徐 瑩，韓 斌，徐銘恩，錢(qián)麗娟

(1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程及儀器研究所，杭州310018;2.浙江省腫瘤醫(yī)院腫瘤研究所，杭州310018)

隨著微加工工藝的發(fā)展，細(xì)胞傳感器和芯片的結(jié)合已經(jīng)越來(lái)越緊密。目前比較常用的細(xì)胞傳感器主要有胞外電位檢測(cè)類器件如微電極陣列MEA(Microelectrode Arrays)［1］和場(chǎng)效應(yīng)管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)［2］，阻抗測(cè)試儀 (Electric Cell-substrate Impedance Sensing，ECIS)等［3］。通常用于細(xì)胞電生理活動(dòng)記錄的電極陣列是一個(gè)和細(xì)胞大小相匹配、具有獨(dú)立引線的金屬薄片圓盤(pán)陣列，當(dāng)具有電興奮性或生理活性的細(xì)胞或組織培養(yǎng)于其上時(shí)，能感應(yīng)胞外動(dòng)作電位及其形態(tài)等生理參數(shù)的變化，將相關(guān)的電學(xué)參數(shù)輸出至外部系統(tǒng)。

表面處理是銜接細(xì)胞一級(jí)傳感和芯片二級(jí)傳感的關(guān)鍵。細(xì)胞與硅器件耦合的情況，直接影響測(cè)量信號(hào)的大小，尤其對(duì)于不太容易貼壁生長(zhǎng)的神經(jīng)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，有時(shí)信號(hào)甚至?xí)蜎](méi)在噪聲中。對(duì)于測(cè)試細(xì)胞動(dòng)作電位的微電極陣列，更需繁瑣有效的表面處理過(guò)程，使細(xì)胞耦合并定位在電極有效區(qū)域，才具備二級(jí)傳感信號(hào)。電極表面處理的量化分析可用于說(shuō)明器件和細(xì)胞耦合的難易程度［4］，但微電極在固體電極上伏安行為的重現(xiàn)性差，發(fā)生不重現(xiàn)的原因與固體電極的表面狀態(tài)直接有關(guān):金屬表面具有一定的表面能，因在其晶體的棱面原子上具有未飽和的價(jià)態(tài)，這種表面能的分布不均勻。晶面上存在的缺陷，如臺(tái)階、紐結(jié)、螺旋錯(cuò)位和吸附原子等，使溶液中的許多物質(zhì)很容易吸附到這些具高能的點(diǎn)位上而造成污染。另一方面，金屬被化學(xué)或電化學(xué)的方法氧化。其表面產(chǎn)生氧化物膜(如鉑上的 PtO和PtO2)并吸附，容易形成惰化層。所以固體電極進(jìn)行表面處理的第一步是進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光至鏡面程度［5－6］。

表面處理通常可分為幾個(gè)步驟。為提高微陣列的電學(xué)特性，通常對(duì)電極進(jìn)行鉑黑納米粒子的電鍍，并在電生理測(cè)試前進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，以避免鉑黑顆粒貼附性的退化。對(duì)于未使用過(guò)的鉑黑電極，其在1 mol/L H2SO4中的極化電容值為24 mF/cm2(采用伏安法對(duì)雙電層區(qū)域的測(cè)試結(jié)果，V=50 mV/s)，粗糙因子約為185，當(dāng)使用后的電極參數(shù)明顯低于該參數(shù)時(shí)(5倍左右)，電極特性較差。之后，表面處理的生物素處理步驟可分為單分子或多分子層電極修飾，主要分為蘸涂、滴涂和旋涂法。這些方法均需通過(guò)化學(xué)物質(zhì)的官能團(tuán)來(lái)影響細(xì)胞和器件的有效貼附性。有研究者對(duì)培養(yǎng)神經(jīng)元的基底進(jìn)行化學(xué)和幾何改性，將某介質(zhì)蛋白層粘素吸附在器件上，該器件表面易生長(zhǎng)具特殊形態(tài)的海馬神經(jīng)元，其主要依賴于層粘素單膜表面的化學(xué)特性［7］。所以生物素的有效作用位點(diǎn)也導(dǎo)致了器件處理的差異和不均勻性。因此，目前對(duì)于生物傳感器普遍要求電鍍鉑黑納米顆粒后再進(jìn)行生物素的涂布，以提高表面處理的有效性。最后，細(xì)胞和電極的貼附需采用幾次清洗、再沉積過(guò)程才能達(dá)到各電極相對(duì)的穩(wěn)定和一致的貼附程度。目前對(duì)于表面處理的效果還未有較直觀的理論仿真測(cè)試，只能采用電化學(xué)方法、光譜法、波譜法、QCM和顯微學(xué)等實(shí)驗(yàn)方法等進(jìn)行間接測(cè)試和直接觀察。

