王 琛, 劉景全

(上海交通大學(xué) 微納科學(xué)技術(shù)研究院 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

0 引 言

密歇根探針是一種經(jīng)典的植入式平面探針,可以測(cè)量大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號(hào),并廣泛用于腦科學(xué)研究領(lǐng)域。隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展,研究人員不滿足于僅僅采集大腦區(qū)域的神經(jīng)元信號(hào),還希望同時(shí)觀察某些物質(zhì)的濃度和環(huán)境參數(shù)(例如pH值[1],溫度[2],壓力[3])。這主要是因?yàn)樵S多神經(jīng)系統(tǒng)疾病或大腦區(qū)域的特定功能是和多種因素相關(guān)的。為了研究這些疾病或功能,研究人員需要觀察盡可能多的大腦區(qū)域參數(shù)。因此,開發(fā)可以測(cè)量環(huán)境參數(shù)或者物質(zhì)濃度并同時(shí)記錄神經(jīng)元信號(hào)的多功能探針是必然的發(fā)展趨勢(shì)。例如,硅基可植入微電極陣列(MEA)可以在測(cè)量腦電(electroencephalogram,EEG)信號(hào)的同時(shí),測(cè)量大腦區(qū)域中谷氨酸的濃度[4]。

密歇根探針是平面型結(jié)構(gòu),易于進(jìn)行電極修飾,因此適用于多功能探針的制備。眾所周知,大腦區(qū)域是一個(gè)非常復(fù)雜的液體環(huán)境,其中pH值是重要的參數(shù)。在大腦區(qū)域中,pH值不僅可以反映酸堿水平,而且可以表征大腦區(qū)域液體環(huán)境的狀態(tài)。同時(shí),pH值變化可以作為檢測(cè)神經(jīng)探針植入后腦組織恢復(fù)的指標(biāo)[5]。此外,pH值與某些疾病有很強(qiáng)的相關(guān)性。例如,阿爾茨海默氏病與腦區(qū)pH值密切相關(guān)[6]。與健康的人進(jìn)行對(duì)照,精神分裂癥和雙相情感障礙患者的腦區(qū)pH值較低[7]。因此，檢測(cè)大腦區(qū)域的pH值是非常有意義的。

金屬/金屬氧化物由于具有高穩(wěn)定性和強(qiáng)度,因此其是多功能密歇根探針?lè)浅：线m的改性材料。在之前的研究中,用于制造pH電極的金屬氧化物包括IrOx[8,9],PbO2[10]和RuO2[10]等。由于IrOx具有pH值響應(yīng)范圍寬,響應(yīng)速度快,耐高溫和耐高壓的特性,因此，其被認(rèn)為是最適合作為pH電極改性的金屬氧化物材料。

在本文中,制備了一種多功能密歇根探針。

1 探針結(jié)構(gòu)

探針由圖1(a)中的電化學(xué)電極點(diǎn)(矩形50 μm×150 μm)和電生理電極點(diǎn)(圓直徑= 20 μm)組成,可以測(cè)量腦區(qū)pH值并記錄大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號(hào)。其插入腦區(qū)的模型圖如圖1(b)所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流行中的模型

2 加工工藝

選擇絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)硅晶片作為基底,并通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)((micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制備了16個(gè)電極點(diǎn)的密歇根探針,具體流程如圖2所示。主要工藝是進(jìn)行了4次光刻和2次刻蝕,完成對(duì)導(dǎo)線焊盤的圖形化,電極點(diǎn)的開窗,探針輪廓的定義以及探針的釋放。

圖2 多功能密歇根探針的工藝流程

這樣,制備出了經(jīng)典的密歇根探針,之后對(duì)探針上的電化學(xué)電極點(diǎn)進(jìn)行修飾以獲得響應(yīng)pH值的能力。

通過(guò)電鍍對(duì)電極點(diǎn)進(jìn)行材料修飾：為了電鍍不同的電極點(diǎn),設(shè)計(jì)了與之相匹配的印刷電路板(PCB)。通過(guò)引線鍵合的方式將PCB的焊盤和電極的焊盤相對(duì)應(yīng)地連接起來(lái),如圖1(c)所示。之后使用環(huán)氧樹脂覆蓋導(dǎo)線接合部分,使導(dǎo)線彼此之間絕緣。

使用Yamanaka[11]方法進(jìn)行IrOx的電鍍。將0.15 g IrCl4·H2O溶解在100 mL蒸餾水中。然后在室溫下磁力攪拌30 min。接下來(lái),加入1 mL的H2O2(35重量%),并磁力攪拌10 min。之后,加入0.15 g的草酸,并磁力攪拌10 min。最后,添加K2CO3將pH值調(diào)節(jié)至10.5,以獲得金黃色沉淀物。應(yīng)當(dāng)注意,新配置的沉積溶液需要在干燥和黑暗的地方放置至少2天,等待沉積溶液變成藍(lán)黑色才可使用。

電鍍時(shí),將使用標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極作為參考電極,先將電極點(diǎn)在-1 V下極化5 min,之后進(jìn)行恒流電鍍。電流密度為1 mA/cm2,電鍍時(shí)間為1 800 s。電鍍裝置原理圖如圖1(d)所示。

