[Nat. Commun.] 清华大学尹斓：实时活体监测NO电化学传感器
通讯作者：尹斓
通讯单位：清华大学材料科学与工程学院
对人体关键生物标志物的精确和连续测量构成了健康评估、药物指导、手术干预方案和术后监测的重要基础。生理环境中一氧化氮（NO）水平的实时监测在神经传递、免疫反应、心血管系统、血管生成、微循环等方面起着至关重要的作用。据报道，异常数量的NO与炎症、神经毒力密切相关和癌症进展。由于其半衰期短（6-10 s），浓度低（nM-μM），化学活性高以及受其他化学物质（葡萄糖，亚硝酸盐和尿酸）的干扰，在生理环境中精确捕获NO浓度一直是一个巨大的挑战。
基于此，清华大学材料科学与工程学院尹斓教授报告了一种灵活、可生物降解和无线操作的电化学传感器，用于实时NO检测，具有低检测限（3.92 nM）、宽传感范围（0.01–100μM）、高时间分辨率（<350ms）以及理想的抗干扰特性。该NO传感器成功的在兔子关节腔中使用无线数据传输系统进行了为期5天的监测。生物相容性评估表明，在植入部位或主要器官中没有明显的不利影响或异物积聚。这些结果为灵活和可生物降解的NO传感建立了重要途径，在生理条件下具有准确和稳定的特性，可为健康评估、治疗优化和术后监测提供必要的诊断和治疗信息。
图1. 柔性和实时一氧化氮（NO）传感器的材料和设计：（a）由可生物吸收的PLLA-PTMC基底（厚度：400 μm）、Au纳米膜电极（厚度：~32 nm）和聚（丁香酚）薄膜（厚度：~16 nm）组成的瞬态NO传感器的示意图。通过在工作电极（WE）和参比电极（RE）之间施加氧化电位并测量WE和对电极（CE）之间的电流，通过电流分析法测量NO浓度。植入新西兰大白兔关节腔的传感器可以持续检测体内NO浓度，并通过定制的无线模块将数据传输到用户界面；（b）在磨砂玻璃上制造的带有聚（丁子香酚）薄膜的Au电极的表面形态的光学图像。插图：表面形态的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）弯曲时NO传感器的照片；（d）处于拉伸状态的NO传感器的照片；（e）在65°C磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中瞬态NO传感器加速降解的各个阶段（0、1、6和15周）收集的图像。
图2. 柔性瞬态NO传感器在37°C下的电化学性能：（a）在含（黑色）和不含NO（红色）的PBS溶液中进行的线性扫描伏安法；（b）不同NO浓度下传感器的时间相关电流响应（检测范围：0-100 μM），电压为0.8 V；（c）不同NO浓度下传感器的电流响应（检测范围：0-5 μM），电压为0.8 V；（d）校准曲线：响应电流和NO浓度（5–100 μM）之间的线性关系；（e）校准曲线：响应电流与NO浓度（0–5 μM）之间的线性关系；（f）选择性测量：添加了一系列潜在干扰物（0.5 mM）和NO溶液（0.1 mM）（葡萄糖，亚硝酸钠，硝酸钠，AA，UA）；（g）NO传感器选择性的定量分析。信号由Iothers（INO）-1定义，其中Iothers是添加干扰化学物质（0.5mM）的响应电流，INO是添加NO溶液（0.1 mM）的响应电流；（h）NO传感器的稳定性：1到14天响应电流和NO浓度之间的线性关系；（i）NO传感器的稳定性：1到14天的选择性测量。
图3. NO传感器的细胞毒性测试和软骨细胞NO实时检测；（a）用钙黄绿素-AM/碘化丙啶（Calcein-AM/PI）染色在NO传感器上培养的人主动脉血管平滑肌细胞（HA-VSMC）的荧光图像。绿色（Calcein-AM）代表活细胞，红色（PI）代表死细胞；（b）0、1、3和5天的细胞活性；（c）NO传感器的实时电流响应，添加L-精氨酸（L-Arg）以促进NO释放，添加Nω-硝基-L-精氨酸甲酯（L-NAME）以抑制NO释放。红色：在含有白细胞介素-1β（IL1-β）的PBS中培养的大鼠软骨细胞；黑色：含有IL1-β的PBS。插图：软骨细胞的光学图像；（d）通过NO传感器（黑色）实时测量PBS中培养的软骨细胞24小时内的NO浓度，与通过标准Griess测试（红色）测量的累积NO2-浓度进行比较。添加L-Arg和IL1-β以促进NO释放。
图4. 新西兰兔心脏和关节腔内NO浓度的体内实时监测；（a）通过静脉输注硝酸甘油（NTG）刺激兔心脏释放NO的响应电流的实时测量，同时放大视图中NO传感器的心电图（ECG）记录；（b）实时监测由NTG输注刺激的兔子心脏中的NO浓度（黑色），与通过标准Griess测试（红色）测量的累积NO2-浓度进行比较；（c）在兔关节腔中手术植入NO传感器的照片；（d）NO传感器的无线控制和传输系统示意图。SAR ADC，逐次逼近寄存器模数转换器；DAC，数模转换器；缓冲，缓冲；AMP，放大器；TIA，跨阻放大器；（e）植入的NO传感器、电线连接和无线模块的X射线图像；（f）植入NO传感器后兔子的照片，无线电路固定在大腿上；（g）在兔子关节腔中植入NO传感器1天后实时监测NO的当前响应；（h）在兔子关节腔中植入NO传感器5天后实时监测电流响应；（i）在5天内实时监测NO浓度（NO浓度由测量的响应电流转换而来）；（j）8周后植入部位组织的苏木精-伊红（HE）染色图像。
参考文献：
Rongfeng Li, Hui Qi, Yuan Ma, Yuping Deng, Shengnan Liu, Yongsheng Jie, Jinzhu Jing, Jinlong He, Xu Zhang, Laura Wheatley, Congxi Huang, Xing Sheng, Milin Zhang, Lan Yin, A flexible and physically transient electrochemical sensor for real-time wireless nitric oxide monitoring, Nat. Commun. 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-020-17008-8.