活體信號記錄升級，呼吸頻率實(shí)現(xiàn)快速高精度監(jiān)測

中國科學(xué)報見習(xí)記者 程唯珈 記者 甘曉日前，《中國科學(xué)報》記者在中國科學(xué)院化學(xué)所（以下簡稱“化學(xué)所”）活體分析化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗室看到，研究人員將一塊指甲蓋大的傳感器放置在一只小鼠鼻腔處，電腦屏幕上即可顯示出它的呼吸頻率。“我們基于石墨炔材料，研發(fā)了這塊傳感器，實(shí)現(xiàn)了小鼠呼吸頻率變化的快速、高精度監(jiān)測?！被瘜W(xué)所研究員毛蘭群告訴記者，“未來，這種基于呼吸頻率活體精準(zhǔn)測量的原理可望進(jìn)一步發(fā)展成為一種新的活體信號記錄方法，希望被用在部分神經(jīng)生理和病理的研究中?！痹撗芯拷谠凇兜聡鴳?yīng)用化學(xué)》上發(fā)表。

從有創(chuàng)到無創(chuàng)的跨越

真實(shí)、定量地反映生命活動過程中的化學(xué)信息，是分析化學(xué)及其與生命科學(xué)交叉領(lǐng)域研究者追求的目標(biāo)，在活動物層次記錄與生命活動相關(guān)的信號變化至關(guān)重要。近年來，該實(shí)驗室研究人員針對活體分析化學(xué)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，提出了原創(chuàng)性的研究思想和方法。他們基于電化學(xué)原理，通過調(diào)控電子和離子轉(zhuǎn)移，發(fā)展了活體原位和活體在線分析方法，實(shí)現(xiàn)了腦內(nèi)多種分子實(shí)時的精準(zhǔn)檢測。“不過，我們迄今為止都是關(guān)注神經(jīng)遞質(zhì)和調(diào)質(zhì)的活體分析?！泵m群表示。作為生命體征參數(shù)之一，呼吸蘊(yùn)含著豐富的與生命活動相關(guān)的信息?；诖嗽搱F(tuán)隊把他們活體分析化學(xué)的研究進(jìn)一步拓展到呼吸頻率的精準(zhǔn)測量。“呼吸頻率的精準(zhǔn)測量除了需要高的選擇性以外，還必須具有很快的響應(yīng)時間，以滿足不同研究的需要?！泵m群告訴《中國科學(xué)報》記者。

7毫秒響應(yīng)

研究人員在對多種碳材料進(jìn)行調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗室開發(fā)的新材料石墨炔可能對水具有良好的響應(yīng)。石墨炔由炔鍵和苯環(huán)連接而成，具有豐富的碳化學(xué)鍵和大的共軛體系。“碳材料本身具有疏水性，氧化后可以跟水分子快速結(jié)合?！泵m群介紹，而石墨炔的炔鍵，則使其氧化后與水的結(jié)合能力更強(qiáng)，響應(yīng)速度也更快。毛蘭群團(tuán)隊研究人員對石墨炔材料進(jìn)行了氧化處理，證實(shí)了以上想法，他們最終將這一原理制作成一個尺寸小巧的傳感器。呼吸，和體溫、脈搏、血壓一起，被視為生命的四大體征。呼吸頻率已經(jīng)被證實(shí)和情緒、認(rèn)知、行為、生理等密切相關(guān)。進(jìn)一步的實(shí)驗在活體動物上開展。研究人員將小傳感器芯片置于小鼠鼻腔周圍，加上0.5伏電壓，實(shí)現(xiàn)了呼吸頻率的精準(zhǔn)記錄。實(shí)驗結(jié)果表明，缺血狀態(tài)下的小鼠具有每分鐘上百次的呼吸，傳感器的響應(yīng)時間達(dá)7毫秒，精度達(dá)到了0.1%。這是目前世界上報道的最快傳感器之一。

有望應(yīng)用于神經(jīng)生理研究

科學(xué)研究已經(jīng)表明，許多腦疾病的發(fā)生發(fā)展都會引起呼吸頻率的變化。在活體分析化學(xué)研究者看來，由于呼吸頻率在病理條件下表現(xiàn)出異常的活動特征和模式，通過測量能夠反映呼吸頻率的電流等信號的變化，就能實(shí)現(xiàn)呼吸頻率的活體監(jiān)測。例如，大鼠在腦缺血時呼吸頻率會產(chǎn)生明顯變化。科學(xué)家使用活體分析化學(xué)的方法有望為腦缺血的研究提供新的技術(shù)。目前，研究人員正致力于發(fā)展無線、柔性的傳感器。他們期待，這些研究成果能走出實(shí)驗室，真正在日常生活中得到應(yīng)用。未來，該團(tuán)隊還將發(fā)展相關(guān)生理活性物質(zhì)的活體記錄方法，并希望將部分方法應(yīng)用于神經(jīng)生理和病理的研究。