聚吡咯氧化石墨烯修飾的神經微電極陣列

王 力，蔣庭君，石文韜，宋軼琳，徐聲偉，蔡新霞

(1. 中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室(北方基地) 北京 海淀區 100190; 2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 石景山區 100049)

·生物電子學·

聚吡咯氧化石墨烯修飾的神經微電極陣列

王 力1,2，蔣庭君1,2，石文韜1，宋軼琳1，徐聲偉1，蔡新霞1,2

(1. 中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室(北方基地) 北京 海淀區 100190; 2. 中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 石景山區 100049)

利用電化學方法，在多通道神經微電極陣列芯片上制備聚吡咯氧化石墨烯薄膜材料，并對該材料的電化學行為進行了分析。對神經微電極陣列芯片采用計時電壓法探究，確定了定向修飾聚吡咯氧化石墨烯薄膜的最佳電沉積條件。微電極陣列芯片為多通道實時檢測神經細胞的電生理和電化學信號提供了一種新的器件，但其檢測靈敏度、信噪比需進一步的提高。將聚吡咯氧化石墨烯的平面微電極阻抗值降低了92.1%，且提高了對多巴胺循環伏安響應的靈敏度，對神經電生理信號和電化學信號的檢測具有重要意義。

電沉積; 阻抗; 神經微電極陣列; 聚吡咯氧化石墨烯

神經系統是由神經組織構成的器官系統，是人體中最為復雜也最為重要的系統之一，其包括了數十億的神經元和多種感官信息傳遞機制。單個神經元的信息傳遞是由電信號和遞質信號共同完成的，這兩類信號在神經系統中起著重要的作用[1-4]。因此研究神經電生理信號和遞質電化學信號的同步檢測，對于神經系統的進一步研究具有重要的意義[5]。

碳纖維電極、玻璃微電極等是人們檢測神經細胞電生理信號的常用器件，但使用這些工具電極定位困難，操作繁瑣，且容易造成細胞損傷，使得無法長期監測[6-10]。近年來，隨著微機電系統(microelectromechanical systems，MEMS)加工技術的發展，微電極陣列芯片使得在體或離體條件下對神經細胞的長期無損監測提供了可能，如德國Multichannel公司開發的MEA芯片，密歇根大學研發的密歇根電極等[7,11-12]。這些電極可實現群體神經細胞電生理活動的同步檢測，然而之前使用的微電極陣列沒有集成電化學檢測神經遞質的功能，且獲得信號的信噪比較低，這是因為裸電極或者修飾的材料靈敏度不高，檢測限低，與離體組織不易接觸。

石墨烯目前是世界上電阻率最小的材料，電阻率只約為10?6??cm，還兼有高熱導性和高機械強度的優良性質，但石墨烯的強疏水、易團聚的特性限制了其應用，而氧化石墨烯(graphene oxide，GO)因含有大量的含氧官能團能解決了以上不足[13-14]，因而GO能在電子、材料、信息等領域有廣闊的應用前景。吡咯單體在氧化劑的存在下能較迅速地氧化成聚吡咯(polypyrrole, PPy)，PPy與其他高分子相比具有電導率高、易成膜、柔軟、生物相容性好的優點，且吡咯易于和其他材料復合，所以PPy在電極修飾、離子檢測方面廣泛地被應用[15]。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

氧化石墨烯(純度>99%，南京先豐納米材料科技有限公司)；吡咯單體(純度>99%，sigma)實驗用水為去離子水；電化學工作站CHI660D (上海辰華儀器有限公司)；S4800型掃描電鏡(日本日立公司)；超聲分散儀(上海新苗醫療器械制造有限公司)。

