电压≤0.7 μV rms, 增益>70 dB, 电源/共模抑制比>100 dB等)、SAR-ADC(有效量化位数是12 bits, 功耗1.2 mW, 最大转换速率1 Msps, 信噪比为60.9 dB)、ASK/FSK调制的射频发射器(功放PA 4～5 dBm, 输出功率满足10 m辐射距离).此微型神经信息感知处理芯片集成检测系统, 可为海马区神经通路的研究提供便携、普适性的无线可穿戴设备.     

三维立体结构微纳电极研究

基于体硅加工工艺和纳米材料技术,研制微电机系统(MEMS)尺度敏感微结构与纳米铂颗粒的复合结构,提高微电极电化学性能,制备具有三维立体微结构的安培型微电极传感器.利用硅的各向异性湿法腐蚀技术在毫米级的工作电极表面实现微米级的锥体形微池阵列,以H2O2为检测对象考察立体电极结构对传感器性能的改进效果,实验证明,立体结构的设计使传感器具有更低的检出限(8 μmol/L)及更高的灵敏度(在 0～200 μmol/L浓度范围内检测灵敏度提高约85%),且具有较好的线性和重复性.利用电化学方法在电极表面沉积铂黑,通过微观形貌分析和电化学特性考察,比较了在平面微电极和立体微电极上修饰纳米材料的效果.立体结构为电沉积铂纳米颗粒提供了更为理想的微环境,改善了纳米材料修饰的效果;立体结构微电极与纳米颗粒的尺寸效应相结合,进一步提高了电极的催化效率和电化学特性.     

16通道神经信息双模检测分析仪的研制与应用

研制了一种可检测分析神经电生理信号和递质化学信号的16通道双模检测分析仪.仪器山硬件和软件系统组成,其电流和电压分辨率分别为10 pA和0.6 μV,具备实时峰电位分离,数字IIR滤波,计时电流法,循环伏安法等常用电生理和电化学检测分析方法.为验证仪器的性能分别进行了电生理信号和电化学信号的检测实验.在SD大鼠脑部电生...     

聚吡咯涂层的电化学合成及对神经微电极电性能的影响

通过改变掺杂剂种类、反应时间、电流密度等合成条件, 在神经微电极表面通过电化学沉积一系列厚度及形貌不同的导电高分子聚吡咯(PPy)涂层. 通过X射线光电子能谱及扫描电子显微镜对所得涂层化学组成及形貌进行表征.研究了PPy涂层对神经微电极电性能的影响. 电化学阻抗谱表明, 在神经信号相关的1 kHz频率处, 神经微电极阻抗值可降低至原来的1/55. 循环伏安曲线表明, 随PPy合成时间加长或电流密度提高, 电极总电容量随之增大.     

纳米TiN碳糊电极对青霉素的电化学检测

以纳米氮化钛(TiN)为电活性物质,制备了用于检测青霉素的纳米TiN修饰碳糊电极.研究了该碳糊电极中石墨与纳米TiN的质量比、电极面积、溶液pH值及缓冲容量等因素对青霉素检测效果的影响.结果表明,在优化的条件(石墨与TiN的质量比为2∶1,电极面积为1 mm~2,溶液pH值为7.2以及缓冲容量为20 mmol/L KH_2PO_4)下,该电极检出限为2×10~(-5)mol/L,线性检测范围为4×10~(-5)~3.2×10~(-3)mol/L.利用Zeta电位及交流阻抗的方法,揭示了纳米TiN碳糊电极检测青霉素的机理为纳米TiN对青霉素的特异性吸附.纳米TiN碳糊电极展现出良好的稳定性、选择性和重复性,在青霉素检测领域具有广阔的应用前景.     

