離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片及製備方法
2023-04-30 09:47:21 2
專利名稱：離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片及製備方法
技術領域：
本發明涉及生物傳感器的微加工技術領域，是一種離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片及製備方法。
背景技術：
神經細胞是組成高等動物神經系統的基本結構功能單位，數以億計的神經細胞通過突觸連接形成錯綜複雜的網絡。神經細胞脈衝放電以及神經遞質釋放是神經信息傳遞的兩種模式，二者相互依存，相互調製。因此，對群體神經細胞實施神經電生理信號和神經遞質電化學信號的同步檢測，籍以研究神經細胞的相互作用機制、神經信息的編碼解碼過程、 神經精神性疾病的發病機理、以及藥物反應等，具有重要的科學意義和實用價值。長期以來，人們利用傳統的膜片鉗、玻璃微電極、金屬絲微電極等，對在體或離體條件下的神經細胞電生理信號進行檢測，通常僅能獲得少量幾個通道的數據，且電極定位困難、操作繁瑣；近年來，隨著微機電系統(MEMQ加工技術的發展，國內外出現了一些採用各種材料和工藝製備而成的微電極陣列晶片，可實現群體神經細胞電生理活動的同步檢測，如德國Multichannel公司開發的MEA晶片，美國NeuroNexus公司生產的Michigan植入式微電極陣列等，但這些電極尚未集成檢測神經遞質的功能，無法深入研究神經電生理信號與相應神經遞質濃度變化之間的內在關係；而對於神經遞質電化學信號的檢測，目前多採用大電極、體外微透析的方法，檢測實時性差，靈敏度不高，無法實現與電生理信號的同步檢測。
發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提供一種離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片及製備方法，該陣列晶片功能集成化，電路接口簡單，使用方便。製備出的微電極陣列晶片含有多個通道，能夠用於離體神經細胞電生理和神經遞質電化學信息兩種模式的同步檢測，併兼有對細胞施加電刺激的功能。將離體的動物神經組織切片貼在晶片的微電極陣列表面，或在晶片上進行神經細胞培養，即可開展動物離體神經信息的雙模檢測及相關研究。為實現這一目的，本發明採用了如下的技術方案一種離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其包括絕緣基底、微電極陣列、對電極、參比電極、引線以及觸點；絕緣基底是整個晶片的載體，在絕緣基底表面的中心位置為微電極陣列，微電極陣列中分布了多個以矩陣形式排布的、由導電薄膜材料製成的圓形微電極；微電極陣列一側設有一Pt薄膜對電極，以及一Ag/AgCl複合薄膜參比電極，對電極和參比電極均呈多邊形，對稱分布，尾端呈條形分別延伸至基底邊緣；所有圓形微電極均通過導電薄膜引線延伸至基底兩端邊緣，引線末端與方形觸點電連接，以方便與外部電路連接， 所有引線表面覆蓋有絕緣層。所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其所述絕緣基底的材料選用硬質透明絕緣材料，是石英玻璃、聚氯乙烯或聚碳酸酯其中之一，基底邊長25mm 80mm，厚度 Imm 2mm。所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其所述微電極陣列選用的導電薄膜材料為生物相容性好的金屬或金屬化合物，表面修飾有納米材料或敏感膜材料；微電極陣列包含9 64個微電極，其中用於神經電生理信號檢測的微電極直徑10 μ m 30 μ m， 用於神經遞質電化學信號檢測以及施加電刺激的微電極直徑30 μ m 50 μ m，微電極間距 50 μ m ~ 200 μ m ；對電極及參比電極的尺寸比微電極至少大一個數量級，用於提供參考電位並保持電位穩定；弓丨線及觸點的導電薄膜材料與微電極相同，厚度大於300nm，保證其機械強度能夠承受標準電子元器件中彈性金屬探針所造成的壓力。所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其所述微電極陣列選用的導電薄膜材料，是金、鉬、氮化鈦或銦錫氧化物其中之一；引線表面覆蓋的絕緣層材料為生物相容性好的有機或無機絕緣材料。