所以本文采用Monte-Carlo統(tǒng)計(jì)模型，判斷電極上電鍍鉑黑納米顆粒、貼附生物素膜后，電極表面均勻有機(jī)膜的上膜顆粒孔徑和有效程度等。由于將納米尺度的生物素涂覆到電極表面時(shí)，首先需要將生物素溶解充分后再滴至電極表面，該過(guò)程可等效為勻質(zhì)顆粒隨機(jī)沉積到電極表面的過(guò)程，經(jīng)攪拌均勻和清洗、再貼附的過(guò)程控制越精確，顆粒勻質(zhì)程度越高，貼附程度越好。模型可定義一個(gè)有效表面貼附率C來(lái)判斷生物素貼附程度。根據(jù)模型的簡(jiǎn)化程度，可分別假設(shè)沉積的納米顆粒為二維圓形和三維球形，微電極表面為圓盤(pán)結(jié)構(gòu);同時(shí)納米顆粒在電極上的貼附被認(rèn)為是不可逆的，即一旦貼附上，不存在后期的脫附問(wèn)題。

1 表面處理的相關(guān)仿真

1.1 單層貼附顆粒在電極上的分布

假設(shè)電極半徑R，考慮實(shí)驗(yàn)中電極和表面處理的顆粒一般尺度大小，設(shè)半徑r，R＞100r，表面處理過(guò)程可等效為將鉑黑納米顆粒吸附到電極表面上。由于表面處理中同種顆粒的相互排斥性，若某粒子在貼附到電極的過(guò)程中，連續(xù)100次與電極上已貼附顆粒重疊(包括部分重疊)，則該次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄此時(shí)的貼附率為C1，連續(xù)1 000次實(shí)驗(yàn)后，將C1至C1000的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到分布圖曲線，判斷電極上納米顆粒貼附程度的有效貼附程度。

分析中，令圓盤(pán)金電極半徑R固定，沉積的鉑黑納米粒子半徑r動(dòng)態(tài)變化，觀察粒子面積總和與電極面積比值的貼附率概率分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)束條件為某一欲沉積的納米粒子連續(xù)1 000次與已經(jīng)在圓盤(pán)電極中貼附的納米粒子重疊?？紤]一般微電極的尺度，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為:圓盤(pán)電極半徑R=12.5 μm;納米粒子在1個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)選取不同分散度，粒徑分別為 r=50，［50 100］，100，［100 150］，150，［150 200］，200，［50 200］(單位:nm)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)納米粒子的半徑固定時(shí)，從概率分布圖上可以看出，隨著粒子半徑的增大，面積貼附率越大;但當(dāng)粒子半徑增加到一定程度時(shí)，面積貼附率將穩(wěn)定在某一范圍，不會(huì)隨著半徑的增大出現(xiàn)顯著的變化，如150 nm粒徑與200 nm單一粒徑的覆蓋率均在46%左右。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)操作中，納米粒子的半徑是不固定的［4］。當(dāng)符合均勻分布的粒子半徑分散度在某一區(qū)間范圍內(nèi)，隨著區(qū)間范圍的增大，貼附率也增大，如粒徑散度為［50～200］nm的粒子貼附率提高至53%;但是，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，區(qū)間分散度相等情況下，粒徑越大，面積比反而減小，如貼附率結(jié)果為［50～100］nm＞［100～150］nm ＞［150～200］nm;同時(shí)，粒徑分散度越大，貼附率也越高，如［50～200］nm粒徑的面積覆蓋率達(dá)53%，且概率分布峰值也較顯著。所以，納米粒子的粒徑制備和淀積在達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，平均粒徑可適當(dāng)減小，粒徑分散度可增大至一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而達(dá)到較佳的電極總面積有效覆蓋率。

