研究团队采用逆向设计策略，根据NE的分子结构特点，精心设计了Zn₁-TiO₂光电传感材料。该传感器的核心创新在于其原子级精度的识别位点：NE分子的邻苯二酚羟基与TiO₂基底上的钛位点配位，同时其侧链的羟基和氨基与锌单原子形成稳定的五元环结构。这种双重识别机制使传感器对NE的选择性显著高于结构相似的多巴胺和肾上腺素，检测限达到纳摩尔级别，响应时间仅为60毫秒。

在应用研究中，团队将该传感器植入小鼠的蓝斑核、皮层和海马体等脑区，成功捕捉到癫痫模型中NE的动态变化。实验数据显示，癫痫发作时不同脑区的NE释放呈现明显的时空特征，蓝斑核和海马体发生海马-皮质偶联，共同抑制了异常的皮质放电。这些发现揭示了NE在癫痫发作过程中的多脑区协同调控机制，为理解神经系统疾病的病理机制提供了新视角。

图1提出的用于NE选择性活体检测的Zn₁-TiO₂ PEC生物传感器。（a）NE、DA和EP三种儿茶酚胺的化学结构式；（b）NE、DA和EP分子在Zn₁-TiO₂光电极上的不同结合机制示意图以及NE在Zn₁-TiO₂光电极上的选择性光电流信号输出，NE_OX的化学结构式代表NE的最终反应产物；（c）在Cx、Hip和LC中活体PEC监测NE，响应时间短至60 ms，左图是Zn₁-TiO₂微光电极的SEM图（标尺为100 μm）。

图2 Zn₁-TiO₂的表征。（a）Zn₁-TiO₂的高角环形暗场（AC HADDF-STEM）像差校正，比例尺为2 nm；（b）Zn₁-TiO₂的放大AC HAADF STEM图像亮度三维热图；（c）Zn₁-TiO₂的高分辨Zn 2p XPS光谱；（d）TiO₂和Zn₁-TiO₂的高分辨率O1s XPS光谱；（e）Zn₁-TiO₂和Zn箔XANES光谱的Zn k边；（f）k³加权FT-EXAFS谱；（g）Zn k边FT - EXAFS拟合曲线；（h）Zn箔和（i）Zn₁-TiO₂的k³加权EXAFS等值线图的小波变换。

图3 NE的选择性PEC检测。NE、DA和EP在（a）原始TiO₂、（b）Zn NPs -TiO₂和（c）Zn₁-TiO₂上的选择性PEC响应，数据用mean±SD表示（n = 3个电极）；（d）不同Zn单原子含量下，NE/DA和NE/EP在TiO₂、Zn NPs/TiO₂和Zn₁-TiO₂的光电流响应比值，数据用mean±SD表示（n = 3个电极）；（e）TiO₂、Zn₁-TiO₂、NE、NE/TiO₂和NE/Zn₁- TiO₂的FTIR光谱；（f）NE、DA、EP在TiO₂和Zn₁- TiO₂上吸附能的DFT计算；（g）NE在Zn₁-TiO₂上的PEC氧化过程；光照前后NE/Zn₁-TiO₂上的（h）Zn 2p3/2和（i）Ti 2p3/2高分辨率XPS光谱；（j）Zn₁-TiO₂、NE/Zn₁-TiO₂态总密度；（k）Zn 3d, Ti 3d，O2p和N2p轨道的分波态密度；（l）NE/Zn₁-TiO₂局部电荷密度差的DFT计算，黄色部分为局部电荷积累区，青色部分为局部电荷耗尽区；（m）PEC氧化前后NE的紫外可见吸收光谱；（n）NE在Zn₁-TiO₂上PEC氧化后的LC-MS谱图；（o）NEox在Zn₁-TiO₂上的DFT吸附能计算；（p）NE在TiO₂上、NE在Zn₁-TiO₂上和NEox在Zn₁-TiO₂上的MSD图。

图4 LC单脑区中NE的PEC活体检测。（a）微光电极用于LC中NE测量的示意图；（b）0.3 mg/Kg可乐定、（c）1.0 mg/Kg托莫西汀、（d）50 mM K⁺注射后小鼠LC中微光电极的光电流响应（n = 5只小鼠）；（e）MD-HPLC检测示意图；（f） 0.3 mg/Kg可乐定、（g）1.0 mg/Kg托莫西汀、（h）50 mM K+注射后，用MD-HPLC测定的小鼠LC中NE浓度（n = 5只小鼠）。数据以mean±SD表示。采用双尾非配对t检验计算统计学显著性，并注明p值（ns p > 0.05, *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001）。

图5不同脑区NE的PEC活体检测。（a）多支微光电极用于Cx、LC和Hip中NE同时测量的示意图；（b）注射PTZ （65 mg/kg）后Cx的代表性脑电图记录以及癫痫三个重要阶段的放大脑电图图像。b1：癫痫前，b2：癫痫期，b3：癫痫后；Zn₁-TiO₂微光电极在癫痫小鼠Cx、LC、Hip脑区的（c）光电流信号和（d）对应的光电流折线图；数据以mean±SD表示（***p < 0.001）。（e）经2.0 mg/kg唑尼沙胺后注射PTZ后小鼠Cx的代表性脑电图记录；（f）注射2.0 mg/kg唑尼沙胺后，Zn₁-TiO₂光电极在癫痫小鼠Cx、LC、Hip脑区的（f）光电流信号和（g）对应的光电流折线图；（h）癫痫小鼠和正常小鼠Hip、LC和Cx中caspase- 3活性；（i）癫痫前后小鼠新物体识别能力的变化；（j）方形空场地5分钟内小鼠典型运动轨迹；（k）小鼠癫痫前后移动的总距离（n = 5只，n.s.指无显著差异）。数据以mean±SD表示。