活体分析化学的生物电化学基础研究

In vivo analytical chemistry is the accurate measurement of chemical dynamics in the brain, which is of great significance to unraveling the chemical essence of brain structure and function and establishing the molecular mechanisms of physiological and pathological processes. Combining bioelectrochemistry and in vivo analytical chemistry, this project will tackle key scientific problems for in vivo bioelectrochemistry and focus on fundamental study of the interface between biomacromolecules (enzymes and physiologically active proteins) and electrodes. By rationally designing bioelectrochemical interfaces, it is planned to establish and develop new methods with high selectivity, sensitivity and spatiotemporal resolution for in vivo on-site analysis. The main content of this research include: (1) fundamental investigation of the interfacial electrochemistry of important biomacromolecules, (2) establishment of new bioelectrochemical sensing principles and methods, (3) research of bioelectroanalytic methods for measuring electroinactive neurochemicals, and (4) establishment and applications of in vivo bioelectroanalytical methods. This project will greatly promote the development of in vivo analytical chemistry in the realm of neuroscience, and provide methodological basis for further in-depth brain research.

活体分析化学是对脑内活性物质动态变化的精准测量，对于揭示脑结构与功能的化学本质以及建立生理病理分子机制具有重要意义。本课题以促进生物电化学与活体分析化学的交叉融合为研究目标，针对活体应用中的生物电化学关键科学问题，以生物大分子（蛋白酶与生理活性蛋白）为研究对象，通过生物电化学界面的基础研究和理性设计，建立和发展高选择性、灵敏度、时空分辨的活体原位分析新方法。主要研究内容包括：（1）重要生物大分子界面电化学的基础研究；（2）生物电化学传感新原理和新方法的建立；（3）电化学惰性神经分子的生物电化学分析研究；（4）活体原位生物电化学分析方法的建立与应用。本项目研究将极大推动活体分析化学在神经科学领域的发展，为更深层次的脑研究奠定方法学基础。

活体分析化学是对脑内活性物质动态变化的精准测量，对于揭示脑结构与功能的化学本质以及建立生理病理分子机制具有重要意义。本项目以促进生物电化学与活体分析化学的交叉融合为研究目标，面向脑神经分析化学需求，针对活体应用中的生物电化学分析方法面临的关键科学问题，以酶催化剂为研究对象，通过生物电化学界面的基础研究和理性设计，建立和发展高选择、高灵敏、神经元及电生理兼容的活体电化学传感新方法。主要研究内容包括：（1）传统天然蛋白酶的界面电子转移调控研究；（2）新型非天然蛋白酶的电催化功能调控研究；（3）人工酶电催化体系设计研究；（4）酶基活体电化学传感新方法的建立及活体分析应用研究。项目所取得的代表性原创成果包括：（1）提出了基于人工金属酶设计理念的生物电催化界面构筑新思想，为实现酶-电极界面高效异相电子转移提供了一种无需电极修饰、普适性人工酶设计策略；（2）发现了稀土离子提升NAD型谷氨酸脱氢酶电催化活性的新机制，建立了合成酶型电化学传感体系，发展了氧气及辅酶因子不依赖、高灵敏、低检出限的谷氨酸活体电化学传感方法，可测定鼠脑内谷氨酸基础浓度；（3）提出了利用石墨炔、单原子模拟酶等新型纳米材料调控界面电子转移、单位点吸附/脱附作用以实现选择性传感的普适策略，发展了高选择性、时空分辨的活体在线或原位电化学传感新方法；（4）提出了原电池型氧化还原电位传感原理，结合自发双极化原理，建立了单根碳纤维自触发的电位型活体原位传感新方法，通过对界面进行单原子功能化处理，实现了鼠脑内硫化氢释放信号的原位实时测量；（5）将原电池型氧化还原电位法与阵列电极整合，发展了一种高度兼容神经元、可与电生理系统联用的活体植入式传感技术，实现了脑内神经元化学信号与电信号的实时同步记录。本项目研究成果为生物电化学基础与应用发展提供了新的路径和机遇，促进其与活体分析、脑神经化学等学科的交叉融合发展，丰富和拓展了电分析化学的内涵与外延，将为我国“脑计划”的顺利实施提供有力的技术支撑。