圖1 粒徑和分散度不同的單層貼附顆粒在圓盤(pán)電極上的貼附率分布

1.2 多層異質(zhì)顆粒貼附有效性的仿真

在細(xì)胞微電極陣列的處理過(guò)程中，需要在鉑黑納米顆粒沉積后，再對(duì)電極陣列做多種生物膜的沉積處理，即在鉑黑等納米顆粒A沉積上后，在該部分上繼續(xù)沉積B生物膜，然后再進(jìn)行一些靶向的生物量測(cè)試，實(shí)現(xiàn)一種“層層貼附”的處理方式。在此情況下，研究生物膜的有效覆蓋率具有必要性。為簡(jiǎn)化計(jì)算，圓盤(pán)電極半徑仍固定為R，納米粒子A及生物膜顆粒B半徑RA、RB符合均勻分布，在A沉積于電極后，再淀積B顆粒，觀察B貼附率的分布曲線，即條件概率分布關(guān)系。其中S，圓盤(pán)電極面積;SA，圓盤(pán)電極中 A顆粒的面積和;SB－in，表示圓盤(pán)電極被A鋪滿后，A區(qū)域內(nèi)B顆粒的面積和，比較A/B各面積覆蓋率的概率分布關(guān)系。為了計(jì)算的簡(jiǎn)便，仍采用二維模型進(jìn)行分析。

為說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的有效重復(fù)性，圓盤(pán)電極半徑分別采用R=12.5 μm和35 μm進(jìn)行比較。鉑黑粒子A粒徑 RA=50，［50 100］，100，［100 150］，150，［150 200］，200，［50 200］nm;考慮采用的統(tǒng)計(jì)模型及實(shí)驗(yàn)中一般生物素的分子量和粒徑大小，該模型適用于具有較小粒徑的B顆粒，在實(shí)驗(yàn)操作中，例如各種靶向生物病毒顆粒;取RB=［20～50］nm，在此條件下分析相關(guān)結(jié)果。考慮生物實(shí)驗(yàn)中貼附的有效性，若A粒子連續(xù)1 000次與已沉積的A粒子重合;且B粒子連續(xù)1 000次與已沉積的B粒子重合，則實(shí)驗(yàn)結(jié)束(圖2為實(shí)驗(yàn)的直觀分布結(jié)果)。

圖2 簡(jiǎn)化A粒子和B粒子為二維圓，當(dāng)B粒徑小于A粒子時(shí)，B在A表面的淀積分布情況

圖3 A粒子貼附分布及B粒子在A內(nèi)部的分布圖(單位:nm)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。其中，A粒子的貼附率分析同§1.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;B粒子與A粒子的分布趨勢(shì)基本一致，即面積貼附率隨著A平均粒徑RA和其分散度的增大而增大，但面積比的概率分布峰形顯著程度明顯下降，即方差明顯增大。所以對(duì)于多層異質(zhì)性顆粒，每一層的粒徑分散度越大，面積貼附率也越高，并且其貼附率遠(yuǎn)大于該分布區(qū)間的單一粒子的粒徑最大值分布結(jié)果，但峰形顯著程度明顯下降，如粒徑分散度為［200～500］nm(貼附率概率分布峰值僅30%)與［100～150］nm(貼附率概率分布峰值達(dá)50%)的納米顆粒分布結(jié)果。另外，比較圖3(a)、3(b)的概率分布和面積覆蓋率情況，可見(jiàn)圓盤(pán)電極的大小對(duì)整體趨勢(shì)影響不大。所以當(dāng)貼附多層生物素時(shí)，應(yīng)綜合考慮貼附粒子的單一粒徑大小或均勻分布的粒徑分散度區(qū)間。當(dāng)然，由于該二維統(tǒng)計(jì)方法的局限性和粒子粒徑的選擇范圍，具體的貼附率情況仍需進(jìn)一步進(jìn)行分析。

為進(jìn)一步驗(yàn)證A與B粒子的覆蓋率關(guān)系，還可采用逆向分析的方法參照分析。即A粒子貼附電極步驟完成后，判斷B粒子在A粒子以外的圓盤(pán)電極部分的覆蓋情況，然后與圖3的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單一粒徑分布或粒徑分散度不大的粒子，雖然由于統(tǒng)計(jì)方法不同，面積貼附率存在明顯區(qū)別，但概率分布峰形顯著程度變化趨勢(shì)與圖3基本一致，因此也可作為§1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參照。然而對(duì)于均勻分布粒子，隨著粒徑及其分散度的增大，結(jié)果與圖3存在明顯不同。例如，在圖4中當(dāng)A粒徑分散度分別為［100～500］nm、［200～500］nm、［300～500］nm 時(shí)，圖3、圖4的分布率結(jié)果相反，原因在于A粒子的分布不均勻性同樣能有效提高B粒子在圓盤(pán)電極其它區(qū)域的貼附程度，所以逆向分析結(jié)果也相反。因此該實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)§1.2實(shí)驗(yàn)的參照，適用于沉積的納米粒子粒徑和分散度均較小的情況。

