研究背景
微电流监测：微电流在电池材料、电化学以及生物系统等领域中扮演着关键角色。通过精确监测神经元群体的局部微电流，我们能够深入探索细胞活动及其动态变化间的紧密联系，为理解大脑的动态特性提供坚实基础。同时，在电池技术领域，原位检测局部微电流不仅有助于实时监控充放电过程，还是评估电池性能的重要手段。
但是，当前的微电流监测技术依赖于电磁材料，这不可避免地会给被检测系统带来干扰。而电绝缘的传感器，如光纤，似乎无法实现对微电流的监测。这是因为光纤的主要材料是二氧化硅，这类材料不导电且对电流不敏感，无法建立电流信号与光谱信号之间的联系。
然而，在电解系统中，微电流的产生涉及离子的定向输运和电解质中空间质子浓度的重排。通过监测特定位置的pH变化，尤其是电极区域的局部质子浓度变化，可以有效地追踪系统内微电流的变化情况。
近日，暨南大学关柏鸥教授、黄赟赟研究员课题组开发了一种新方法，使用表面经过氧化处理的微纳光纤传感器，实时监测电解液中局部质子和微电流的变化。该传感器通过检测其表面含氧基团（羟基）与电解液中的质子及离子相互作用所引起的折射率变化，将微电流的变化转化为电极区域局部质子浓度的变化，进而转化为光纤表面折射率的变化。这种方法不仅实现了电绝缘的光纤对电解液中微电流的精确监测，还特别适用于微观尺寸下电解质局部质子浓度变化的观察。这为微电流测量提供了一种新颖且有效的手段。图1展示了这一原理。
研究团队利用表面经氧化剂处理的微纳光纤，监测电解液中对电极位置的局部pH值变化，从而在不使用电磁材料的情况下，检测TiO2光电材料在光照过程中产生的微电流。通过分析光谱响应，他们发现随着光照循环次数的增加，体系中质子变化幅度出现衰减（图2），这一现象与已有报道相符。
图2. 使用光纤传感器监测TiO2的光电流
这种基于电绝缘光纤的微电流传感器还可以用于监测神经细胞群的电导率，有助于揭示神经系统的表现和工作机制。利用该技术，研究人员发现，在超过250 μA的大电流刺激下，随着电流刺激周期的增加，细胞电导率逐渐增大（图3），这一现象与已报道的神经细胞电激活特征相符。
前景展望
论文信息
Huang, Y., Liang, J., Wu, H. et al. Microscale insight into the proton concentration during electrolytic reaction via an optical microfiber: potential for microcurrent monitoring by a dielectric probe. Light Sci Appl14, 73 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01770-9
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