用于在體神經(jīng)遞質(zhì)檢測的可佩戴式無線電化學(xué)檢測儀

林楠森+王力+王蜜霞+徐聲偉+禹衛(wèi)東+蔡新霞

摘 要 為了實(shí)現(xiàn)對微弱神經(jīng)遞質(zhì)信號的在體實(shí)時(shí)檢測，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無線電化學(xué)檢測儀器。系統(tǒng)硬件以低功耗微控制器MSP430為主控制器，包括了微弱電流檢測模塊、波形產(chǎn)生模塊以及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，具有尺寸小（2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm）， 功耗低的特點(diǎn)。基于uC/OS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的下位機(jī)程序，結(jié)合上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與分析。針對神經(jīng)遞質(zhì)的實(shí)際檢測需求，系統(tǒng)集成了計(jì)時(shí)電流法與快速循環(huán)伏安法兩種電化學(xué)檢測分析方法。利用快速循環(huán)伏安法對不同濃度的多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了測試，在濃度范圍5.0×10 Symbolm@@ 7～7.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L內(nèi)，系統(tǒng)檢測的響應(yīng)電流與多巴胺濃度之間線性相關(guān)系數(shù)R=0.99。在此基礎(chǔ)上，開展了大鼠在體多巴胺檢測的實(shí)驗(yàn)，并成功檢測到大鼠尾狀殼核腦區(qū)的電誘發(fā)多巴胺釋放信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此儀器具有檢測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對大腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)信號的定性及定量分析，在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 電化學(xué); 神經(jīng)遞質(zhì); 多巴胺; 快速循環(huán)伏安

1 引 言

長期以來，神經(jīng)科學(xué)研究的基本方法是對神經(jīng)元的電生理活動(dòng)進(jìn)行記錄和分析。但隨著研究的不斷深入，越來越多的研究表明，神經(jīng)遞質(zhì)作為一類特殊的腦內(nèi)化學(xué)物質(zhì)，其在神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和功能實(shí)現(xiàn)上起著同樣重要的作用[1～4]。傳統(tǒng)的檢測方法包括光度法、化學(xué)發(fā)光法、色譜法、毛細(xì)管電泳和微透析法，都難以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)的原位實(shí)時(shí)檢測。

電化學(xué)方法以其時(shí)間分辨率高和對組織損傷小的優(yōu)點(diǎn)逐漸得到了重視，其時(shí)間分辨率可以達(dá)到毫秒量級。腦內(nèi)存在許多電化學(xué)活性的分子，例如多巴胺、5-羥色胺、腎上腺素等。當(dāng)工作電極與參比電極之間的電位維持在某一水平時(shí)，這些化合物被氧化。可以根據(jù)氧化電位的不同區(qū)別不同的遞質(zhì)。同時(shí)由于反應(yīng)電流是和反應(yīng)物的濃度成正比，可以通過檢測電流的大小來判斷遞質(zhì)的濃度信息。在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，對生物體腦內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)開展原位實(shí)時(shí)的在體檢測具有重要的科學(xué)意義^[5]。2003年， Phillips等利用快速循環(huán)伏安法檢測大鼠在體多巴胺亞秒量級的釋放^[6]。該研究使得快速循環(huán)伏安法受到越來越多研究者的重視，但目前檢測儀器多為實(shí)驗(yàn)室自制，還未有商用的儀器集成相關(guān)的檢測方法。這些儀器大部分采用有線的方式連接，且體積過大，不利于動(dòng)物的在體檢測^[7，8]。

本研究基于以上研究背景及需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可佩戴式的無線神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)檢測儀器，同時(shí)集成了計(jì)時(shí)電流法與快速循環(huán)伏安法兩種電化學(xué)檢測分析方法。儀器的電流分辨率和時(shí)間分辨率分別為10 pA和100 ms，與目前報(bào)道的同類儀器指標(biāo)相當(dāng)。但在功耗和體積方面，此儀器具有很大的優(yōu)勢，對動(dòng)物的自由活動(dòng)所產(chǎn)生的影響更小，因此更利于動(dòng)物的在體檢測。通過對多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液和大鼠的在體檢測，測試了系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了微弱電流的高靈敏度檢測，滿足了低濃度神經(jīng)遞質(zhì)檢測的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。主控制器采用TI公司的低功耗16位微控制器MSP430F1611。對于微量神經(jīng)遞質(zhì)的電化學(xué)檢測，其響應(yīng)電流一般為pA～nA級，故可采用兩電極的電化學(xué)體系完成檢測。體系的工作電壓由工作電極和對電極的電壓差決定。本設(shè)計(jì)采用固定工作電極電壓并改變對電極的電壓方式設(shè)置工作電壓。其中波形控制模塊對MSP430的DAC輸出進(jìn)行波形調(diào)理，將其輸出至對電極。工作電極上的電流通過電流檢測模塊進(jìn)行檢測，該模塊采用運(yùn)放TLC2264以跨阻的形式搭建，通過改變采樣電阻的大小設(shè)置電流的檢測范圍^[9，10]。數(shù)字化后的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)。結(jié)合在體檢測對功耗和體積的要求，本系統(tǒng)采用南京國春電子公司的無線藍(lán)牙模塊GC-02實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。該無線模塊的有效傳輸距離為10 m，由于工作在2.4 GHz頻段，天線和模塊的體積可以設(shè)計(jì)得更小。當(dāng)傳輸波特率為115200 bps時(shí)模塊的功耗為50 mW，因此該模塊的能夠以較低的功耗來滿足數(shù)據(jù)的傳輸，有利于增加儀器的工作時(shí)間。