圖4 電極半徑為12.5 μm時(shí)，A粒子貼附后的分布及B粒子在外區(qū)間的分布圖

1.3 三維異質(zhì)納米顆粒貼附性的模型分析

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中，A和B均為三維的顆粒。例如，當(dāng)在電極上電鍍鉑黑顆粒后，其三維結(jié)構(gòu)的表面積總和應(yīng)遠(yuǎn)大于原圓盤(pán)電極表面積。由于統(tǒng)計(jì)A粒子的貼附率分布時(shí)，球體和圓形的模型計(jì)算結(jié)果差異不大，仍可采用§1.1實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析;而當(dāng)多層粒子沉積時(shí)，例如B沉積在A粒子表面時(shí)，雖然可采用§1.1實(shí)驗(yàn)來(lái)討論B粒子的貼附率分布區(qū)間和各貼附率曲線隨粒徑大小的大致變化趨勢(shì)，但具體數(shù)值則由于二維和三維的模型、及生物素A/B的粒徑不同存在較大差異。為更好說(shuō)明實(shí)際操作中多層粒子分層貼附的情況，應(yīng)將A和B均考慮為粒徑在相同分布區(qū)間的三維納米球型粒子進(jìn)一步討論。由于實(shí)驗(yàn)中各生物層粘素的主要成分為蛋白質(zhì)，大小在60 kDa～150 kDa，同時(shí)各種納米粒子的粒徑大小一般在r=［50～200］nm左右，所以統(tǒng)一A和B的粒徑均為分散度為［50～200］nm的粒子。當(dāng)A粒子貼附完成后，假設(shè)每個(gè)A粒子的有效貼附區(qū)域?yàn)樯习肭虮砻?，?duì)各個(gè)粒子根據(jù)表面積公式進(jìn)行總求和運(yùn)算，討論SA與S的關(guān)系;然后再分析球體B粒子在SA上的貼附率SB，最終說(shuō)明SB貼附率變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束條件同§1.2，且B部分或全部與A接觸為有效貼附;實(shí)驗(yàn)參數(shù)及方法設(shè)置為:圓盤(pán)電極R=12.5 μm;納米粒子 A 的半徑 RA=［50 ～200］nm;生物素B的半徑RB=［50～200］nm。

圖5 當(dāng)納米粒子A貼附到圓盤(pán)電極后(a)，將納米粒子A以三維球體模型計(jì)算B粒子在A表面的分布(放大圖b)

當(dāng)納米粒子A(RA=［50－200］nm)貼附到圓盤(pán)電極(R=12.5 μm)后，將納米粒子A以球體模型計(jì)算A貼附在圓盤(pán)電極上的分布，各A粒子上半球表面積之和SA與S之比，分布圖如圖5黑色點(diǎn)線所示，可見(jiàn)貼附在圓盤(pán)電極上的各種粒徑的A粒子表面積和比圓盤(pán)電極略有增大;考慮A粒子面積貼附率分布區(qū)間 p=［0.97～1.07］，可等價(jià)為一個(gè)面積為pS的新圓盤(pán)電極，計(jì)算生物素顆粒B(RB=［50～200］nm)在該等效電極的面積分布區(qū)間內(nèi)重新貼附后，各B粒子分布曲線的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值，得到最終分布圖如星形線所示。這可理解為當(dāng)納米粒子存在后，生物素在圓盤(pán)電極上的表面處理結(jié)果(即B在A存在下的條件概率分布曲線)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)B在A存在時(shí)，其表面貼附率穩(wěn)定在51.5%左右;而A粒子貼附率的峰值也達(dá)到了52%(圖5右上圖，實(shí)線)，但達(dá)到該貼附率對(duì)應(yīng)的概率分布最大峰值僅為40%，低于前者的60%，這說(shuō)明多層處理后，圓盤(pán)電極表面處理的貼附率雖無(wú)明顯增大，但處理結(jié)果均一重復(fù)性提高，更易得到穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外，分析也進(jìn)一步考慮了A/B納米粒徑分散跨度為一個(gè)數(shù)量級(jí)的區(qū)間分布，即［5～500］nm的顆粒，結(jié)果與圖5差異不大，說(shuō)明納米粒子的分散度增加雖能增大后期處理的貼附率，但跨一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的粒子分散度對(duì)有效貼附率提高作用不大。綜上，納米粒子(如鉑黑顆粒等)的電鍍貼附處理，能有效降低金電極表面的電極阻抗，增大多層生物素貼附的有效性，減小電極陣列間生物素處理的差異性，因此在電極上進(jìn)行鉑黑處理是必要的，粒徑分散度可在一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)適當(dāng)增大。