所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其所述引線表面覆蓋的絕緣層材料，是二氧化矽、氮化矽、氮氧矽、SU8、聚醯亞胺或聚對二甲苯其中之一。一種所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片的製備方法，其包括如下步驟a)在經過表面清洗的絕緣基底1上旋塗一層光刻膠，厚度大於擬濺射導電薄膜層的三倍，光刻顯影后形成微電極陣列、對電極、參比電極、引線及觸點的圖案；b)在光刻膠圖案表面濺射一層厚度250nm 500nm的微電極導電薄膜層；c)採用剝離工藝去除多餘導電薄膜層，留下所需電極、引線及觸點；d)通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD) 二氧化矽、氮化矽、氮氧矽，或旋塗 SU8、聚醯亞胺、聚對二甲苯的方法，在製備好導電薄膜層的基底表面覆蓋絕緣層，通過光刻和等離子刻蝕的方法，暴露出微電極陣列、對電極、參比電極及觸點，保留所有引線表面覆蓋的絕緣層；e)在所述對電極3的表面，採用光刻、濺射、剝離的工藝，製備厚度250nm 500nm 的Pt金屬薄膜層；f)在所述參比電極的表面，採用光刻、濺射、剝離的工藝，製備厚度500nm SOOnm 的Ag金屬薄膜層，並通過化學或電化學方法進行氯化，或在參比電極的表面絲印塗覆Ag/ AgCl漿料並烘乾，最終形成Ag/AgCl複合薄膜參比電極；g)通過電化學沉積或物理滴塗、吸附等方法，在設定不同功能的微電極表面修飾納米材料或敏感膜材料。所述的製備方法，其所述步驟b)之前，預先濺射IOnm 50nm的Cr或Ti種子層， 以增加導電薄膜層與基底的粘附性。所述的製備方法，其所述步驟b)中，濺射一層厚度250nm 500nm的微電極導電薄膜層時，若微電極導電薄膜選用Pt材料，則可省略步驟e)。本發明提供的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，將多通道神經電生理檢測、神經電刺激、神經遞質檢測的功能集成一體，實現高通量同步檢測，使用方便，電路接口簡單可靠。突破了以往技術只能對兩種神經信息模式分開檢測、實時性差的局限，為研究二者相互調製的關係提供了更加便捷有效的工具，為深入研究神經信息編碼、傳遞的內在機制，以及一些神經精神性疾病的發病機理提供了新的視角。
圖1為本發明離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片結構圖；圖2為兩種不同微電極陣列的局部放大示意圖，其中圖加中的微電極直徑均為30 μ m ；圖2b中的微電極直徑包含10 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m五種；圖3為本發明離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片製備方法的工藝流程圖；圖3a為電極引線及觸點的圖案；圖北為接著濺射250nm的Pt薄膜層；圖3c為採用剝離工藝去除多餘的Ti/Pt薄膜層，留下所需電極、引線及觸點；圖3d為在製備好Pt薄膜層的基底表面，PECVD氮化矽(Si3N4)絕緣層，厚度800nm。 通過光刻和SF6等離子刻蝕的方法，暴露出微電極、對電極、參比電極及觸點，保留所有引線表面覆蓋的氮化矽絕緣層；圖!Be為在參比電極的表面，絲印塗覆厚度200 μ m的Ag/AgCl漿料，並在100°C的烘箱中烘乾3小時，最終形成Ag/AgCl複合薄膜參比電極；圖3f為採用電化學沉積的方法，在用於神經電生理檢測的微電極表面修飾納米鉬黑(Pt Black)顆粒；圖3g為在微電極陣列表面滴塗濃度為的Nafion (離子交換型聚合物)乙醇溶液，自然晾乾後，形成離子選擇性Nafion薄膜。附圖標號說明1為絕緣基底，2為微電極陣列，3為對電極，4為參比電極，5為引線，6為觸點，7為可功能復用的微電極，8為僅用於電生理檢測的微電極，9為僅用於神經遞質檢測或施加電刺激的微電極。
