活体高通量分析新方法基础研究

In cerebral system, neurochemicals including neurotransmitters, neuromodulators, energy metabolites, growth factors etc. play vital function in many physiological and pathological processes. Exploring complex temporal and spatial relationship between numerous neurochemicals is highly demanded for further understanding of neurochemical processes.Based on the multidisciplinary research of material sciences, electrochemical analysis, fluorescent sensing and neurosciences, this project aims to solve the key scientific issues in multiple in vivo and online analysis of important signal molecules in neurochemical processes. The research plans includes: 1) designing new electrode/solution and fluorescent sensing interface using novel functionalized nanostructure and materials, and study on the fundamental electrochemistry and fluorescence behavior; 2) fabricating electrochemical sensors (for glutamic acid, uric acid, growth factor and peptide hormone etc.) and fluorescent sensors (for ascorbate acid, metal ions and glutamic acid etc.) with high sensitivity and selectivity for single neurochemical;3) developing integrated sensing platform: fabricating individually addressable microelectrode array using pyrolysis and wet incubation method, and rationally designing microfluidic chip for online electrochemical as well as fluorescence analysis, respectively; 4)integrating analytical methods on established platforms according to different sensing mechanism and establishing online analysis methods for variety of important signaling molecules by efficiently combining with microdialysis sampling technique; 5) using SD rats as experimental animal and brain ischemia as pathological model to investigate the established methods and techniques for online and simultaneous monitoring of several neurochemicals. The project includes a series of innovative conception and has clear research objectives . the implementation will supply important experimental techniques for investigating complex relationship among neurochemicals, and thus promoting the understanding of neurochemical processes in molecular levels during physiological, pathological and pharmacological processes.

脑神经化学过程中神经递质、调质、能量物质、生长因子等在神经生理和病理过程中具有重要的作用，解析众多神经化学物质之间的复杂时空相关性对于深入了解脑神经的化学过程具有十分重要的意义。本项目针对如何实现脑神经化学过程中重要信号分子的高通量活体在线传感与分析的关键科学问题，拟开展以下研究：1）利用新型功能化的微纳材料和结构，设计和构筑新型的电极/溶液和荧光传感界面；2）研制针对单组份的高灵敏度，高选择性的电化学（针对谷氨酸、尿酸、生长因子和肽类激素等）和荧光传感器（针对抗坏血酸，金属离子和谷氨酸等）；3）集成平台设计和构筑：制备可单个寻址的微电极阵列，合理设计微流控芯片；4）传感方法合理集成，建立高通量的活体在线分析的新方法。5）探讨所建立的方法和技术在多组份活体在线分析中的应用。本项目研究包含着系列新颖的构思，目标明确。本项的实施将为神经化学物质之间复杂相关性分析提供关键的实验技术。

在活体层次开展并建立神经化学物质分析的新原理和新方法，能够更加真实定量地反映脑神经活动过程中的化学信息，在分析化学和生命科学的研究中具有重要的意义。本项目以建立面向高通量分析的生理活性分子活体在线和活体原位分析的新原理和新方法为研究目标，针对高通量活体在线传感与分析研究中存在的单组分高选择性实现、多组分集成困难关键科学问题，提出了可用于复杂神经系统物质分析的新原理，建立了一系列活体在线/原位电化学分析和光学分析新方法，为在活体层次多角度揭示脑活动的化学机制提供方法学基础。在过去四年中，设计制备了碳基和金基功能性纳米材料表界面结构，超薄二维过渡金属氢氧化物及杂化体、MOF等电催化和类酶催化材料，调控表面性能和相互作用，开拓新的活体分析方法体系和原理。主要开展了以下研究：1）设计制备了10余种新型高效电化学催化材料及类酶材料并进行性能研究，构筑电化学和光学传感界面；2）设计构筑了5种功能化微纳结构的新型微电极和柔性传感器，并进行了性能研究及活体/细胞分析应用研究；3）提出通过酶活性调控建立高灵敏活体分析新思路。发现在生物环境中引入Yb3+后，谷氨酸脱氢酶催化速率可增加到3倍，在催化的第二步，Yb3+将反应速率提高了约41%，揭示了稀土促进酶反应动力学的机理，为高灵敏谷氨酸检测奠定基础；4）建立了针对谷氨酸、葡萄糖、ATP和多巴胺代谢产物的4个活体在线电化学分析新体系；5）首次提出建立基于光吸收原理的活体在线光学分析新原理和新方法，建立了针对抗坏血酸、硫化氢、葡萄糖、抗坏血酸/铜离子的4个活体在线单组分/多组分光学分析新体系。项目执行期间以第一作者和通讯作者在Adv. Energy. Mater.、Anal. Chem.、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Commun.、J. Mater. Chem. A发表SCI 论文29 篇（IF>5, 27 篇，最高IF 为24.884），获授权专利10项,申请专利16项。林雨青入选2019 年北京市“长城学者”培育计划。重要研究成果将在2020年持续发表。本项目研究成果为生理活性物质活体电化学、光学分析研究及神经生理病理过程深入应用提供了奠定了坚实的基础，为促进分析化学与脑科学研究的交叉融合具有重要意义。