This study demonstrates the first exploitation of zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) as the matrix for constructing integrated dehydrogenase-based electrochemical biosensors for in vivo measurement of neurochemicals, such as glucose. In this study, we find that ZIFs are able to serve as a matrix for coimmobilizing electrocatalysts (i.e., methylene green, MG) and dehydrogenases (i.e., glucose dehydrogenase, GDH) onto the electrode surface and an integrated electrochemical biosensor is readily formed. We synthesize a series of ZIFs, including ZIF-7, ZIF-8, ZIF-67, ZIF-68, and ZIF-70 with different pore sizes, surface areas, and functional groups. The adsorption capabilities toward MG and GDH of these ZIFs are systematically studied with UV-vis spectroscopy, confocal laser scanning microscopy, and Fourier transfer-infrared spectroscopy. Among all the ZIFs demonstrated here, ZIF-70 shows excellent adsorption capacities toward both MG and GDH and is thus employed as the matrix for our glucose biosensor. To construct the biosensor, we first drop-coat a MG/ZIF-70 composite onto a glassy carbon electrode and then coat GDH onto the MG/ZIF-70 composite. In a continuous-flow system, the as-prepared ZIF-based biosensor is very sensitive to glucose with a linear range of 0.1-2 mM. Moreover, the ZIF-based biosensor is more highly selective on glucose than on other endogenous electroactive species in the cerebral system. In the end, we demonstrate that our biosensor is capable of monitoring dialysate glucose collected from the brain of guinea pigs selectively and in a near real-time pattern.

Atomically dispersed Fe-N4 sites anchored on N-doped porous carbon materials (Fe-SAs/NC) can mimic two antioxidative enzymes of catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), and therefore serves as a bifunctional single-atom-based enzyme (SAzyme) for scavenging reactive oxygen species (ROS) to remove excess ROS generated during oxidative stress in cells.

Electrocatalysis of the four-electron oxygen reduction reaction (ORR) provides a promising approach for energy conversion, storage, and oxygen monitoring. However, it is always accompanied by the reduction of hydrogen peroxide (H2O2) on most employed catalysts, which brings down the electrocatalytic selectivity. Here, we report a single-atom Co–N4 electrocatalyst for the four-electron ORR at an onset potential of 0.68 V (vs RHE) in neutral media while with high H2O2 tolerance, outperforming commercial Pt electrocatalysts. Electrochemical kinetic analysis confirms that the Co–N4 catalytic sites dominantly promote the direct four-electron pathway of the ORR rather than the two sequential two-electron reduction pathways with H2O2 as the intermediate. Density functional theory calculations reveal that H2O2 reduction is hampered by the weak adsorption of H2O2 on the porphyrin-like Co centers. This endows the electrocatalyst with improved resistance to current interference from H2O2, enabling highly selective O2 sensing as validated by the reliable sensing performance in vivo. Our study demonstrates the intriguing advantage of single-atom catalysts with high capacity for tailoring metal–adsorbate interactions, broadening their applications in environmental and life monitoring.

Here, we report for the first time that ion current oscillation (ICO) with periodic amplitude and frequency can autonomously occur at polyimidazole brush (PvimB) modified pipettes in an asymmetric solution...