细胞是生命基本的组织结构和功能结构,不同细胞个体间也具有较大的差异性,如何实现单个细胞的分析检测就成为一个重大的挑战。可以实现单细胞分析的检测方法主要有荧光成像分析、电化学分析和质谱分析等。电化学分析由于无需对被检测物进行标记,且具有高灵敏度和时空分辨率,成为目前单细胞研究的重要方向之一。本论文成功构建了微米和纳米级电极,有效地实现对单细胞中电化学难检小分子的检测,表现出良好的分辨率和灵敏度。论文的第一个工作针对膜胆固醇具有很低的水溶性,难以被传统电化学传感器检测的技术难点,设计一种新型的可用于单个活细胞中胆固醇的电化学检测新方法。所设计的电极主体为尖端直径为1 μm左右的中空毛细管,内部灌注有胆固醇氧化酶和曲通X-100溶液;尖端处的铂环状电极用于电氧化膜胆固醇和管内胆固醇氧化酶作用生成的过氧化氢。受限于微电极尖端极小的尺寸,溶液在管内流动的非常缓慢,在针尖形成薄且均匀的胆固醇氧化酶和曲通X-100溶液的扩散层。包含的曲通X-100能够有效溶解电极与细胞质膜接触处的脂层并释放/溶解胆固醇,从而被胆固醇氧化酶氧化,产生可被电化学检测的过氧化氢信号。实验表明,该电极能够在单细胞尺度上对细胞膜上胆固醇进行高灵敏的探测,也能对酰基辅酶A:肌固醇酰基转移酶(ACAT)抑制剂引起的膜上胆固醇变化进行准确感知。相比于传统酶修饰电极,胆固醇氧化酶由于存在于接触区域的均匀扩散层中,能够确保高的催化活性,产生更高强度的电化学信号。因此,该电极可在单细胞尺度上快速、高灵敏地检测细胞膜胆固醇。论文的第二个工作是在第一个工作的基础上,进一步缩小毛细管开口至100 nm左右,且辅助电渗流方法推出管内少量溶液到管口尖端,实现单个细胞内磷酸盐的检测。在纳米电极后端施加一定的电化学电压后,磷酸盐与麦芽糖在麦芽糖酶的作用下,生成葡萄糖;随后在葡萄糖氧化酶的作用下,产生过氧化氢而被纳米电极和电化学装置所检测到。我们首先利用酶标仪和质谱纳喷雾电离(Nano-ESI)的检测方法对该反应体系进行检验;随后的纳米电极溶液实验结果显示,随着磷酸盐浓度的增加,收集到的电化学信号随之增加。在单个活细胞内也检测到了细胞内磷酸盐与纳米电极中的酶溶液反应而产生的电化学增加信号。去除非特异性吸附与细胞内葡萄糖产生的电化学信号后,可以得到由单细胞内磷酸盐产生的电量增加信号。将酶溶液灌注到纳米电极中可以有效地保证酶的活性和高效性,同时纳米级别尺寸的电极尖端也减少了对细胞的损伤,保证了细胞在检测过程中的生理活性,为监测细胞内的生物分子提供了一种新型、简便、通用的技术。