在實(shí)際操作中，生物素B并非一個(gè)個(gè)單獨(dú)的懸掛在納米粒子A上的，粒子間的縫隙、褶皺都可以增大B貼附的概率，而由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，A粒子的不均勻性更能增大B的堆積貼附率，這也是實(shí)驗(yàn)中可采用鉑黑納米粒子電鍍于金圓盤(pán)電極上，提高表面處理的有效表面積、減小電極體阻抗的主要原因。

從§1.2實(shí)驗(yàn)得出，若采用二維圓盤(pán)模型，當(dāng)A粒徑為［50～200］nm，B粒徑［20～50］nm，B在 A粒子上貼附后，能達(dá)到的有效貼附度40%左右;而當(dāng)A、B粒徑區(qū)間均取值［50～200］nm時(shí)，由于A、B粒徑處于同一分散度，不宜采用§1.2實(shí)驗(yàn)方法，否則理論與實(shí)際的分析結(jié)果將存在更大差異。所以當(dāng)多層貼附的粒徑A/B/C的粒徑差異不大時(shí)，為了分析準(zhǔn)確性，應(yīng)采用復(fù)雜度較高的三維粒子分析方法，而當(dāng)多層貼附的粒徑及分散度均較小時(shí)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便程度，也可采用二維方法來(lái)討論多層粒子的有效貼附率分布隨粒徑分散度的變化。

2 電極電鍍及交流阻抗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用了不同直徑、間距的圓盤(pán)電極陣列作為測(cè)試芯片進(jìn)行了初步測(cè)試。以細(xì)胞阻抗電生理測(cè)試系統(tǒng)ECIS芯片［8－9］的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，主要用途是根據(jù)陣列的實(shí)時(shí)電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果，分析細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞貼附等相對(duì)靜態(tài)參數(shù);同時(shí)，其不同的陣列間距設(shè)計(jì)也可用于測(cè)試細(xì)胞的遷移及活性等動(dòng)態(tài)參數(shù)。芯片各部分的布局如圖6所示。

圖6 基于微加工工藝的金圓盤(pán)電極照片(右上圖:單電極電鍍鉑黑后照片)

整個(gè)芯片面積大小為6 mm×3 mm。芯片各模塊共享參考電極。表1為圓盤(pán)電極各部分參數(shù)，共為4個(gè)具有微陣列點(diǎn)的金圓盤(pán)電極。其中圓盤(pán)電極1為單個(gè)直徑1.5 mm的金電極，用于細(xì)胞與電極貼附后的初步電生理阻抗測(cè)試;圓盤(pán)電極2直徑1 mm，陣列的單個(gè)電極點(diǎn)直徑為25 μm，和普通細(xì)胞大小10 μm～30 μm大小相匹配，主要用于測(cè)試貼壁性細(xì)胞的遷移及電生理活性等動(dòng)態(tài)參數(shù)，圓盤(pán)電極3和4直徑均為1 mm，陣列點(diǎn)直徑和間距分別為100 um，250 um，等間隔排布，主要用于分析細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞貼附等相對(duì)靜態(tài)參數(shù)，并盡量減小相鄰電極之間的電場(chǎng)干擾問(wèn)題。

表1 集成圓盤(pán)電極陣列芯片各模塊參數(shù)