具體實施例方式本發明離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，由絕緣基底、微電極陣列、對電極、參比電極、電極引線以及觸點構成。所述絕緣基底是整個晶片的載體，在絕緣基底表面的中心位置，分布了若干個以矩陣形式排布的、由導電薄膜材料製成的圓形微電極，構成微電極陣列。其中，部分微電極用於檢測神經電生理信號，部分微電極用於檢測不同神經遞質的濃度或對神經細胞施加電刺激。微電極陣列周邊配有一個尺寸較大的Pt薄膜對電極， 以及一個Ag/AgCl複合薄膜參比電極。所有圓形微電極均通過導電薄膜引線延伸至基底邊緣，末端形成方形觸點，方便與外部電路連接，所有引線表面均覆蓋有絕緣層。絕緣基底選用硬質透明絕緣材料，可以是石英玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯，這些材料具有化學、機械性能穩定的特點，能夠耐受微加工過程中溫度、壓力、化學試劑的影響。選用透明材料有利於在顯微鏡下對被測離體神經細胞進行觀察。絕緣基底邊長25mm 80mm， 厚度Imm 2mm。微電極陣列選用的導電薄膜材料為生物相容性好的金屬或金屬化合物，可以是金、鉬、氮化鈦、銦錫氧化物，為了提高信噪比以及提高對不同神經遞質檢測的選擇性，微電極表面可根據需要修飾納米材料或敏感膜材料。微電極陣列包含9 64個微電極，其中用於神經電生理信號檢測的微電極直徑10 μ m 30 μ m，用於神經遞質電化學信號檢測以及施加電刺激的微電極直徑30 μ m 50 μ m，微電極間距50 μ m 200 μ m0對電極及參比電極的尺寸比微電極至少大一個數量級，在電生理信號檢測或施加電刺激的過程中，參比電極用於提供參考電位；在神經遞質電化學信號的檢測過程中，對電極用於提供一個電流迴路，並與參比電極一起，構成電化學檢測的三電極體系。圓形微電極引線及觸點的導電薄膜材料與微電極相同，厚度大於300nm，保證其機械強度能夠承受標準電子元器件中彈性金屬探針所造成的壓力。當金屬探針輕壓在觸點上時，即可實現晶片與外部電路的連接。該電路接口避免了常規MEMS器件封裝時金絲壓焊的工序，接口簡單，連接可靠，可重複使用。圓形微電極引線表面覆蓋的絕緣層材料為生物相容性好的有機或無機絕緣材料， 可以是二氧化矽、氮化矽、氮氧矽、SU8、聚醯亞胺、聚對二甲苯。本發明的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其製備方法包括如下步驟1.在經過表面清洗的絕緣基底上旋塗一層光刻膠，厚度大於擬濺射導電薄膜層的三倍，光刻顯影后形成所有微電極陣列、對電極、參比電極、電極引線及觸點的圖案；2.在光刻膠圖案表面濺射一層厚度250nm 500nm的微電極導電薄膜層，必要時預先濺射IOnm 50nm的Cr或Ti種子層，以增加導電薄膜層與基底的粘附性；3.採用剝離工藝去除多餘導電薄膜層，留下所需電極、引線及觸點；4.通過PECVD 二氧化矽、氮化矽、氮氧矽，或旋塗SU8、聚醯亞胺、聚對二甲苯的方法，在製備好導電薄膜層的基底表面覆蓋絕緣層，通過光刻和等離子刻蝕的方法，暴露出微電極、對電極、參比電極及觸點，保留所有引線表面覆蓋的絕緣層；5.在所述對電極的表面，採用光刻、濺射、剝離的工藝，製備厚度250nm 500nm的 Pt金屬薄膜層，若步驟2中的微電極導電薄膜已選用Pt，則可省略本步驟；6.在所述參比電極的表面，採用光刻、濺射、剝離的工藝，製備厚度500nm SOOnm 的Ag金屬薄膜層，並通過化學或電化學方法進行氯化，或在參比電極的表面絲印塗覆Ag/ AgCl漿料並烘乾，最終形成Ag/AgCl複合薄膜參比電極；7.通過電化學沉積或物理滴塗、吸附的方法，在設定不同功能的微電極表面修飾納米材料或敏感膜材料。以下結合附圖對本發明的一個具體實施方式
做詳細說明。本發明提供的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片結構如圖1所示。整個晶片由絕緣基底1、微電極陣列2、對電極3、參比電極4、電極引線5以及觸點6構成。絕緣基底1選用生物實驗室常用的載玻片，作為整個晶片的載體。載玻片長 76. 2mm，寬25. 4mm，厚1mm。在載玻片表面的中心位置，分布了 64個由Pt薄膜材料製成的圓形微電極，構成微電極陣列2。微電極基本以8X8的方陣形式排列，電極間距100 μ m，亦可做一定形式的調整。 圖2即為兩種不同微電極陣列2的局部放大示意圖，圖2 (a)中的微電極直徑均為30 μ m，圖 2(b)中的微電極直徑包含1(^111、2(^111、3(^111、4(^111、5(^111五種。