Shattering the Water Window: Comprehensive Mapping of Faradaic Reactions on Bioelectronics Electrode

打破水窗：生物電子電極上法拉第反應的全面映射

來源：ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 53567?53576

摘要核心內容

論文挑戰了傳統“水窗”（Water Window）概念（即電極在特定電位范圍內僅發生電容性電荷轉移而無顯著水分解）。研究表明：

水窗的復雜性：在含蛋白質的細胞培養基（DMEM+FBS）中，幾乎不存在無法拉第反應的電位區間。

關鍵反應：氧還原（ORR）、析氫（HER）、析氧（OER）、氯氧化（生成次氯酸鹽）和鉑銥溶解在生物電極界面普遍發生。

影響因素：電解質成分（如PBS vs. 培養基）顯著改變反應類型、起始電位及產物濃度。

研究目的

系統繪制PtIr電極上的法拉第反應圖譜（PtIr是臨床植入設備最常用電極材料）。

量化生物介質中水分解、氧還原、氯氧化等反應的起始電位、產物濃度及動力學。

揭示電解質成分（尤其含蛋白質培養基）對反應窗口的影響，為神經接口安全性和新型應用（如電控藥物遞送）提供依據。

研究思路

電極與電解質選擇：

電極：商用PtIr（90:10合金）立體腦電圖（SEEG）電極。

電解質：PBS（簡單緩沖液）、無緩沖Na?SO?、DMEM+FBS（含蛋白質的細胞培養基）。

多技術聯用：

電化學技術：循環伏安（CV）、計時電流法（圖1d, 2, 3a, 5）。

直接產物定量：

Unisense微傳感器（丹麥）：原位測量局部O?、H?、pH（圖1b, 3, 5）。

分光光度法：H?O?、OCl?濃度（圖4, 6a）。

ICP-MS：Pt/Ir離子溶解量（圖6b,c）。

對比分析：

不同電解質中的反應差異（如ORR效率、HER起始電位）。

局部微傳感器數據 vs. 體相產物積累數據（如H?O?在培養基中的快速消耗）。

測量數據、意義及對應圖表

測量指標 研究意義 數據來源

O?濃度梯度 證實ORR導致電極附近缺氧（影響細胞代謝），為電控缺氧研究提供工具（圖3c,d）。 圖3a-d（Unisense OX-50傳感器）

H?O?生成 量化PtIr的ORR兩電子路徑產物（信號分子/細胞毒性），揭示培養基中H?O?快速消耗機制。 圖4a-b（WPI傳感器 + TMB分光光度法）

H?生成與HER起始 精確測定HER起始電位（PBS: -650 mV；培養基: -550 mV），揭示介質成分降低過電位。 圖5a（Unisense H2-50傳感器）

局部pH變化 證實HER導致堿化（pH>10），OER導致酸化；培養基緩沖能力抑制pH波動（圖5b）。 圖5b（Unisense PH-200傳感器）

OCl?生成 首次量化PtIr上氯氧化產物（強氧化劑），在PBS中>1.1 V時達μM級（圖6a），培養基中快速消耗。 圖6a（TMB分光光度法）

Pt/Ir溶解 證實>1 V時顯著溶解（Pt:Ir≈10:1），溶解離子（如[PtCl?]2?）可能具細胞毒性（圖6b,c）。 圖6b-c（ICP-MS）

Unisense電極數據的核心研究意義

丹麥Unisense微傳感器的應用是論文的關鍵技術突破，其意義包括：

空間分辨率（50-200 μm）：

首次直接繪制PtIr電極附近的O?消耗梯度（圖3c,d）：在-400 mV時，距電極100 μm處[O?]降至3%（vs. 21%飽和值），證實電化學脫氧可創造局部缺氧微環境（影響細胞行為）。

原位動力學監測：

HER起始電位精確測定（圖5a）：排除體相干擾，發現培養基中HER起始電位（-550 mV）比PBS（-650 mV）更低，表明介質成分催化HER或存在有機物還原產H?。

局部pH實時變化（圖5b）：直接關聯HER與堿化（ΔpH≈3）、OER與酸化，但培養基中因有機緩沖無顯著變化，解釋生物環境中pH穩定性。

反應機制驗證：

結合O?/H?/pH多參數，明確區分ORR（O?↓, pH↑）、HER（H?↑, pH↑↑）和OER（O?↑, pH↓）的電位區間，修正傳統CV解讀的模糊性（圖5）。

? 總結：Unisense數據揭示了電極-生物界面微環境的動態變化，證明傳統“水窗”在生理介質中失效，并為設計安全神經刺激協議（如避免缺氧/堿化）提供直接依據。

核心結論

水窗的重新定義：

PBS中“安全窗口”僅+300 ~ +600 mV（ORR起始至OER起始），DMEM+FBS中幾乎不存在無反應窗口（圖2, 5）。

關鍵反應及其影響：

ORR：從+300 mV開始，造成局部缺氧（圖3），生成H?O?（PBS中FE<5%，圖4d）。

HER：介質中起始電位提前至-550 mV，伴隨強堿化（圖5）。

氯氧化與溶解：>1.1 V時生成OCl?（圖6a）和可溶性Pt/Ir離子（圖6b,c），潛在細胞毒性。

電解質的核心作用：

培養基中抗氧化成分抑制OER/H?O?積累，但促進HER及有機物氧化（圖2b, 4c, 5a）。

生物醫學啟示：

神經刺激需避免ORR（缺氧）、HER（堿化）及>1 V區間（毒性產物）。

法拉第反應可被利用：如電控缺氧研究（ORR）、靶向藥物遞送（H?O?）、組織消融（OCl?）。

對生物電子學的貢獻

論文建立了多參數原位檢測法拉第反應的標準方法，尤其Unisense微傳感器技術為電極-生物界面研究提供范式。成果推動兩大方向：

安全性優化：制定電位安全區間，避免副產物損傷組織。

功能化應用：利用特定反應（如ORR致缺氧、OCl?消融）開發新型電控治療策略。