《Talanta》：Amperometric Ion-Selective Nanoelectrodes for Bioanalytical Sensing and Imaging
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本文推荐一篇发表于《Talanta》的综述，重点介绍了电流型离子选择性纳米电极作为新兴电化学方法在生物分析与成像中的最新应用。研究人员针对传统电位型离子选择性电极的局限性，开发了基于液/液界面离子转移的纳米电极技术，成功实现了低至30纳米空间分辨率的扫描电化学显微镜成像，并应用于单核孔复合物分子转运成像、单细菌细胞间化学相互作用分析以及神经递质乙酰胆碱的无标记检测。该研究为在体和实时生物分析提供了强大工具，对理解生命过程基本机制和疾病诊断具有重要意义。
在生命科学和医学研究领域，实时、原位地探测生物体内特定离子的动态变化，对于理解生理和病理过程至关重要。传统的离子检测方法，如电位型离子选择性电极，虽然能够检测超过60种离子，但其基于平衡态能斯特响应的原理存在固有局限：一次只能检测一种离子，对高价离子的灵敏度较低，且检测限难以突破纳摩尔水平。更重要的是，在复杂的生物环境中，如单个细胞甚至亚细胞结构层面，实现高空间分辨率、高选择性的离子成像和传感，一直是难以逾越的挑战。为了突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了电流型离子选择性纳米电极这一新兴技术。
为了系统阐述这一前沿领域的进展，Jiyeon Kim和Shigeru Amemiya在《Talanta》上发表了题为“Amperometric Ion-Selective Nanoelectrodes for Bioanalytical Sensing and Imaging”的综述文章。该文深入探讨了电流型离子选择性纳米电极的工作原理、制备方法及其在生物分析和成像中的革命性应用，展示了其在单分子转运、单细胞代谢相互作用以及神经科学等领域的巨大潜力。
研究人员在综述中重点运用了几项关键技术方法。首先是电流型离子选择性纳米电极的制备与表征，核心是使用激光控制拉针仪制备尖端直径可小至10纳米的玻璃或石英纳米移液管，并通过硅烷化处理使其内壁疏水，随后填充含有疏水性电解质的有机相，从而在尖端形成纳米尺度的液/液界面。其次，他们将此纳米电极作为扫描电化学显微镜的探针，通过精密的电容反馈压电定位系统，实现了高达30纳米空间分辨率的成像。此外，文章还详细介绍了基于马库斯理论的离子转移动力学分析，以及利用特定离子载体实现高选择性离子识别的方法。研究所用生物样本包括从非洲爪蟾卵母细胞中分离的核膜以及口腔微生物群落中的单个细菌细胞。
1. 引言
文章开篇比较了电位型与电流型离子选择性电极的工作原理。电位型电极测量的是离子在膜相与样品相之间达到平衡时的能斯特电位，其选择性由离子转移和离子-离子载体络合的热力学控制。而电流型电极则通过在液/液界面施加外电位，驱动离子发生非平衡转移并测量产生的电流，其选择性不仅取决于热力学，还受离子转移动力学的影响。这种动态操作模式克服了电位法的诸多限制，例如，可通过改变电位在同一电极上检测多种离子，对多价离子具有更高灵敏度，并可通过预富集-溶出伏安法将检测限降低至皮摩尔水平。电流型离子选择性纳米电极结合了纳米电极的高空间分辨率、高生物相容性以及电流测量对探针-基底距离敏感的特性，使其特别适合于高分辨扫描电化学显微镜成像和活体生物分析。
2. 电流型离子选择性纳米电极
该部分详细描述了纳米电极的构建。其核心是一个充满有机电解质溶液的纳米移液管，浸入水相电解质中，形成一个纳米级的液/液界面。当在界面施加超过离子转移形式电位的电压时，溶液中的分析物离子会被驱动穿过界面，产生受离子扩散控制的稳态电流。离子转移过程可以是简单的离子转移，也可以由离子载体介导，后者遵循非协同或协同机制，两者热力学等效但动力学不同。文章强调了电极制备的重现性，包括使用中等反应活性的硅烷化试剂处理移液管内壁以确保界面稳定形成，以及严格的操作规程以防止污染。
