谷氨酸是中枢神经系统中的重要兴奋性神经递质，对神经信号传递起关键作用，并与多种神经疾病密切相关。为了全面了解谷氨酸在生理和病理途径中的作用，准确、连续、实时地监测活体内局部区域的谷氨酸浓度成为必要。然而，现有技术如微透析和荧光报告蛋白存在分辨率有限或需要遗传改造等问题，难以满足这一需求。尽管近年来电化学传感器的发展在一定程度上克服了这些限制，但目前的谷氨酸传感器在灵敏度、选择性、多功能性和微创性方面仍有待提高。为此，有必要对当前的进展和面临的挑战进行综述，探讨改进策略，以推动谷氨酸传感技术在神经科学研究和临床应用中的发展。  

近日，俄亥俄州立大学的李婧华教授课题组发表综述性论文，总结了通过材料、界面和电子元件的协同设计开发电化学谷氨酸传感器的最新进展，并对该领域的发展提出了展望。

综述要点

1.  描述了谷氨酸在中枢神经系统中的关键作用及其代谢途径。

2.  总结和对比了微透析、荧光蛋白和磁共振波谱等传统谷氨酸检测方法与电化学传感器的优缺点。

3. 总结和比较了不同种类谷氨酸电化学传感器的配置,传感机理和优劣势。

4. 总结了传感器在体外、离体和体内生物模型中的验证方法和应用实例。

5. 探讨了多种检测模式集成的多功能传感平台的最新进展。

6. 展望了谷氨酸传感器的未来研究方向及其在神经科学中的应用潜力。

谷氨酸是中枢神经系统中的关键兴奋性神经递质，对神经信号传递、突触可塑性和认知功能（如记忆和学习）起着至关重要的作用。其代谢主要通过谷氨酸-谷氨酰胺循环进行，包括突触前神经元释放谷氨酸、胶质细胞快速清除谷氨酸并将其转化为谷氨酰胺，再由神经元吸收并转化为谷氨酸。此外，谷氨酸水平的失调与多种神经疾病（如癫痫、阿尔茨海默病、中风和精神分裂症）密切相关。

传统谷氨酸检测方法主要包括电流法、伏安法、基于晶体管的传感器和原电池氧化还原电位测量法。电流法和伏安法通过电化学反应，将谷氨酸浓度转化为可测量的电流，通常采用三电极配置。四代安培谷氨酸传感器逐步改进了检测机制，从依赖电活性物质到使用氧化还原介体，再到尝试实现酶与电极之间的直接电子转移，最后采用非酶材料进行化学反应。基于场效应晶体管和有机电化学晶体管的传感器通过谷氨酸与门极或沟道上的生物识别元件结合，触发离子浓度变化，从而放大电流信号实现检测。原电池氧化还原电位测量法在热力学平衡条件下，通过不需要外部电压的自发双极电化学反应，将分析物浓度转化为电位，适用于体内神经兼容传感。这些方法在灵敏度、选择性和空间分辨率方面各有优缺点，为后续电化学传感器的发展提供了重要参考。

传感器性能的验证通常需要与生物组织和/或神经回路在生理条件下进行结合，并通过外部刺激诱导谷氨酸释放。常用的生物模型包括神经元培养、急性脑切片和体内动物模型。这些模型通过电刺激、化学刺激和光刺激等方法诱导谷氨酸释放，验证传感器的灵敏度、选择性和时空分辨率。

这篇综述总结了电化学传感器在谷氨酸检测中的最新进展，特别关注其在中枢神经系统中的应用。尽管谷氨酸氧化酶功能化的安培传感器因其灵敏度、选择性和鲁棒性等优点成为主流研究方案，但酶在生物环境中的快速降解限制了传感器的稳定性和长期使用。为了解决这个问题，可以使用表面钝化材料，并引入基于数学模型的定期校准功能。此外，现有传感器的响应范围与实际浓度范围不匹配，难以捕捉微小的谷氨酸浓度变化。集成薄膜放大器和开发数学模型以提高检测精度和检测范围是潜在的解决方案。另外，通过提高采样率、开发微型探针并增强生物受体的响应速度，有望实现亚毫秒级别的高时间分辨率谷氨酸检测。综述最后还强调了开发能够同时检测多种生理信号的多功能系统的重要性。通过集成电刺激、光刺激和药物递送系统，可以实现对实时神经化学波动的靶向干预，有助于改善患者的预后和生活质量。总体而言，解决这些挑战可以提供更简单、微型化和微创的方法，改进神经病理学疾病的诊断和治疗。