检测禽流感H5亚型病毒的阻抗型免疫研究

研制了一种可用于H5亚型禽流感病毒快速检测的阻抗型免疫传感器。通过蛋白A将H5N1表面抗原血凝素(HA)的单克隆抗体固定于金叉指阵列微电极表面,并与待测溶液中的目标抗原H5N1进行免疫反应。在[Fe(CN)6]3"/4"溶液中进行电化学阻抗谱扫描,表征电极的表面修饰及抗原捕获过程。当H5N1病毒浓度在21～26 HA unit/50μL范围时,其浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系,相关系数为0.9885;检出限为20 HA unit/50μL,检测时间为1 h。此传感器特异性好,灵敏度高,可以重复使用,在病原微生物快速检测领域具有良好的应用前景。     

免疫磁分离技术结合阻抗测量法快速检测禽流感病毒

采用免疫磁分离和阻抗测量技术联用的方法,实现了对禽流感H5亚型病毒的特异性快速检测。将偶联生物素的H5抗体固定于链霉亲和素修饰的纳米磁珠表面,制备成免疫磁珠,用于样品中禽流感H5N1病毒的分离和浓缩。使用金叉指阵列微电极测量样品阻抗,在特征频率(100 kHz)下,阻抗模值随样品中H5N1病毒浓度增加而增大。研究了抗体浓度、免疫反应时间和磁分离时间对阻抗信号的影响,结果表明,在优化的实验条件(抗体浓度0.25 g/L、免疫反应时间60 min、磁分离时间3 min)下,纯病毒样品和拭子样品中H5N1病毒浓度分别在2!1～24HA unit/50μL和20～24HA unit/50μL范围时,病毒浓度对数值与阻抗信号值呈线性相关关系,检出限分别为0.5 HA unit/50μL和2 HA unit/50μL。     

纳米金-Nafion修饰金电极电化学阻抗法测定人端粒DNA

报道了基于纳米金-Nafion修饰金电极检测人端粒DNA的电化学阻抗传感器。将纳米金与Nafion混合超声得到纳米金-Nafion纳米材料,将此纳米材料滴涂于金电极表面获得纳米金-Nafion修饰电极。再将探针人端粒ss DNA滴涂在修饰电极上制备电化学阻抗传感器。利用扫描显微镜对纳米材料的形貌进行了表征。利用循环伏安法和电化学阻抗法对传感器进行了表征及目标人端粒DNA的定量测定。在最优化实验条件下,电化学阻抗传感器响应信号(ΔRet)与目标人端粒DNA浓度的对数(lgc)在0.001~1.0 nmol/L范围内呈良好线性关系。检出限为3.0 pmol/L。对0.5 nmol/L的目标人端粒DNA 7次平行测定,相对标准偏差RSD为3.5%。     

用于多巴胺选择性电化学检测的多孔Fe-N-C纳米颗粒簇

多巴胺(DA)是人类神经系统的神经递质之一,也是诊断多种神经疾病的重要生物标志物,因此,快速准确地检测DA浓度受到广泛关注。本文以普鲁士蓝(PB)为前体制备了一种多孔Fe-N-C纳米颗粒簇,将其修饰在玻碳电极(GCE)表面,发现该修饰电极在使用线性扫描伏安法(LSV)和差分脉冲伏安法(DPV)时能够有效地降低尿酸(UA)和抗坏血酸(AA)的电化学氧化响应,而不影响DA的电化学氧化反应,并能够将三者的氧化峰有效分开,从而可以实现对DA的选择性电化学分析。研究结果表明,在含有高浓度的UA(100μmol/L)和AA(100μmol/L)的DA混合溶液中使用LSV检测DA,分段线性范围可以达到5~100μmol/L和100~700μmol/L,灵敏度分别为8.32×10~(-2)和3.44×10~(-2)A·(mol/L)~(-1),检测下限为5μmol/L。     

分子印迹聚合物修饰电化学晶体管检测抗坏血酸分子

以抗坏血酸(AA)为模板分子、邻苯二胺(o-PD)为功能单体,在金电极表面电聚合制备分子印迹聚合物膜(MIP),并以该MIP修饰的电极为栅极制备了具有高选择性、高灵敏度的AA电化学晶体管(OECT)传感器件。应用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对分子印迹聚合物电极进行一系列的表征与检测。实验结果表明:以pH=5.2,浓度为0.2mol/L HAc-NaAc(体积比2.1∶7.9)的缓冲液为背景溶液,o-PD与AA的物质的量之比为1∶2,以0.5V/s的扫描速率在0~0.8V内扫描20圈,所得分子印迹膜电极性能最佳。应用以该分子印迹修饰电极作为栅极的电化学晶体管检测AA,得到AA浓度的检测限为0.3μmol/L,沟道电流与AA浓度在0.3~3μmol/L(低浓度)与3~100μmol/L(高浓度)这2个范围内成线性关系。     