為說(shuō)明電鍍鉑黑粒子對(duì)圓盤(pán)電極表面積及阻抗的影響，對(duì)圓盤(pán)電極進(jìn)行電鍍前后的交流阻抗比較試驗(yàn)［10－11］。以直徑和間距最小的圓盤(pán)微陣列電極2為例(d=25 μm)，在 1 kHz時(shí)，阻抗值約為 500 kΩ，符合微電極能測(cè)到細(xì)胞阻抗電信號(hào)的要求，但會(huì)產(chǎn)生較大的熱噪聲，因此仍需要做表面處理，即采用電鍍鉑黑顆粒的方法，降低噪聲，平穩(wěn)基線［12－13］。微電極陣列上的鉑黑沉積過(guò)程簡(jiǎn)述如下:采用三電極法，電極浸泡在2%氯鉑酸水溶液中，控制電流密度為5 mA/cm2，圓盤(pán)電極為陰極;陽(yáng)極為鉑電極，Ag/AgCl為參考電極。電鍍時(shí)，陽(yáng)極和陰極需進(jìn)行觀察并及時(shí)調(diào)整位置，以使得電化學(xué)過(guò)程在陰極表面電流分布均勻。沉積1 μm厚的(2 mg/cm2)多孔性鉑膜層，耗時(shí)需10 min。實(shí)驗(yàn)條件控制在室溫下進(jìn)行，可在沉積過(guò)程中添加攪拌子使貼附的顆粒更為均勻。沉積后，電極應(yīng)迅速取出并用去離子水徹底清洗，以除去電鍍液。該電極可在去離子水中保存直至使用，也可在干燥器中充氮保存。如電極久置出現(xiàn)鈍化，可在新鮮熱硫酸溶液(體積比50%)中浸泡5s清洗后再使用，或重復(fù)電鍍。

圖7為電鍍前后，圓盤(pán)電極陣列2在0.9%的NaCl溶液中采用三電極電路對(duì)電鍍前后的電極交流阻抗圖進(jìn)行比較(n=10，直流偏置－0.2 V，加載10 mV交流電壓)。在性能測(cè)試中，鉑黑顆粒使電極的阻抗幅值和相位均產(chǎn)生了一定的變化。電鍍前后，交流阻抗幅值基本下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，幅值均隨著頻率的升高逐漸下降，但電鍍后低頻段內(nèi)(1 Hz～100 Hz)阻值隨頻率變化的斜率無(wú)中高頻段變化顯著，所以針對(duì)阻抗幅值靈敏度的測(cè)試適合在中高頻段1 kHz～100 kHz進(jìn)行;對(duì)于電鍍前后的電極相位，在1 kHz～10 kHz內(nèi)，均為一基本恒定值(－80°左右)，因此可以判斷電極主要呈容性，測(cè)試靈敏度不高。但電鍍后低頻和高頻的相位隨頻率變化更明顯，所以在實(shí)際測(cè)試細(xì)胞貼壁阻抗時(shí)，為說(shuō)明生物膜等有機(jī)物引起的電極表面容性阻抗的變化，10 kHz～100 kHz更適宜測(cè)試，且具有較好的靈敏度。因此，對(duì)電鍍前后的圓盤(pán)電極交流阻抗測(cè)試說(shuō)明電鍍能有效增加電極表面積，從而改善電極的體阻抗及靈敏度。后期可針對(duì)電鍍后電極所培養(yǎng)細(xì)胞的不同，對(duì)于多種生物素在電極表面貼附率的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析研究。

圖7 電鍍納米鉑黑顆粒前(a)后(b)的金圓盤(pán)電極交流阻抗圖比較

3 討論

本文針對(duì)圓盤(pán)金微電極陣列的表面處理貼附率有效性進(jìn)行了Monte-Carlo三種分布模型的統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展相關(guān)的電鍍和交流阻抗實(shí)驗(yàn)，從理論和實(shí)驗(yàn)角度說(shuō)明納米顆粒及其粒徑散度的表面處理對(duì)于生物微電極陣列的重要性，闡述了后期實(shí)驗(yàn)的方向。目前細(xì)胞微電極陣列的普遍問(wèn)題是相關(guān)電生理實(shí)驗(yàn)缺乏可重復(fù)性，成為快速分析的瓶頸。所以對(duì)電極－細(xì)胞耦合程度的量化分析有助于后期實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性、細(xì)胞與電極耦合有效性及細(xì)胞電生理信號(hào)特異識(shí)別性。表面處理技術(shù)的量化評(píng)估，有利于建立基于高通量平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、信息處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的研究方法，更易實(shí)現(xiàn)細(xì)胞芯片的便攜化和商品化，開(kāi)拓食品、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域［14－15］。

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