為了減小儀器裝置的體積，以用于動(dòng)物或人的在體檢測，本研究將實(shí)際電路劃分為以下4個(gè)電路板模塊，分別為：數(shù)字模塊電路板、模擬模塊電路板、無線藍(lán)牙模塊電路板以及電源模塊電路板，通過接插件將4塊電路板垂直組裝在一起，從而減小電路板的面積。儀器組裝后實(shí)物圖如圖2A所示，尺寸為2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm。 圖2B為動(dòng)物在體檢測時(shí)的佩戴示意圖，電極預(yù)先植入腦內(nèi)并通過牙托水泥進(jìn)行固定，該檢測儀通過預(yù)留的接口和電極相連并進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果以無線方式發(fā)送到計(jì)算機(jī)。利用動(dòng)物背負(fù)的電池或外接電源可為儀器進(jìn)行供電，檢測時(shí)的功耗約為60 mW。

2.2 系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為使此系統(tǒng)工作更加高效、可靠，采用uC/OS-II設(shè)計(jì)下位機(jī)程序。根據(jù)系統(tǒng)的功能程序劃分為4個(gè)任務(wù)，并按照優(yōu)先級的高低排列如下：串口接收任務(wù)、快速循環(huán)伏安任務(wù)、計(jì)時(shí)電流任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。圖3為各任務(wù)的關(guān)聯(lián)圖，任務(wù)之間的同步通過信號或者郵箱實(shí)現(xiàn)。由于本系統(tǒng)的應(yīng)用中對數(shù)據(jù)的采集和波形產(chǎn)生有嚴(yán)格的時(shí)間要求，故采用定時(shí)器ISR控制。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的安全性，采用互斥信號量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送調(diào)度。

3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用快速循環(huán)伏安法，以300 V/s的掃描

速度在 Symbolm@@ 0.4～+1.0 V進(jìn)行掃描，然后返回 Symbolm@@ 0.4 V，以10 Hz的頻率重復(fù)，間隔期將電位恒定在 Symbolm@@ 0.4 V。在一個(gè)三角波的掃描周期內(nèi)，由于電極表面雙電層的存在， 會(huì)導(dǎo)致一個(gè)相對穩(wěn)定的背景充電電流，將檢測到的結(jié)果減去背景電流，可獲得物質(zhì)的氧化還原電流^[11]。本實(shí)驗(yàn)采用自制碳纖維電極為工作電極，Pt電極為對電極。所有測試過程均在屏蔽箱中進(jìn)行，且整個(gè)測試系統(tǒng)良好接地，將外界噪聲干擾降到最低。endprint

在標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測中，燒杯中加入50 mL生理鹽水溶液，并放置攪拌磁子，在生理鹽水中依次加入不同濃度多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

在SD大鼠的在體檢測中，將碳纖維電極植入到大鼠的尾狀殼核腦區(qū)，Pt電極插入用生理鹽水浸潤的棉花團(tuán)，置于顱骨邊沿。為了減小電刺激偽跡，實(shí)驗(yàn)采用同軸雙極性刺激電極，并植入到前腦內(nèi)側(cè)束腦區(qū)。通過對前腦內(nèi)側(cè)束施加雙極性電流脈沖（每組100個(gè)，脈寬2 ms，頻率100 Hz，幅度100 μA），檢測其投射區(qū)（尾狀殼核）的多巴胺釋放情況。

4 結(jié)果與討論

4.1 多巴胺溶液的檢測結(jié)果

圖4為本系統(tǒng)對多巴胺濃度變化的實(shí)時(shí)檢測結(jié)果，其X軸表示的時(shí)間，Y軸表示的是掃描電位的變化，Z軸為氧化還原電流。多巴胺的氧化電流峰出現(xiàn)在正向掃描下的0.53 V。以60 s間隔加入多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，待測溶液濃度范圍從為0.5～70 μmol/L。根據(jù)掃描的三維曲面，可以計(jì)算出待測物質(zhì)的種類和濃度。

