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Constructing a Hydrophilic Microsensor for High-Antifouling Neurotransmitter Dopamine Sensing

生物污染 钻石 吸附 材料科学 纳米晶材料 化学 化学工程 微晶 纳米技术 生物化学 有机化学 复合材料 结晶学 工程类
作者
Haichao Li,Yening Zhang,Zejun Deng,Ben Lü,Li Ma,Run Wang,Xiang Wang,Zengkai Jiao,Yijia Wang,Kechao Zhou,Qiuping Wei
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:9 (4): 1785-1798 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssensors.3c02042
摘要

Real-time sensing of dopamine is essential for understanding its physiological function and clarifying the pathophysiological mechanism of diseases caused by impaired dopamine systems. However, severe fouling from nonspecific protein adsorption, for a long time, limited conventional neural recording electrodes concerning recording stability. This study reported a high-antifouling nanocrystalline boron-doped diamond microsensor grown on a carbon fiber substrate. The antifouling properties of this diamond sensor were strongly related to the grain size (i.e., nanocrystalline and microcrystalline) and surface terminations (i.e., oxygen and hydrogen terminals). Experimental observations and molecular dynamics calculations demonstrated that the oxygen-terminated nanocrystalline boron-doped diamond microsensor exhibited enhanced antifouling characteristics against protein adsorption, which was attributed to the formation of a strong hydration layer as a physical and energetic barrier that prevents protein adsorption on the surface. This finally allowed for in vivo monitoring of dopamine in rat brains upon potassium chloride stimulation, thus presenting a potential solution for the design of next-generation antifouling neural recording sensors. Experimental observations and molecular dynamics calculations demonstrated that the oxygen-terminated nanocrystalline boron-doped diamond (O-NCBDD) microsensor exhibited ultrahydrophilic properties with a contact angle of 4.9°, which was prone to forming a strong hydration layer as a physical and energetic barrier to withstand the adsorption of proteins. The proposed O-NCBDD microsensor exhibited a high detection sensitivity of 5.14 μA μM–1 cm–2 and a low detection limit of 25.7 nM. This finally allowed for in vivo monitoring of dopamine with an average concentration of 1.3 μM in rat brains upon 2 μL of potassium chloride stimulation, thus presenting a potential solution for the design of next-generation antifouling neural recording sensors.
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