钙离子是生物体中极为重要的生物活性离子之一,其主要分布于机体内组织液、各种细胞以及血浆中。钙离子参与大脑中神经信号传导以及能量代谢等多种生理活动。尤其在常见脑疾病如脑中风等发病及治疗过程中,不同脑区细胞外钙离子的变化直接预示了细胞膜去极化、离子通道异常激活以及ROS的破坏性增加等严重病理特征。因此开发在活体脑中对钙离子实时监控的新方法,对于快速准确追踪研究急性和慢性损伤导致的脑部能量代谢类疾病发病过程及其药物治疗的分子机制具有重要意义。现有的研究方法如微透析法和小分子荧光探针法等难以做到在活体中长期原位实时且可逆地监测钙离子的动态变化。电化学微电极方法为连续监测体内化学信号提供了一种可靠的方法,其中植入的功能微电极显示出优异的时空分辨率。然而目前活体电化学检测法依然面临着在复杂生物环境中选择性差、植入电极易受生物污染、电极可逆性差以及生物相容性差等挑战。通过调研设计,本论文以解决目前活体电化学研究的关键科学问题为目的,设计并开发了如下新型活体电化学分析方法:（1）氧化石墨烯转接层介导的离子选择性电极对Ca2+的高灵敏度和高选择性检测。在本工作中,构建了一种高灵敏度的Ca2+检测新策略。首先,在碳纤维电极（CFE）表面均匀地电沉积修饰了氧化石墨烯微带（GO）作为离子-电子转接层,实现了微尺寸电极表面离子富集后的电信号转换。其次,将金微叶子（Au NL）原位电沉积在修饰有GO的CFE表面,使电极面积比CFE增加了4.4倍并且提供了功能化分子修饰位点。在此基础上,设计合成了高选择性Ca2+识别配体,通过Au≡C键将配体修饰在电极表面,构建了新型高性能Ca2+选择性微电极。该微电极展示出了出色的电化学性能,对10μM至10 m M浓度范围内的Ca2+具有良好的线性响应,检测限低至5.91±0.46μM。得益于Ca2+配体的特异性识别能力,该微电极对于常见干扰物的未有明显响应,表现出对Ca2+优秀的选择性。此外,具有高双电层电容特性的GO层为Ca2+吸附和电子交换提供了更多的载流子位点,使电极的灵敏度提高了2.4倍。最后,将该微电极应用于大鼠脑缺血后血液中Ca2+变化的监测,研究发现血样中Ca2+浓度随着脑缺血时间的延长而逐渐降低,在脑缺血120分钟后从最初的1.3 m M降至0.95 m M。该结果与血气分析仪测定的结果进行了比较,差异小于3.7%证明了该微电极在血液监测中的高精确度。（2）自由运动动物多个脑区细胞外Ca2+可逆变化的长期跟踪和动态量。本工作构建了一种抗生物污染多纤维微阵列检测平台,实现了自由移动小鼠大脑多脑区细胞外Ca2+和神经元活性可逆变化的实时监测。这种超细纤维阵列在活鼠脑中连续测量60天后对Ca2+检测的灵敏度仍能保持在92%以上。与此同时,设计并合成了三种对Ca2+具有不同亲和力的分子,通过对比其选择性和可逆性发现,Ca2+配体m-ethoxycarbonyl（METH）的低结合强度有利于对Ca2+的可逆捕获和解离,而且在面对其他常见干扰物如金属离子、ROS、氨基酸等时仍能保持高选择性。因此基于METH修饰的微电极可实现对Ca2+的高可逆性检测。这是首次报道的同时具有出色的可逆性和选择性的微电极阵列,实现了在活体大脑中连续实时监测细胞外Ca2+浓度达60天。利用该微阵列,首次发现细胞外Ca2+浓度在缺血时随浅层脑区向深部脑区逐渐降低且变化速率逐渐递减,在再灌注从深部脑区向浅层脑区逐渐恢复且速率递减,这表明本工作的微阵列为研究涉及跨多个大脑区域的大规模网络动态的复杂病理过程提供了有用且强大的工具。此外,也发现了随着提前注射ROS清除剂的还原型谷胱甘肽（GSH）的剂量增加,细胞外Ca2+的内流会有效地减少。因此,谷胱甘肽可作为保护神经元活动的有效抑制剂。最后发现,Ca2+通道阻滞剂（氟桂利嗪）不仅能逐渐恢复细胞外Ca2+的浓度,在脑出血的治疗中还能促进神经元的恢复,这进一步证实了Ca2+内流与脑出血损伤之间的直接联系。（3）高生物相容性的水凝胶基Ca2+选择性微电极。本工作构建了一种具有刚柔转换特性的高生物相容性Ca2+选择性微电极传感器。提出了在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中掺杂高导电性羟丙基纤维素（HPC）和亲水性氧化石墨烯（GO）的水凝胶微电极制备新策略。其中PVA和GO的相互作用使得电极干燥状态下压缩弹性模量高达175 MPa,而在浸润后弹性模量降为1.5 KPa,使电极在植入活体后呈现出高柔性特征。相比于同尺寸的金属电极,水凝胶电极在植入活体后用于指示脑神经系统损伤的胶质纤维酸性蛋白表达量下降了78.9%,从而证实了其出色的生物兼容性。HPC的掺杂大幅度提高了微电极的导电性,因此可以将高选择性Ca2+选择性识别配体掺杂在PVA/HPC/GO水凝胶中,制备成基于水凝胶的新型Ca2+选择性微电极PVA/HPC/GO/METH（PHGM）。得益于水凝胶材质的高双电层电容和高渗透性的多孔性结构,PHGM表现出52.3 mv/lg Ca2+的灵敏度,是常规离子选择性电极的1.77倍,因此对Ca2+微小波动的监测具有更优异的分辨率。高选择性Ca2+识别配体使该电极对常见干扰物无显著响应,因而具备在复杂活体环境中准确识别Ca2+的潜力。这种新型高生物相容性的水凝胶Ca2+选择性微电极为探究自由移动动物的脑中Ca2+与多种行为学和病理学模型的关系提供了可靠的研究工具。