1.2 神經微電極陣列芯片的制備

利用微機電系統加工工藝(MEMS)，實驗室自制了60通道的神經微電極陣列芯片。芯片在玻璃基底上集成了便于神經檢測的絕緣基底、焊盤、引線、微電極陣列、參考電極、對電極、復合敏感膜材料以及絕緣層，其中微電極的直徑為20 μm，電極間距150 μm，線寬10 μm；包括兩次光刻過程。在光刻之前對玻璃基底依次經過丙酮、乙醇、去離子水的清洗以確?；妆砻鏉崈?，第一次光刻步驟為：旋涂一層AZ1500正性光刻膠，隨后進行前烘、曝光、顯影、后烘的操作；隨后，濺射一層厚度約為250 nm的鈦、鉑(Pt/Ti)金屬層；剝離多余的金屬，僅剩下焊盤、引線、微電極陣列、參考電極、對電極；并利用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積厚度約為400 nm的Si3N4。第二次光刻即為套刻，操作步驟與初次光刻一致。操作完成后，對芯片進行深刻蝕，本芯片制作采用干法刻蝕。干法刻蝕就是通過氣體和等離子體能量對光刻膠暴露區域進行化學反應，使微電極暴露出來[10,16]。

1.3 聚吡咯氧化石墨烯(PPy/GO)的電化學聚合

計時電壓法和計時電流法是常用的電化學電鍍方法。本文采用計時電壓法探究PPy/GO合成的條件。電化學聚合分如下步驟：1) 取1 mL的GO懸濁液(1 mg/mL)超聲分散25 min，期間不停通入N2；2) 量取3.47 μL的吡咯滴入GO中，并繼續超聲分散15 min；3) 將此混合液在磁力攪拌器中攪拌2 min；4) 電鍍實驗采用計時電壓法在三電極體系中進行，對不同的微電極點選擇不同的電量密度，分別為0.08、0.2、0.3、0.5、0.8 C/cm2。

1.4 PPy/GO電化學行為

完成上述電聚合實驗后，首先，將神經微電極陣列浸入已配制好的50 μM多巴胺溶液(DA)中，采用三電極體系在?0.3～0.7 V的電位范圍內進行循環伏安掃描10次，其中掃描速度為0.05 V/s。其次，將微電極浸入1 mL 0.9%NaCl溶液中，測試最佳電聚合沉積的微電極和裸Pt電極的阻抗譜圖，其中電壓設置為0.5 V，掃描頻率范圍為0.1 Hz～100 kHz。

2 結果與討論

2.1 器件制備及PPy/GO的修飾

圖1所示為神經微電極陣列芯片的整體效果圖和電極中心放大圖。由圖可知，遵循此流程制作出的電極陣列芯片引線清晰均勻，電極陣列表面無浮渣，選擇比較好。這種直徑20 μm、間距150 μm的60通道神經微電極為高通量，長期無損檢測神經網絡、單細胞的神經電生理和遞質電化學檢測提供了可能[5, 17-20]。

圖1 神經微電極陣列芯片

在60通道的神經微電極陣列上，選擇5個神經微電極，使用不同電量密度，均成功地定向聚合生成PPy/GO，如圖2所示。圖2a為在0.3 C/cm2條件下的電鏡掃描圖，在氧化石墨烯的片層結構及表面的聚吡咯顆粒(球狀納米顆粒)均清晰可見。

圖2 在平面微電極陣列上制備的聚吡咯氧化石墨烯

2.2 PPy/GO的阻抗特性

神經微電極阻抗的大小對于神經電生理檢測有重要的意義，尤其是1 kHz處的阻抗越小，越能夠獲得信噪比高的動作電位。這是因為神經信號動作電位的發放是毫秒級的，若在1 kHz左右的阻抗值很大，會導致有效的動作電位淹沒在噪聲中[11]。如圖3所示的數據表明，在使用0.3 C/cm2作為電聚合條件的神經微電極阻抗值(1 kHz)明顯小于裸Pt電極。阻抗值從100 kΩ下降至7.94 kΩ，降幅達92.1%，對神經電生理信號和電化學信號的檢測都具有重要的意義。

