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

打破水窗：生物电子电极上法拉第反应的全面映射

来源：ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 53567−53576


摘要核心内容


论文挑战了传统“水窗”（Water Window）概念（即电极在特定电位范围内仅发生电容性电荷转移而无显著水分解）。研究表明：


水窗的复杂性：在含蛋白质的细胞培养基（DMEM+FBS）中，几乎不存在无法拉第反应的电位区间。

关键反应：氧还原（ORR）、析氢（HER）、析氧（OER）、氯氧化（生成次氯酸盐）和铂铱溶解在生物电极界面普遍发生。

影响因素：电解质成分（如PBS vs. 培养基）显著改变反应类型、起始电位及产物浓度。


研究目的


系统绘制PtIr电极上的法拉第反应图谱（PtIr是临床植入设备最常用电极材料）。

量化生物介质中水分解、氧还原、氯氧化等反应的起始电位、产物浓度及动力学。

揭示电解质成分（尤其含蛋白质培养基）对反应窗口的影响，为神经接口安全性和新型应用（如电控药物递送）提供依据。


研究思路


电极与电解质选择：

电极：商用PtIr（90:10合金）立体脑电图（SEEG）电极。

电解质：PBS（简单缓冲液）、无缓冲Na₂SO₄、DMEM+FBS（含蛋白质的细胞培养基）。

多技术联用：

电化学技术：循环伏安（CV）、计时电流法（图1d, 2, 3a, 5）。

直接产物定量：

Unisense微传感器（丹麦）：原位测量局部O₂、H₂、pH（图1b, 3, 5）。


分光光度法：H₂O₂、OCl⁻浓度（图4, 6a）。

ICP-MS：Pt/Ir离子溶解量（图6b,c）。

对比分析：

不同电解质中的反应差异（如ORR效率、HER起始电位）。

局部微传感器数据 vs. 体相产物积累数据（如H₂O₂在培养基中的快速消耗）。


测量数据、意义及对应图表

测量指标 研究意义 数据来源

O₂浓度梯度 证实ORR导致电极附近缺氧（影响细胞代谢），为电控缺氧研究提供工具（图3c,d）。 图3a-d（Unisense OX-50传感器）

H₂O₂生成 量化PtIr的ORR两电子路径产物（信号分子/细胞毒性），揭示培养基中H₂O₂快速消耗机制。 图4a-b（WPI传感器 + TMB分光光度法）

H₂生成与HER起始 精确测定HER起始电位（PBS: -650 mV；培养基: -550 mV），揭示介质成分降低过电位。 图5a（Unisense H2-50传感器）

局部pH变化 证实HER导致碱化（pH>10），OER导致酸化；培养基缓冲能力抑制pH波动（图5b）。 图5b（Unisense PH-200传感器）

OCl⁻生成 首次量化PtIr上氯氧化产物（强氧化剂），在PBS中>1.1 V时达μM级（图6a），培养基中快速消耗。 图6a（TMB分光光度法）

Pt/Ir溶解 证实>1 V时显著溶解（Pt:Ir≈10:1），溶解离子（如[PtCl₆]²⁻）可能具细胞毒性（图6b,c）。 图6b-c（ICP-MS）

Unisense电极数据的核心研究意义


丹麦Unisense微传感器的应用是论文的关键技术突破，其意义包括：


空间分辨率（50-200 μm）：

首次直接绘制PtIr电极附近的O₂消耗梯度（图3c,d）：在-400 mV时，距电极100 μm处[O₂]降至3%（vs. 21%饱和值），证实电化学脱氧可创造局部缺氧微环境（影响细胞行为）。

原位动力学监测：

HER起始电位精确测定（图5a）：排除体相干扰，发现培养基中HER起始电位（-550 mV）比PBS（-650 mV）更低，表明介质成分催化HER或存在有机物还原产H₂。

局部pH实时变化（图5b）：直接关联HER与碱化（ΔpH≈3）、OER与酸化，但培养基中因有机缓冲无显著变化，解释生物环境中pH稳定性。

反应机制验证：

结合O₂/H₂/pH多参数，明确区分ORR（O₂↓, pH↑）、HER（H₂↑, pH↑↑）和OER（O₂↑, pH↓）的电位区间，修正传统CV解读的模糊性（图5）。


✅ 总结：Unisense数据揭示了电极-生物界面微环境的动态变化，证明传统“水窗”在生理介质中失效，并为设计安全神经刺激协议（如避免缺氧/碱化）提供直接依据。


核心结论


水窗的重新定义：

PBS中“安全窗口”仅+300 ~ +600 mV（ORR起始至OER起始），DMEM+FBS中几乎不存在无反应窗口（图2, 5）。

关键反应及其影响：

ORR：从+300 mV开始，造成局部缺氧（图3），生成H₂O₂（PBS中FE<5%，图4d）。

HER：介质中起始电位提前至-550 mV，伴随强碱化（图5）。

氯氧化与溶解：>1.1 V时生成OCl⁻（图6a）和可溶性Pt/Ir离子（图6b,c），潜在细胞毒性。

电解质的核心作用：

培养基中抗氧化成分抑制OER/H₂O₂积累，但促进HER及有机物氧化（图2b, 4c, 5a）。


生物医学启示：

神经刺激需避免ORR（缺氧）、HER（碱化）及>1 V区间（毒性产物）。

法拉第反应可被利用：如电控缺氧研究（ORR）、靶向药物递送（H₂O₂）、组织消融（OCl⁻）。


对生物电子学的贡献


论文建立了多参数原位检测法拉第反应的标准方法，尤其Unisense微传感器技术为电极-生物界面研究提供范式。成果推动两大方向：


安全性优化：制定电位安全区间，避免副产物损伤组织。

功能化应用：利用特定反应（如ORR致缺氧、OCl⁻消融）开发新型电控治疗策略。