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一种实时记录大脑皮层活动的高效传感器

发表时间:2022-07-19      发表评论



大脑皮层是调节和控制人类躯体运动的最高级中枢,监测大脑皮层的活动状态对于研究人类大脑的运作机制起着至关重要的作用。大脑皮层的生理活动通常表现为神经元放电和离子浓度波动,所以通常记录大脑皮层活动的方式有皮质脑电图和荧光成像实时监控大脑皮层钙离子浓度变化。虽然钙离子的荧光成像可以快速检测细胞中的钙离子,但是无法对钙离子浓度进行定量;并且荧光成像技术只可用于钙离子的检测,而其他可以反应大脑皮层变化的离子如钾离子和钠离子则无法使用荧光离子成像来检测。

为解决这一问题,近期复旦大学彭慧胜教授、孙雪梅教授团队开发出了一种实时记录大脑皮层活动的高效传感器。该团队利用聚二甲基硅氧烷作为传感器的柔性基底,碳纳米管阵列作为传感器的电极材料,实现了对大脑皮层钙离子、钠离子和钾离子的实时监测。在14天的使用过程中,电极性能的变化不大,重复动态折叠1000次后,电极材料仍然可以用于大脑皮层活动的实时监测。

该传感器电极是基于离子选择性电极原理对大脑皮层细胞的钙离子、钠离子和钾离子进行监测。其主要原理是在离子选择透过膜上施加一定电压,在大脑皮层中的目标离子就会扩散入离子选择性透过膜上,此时在离子选择性透过膜与大脑皮层之间会形成双电层。形成的双电层电压的大小与大脑皮层所选择性透过的离子浓度具有一定的关联,由此可以实时并且准确地检测大脑皮层中相应离子的浓度。

测试电极需要与被测试的大脑皮层紧密贴合,而且测试电极还应具备优良的导电性和双电层电容量。研究团队创造性地在柔性基材上利用光刻出的模板,实现了碳纳米管阵列电极的制备。


纳米阵列柔性电极传感器的制备


相比利用金基材制备的现有传感器,碳纳米管阵列传感器电极材料有相对大的比表面积,因此具备更大的电荷容量,并且碳纳米管阵列传感器电极的内阻也远小于金基材的传感器电极,使得碳纳米管阵列传感器电极更高的检测精度。在进行多天监测实验和多次弯折实验,该传感器电极的性能保持基本不变,证明了传感器电极材料的耐久性。


碳纳米管阵列传感器电极与金传感器电极对比


当改变被测离子如钙离子、钠离子或者钾离子的离子浓度时,传感器的电压发生了明显的变化。而当在被测试液体中引入其他干扰离子如镁离子,传感器的电压则没有发生明显变化。这就证明了传感器具备良好的抗干扰性能。


碳纳米管阵列传感器的响应性和抗干扰性


最后,研究团队还将制备出的传感器直接应用于检测小鼠大脑皮层的生理活动,利用碳纳米管阵列传感器成功记录下了小鼠大脑皮层中钙离子、钾离子和钠离子的浓度变化。相关研究以“Carbon Nanotube Array-Based Flexible Multifunctional Electrodes to Record Electrophysiology and Ions on the Cerebral Cortex in Real Time”为题发表在“Advanced Functional Materials”上。

稿件来源:高分子科学前沿

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