由於待測神經細胞的胞體直徑在 ο μ m左右，電極直徑越小越利於檢測單個細胞的電活動，電極直徑大於30 μ m 時，電極記錄到的信號過多，將不利於單個細胞電信號的分離。但是，大的電極直徑有利於增加神經遞質檢測的信號強度，且能夠承受更大的刺激電流。因此，本實施例中，直徑小於 30μπι的微電極僅用於檢測神經細胞的電生理信號，如圖中的電極7 ；直徑大於30μπι的微電極僅用於檢測神經遞質電化學信號，或對神經細胞進行電刺激，如圖中的電極9 ；直徑為 30 μ m的微電極則可根據需要進行三種功能的切換，如圖中的電極8。為了提高信噪比，可在微電極表面修飾納米鉬黑顆粒。為了提高檢測神經遞質多巴胺的選擇性，可在微電極表面修飾離子選擇性Nafion膜。在載玻片的一側配有一個尺寸較大的Pt薄膜對電極3，以及一個Ag/AgCl複合薄膜參比電極4。兩個電極均呈多邊形，對稱分布，尾端呈條形分別延伸至載玻片邊緣，最小邊長約3mm左右。在電生理信號檢測或施加電刺激的過程中，參比電極用於提供參考電位；在神經遞質電化學信號的檢測過程中，對電極3用於提供一個電流迴路，並與參比電極一起， 構成電化學檢測的三電極體系。所有圓形微電極均通過Pt薄膜引線5延伸至載玻片兩端邊緣，末端形成方形觸點 6，觸點邊長1. 27mm,同樣以陣列形式排布，間距2. 54mm。該尺寸與標準電子元器件中彈性金屬探針的尺寸相匹配。當焊接在電路板上的金屬探針輕壓在觸點上時，即可實現晶片與外部電路的連接。所有弓I線表面均覆蓋有氮化矽薄膜絕緣層，可使神經細胞及電解質培養液與弓I線之間達到電學上的隔離。將離體的動物神經組織切片貼在晶片的微電極陣列表面，或在晶片上進行神經細胞培養，結合配套的檢測系統，即可開展動物離體神經信息的雙模檢測及相關研究。本發明的具體製備過程參考圖3詳述如下1.在經過表面清洗的載玻片(Glass)上旋塗一層正性光刻膠AZ1500，厚度1 μ m， 光刻顯影后形成掩模板上所有微電極陣列2、對電極3、參比電極4、電極引線及觸點6的圖案(圖3a)；2.在光刻膠圖案表面濺射一層厚度30nm的Ti種子層，以增加Pt導電薄膜層與玻璃基底的粘附性，接著濺射250nm的Pt薄膜層(圖北)。3.採用剝離工藝去除多餘的Ti/Pt薄膜層，留下所需電極2 4、引線5及觸點6， (圖 3c)；4.在製備好Pt薄膜層的基底表面，PECVD氮化矽(Si3N4)絕緣層，厚度800nm。通過光刻和SF6等離子刻蝕的方法，暴露出微電極7、8、對電極3、參比電極4及觸點6，保留所有引線表面覆蓋的氮化矽絕緣層(圖3d)；5.在參比電極4的表面，絲印塗覆厚度200 μ m的Ag/AgCl漿料，並在100°C的烘箱中烘乾3小時，最終形成Ag/AgCl複合薄膜參比電極4 (圖3e)；7.採用電化學沉積的方法，在用於神經電生理檢測的微電極8表面修飾納米鉬黑 (Pt Black)顆粒(圖3f)。具體過程是，用去離子水配製20mmol/L的氯鉬酸(H2PtCl6)和 2mol/L的鹽酸(HCl)混合液，作為電鍍液加入灌流槽中。連接電化學工作站CHI660，以待修飾微電極為工作電極，鉬絲為對電極，施加固定電位，採用計時電流法電鍍5分鐘。8.在微電極陣列2表面滴塗濃度為1 %的Nafion (離子交換型聚合物)乙醇溶液，自然晾乾後，形成離子選擇性Nafion薄膜(圖3g)。 以上實施例只是為了起到說明的目的，並非對本發明的限制，在上述說明的基礎上，可以對本發明作許多改進和改變，所作改進和改變，及選用其它功能材料等方法均應在本發明權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其特徵在於包括絕緣基底(1)、微電極陣列O)、對電極(3)、參比電極、引線(5)以及觸點(6)；絕緣基底⑴是整個晶片的載體，在絕緣基底(1)表面的中心位置為微電極陣列O)，微電極陣列O)中分布了多個以矩陣形式排布的、由導電薄膜材料製成的圓形微電極；微電極陣列( 一側設有一 Pt薄膜對電極(3)，以及一 Ag/AgCl複合薄膜參比電極G)，對電極(3)和參比電極⑷均呈多邊形，對稱分布，尾端呈條形分別延伸至基底(1)邊緣；所有圓形微電極均通過導電薄膜引線 (5)延伸至基底(1)兩端邊緣，引線(5)末端與方形觸點(6)電連接，以方便與外部電路連接，所有引線( 表面覆蓋有絕緣層。