圖3 裸鉑電極和PPy/GO修飾的電極阻抗譜圖

2.3 PPy/GO對多巴胺的循環伏安響應

不同電量密度電聚合成的PPy/GO有不同的電化學性質。圖4a為修飾有PPy/GO的神經微電極在50 μM DA溶液中的伏安響應，其中包括裸Pt電極，使用0.3 C/cm2和0.8 C/cm2電量密度修飾的神經微電極的循環伏安曲線(CV曲線)，Bare Pt—(■)，0.3 C/cm2—(○)，0.8 C/cm2—(△) ，分別為PPy/GO的電沉積條件。圖4b為不同電沉積條件下的復合材料的電荷容量。對于采用循環伏安法獲得的CV曲線的電荷容量為：

式中，v為掃描速率；?為電位。由式(1)可知，CV曲線所圍面積即為電荷容量。圖4b表明隨著使用電量密度的增加，聚合成的PPy/GO的電荷容量在不斷增加。即隨著電量密度的增加，沉積的PPy/GO使神經微電極表面粗糙度不斷增加，即比表面積不斷加大[10]，對于神經信號檢測中提高信噪比和信號的靈敏度有很大的幫助。

由圖4a可看出，對50 μM DA響應電流最高的是0.8 C/cm2，裸Pt電極響應很低。超微電極(直徑微米級)表面的物質擴散由一維擴散轉變為多維擴散，所得的電流在短時間內即能達到穩態，而且具有很大的電流密度。因此，超微電極的CV曲線為經典的Z形，無明顯的氧化峰與還原峰[17,21]。0.8 C/cm2的聚合物氧化電流拐點出現在0.45 V，而0.3 C/cm2的PPy/GO薄膜氧化電流拐點出現在0.38 V。氧化電壓越小，能排除其他物質的干擾[8]，則說明在0.3 C/cm2條件下生成的PPy/GO對DA的選擇性好。此外，0.3 C/cm2的PPy/GO靈敏度相對于裸Pt電極也很高，綜上所述，選擇0.3 C/cm2為最佳的電聚合條件。

圖4 最佳電沉積條件

3 結 束 語

本文采用MEMS工藝制作了60通道神經微電極陣列芯片，利用計時電壓法在多通道神經微電極陣列上定向電聚合成PPy/GO復合材料，并通過循環伏安掃描法確定了最佳的電鍍條件。在該條件下的微電極對DA響應靈敏度高，并擁有較低的阻抗值。本文提出的聚吡咯氧化石墨烯修飾的多通道神經微電極陣列，有望在神經雙模信號(神經電化學信號和神經電生理信號)的檢測中得到應用。

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編輯黃 莘

A Planar Microelectrode Array Electrodeposited by Polypyrrole Graphene Oxide

WANG Li1,2, JIANG Ting-jun1,2, SHI Wen-tao1, SONG Yi-lin1, XU Sheng-wei1, and CAI Xin-xia1,2
(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Haidian Beijing 100190; 2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences Shijingshan Beijing 100049)

An efficient and reliable electrochemical method for preparing Polypyrrole Graphene oxide (PPy/GO) nanocomposites by electrodeposition on a planar microelectrode array (MEA) is reported. The electrodeposition process is carried out by chronopotentimetry measurement and the optimal condition is found. MEA is a practical tool for real-time electrophysiological evaluation of cultures and isolated tissues, especially suitable for stable long-term recording. Although MEA has these advantages, the low sensitivity and low signal-to-noise ratio still exist. The MEA electrodeposited by PPy/GO can reduce the electrochemical impedance by 92.1% and the increased response to dopamine has been observed, which is very significant for the neuro detection of electrophysiology and electrochemistry.

electrodeposition; impedance; microelectrode array; polypyrrole graphene oxide

TP212.3

A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2015.04.025

2013 ? 12 ? 11；

2014 ? 06 ? 06

國家973計劃(2011CB933202)；國家自然科學基金(61125105, 61027001, 61002037)

王力 (1988 ? )，男，博士生，主要從事微型生物傳感器及其檢測系統方面的研究.