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

中國(guó)科學(xué)報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 程唯珈 記者 甘曉日前，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“化學(xué)所”）活體分析化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)。”化學(xué)所研究員毛蘭群告訴記者，“未來(lái)，這種基于呼吸頻率活體精準(zhǔn)測(cè)量的原理可望進(jìn)一步發(fā)展成為一種新的活體信號(hào)記錄方法，希望被用在部分神經(jīng)生理和病理的研究中。”該研究近期在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表。

從有創(chuàng)到無(wú)創(chuàng)的跨越

真實(shí)、定量地反映生命活動(dòng)過(guò)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(dòng)物層次記錄與生命活動(dòng)相關(guān)的信號(hào)變化至關(guān)重要。近年來(lái)，該實(shí)驗(yàn)室研究人員針對(duì)活體分析化學(xué)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)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(guò)調(diào)控電子和離子轉(zhuǎn)移，發(fā)展了活體原位和活體在線(xiàn)分析方法，實(shí)現(xiàn)了腦內(nèi)多種分子實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)檢測(cè)。“不過(guò)，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。”毛蘭群表示。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(dòng)相關(guān)的信息。基于此該團(tuán)隊(duì)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(cè)量。“呼吸頻率的精準(zhǔn)測(cè)量除了需要高的選擇性以外，還必須具有很快的響應(yīng)時(shí)間，以滿(mǎn)足不同研究的需要。”毛蘭群告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

7毫秒響應(yīng)

研究人員在對(duì)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(yàn)室開(kāi)發(fā)的新材料石墨炔可能對(duì)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。”毛蘭群介紹，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(duì)研究人員對(duì)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(gè)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(yàn)在活體動(dòng)物上開(kāi)展。研究人員將小傳感器芯片置于小鼠鼻腔周?chē)由?.5伏電壓，實(shí)現(xiàn)了呼吸頻率的精準(zhǔn)記錄。實(shí)驗(yàn)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(shí)間達(dá)7毫秒，精度達(dá)到了0.1%。這是目前世界上報(bào)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(huì)引起呼吸頻率的變化。在活體分析化學(xué)研究者看來(lái)，由于呼吸頻率在病理?xiàng)l件下表現(xiàn)出異常的活動(dòng)特征和模式，通過(guò)測(cè)量能夠反映呼吸頻率的電流等信號(hào)的變化，就能實(shí)現(xiàn)呼吸頻率的活體監(jiān)測(cè)。例如，大鼠在腦缺血時(shí)呼吸頻率會(huì)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(wú)線(xiàn)、柔性的傳感器。他們期待，這些研究成果能走出實(shí)驗(yàn)室，真正在日常生活中得到應(yīng)用。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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。