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研究團隊采用逆向設(shè)計策略，根據(jù)NE的分子結(jié)構(gòu)特點，精心設(shè)計了Zn₁-TiO₂光電傳感材料。該傳感器的核心創(chuàng)新在于其原子級精度的識別位點：NE分子的鄰苯二酚羥基與TiO₂基底上的鈦位點配位，同時其側(cè)鏈的羥基和氨基與鋅單原子形成穩(wěn)定的五元環(huán)結(jié)構(gòu)。這種雙重識別機制使傳感器對NE的選擇性顯著高于結(jié)構(gòu)相似的多巴胺和腎上腺素，檢測限達到納摩爾級別，響應(yīng)時間僅為60毫秒。

在應(yīng)用研究中，團隊將該傳感器植入小鼠的藍斑核、皮層和海馬體等腦區(qū)，成功捕捉到癲癇模型中NE的動態(tài)變化。實驗數(shù)據(jù)顯示，癲癇發(fā)作時不同腦區(qū)的NE釋放呈現(xiàn)明顯的時空特征，藍斑核和海馬體發(fā)生海馬-皮質(zhì)偶聯(lián)，共同抑制了異常的皮質(zhì)放電。這些發(fā)現(xiàn)揭示了NE在癲癇發(fā)作過程中的多腦區(qū)協(xié)同調(diào)控機制，為理解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理機制提供了新視角。

圖1提出的用于NE選擇性活體檢測的Zn₁-TiO₂ PEC生物傳感器。（a）NE、DA和EP三種兒茶酚胺的化學結(jié)構(gòu)式；（b）NE、DA和EP分子在Zn₁-TiO₂光電極上的不同結(jié)合機制示意圖以及NE在Zn₁-TiO₂光電極上的選擇性光電流信號輸出，NE_OX的化學結(jié)構(gòu)式代表NE的最終反應(yīng)產(chǎn)物；（c）在Cx、Hip和LC中活體PEC監(jiān)測NE，響應(yīng)時間短至60 ms，左圖是Zn₁-TiO₂微光電極的SEM圖（標尺為100 μm）。

圖2 Zn₁-TiO₂的表征。（a）Zn₁-TiO₂的高角環(huán)形暗場（AC HADDF-STEM）像差校正，比例尺為2 nm；（b）Zn₁-TiO₂的放大AC HAADF STEM圖像亮度三維熱圖；（c）Zn₁-TiO₂的高分辨Zn 2p XPS光譜；（d）TiO₂和Zn₁-TiO₂的高分辨率O1s XPS光譜；（e）Zn₁-TiO₂和Zn箔XANES光譜的Zn k邊；（f）k³加權(quán)FT-EXAFS譜；（g）Zn k邊FT - EXAFS擬合曲線；（h）Zn箔和（i）Zn₁-TiO₂的k³加權(quán)EXAFS等值線圖的小波變換。

圖3 NE的選擇性PEC檢測。NE、DA和EP在（a）原始TiO₂、（b）Zn NPs -TiO₂和（c）Zn₁-TiO₂上的選擇性PEC響應(yīng)，數(shù)據(jù)用mean±SD表示（n = 3個電極）；（d）不同Zn單原子含量下，NE/DA和NE/EP在TiO₂、Zn NPs/TiO₂和Zn₁-TiO₂的光電流響應(yīng)比值，數(shù)據(jù)用mean±SD表示（n = 3個電極）；（e）TiO₂、Zn₁-TiO₂、NE、NE/TiO₂和NE/Zn₁- TiO₂的FTIR光譜；（f）NE、DA、EP在TiO₂和Zn₁- TiO₂上吸附能的DFT計算；（g）NE在Zn₁-TiO₂上的PEC氧化過程；光照前后NE/Zn₁-TiO₂上的（h）Zn 2p3/2和（i）Ti 2p3/2高分辨率XPS光譜；（j）Zn₁-TiO₂、NE/Zn₁-TiO₂態(tài)總密度；（k）Zn 3d, Ti 3d，O2p和N2p軌道的分波態(tài)密度；（l）NE/Zn₁-TiO₂局部電荷密度差的DFT計算，黃色部分為局部電荷積累區(qū)，青色部分為局部電荷耗盡區(qū)；（m）PEC氧化前后NE的紫外可見吸收光譜；（n）NE在Zn₁-TiO₂上PEC氧化后的LC-MS譜圖；（o）NEox在Zn₁-TiO₂上的DFT吸附能計算；（p）NE在TiO₂上、NE在Zn₁-TiO₂上和NEox在Zn₁-TiO₂上的MSD圖。

圖4 LC單腦區(qū)中NE的PEC活體檢測。（a）微光電極用于LC中NE測量的示意圖；（b）0.3 mg/Kg可樂定、（c）1.0 mg/Kg托莫西汀、（d）50 mM K⁺注射后小鼠LC中微光電極的光電流響應(yīng)（n = 5只小鼠）；（e）MD-HPLC檢測示意圖；（f） 0.3 mg/Kg可樂定、（g）1.0 mg/Kg托莫西汀、（h）50 mM K+注射后，用MD-HPLC測定的小鼠LC中NE濃度（n = 5只小鼠）。數(shù)據(jù)以mean±SD表示。采用雙尾非配對t檢驗計算統(tǒng)計學顯著性，并注明p值（ns p > 0.05, *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001）。

圖5不同腦區(qū)NE的PEC活體檢測。（a）多支微光電極用于Cx、LC和Hip中NE同時測量的示意圖；（b）注射PTZ （65 mg/kg）后Cx的代表性腦電圖記錄以及癲癇三個重要階段的放大腦電圖圖像。b1：癲癇前，b2：癲癇期，b3：癲癇后；Zn₁-TiO₂微光電極在癲癇小鼠Cx、LC、Hip腦區(qū)的（c）光電流信號和（d）對應(yīng)的光電流折線圖；數(shù)據(jù)以mean±SD表示（***p < 0.001）。（e）經(jīng)2.0 mg/kg唑尼沙胺后注射PTZ后小鼠Cx的代表性腦電圖記錄；（f）注射2.0 mg/kg唑尼沙胺后，Zn₁-TiO₂光電極在癲癇小鼠Cx、LC、Hip腦區(qū)的（f）光電流信號和（g）對應(yīng)的光電流折線圖；（h）癲癇小鼠和正常小鼠Hip、LC和Cx中caspase- 3活性；（i）癲癇前后小鼠新物體識別能力的變化；（j）方形空場地5分鐘內(nèi)小鼠典型運動軌跡；（k）小鼠癲癇前后移動的總距離（n = 5只，n.s.指無顯著差異）。數(shù)據(jù)以mean±SD表示。