长春应化所/湖南大学JACS：焦耳热合成（2000°C，2s）碳配位钴纳米电极用于胶质瘤脑内多巴胺监测

【研究背景】

胶质母细胞瘤（GBM）作为最具侵袭性的原发性脑肿瘤，不仅通过占位效应损害神经功能，更通过扰乱神经化学稳态、劫持神经元信号通路促进自身进展，形成功能退化与肿瘤扩大的恶性循环。多巴胺（DA）作为关键神经调质，其动态变化与GBM相关的神经功能障碍密切相关。然而，现有检测技术如微透析、色谱法等受限于时间分辨率低、空间精度不足、在复杂肿瘤微环境中稳定性差等问题，难以实现长时间、高保真、原位的DA动态监测，限制了人们对肿瘤-神经元互作机制的理解。

【文章概述】

2026年2月3日，长春应用化学研究所逯乐慧/刘辰研究员和湖南大学刘艳岚教授在期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为“Carbon-Coordinated Cobalt Electrochemical Nanoplatform Enables in Vivo Selective Monitoring of Neurochemical Dysregulation in Glioblastoma-Infiltrated Brain”的研究论文。本研究构建了一种基于碳配位钴纳米催化剂（CoC₂@C）的微电极传感平台，实现了胶质母细胞瘤浸润脑组织中多巴胺的高性能原位监测。该催化剂采用焦耳加热法合成（2000°C，加热与冷却时间各2秒，氩气保护），通过高温瞬态处理调控钴‑碳配位结构，进而优化钴的d带中心，促进DA的多电子氧化路径并抑制抗坏血酸等干扰物的吸附。该平台在生理环境下展现出278倍的灵敏度提升与333倍的选择性增强，并在帕金森病与GBM动物模型中成功实现了DA动态的长期稳定跟踪，为阐明肿瘤‑神经互作机制提供了首个电化学证据。

【图文导读】

图1：纳米催化剂的结构设计与物相表征

图1通过理论计算与实验表征系统阐明了CoC₂@C的结构特性。DFT计算表明（图1a-d），碳配位钴相较于纯钴显著降低了DA氧化的活化能（0.63 vs. 0.76 kJ/mol），同时提高了对AA的能垒，从理论上验证了其选择性催化机制。SEM与TEM图像（图1e-f）显示CoC₂@C为直径约20 nm的纳米颗粒，均匀嵌于碳基质中，其合成采用焦耳加热法，该方法可实现快速、可控的碳包覆与钴碳键形成。HRTEM（图1g）与XRD（图1h）证实了碳包覆层与Co-C键的形成，晶格畸变表明成功构建了碳配位结构。XPS分析（图1i）进一步揭示了Co²⁺与Co³⁺共存的高价态，有利于多电子转移过程。

图2：催化剂的电化学性能评估

图2系统评估了CoC₂@C在人工脑脊液（aCSF）中的电化学性能。DPV曲线（图2e）显示其在低浓度DA（0.6–100 μM）范围内呈现优异线性响应，检测限低至0.13 μM（图2f）。与裸玻碳电极（GCE）相比，CoC₂@C对DA的电子转移速率提升超过123%（图2c），而对AA的响应则被显著抑制（图2d）。在存在100倍过量AA的复杂体系中（图2k），CoC₂@C仍能清晰分辨DA与AA的氧化峰，展现了卓越的抗干扰能力。此外，计时电流法（图2l）与连续扫描测试（图2n）证明了其良好的可逆性与长期电化学稳定性。

图3：DA在CoC₂@C表面的氧化机制研究

图3通过X射线吸收精细结构（XAFS）与表面增强红外光谱（SEIRAS）揭示了CoC₂@C的催化机理。XANES与FT-EXAFS谱（图3a-b）表明钴处于高价位态，并存在Co-C配位。d带中心下移至-2.95 eV（图3d），削弱了与非目标分子的吸附，提升了选择性。SEIRAS实时监测（图3e）显示DA在氧化过程中特征峰逐渐消失，同时出现醌式结构（C=O，C=C）的特征峰，证实了DA直接转化为多巴胺醌（DAQ）的两电子路径。理论计算进一步表明（图3f-g），碳配位钴催化路径的活化能低于单电子途径，避免了自由基副产物的生成。

图4：GBM模型中DA失调的原位监测与神经功能关联分析

图4展示了CoC₂@C微电极在GBM小鼠模型中的实际应用。MRI与H&E染色（图4b-c）证实肿瘤逐渐浸润纹状体。行为学测试显示肿瘤小鼠运动功能下降（图4d）。通过植入式微电极连续监测发现，随着肿瘤进展，纹状体DA水平持续下降（图4e），且该变化非由化学降解引起（图S32）。同步脑电图（EEG）记录显示，DA降低伴随神经电活动异常（图4f-h），表明DA信号失调与神经功能紊乱密切相关。

【结论】

总之，本研究通过低温原位硫化策略构建了NiFe-LDH/Ni₃S₂异质结催化剂，在NiFe-LDH中引入阳离子空位并形成内置电场，优化了界面电子结构并提升了导电性。该催化剂利用层间水与羟基作为稳定质子源，选择性促进O₂经4电子路径还原为LiOH，实现了高容量与高可逆性的LiOH沉积/分解。基于上述机制，电池在200 mA g⁻¹下表现出32,926 mAh g⁻¹的超高放电容量，在1 A g⁻¹下稳定循环794圈，性能优于多数已报道的LiOH基催化剂。该工作首次验证了利用含水晶态催化剂实现LiOH可逆反应路径的可行性，为高能量密度、长寿命锂氧电池的催化剂设计提供了新思路。未来可探索更多具有层间水或可调控质子供给能力的二维材料体系，并进一步研究在实际空气气氛下的稳定性和规模化制备工艺。

本研究展示了焦耳加热技术在调控材料微观结构与催化性能中的关键作用，其采用的瞬时高温处理（2000°C，2s）为碳‑金属配位结构的构建提供了高效、可控的合成路径。当前，随着纳米催化、脑机界面及先进传感等领域的快速发展，对高性能、高稳定性焦耳加热设备的需求也日益提升。深圳中科精研专注于精密高温工艺装备的研发，致力于为前沿材料制备与能源化学研究提供稳定、灵活、可扩展的焦耳加热解决方案，助力科研与产业界在纳米材料合成、表界面工程等领域实现更精准的调控与创新。

文献信息：Carbon-Coordinated Cobalt Electrochemical Nanoplatform Enables in Vivo Selective Monitoring of Neurochemical Dysregulation in Glioblastoma-Infiltrated Brain. Yongqi Cheng;Yan Li;Jun Da;Yanlan Liu;Chen Liu;Lehui Lu. ISSN: 0002-7863 , 1520-5126; DOI: 10.1021/jacs.5c14261. Journal of the American Chemical Society. , 2026.