3. 纳米扫描电化学显微镜
研究人员将电流型离子选择性纳米电极作为扫描电化学显微镜的探针，首次实现了对完全浸没在溶液中的基底进行低于100纳米空间分辨率的高分辨成像。通过监测纳米电极对模型离子（如四丁基铵，TBA+）的电流响应，并精确控制探针与基底的距离在纳米级别，他们成功对含有规则排列的固态纳米孔膜进行了成像，空间分辨率达到约30纳米。这种高分辨率成像验证了该技术在研究具有类似尺寸和形态的生物纳米孔道（如核孔复合物）的渗透性方面的巨大潜力。与基于电子导体的固态纳米电极相比，基于液/液界面的离子选择性纳米电极更具鲁棒性，不易因静电放电而损坏。
4. 分子通过核孔复合物的运输
这是该技术一个里程碑式的应用。核孔复合物是真核细胞核质间物质运输的唯一通道，其功能异常与多种疾病相关。利用约30纳米直径的离子选择性纳米移液管作为扫描电化学显微镜探针，研究人员成功区分了单个核孔复合物的“堵塞”与“未堵塞”状态。成像结果显示，在堵塞的核孔复合物中心，TBA+的传输电流保持低位，而在未堵塞的核孔复合物中心则明显升高。这一发现直接证明了堵塞核孔复合物的中央栓对小型探针离子是不可渗透的，支持了中央栓是转运过程中被捕获的大分子货物而非固有渗透性结构的假说，为解决这一长期争议提供了关键的电化学证据。
5. 细菌间的化学相互作用
该部分展示了该技术在微生物学研究中的威力。通过使用离子选择性亚微米移液管，研究人员实时、原位地观察了人类口腔微生物群中两种优势菌——缓症链球菌和马氏棒杆菌——之间的代谢互营关系。以TBA+转移电流作为形貌对比度，以乳酸转移电流作为功能对比度，扫描电化学显微镜成像清晰显示，球形缓症链球菌上方因持续产生乳酸而电流升高，而丝状马氏棒杆菌上方因快速消耗乳酸而电流降低。这首次在单细胞水平上直接证实了这两种细菌通过乳酸生产与消耗实现的实时化学交流。此外，文章还介绍了利用纳米移液管伏安法研究抗菌药物离子跨模拟细胞膜（液/液界面）的传输动力学，揭示了其缓慢的传输速率与药物离子的有效亲水性相关，为理解细菌耐药性提供了新视角。同时，成功开发的碳酸根选择性电流型纳米探针，可用于检测金属还原细菌产生的碳酸根，为单细胞水平的微生物呼吸研究提供了工具。
6. 神经元处的乙酰胆碱选择性电流分析
电流型离子选择性电极在神经科学中的应用取得了突破。乙酰胆碱是一种重要的、但无电化学活性的神经递质，其直接电化学检测极具挑战。研究人员通过在纳米移液管的有机相中加入冠醚类离子载体，实现了对乙酰胆碱的高选择性电流检测。他们将这种纳米电极作为扫描电化学显微镜探针，精确放置在活体神经元附近，成功检测到由钾离子刺激引发的乙酰胆碱释放，并定量了单个神经元释放的乙酰胆碱分子数量。更引人注目的是，他们进一步发展了双通道纳米移液管电极，可同时检测乙酰胆碱和多巴胺这两种神经递质。最近，该技术更被推进至活体水平，利用乙酰胆碱选择性微电极，首次在小鼠大脑皮层内实现了对注射乙酰胆碱的动态实时监测，为在体研究神经递质功能打开了新大门。
7. 展望
文章最后展望了该领域的未来发展方向。提高选择性以检测更复杂样品中的特定离子，以及将检测限推向更低水平以使用更小的纳米电极（从而获得更高的空间分辨率）是未来的重点。动态伏安法检测多种离子、以及检测其他重要的生物分子（如γ-氨基丁酸）也是值得探索的方向。更快的扫描电化学显微镜成像速度与先进算法的结合，将能同时解析复杂基底的地形和反应活性。
综上所述，这篇综述系统性地阐述了电流型离子选择性纳米电极这一强大生物分析工具的原理、技术和前沿应用。它不仅在基础科学研究中，如揭示核孔复合物的传输机制、阐明单细胞间的代谢相互作用、实时监测神经递质动态等方面，提供了前所未有的洞察力，而且在生物医学应用，如疾病机制研究、药物开发、环境监测等领域展现出广阔前景。随着离子载体化学的不断进步和纳米制造技术的日益精密，电流型离子选择性纳米电极必将在生命科学与健康医学研究中扮演越来越重要的角色。