基于三维纳米银修饰电极的硝酸根微型传感芯片研究

研制一种基于金叉指微电极阵列(IDA)的电流型硝酸根离子(NO-3)微传感电极芯片.基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)工艺制备金IDA微电极,通过电化学沉积技术在IDA微电极表面修饰三维枝状结构纳米银敏感膜,利用敏感膜对硝酸根离子良好的电催化还原性能,采用脉冲方波伏安(SWV)电化学测量方法,实现对硝酸根离子在25～1000μmol/L浓度范围内的快速检测,灵敏度达9.5 nA/(μmol/L),线性度为99.98%,检测下限为10μmol/L.考察水体中常见的NO-2,F-,3PO 4-,SO 42-,2CO3-,NH+4,Na+和K+等离子对该传感芯片的干扰性能,传感芯片表现出较好的抗干扰性能.制备的三维枝状结构纳米银修饰IDA微电极可实现水环境(pH 5.0～9.0)中NO-3的电化学检测,对应用于自然水环境中硝酸根离子的现场检测具有积极意义.     

碳纳米纤维修饰碳糊电极用于双酚A的电化学检测

制备了碳纳米纤维修饰碳糊电极,并用于双酚A的高灵敏和高选择性电化学检测。碳纳米纤维材料经静电纺丝和碳化过程相结合制备而成,采用滴涂的方法修饰于碳糊电极表面制成电化学传感器。利用循环伏安法、交流阻抗法以及微分脉冲伏安法考察了传感器的性质及双酚A的电化学行为。结果表明,双酚A的峰电流响应与其浓度在0.8~50μmol/L之间呈良好的线性关系,检测限为0.1μmol/L。构建的电化学传感器用于环境水样中双酚A的检测具有较高的回收率。     

基于ITO微电极阵列的电致化学发光多元免疫反应传感芯片

制备了一种基于ITO微电极阵列的多元免疫反应芯片,并实现多元肿瘤标志物的快速、灵敏检测。采用丝网印刷方法制作"花瓣型"ITO微电极阵列,与辐射状的微流控芯片相结合,形成八个独立的检测单元,每个检测单元履行不同的职能,其中三个单元分别用于完成癌胚抗原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)和前列腺特异性抗原(PSA)的"夹心型"特异性免疫反应。首先在电极表面修饰K-掺杂石墨烯-CdS∶Eu纳米晶复合物,然后在这些复合物上依次修饰不同捕获抗体和对应的抗原,当对应的CdTe纳米粒子标记的二抗被带到电极表面时,会发生能量转移而实现电致化学发光(ECL)信号的有效猝灭;另外三个单元用做对照试验来验证这种微芯片的选择性;剩下的两个单元分别用来验证K-掺杂石墨烯-CdS∶Eu纳米晶复合物的发光强度,及经活化后CdTe纳米粒子的猝灭效率。这种简单、集成的高通量检测芯片,可发展为复杂样品的自动化、集成化分析检测平台。     

一次性信号放大电化学阻抗RNA传感器研究

以自制的丝网印刷碳电极(SPCE)为基体电极,利用DNA四面体纳米探针和酶催化信号放大构建了一个一次性电化学阻抗型RNA传感器.固定在AuNPs修饰的SPCE表面的DNA四面体结构能确保DNA探针具有可控的密度和方向,结合辣根过氧化物酶(HRP)催化H_2O_2氧化4-氯-1-萘酚(CN)的反应,生成不溶物沉积在电极表面,有效地放大电化学阻抗信号,实现了miRNA的高灵敏阻抗测定.检测限可以低至1.0 pmol/L,阻抗值和miRNA-141浓度的对数在3.0～1 000 pmol/L之间具有良好的定量关系.     