鉑黑(Pt-black)用于修飾電生理電極點(diǎn)以改善其電化學(xué)性能。電鍍鉑黑功能層是在氯鉑酸溶液(3 %氯鉑酸和0.01 %乙酸鉛)中進(jìn)行的[12],使用重復(fù)的電流脈沖(占空比5 ms：500 ms,峰值電流密度4.5 A/cm2,480個(gè)周期)進(jìn)行電鍍鉑黑功能層。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電化學(xué)電極點(diǎn)的性能表征

在電化學(xué)電極點(diǎn)進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和EDS(energy dispersive spectrometer)測(cè)試。如圖3所示,可以看到在電化學(xué)感應(yīng)電極點(diǎn)上的IrOx具有疏松的孔狀結(jié)構(gòu),這有利于對(duì)pH值的響應(yīng)。通過(guò)其元素分散能譜可以看出,其主要元素是Ir元素和O元素,證明了電鍍IrOx的成功。

圖3 電化學(xué)感應(yīng)電極點(diǎn)的特性

在電化學(xué)電極點(diǎn)上進(jìn)行了循環(huán)伏安(cyclic voltammetry,CV)法測(cè)試和EIS(阻抗分析)測(cè)試,結(jié)果如圖4所示。

圖4 與裸金相比電化學(xué)電極點(diǎn)的電化學(xué)特性

電鍍IrOx后,與裸金相比,電極點(diǎn)的存儲(chǔ)電荷的能力得到了很大的改善,阻抗性能也得到了提高,其阻值降低到9 kΩ(圖4(b)),這有利于電化學(xué)信號(hào)的傳遞。 從圖4(a)中右上角區(qū)域的凹入位置可以看出,其發(fā)生了氧化還原反應(yīng),這與IrOx對(duì)pH值的響應(yīng)機(jī)理一致。

對(duì)于金屬氧化物電極,通常認(rèn)為其對(duì)pH值響應(yīng)機(jī)制是電極點(diǎn)表面上的金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng),并帶有電子的得失,而H+參與其中。根據(jù)能斯特方程,電極點(diǎn)的平衡電位與pH值成正比,即E-pH校準(zhǔn)曲線理論上是一條直線。IrOx修飾后的電化學(xué)電極點(diǎn)對(duì)pH值的能斯特響應(yīng)曲線在圖5中為47 mV/pH?？梢钥闯?電化學(xué)電極點(diǎn)在pH值為1～13的測(cè)試溶液中的電勢(shì)與pH值具有良好的線性相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2超過(guò)0.99。其中能斯特響應(yīng)曲線的斜率通常也稱為電極的靈敏度。

圖5 電化學(xué)電極點(diǎn)的電位隨緩沖溶液pH值的變化

3.2 電生理電極點(diǎn)的性能表征

圖6顯示了電鍍?cè)陔娚碛涗涬姌O上的鉑黑的測(cè)試特性。 圖6(a)是電子顯微鏡下相應(yīng)電極上的鉑黑形態(tài)。 從圖6(b)中可以看出,主要元素是Pt,并且分布均勻。 因此,圖6證明了薄膜的質(zhì)量較好,分布均勻并且致密。

圖6 電化學(xué)電極點(diǎn)的特性

從圖7(a)和(c)可以看出電鍍鉑黑后,電生理電極點(diǎn)的性能有了顯著改善,阻抗在1 000 Hz處已大大降低,降低至10 kΩ。這些改進(jìn)大大提高了電極點(diǎn)的EEG信號(hào)采集能力。 從圖7(b)和(d)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,經(jīng)過(guò)1 000次CV循環(huán)測(cè)試后,CV特性和阻抗特性沒(méi)有明顯降低,表明電鍍鉑黑后電生理電極點(diǎn)的性能穩(wěn)定性非常好。

圖7 與裸金相比電生理電極點(diǎn)的電化學(xué)特性

4 結(jié) 論

介紹了一種基于傳統(tǒng)密歇根探針改進(jìn)的多功能密歇根探針,該多功能探針可以記錄神經(jīng)元信號(hào)并同時(shí)檢測(cè)大腦區(qū)域的pH值。多功能密歇根探針是通過(guò)MEMS工藝結(jié)合電化學(xué)方法制備實(shí)現(xiàn)的,電化學(xué)電極點(diǎn)由IrOx修飾,電生理電極點(diǎn)由鉑黑修飾。多功能密歇根探針在腦科學(xué)和神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究中具巨大的應(yīng)用前景。此外,該多功能密歇根探針的多功能特性是通過(guò)電化學(xué)方法添加到電極點(diǎn)上的,這意味著可以使用檢測(cè)其他物質(zhì)濃度或環(huán)境參數(shù)的多種材料來(lái)修改不同的電極點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)測(cè)量多個(gè)環(huán)境參數(shù)和物質(zhì)濃度的能力,同時(shí)還能夠記錄神經(jīng)元信號(hào)。 這代表了神經(jīng)探針在多功能方向上的發(fā)展?jié)摿?并對(duì)密歇根探針的進(jìn)一步發(fā)展具有重要影響。