小鼠呼吸频率高精度监测新型传感器

活体信号记录升级，呼吸频率实现快速高精度监测

中国科学报见习记者 程唯珈 记者 甘晓日前，《中国科学报》记者在中国科学院化学所（以下简称“化学所”）活体分析化学院重点实验室看到，研究人员将一块指甲盖大的传感器放置在一只小鼠鼻腔处，电脑屏幕上即可显示出它的呼吸频率。“我们基于石墨炔材料，研发了这块传感器，实现了小鼠呼吸频率变化的快速、高精度监测。”化学所研究员毛兰群告诉记者，“未来，这种基于呼吸频率活体精准测量的原理可望进一步发展成为一种新的活体信号记录方法，希望被用在部分神经生理和病理的研究中。”该研究近期在《德国应用化学》上发表。

从有创到无创的跨越

真实、定量地反映生命活动过程中的化学信息，是分析化学及其与生命科学交叉领域研究者追求的目标，在活动物层次记录与生命活动相关的信号变化至关重要。近年来，该实验室研究人员针对活体分析化学研究中存在的关键科学和技术问题，提出了原创性的研究思想和方法。他们基于电化学原理，通过调控电子和离子转移，发展了活体原位和活体在线分析方法，实现了脑内多种分子实时的精准检测。“不过，我们迄今为止都是关注神经递质和调质的活体分析。”毛兰群表示。作为生命体征参数之一，呼吸蕴含着丰富的与生命活动相关的信息。基于此该团队把他们活体分析化学的研究进一步拓展到呼吸频率的精准测量。“呼吸频率的精准测量除了需要高的选择性以外，还必须具有很快的响应时间，以满足不同研究的需要。”毛兰群告诉《中国科学报》记者。

7毫秒响应

研究人员在对多种碳材料进行调研后，发现化学所有机固体实验室开发的新材料石墨炔可能对水具有良好的响应。石墨炔由炔键和苯环连接而成，具有丰富的碳化学键和大的共轭体系。“碳材料本身具有疏水性，氧化后可以跟水分子快速结合。”毛兰群介绍，而石墨炔的炔键，则使其氧化后与水的结合能力更强，响应速度也更快。毛兰群团队研究人员对石墨炔材料进行了氧化处理，证实了以上想法，他们最终将这一原理制作成一个尺寸小巧的传感器。呼吸，和体温、脉搏、血压一起，被视为生命的四大体征。呼吸频率已经被证实和情绪、认知、行为、生理等密切相关。进一步的实验在活体动物上开展。研究人员将小传感器芯片置于小鼠鼻腔周围，加上0.5伏电压，实现了呼吸频率的精准记录。实验结果表明，缺血状态下的小鼠具有每分钟上百次的呼吸，传感器的响应时间达7毫秒，精度达到了0.1%。这是目前世界上报道的最快传感器之一。

有望应用于神经生理研究

科学研究已经表明，许多脑疾病的发生发展都会引起呼吸频率的变化。在活体分析化学研究者看来，由于呼吸频率在病理条件下表现出异常的活动特征和模式，通过测量能够反映呼吸频率的电流等信号的变化，就能实现呼吸频率的活体监测。例如，大鼠在脑缺血时呼吸频率会产生明显变化。科学家使用活体分析化学的方法有望为脑缺血的研究提供新的技术。目前，研究人员正致力于发展无线、柔性的传感器。他们期待，这些研究成果能走出实验室，真正在日常生活中得到应用。未来，该团队还将发展相关生理活性物质的活体记录方法，并希望将部分方法应用于神经生理和病理的研究。