多巴胺（DA）是一种单胺类神经递质，负责维持多种重要的生命功能。体内DA信号传导在多个时间尺度上发生，从由于多巴胺神经元放电引起的亚秒相释放到负责在几分钟到几小时内长期DA浓度变化的强直性释放。由于DA信号的复杂、多面性，分析传感技术必须能够从多个位置和多个时间尺度记录DA。几十年的研究集中在提高亚秒期DA的体内检测能力，但实时准确检测绝对静息DA水平已被证明具有挑战性。我们开发了一种基于聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）的纳米复合涂层，对静息DA表现出优异的DA传感能力。PEDOT/功能化碳纳米管（PEDOT/CNT）涂层碳纤维微电极（CFEs）能够使用方波伏安法（SWV）以高灵敏度和选择性直接测量静息DA。PEDOT/CNT涂层的掺入使静息DA的检测灵敏度显著提高了422倍。在植入大鼠背侧纹状体中的PEDOT/CNT官能化CFE处进行的SWV测量显示绝对基础DA浓度为82±6nM。


多巴胺转运蛋白抑制剂诺米芬新的全身给药在注射后28±2分钟将静息DA增加至最大207±16nM。还将PEDOT/CNT沿着硅微电极阵列（MEA）官能化到单个金电极位点上，以产生多位点DA传感电极。MEA植入允许定量来自不同脑区的基础DA，具有良好的空间分辨率。SWV检测与PEDOT/CNT功能化配对具有高度适应性，并显示出具有高空间和时间分辨率的强直性DA检测的巨大前景。强直性和阶段性多巴胺（DA）神经传递负责调节无数重要的生命功能。阶段性DA释放诱导细胞外DA的短暂亚秒波动，而强直性放电维持基础DA水平，用于调节阶段性放电。人们普遍认为，保持强直性和阶段性放电是维持健康神经元功能的关键。强直性和阶段性DA放电调节功能障碍与毁灭性神经疾病（如精神分裂症）的发作有关。因此，在研究DA信号通路时，绝对有必要同时考虑强直性和阶段性DA信号事件。


DA是一种电活性化合物，在施加足够电位时能够可逆氧化成多巴胺-邻醌(DAoQ)。与该可逆反应相关的电流的电化学测量允许实时、直接测量DA浓度。几十年来，在碳纤维微电极（CFEs）上进行的快速扫描循环伏安法（FSCV）一直被认为是体内测量相位DA信号事件的金标准。作为一种差分检测方法，FSCV需要减去在分钟时间尺度上不稳定的大电容电流的背景。这阻止了使用FSCV检测绝对静息DA浓度。使用FSCV定量基础DA的唯一方法是诱导基础水平的药理学操作。在直接输注犬尿酸（一种离子型谷氨酸受体的广谱拮抗剂）期间的FSCV测量表明，背侧纹状体中的基础DA浓度高于2.6μM微透析广泛用于观察体内静息DA。事实上，无净通量微透析已被用于估计体内基础DA浓度约为2.5-15 nM。然而，植入大型微透析探针（~200μm外径x 1 mm）会导致严重的组织损伤，从而大大降低提取效率，从而低估体内定量，并阻止超过5-10天的慢性测量。

已经开发了几种电化学方法来测量CFEs几小时内药物诱导的强直性DA变化。这是通过利用电荷平衡波形、受控DA吸附波形、基于卷积的FSCV非法拉第电流去除多重循环方波伏安法和差分正常脉冲伏安法来实现的。快速扫描受控吸附伏安法（FSCAV）和基于卷积的FSCV分别能够估计小鼠（90±9 nM，FSCAV）和大鼠（41±13 nM，基于卷积的FSCV）伏隔核中的基础DA浓度。多重循环方波伏安法（m-CSWV）确定大鼠纹状体中的紧张性多巴胺浓度为120±18 nM微分正常脉冲伏安法（DNPV）确定pargyline预处理的大鼠纹状体中的基础DA浓度为26±8 nM这些研究表明了使用电化学方法测量紧张性DA的可行性。


我们实验室开发了一种由功能化碳纳米管掺杂的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT/CNT）组成的导电聚合物涂层。PEDOT/CNT可以通过电聚合可控地沉积在宏电极和微电极上，从而增加有效表面积、增加电荷存储容量（增加电容）和降低电极阻抗PEDOT/CNT功能化的微电极在几个月的慢性植入中表现出优异的体内电生理记录和电刺激性能。此外，PEDOT/CNT功能化的碳糊宏观电极对于通过差分脉冲伏安法在体外电化学检测静息DA具有高度敏感性和选择性。


在本研究中，我们将PEDOT/CNT涂层结合到单柄硅基微电极阵列（MEA）的可植入CFEs和金电极位点上，以产生一种高度适应性和稳健的新电极技术。将阵列中的PEDOT/CNT官能化微电极与高度优化的体内方波伏安法(SWV)方案配对，允许以优异的空间和时间分辨率直接定量大鼠中的静息(强直)DA。该技术的力量在原理验证实验的结果中显而易见，该实验详细描述了通过沿着单个硅MEA在多个PEDOT/CNT功能化电极位点记录，首次报道了大脑中基础DA的时间相关、多位点定量。体内静息DA的多位点检测代表了神经化学传感技术的当前水平的实质性改进，并可用于增强我们对健康和疾病状态神经功能的理解。