一直以来,大脑都是科学家们不懈研究的重要领域。大脑内的神经递质、神经调质和其他神经化学物质与其正常工作密切相关,影响神经系统的化学物质负责在神经元突触之间传递信息。脑化学是一个复杂的研究体系,神经化学物质(例如:一氧化氮(NO)、氧气(O2)、pH、5-羟色胺(5-HT)等)的微小变化都会对脑功能有着显著的影响。因此,分析大脑中细胞外周围的神经元内的神经化学物质的释放与摄入具有很重要的意义,这有利于更加深入地研究脑功能的分子基础。NO不仅是与许多脑疾病密切相关的自由基信使,而且是一种重要的神经元信号。研发一种灵敏可靠的生物传感器,使其能够准确地原位检测活体脑中的NO,是一个挑战。本论文设计并构建了基于hemin和Nafion修饰的碳纳米管纤维(CNF)比率型电化学传感器,可用于检测Wister大鼠脑中内源性NO以及随后脑缺血时NO水平。CNF不仅可以负载hemin分子,而且可以大大地加快电子转移速率。此外,本论文中的hemin具有双重作用:一是用作稳定的催化剂,可以实现在-0.68 V(vs.Ag/AgCl)的电位下选择性检测NO气体;二是可以作为内参比电极,提供内置校正功能,减少复杂多变的检测环境的影响,从而提高检测结果的准确性。这种比率型电化学生物传感器,NO的线性范围是25 nM～1000 nM,检出限为～10 nM,可以满足活体内测量NO的要求。该生物传感器有较好的分析性能和稳定性,以及良好的重现性,这些主要归因于微电极技术与CNT的结合。我们成功地将此生物传感器用于大鼠脑内的海马体中内源性NO的检测以及随后脑缺血过程中NO的水平,该传感器测得正常大鼠脑中的NO的平均水平为61 ± 23 nM(n=3),但是在双侧颈动脉式脑缺血15 min后,NO的浓度增加到141±18 nM(n=3),这为研究相关的脑疾病提供了一个可靠的方法。O2和pH值与生命体脑中的生理和病理活动密切相关,然而,人们对其中一些详细的机理却不是很清楚,这主要是由于目前缺少可用于活体内同时准确检测的分析方法。本论文设计并合成出一种有机分子—氯化血红素-氨基二茂铁(Hemin-Fc),建立了一种单一的电化学传感器用于同时检测并比率化定量鼠脑中的O2和pH水平,以及在缺血过程中这二者随缺血时间的变化情况。Hemin的还原峰电流随着O2浓度的增加(1.3～200.6 μM)而呈现出很好的线性关系。同时,其氧化还原峰的电位随着pH的递减(8.0～5.5)也出现规律性的偏移,由此根据输出的电流信号和电位信号来同时检测O2和pH。此外,随着O2和pH的变化,Fc的电化学信号几乎保持恒定,所以Fc可以作为内参比电极,基于此,我们构建了一种比率型电化学生物传感器。这种单一生物传感器拥有很高的时间分辨率和空间分辨率,以及良好的选择性和稳定性,进一步将该电化学传感器运用于原位、实时地检测鼠脑中O2和pH随缺血时间的变化情况。此外,正常老鼠和缺血老鼠的不同脑区内O2和pH的水平在本论文中已被详细地研究。5-HT是大脑中一种重要的神经递质,属于吲哚类物质,具有电化学活性。5-HT虽然在脑中还没有十分明确的功能,但是已在多种药理学,生物学和精神病理学功能(包括抑郁症,进食障碍,酒精中毒,强迫症和焦虑)中发挥着重要作用。由于内源性5-HT的含量低且环境中有很多与5-HT的化学性质非常相似的物质,对5-HT的检测既要满足灵敏度高又要满足选择性好的要求,能够实现原位直接检测鼠脑中的5-HT的电化学测定方法屈指可数。本论文采用DPV法,选择3,3-二硫代二丙酸二(N-琥珀酰亚胺酯)(DSP)分子识别复杂环境中的5-HT,在室温条件下与之于水溶液中快速发生化学反应(5min),使之固定在电极上。基于电极上输出的5-HT的氧化峰电流定量5-HT的浓度。碳纤维微电极(CFME)表面沉积的金纳米粒子不仅可以放大电化学信号,而且可以增加电子转移速率。此外,在微电极上共同修饰的亚甲基蓝(MB)作为内置校正电极,可以提高生物传感器在活体内的测量结果的准确性。