圖5為正向掃描0.53 V所對應(yīng)的時(shí)間-電流曲線，該電壓下的多巴胺氧化電流最大。由快速循環(huán)伏安掃描所得到的時(shí)間-電流曲線很好地反映了多巴胺溶液濃度的實(shí)時(shí)變化。每當(dāng)濃度發(fā)生改變時(shí)，其響應(yīng)電流都會(huì)隨

之增大。其結(jié)果表明本系統(tǒng)所采用

的方法能夠在低濃度范圍內(nèi)很好地反映多巴胺遞質(zhì)的實(shí)時(shí)變化情況。

圖6為由快速循環(huán)伏安法所得到的氧化電流與濃度值的線性相關(guān)曲線，其線性相關(guān)系數(shù)R為0.99。通過計(jì)算，采用快速循環(huán)伏安法的響應(yīng)電流靈敏度為11.46 pA/μM/μm2。與傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)電流法（0.49 pA/μM/μm2）相比，其靈敏度提高20倍以上。因此，采用此檢測方法能夠很好地解決在體檢測所面臨的噪聲電流高、信噪比低的問題，更利于微弱神經(jīng)遞質(zhì)信號的檢測。

4.2 5-羥色胺干擾物的檢測

與計(jì)時(shí)電流法相比，快速循環(huán)伏安法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對被測物質(zhì)的定性分析。在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上加入5-羥色胺作為干擾物質(zhì)，圖7為1200 s時(shí)加入100 μmol/L 5-羥色胺的快速循環(huán)伏安掃描圖。由圖7可知， 5-羥色胺的氧化峰電位出現(xiàn)在0.66 V。因此，本方法還可用于對大腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的定性檢測，區(qū)分不同遞質(zhì)的濃度變化情況。

4.3 SD大鼠的在體檢測

圖8為對SD大鼠前腦內(nèi)側(cè)束施加雙極性刺激電流后獲得的尾狀殼核腦區(qū)多巴胺瞬變信號。由圖8可知，經(jīng)過電誘發(fā)所釋放的多巴胺濃度在1 μmol/L左右，持續(xù)時(shí)間約4 s。當(dāng)濃度達(dá)到峰值后，胞外的多巴胺遞質(zhì)被神經(jīng)元重新攝取并存儲(chǔ)。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)并制作了一種無線電化學(xué)檢測裝置，可采用電池或外接電源供電，具有檢測靈敏度高、體積小和功耗低的特點(diǎn)。利用微弱電流檢測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對微弱遞質(zhì)信號的獲取與識別。由掃描結(jié)果可知，在300 V/s的掃速下，多巴胺的氧化峰電位為0.53 V。在0.53 V下的多巴胺氧化電流與濃度值呈線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.99。與傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)電流方法相比較，本方法具有更高的響應(yīng)電流，因此更適用于對于動(dòng)物或人的在體實(shí)時(shí)檢測，獲得高信噪比的檢測結(jié)果。同時(shí)，利用本方法還能夠?qū)崿F(xiàn)對大腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的定性檢測，根據(jù)氧化峰電位的不同判斷神經(jīng)遞質(zhì)的種類。在此基礎(chǔ)上，開展了大鼠在體多巴胺檢測的實(shí)驗(yàn)，通過對SD大鼠的前腦內(nèi)側(cè)束施加電脈沖刺激，成功地在大鼠尾狀殼核腦區(qū)檢測到多巴胺釋放信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此檢測儀器在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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A Wearable Wireless Electrochemical Instrument Used

for In-vivo Neurotransmitter Detection

LIN Nan-Sen1， WANG Li1，2， WANG Mi-Xia1， XU Sheng-Wei1， YU Wei-Dong2， CAI Xin-Xia*1，2

1（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics，

Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

2（University of the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract A wireless electrochemical recording device was designed for in-vivo neurotransmitters real-time detection. Low-power microcontroller MSP430 was chosen as main control unit in hardware system. Other modules were current detection module， waveform generator module and data transceiver module. This device had the merits of small size （2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm） and low power consumption. Firmware program design was based on uC/OS operating system. Combined with the PC software， the device could achieve online display and analysis of the recording data. For neurotransmitter detecting needs， the device implemented fast-scan cyclic voltammetry （FSCV） and fixed-potential amperometry. By using fast-scan cyclic voltammetry method， a linear relationship（R=0.99） between the concentration of dopamine and response current was acquired in the range of 5.0×10 Symbolm@@ 7-7.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L. In the in-vivo experiments， the electrically evoked dopamine was recorded in the caudate-putamen area of brain in rats. Experimental results showed that the system had high detection accuracy， which could realize qualitative and quantitative analysis of the brain neurotransmitter. This work would have a broad application prospect in the field of neuroscience research.

Keywords Electrochemistry; Neurotransmitter; Dopamine; Fast-scan cyclic voltammetry

（Received 3 June 2014; accepted 19 August 2014）endprint