活體信號記錄升級，呼吸頻率實現快速高精度監測

中國科學報見習記者 程唯珈 記者 甘曉日前，《中國科學報》記者在中國科學院化學所（以下簡稱“化學所”）活體分析化學院重點實驗室看到，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，研發了這塊傳感器，實現了小鼠呼吸頻率變化的快速、高精度監測。”化學所研究員毛蘭群告訴記者，“未來，這種基于呼吸頻率活體精準測量的原理可望進一步發展成為一種新的活體信號記錄方法，希望被用在部分神經生理和病理的研究中。”該研究近期在《德國應用化學》上發表。

從有創到無創的跨越

真實、定量地反映生命活動過程中的化學信息，是分析化學及其與生命科學交叉領域研究者追求的目標，在活動物層次記錄與生命活動相關的信號變化至關重要。近年來，該實驗室研究人員針對活體分析化學研究中存在的關鍵科學和技術問題，提出了原創性的研究思想和方法。他們基于電化學原理，通過調控電子和離子轉移，發展了活體原位和活體在線分析方法，實現了腦內多種分子實時的精準檢測。“不過，我們迄今為止都是關注神經遞質和調質的活體分析。”毛蘭群表示。作為生命體征參數之一，呼吸蘊含著豐富的與生命活動相關的信息。基于此該團隊把他們活體分析化學的研究進一步拓展到呼吸頻率的精準測量。“呼吸頻率的精準測量除了需要高的選擇性以外，還必須具有很快的響應時間，以滿足不同研究的需要。”毛蘭群告訴《中國科學報》記者。

7毫秒響應

研究人員在對多種碳材料進行調研后，發現化學所有機固體實驗室開發的新材料石墨炔可能對水具有良好的響應。石墨炔由炔鍵和苯環連接而成，具有豐富的碳化學鍵和大的共軛體系。“碳材料本身具有疏水性，氧化后可以跟水分子快速結合。”毛蘭群介紹，而石墨炔的炔鍵，則使其氧化后與水的結合能力更強，響應速度也更快。毛蘭群團隊研究人員對石墨炔材料進行了氧化處理，證實了以上想法，他們最終將這一原理制作成一個尺寸小巧的傳感器。呼吸，和體溫、脈搏、血壓一起，被視為生命的四大體征。呼吸頻率已經被證實和情緒、認知、行為、生理等密切相關。進一步的實驗在活體動物上開展。研究人員將小傳感器芯片置于小鼠鼻腔周圍，加上0.5伏電壓，實現了呼吸頻率的精準記錄。實驗結果表明，缺血狀態下的小鼠具有每分鐘上百次的呼吸，傳感器的響應時間達7毫秒，精度達到了0.1%。這是目前世界上報道的最快傳感器之一。

有望應用于神經生理研究

科學研究已經表明，許多腦疾病的發生發展都會引起呼吸頻率的變化。在活體分析化學研究者看來，由于呼吸頻率在病理條件下表現出異常的活動特征和模式，通過測量能夠反映呼吸頻率的電流等信號的變化，就能實現呼吸頻率的活體監測。例如，大鼠在腦缺血時呼吸頻率會產生明顯變化。科學家使用活體分析化學的方法有望為腦缺血的研究提供新的技術。目前，研究人員正致力于發展無線、柔性的傳感器。他們期待，這些研究成果能走出實驗室，真正在日常生活中得到應用。未來，該團隊還將發展相關生理活性物質的活體記錄方法，并希望將部分方法應用于神經生理和病理的研究。