2.根據權利要求1所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其特徵在於所述絕緣基底(1)的材料選用硬質透明絕緣材料，是石英玻璃、聚氯乙烯或聚碳酸酯其中之一， 基底(1)邊長25mm 80mm，厚度Imm 2mm。
3.根據權利要求1所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其特徵在於所述微電極陣列( 選用的導電薄膜材料為生物相容性好的金屬或金屬化合物，表面修飾有納米材料或敏感膜材料；微電極陣列( 包含9 64個微電極，其中用於神經電生理信號檢測的微電極直徑10 μ m 30 μ m，用於神經遞質電化學信號檢測以及施加電刺激的微電極直徑30 μ m 50 μ m，微電極間距50 μ m 200 μ m ；對電極(3)及參比電極的尺寸比微電極至少大一個數量級，用於提供參考電位並保持電位穩定；引線(5)及觸點(6)的導電薄膜材料與微電極相同，厚度大於300nm，保證其機械強度能夠承受標準電子元器件中彈性金屬探針所造成的壓力。
4.根據權利要求1或3所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其特徵在於 所述微電極陣列( 選用的導電薄膜材料，是金、鉬、氮化鈦或銦錫氧化物其中之一；引線 (5)表面覆蓋的絕緣層材料為生物相容性好的有機或無機絕緣材料。
5.根據權利要求4所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片，其特徵在於所述引線( 表面覆蓋的絕緣層材料，是二氧化矽、氮化矽、氮氧矽、SU8、聚醯亞胺或聚對二甲苯其中之一。
6.一種如權利要求1所述的離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟1)在經過表面清洗的絕緣基底(1)上旋塗一層光刻膠，厚度大於擬濺射導電薄膜層的三倍，光刻顯影后形成微電極陣列O)、對電極(3)、參比電極、引線(5)及觸點(6)的圖案；2)在光刻膠圖案表面濺射 層厚度250nm 500nm的微電極導電薄膜層；3)採用剝離工藝去除多餘導電薄膜層，留下所需電極、引線(5)及觸點(6)；4)通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)二氧化矽、氮化矽、氮氧矽，或旋塗SU8、聚醯亞胺、聚對二甲苯的方法，在製備好導電薄膜層的基底(1)表面覆蓋絕緣層，通過光刻和等離子刻蝕的方法，暴露出微電極陣列⑵、對電極⑶、參比電極⑷及觸點(6)，保留所有引線表面覆蓋的絕緣層；5)在所述對電極C3)的表面，採用光刻、濺射、剝離的工藝，製備厚度250nm 500nm的 Pt金屬薄膜層；6)在所述參比電極⑷的表面，採用光亥lj、濺射、剝離的工藝，製備厚度500nm SOOnm 的Ag金屬薄膜層，並通過化學或電化學方法進行氯化，或在參比電極的表面絲印塗覆 Ag/AgCl漿料並烘乾，最終形成Ag/AgCl複合薄膜參比電極；7)通過電化學沉積或物理滴塗、吸附等方法，在設定不同功能的微電極表面修飾納米材料或敏感膜材料。
7.如權利要求6所述的製備方法，其特徵在於所述步驟2)之前，預先濺射IOnm 50nm的Cr或Ti種子層，以增加導電薄膜層與基底的粘附性。
8.如權利要求6所述的製備方法，其特徵在於所述步驟幻中，濺射一層厚度250nm 500nm的微電極導電薄膜層時，若微電極導電薄膜選用Pt材料，則可省略步驟5)。
全文摘要
本發明公開了一種離體神經信息雙模檢測微電極陣列晶片及製備方法，涉及傳感器技術，該晶片由絕緣基底、微電極陣列、對電極、參比電極、電極引線及觸點、表面絕緣層六個部分構成，採用微機電系統(MEMS)工藝加工製備。其中，微電極是直接與動物離體神經細胞接觸的敏感單元，結合對電極與參比電極，可用於實施對神經電生理信號和神經遞質電化學信號這兩種神經信息傳遞模式的同步檢測，併兼有對細胞施加電刺激的功能。本發明晶片功能集成化，電路接口簡單，使用方便，適合實驗室開展動物離體神經信息的雙模檢測及相關研究。
文檔編號G01N27/30GK102445477SQ201010513818
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者劉春秀, 宋軼琳, 林楠森, 王利, 蔡新霞 申請人:中國科學院電子學研究所