纳米金修饰玻碳电极对鸟嘌呤的催化氧化

采用电化学沉积法制备了纳米金修饰玻碳电极,并用循环伏安法和电化学阻抗法进行了表征,以此建立了一种直接测定鸟嘌呤的电分析方法。在磷酸盐缓冲溶液(pH 6.0)中,研究了鸟嘌呤在纳米金修饰电极上的电化学行为,实验结果表明,纳米金修饰电极可以增强鸟嘌呤在电极表面的吸附,并加快鸟嘌呤在电极表面的电子传输,使其电化学信号明显增大,检测灵敏度大大提高,该修饰电极对鸟嘌呤表现出良好的电催化性能。在优化实验条件下对鸟嘌呤进行测定,方法的线性范围为8.0×10-7~6.0×10-5mol/L,检出限为1.0×10-8mol/L,在鸟嘌呤浓度为1.0×10-5mol/L时测得RSD(n=10)为2.5%。     

离子液体掺杂聚苯胺/纳米铜修饰电极制备及其在过氧化氢测定中的应用

在离子液体1-甲基咪唑-三氟乙酸中用循环伏安法(CV)电聚合苯胺制得离子液体掺杂聚苯胺膜修饰玻碳电极(IL-PANI/GCE),进一步在其表面原位电沉积纳米铜粒子,构制用于测定H2O2的新型离子液体掺杂聚苯胺/纳米铜(nano-Cu/IL-PANI/GCE)电化学传感器。用扫描电镜(SEM)、循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱法(EIS)表征此修饰电极,并讨论了其对H2O2的电催化还原机制。在0.1 mol/L NaOH溶液和"0.35 V电位下,用电流法测定了H2O2的含量,在20～1.12 mmol/L浓度范围内线性关系良好;检出限为0.1μmol/L,响应时间约为3 s。     

基于不同电化学探针检测乳腺癌基因片段电化学传感器的研究

构建了以3种不同电活性物质(铁氰化钾平衡电对、亚甲基蓝和六氨合钌)为电化学信号探针,检测乳腺癌基因片段(乳腺癌DNA)的电化学传感器。利用吸附作用将探针ss DNA固定于金纳米-多壁碳纳米管-Nafion复合纳米材料修饰金电极表面,制备了DNA电化学传感器。采用循环伏安法、电化学阻抗法和微分脉冲伏安法,对DNA电化学传感器进行表征和定量分析。实验结果表明,在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]-5mmol/L K4[Fe(CN)6]平衡电对电化学探针检测液中,乳腺癌DNA的线性范围为0.1~500.0 nmol/L,其检出限(S/N=3)为0.03 nmol/L。以20μmol/L亚甲基蓝为电化学探针检测液时,乳腺癌DNA的线性范围为1.0~500.0 nmol/L,检出限为0.3 nmol/L。利用50μmol/L六氨合钌电化学探针检测时,乳腺癌DNA的线性范围为1.0~500.0 nmol/L,检出限为0.3 nmol/L。3种电化学探针中,利用铁氰化钾平衡电对探针检测乳腺癌DNA的检出限最低,线性范围最宽。该传感器可用于其他DNA的检测分析。     

PMBNPs/MWCNTs/Nafion修饰电极差分脉冲伏安法测定利血平

合成了一种新型的导电聚合物纳米粒子-多聚亚甲基蓝纳米粒子(PMBNPs),以扫描电镜、紫外光谱及荧光光谱对PMBNPs进行了表征。将PMBNPs固定化在MWVCNTs/Nafion修饰电极表面,制备了PMBNPs/MWCNTs/Nafion修饰电极。通过循环伏安法和电化学阻抗谱对其电化学性质进行了表征,结果表明较之亚甲基蓝溶液和电化学聚合的亚甲基蓝,由多个亚甲基蓝分子组成的纳米粒子制备成的修饰电极具有良好的电活性,可以实现检测信号的放大。据此,将PMBNPs/MWCNTs/Nafion修饰电极用于利血平的电化学检测。