石墨烯三維微電極生物傳感器研究*

唐 琳, 吳 蕾, 周 麟, 杜曉薇, 吳春艷, 趙建龍

石墨烯三維微電極生物傳感器研究*

唐 琳1,2, 吳 蕾1, 周 麟1, 杜曉薇1, 吳春艷1, 趙建龍1,2

(1.傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；
2.上海科技大學(xué)，上海200120)

基于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性和透明性，為改善生物傳感器存在透明性不足的缺陷，提出了石墨烯三維微電極傳感器的研究。利用SEM，Raman對(duì)其形貌進(jìn)行表征，以及采用電化學(xué)測(cè)試電極電化學(xué)性能，結(jié)果表明:研究的石墨烯三維電極生物傳感器在透明性和電化學(xué)性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)微電極生物傳感器，為透明生物傳感器的制作提供了新思路。

微電極陣列； 石墨烯； 三維電極； 平面電極； 電化學(xué)

0 引 言

微電極可以用來實(shí)時(shí)定量檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)外電活性物質(zhì)及變化的生物傳感器[1]。傳統(tǒng)微電極是基于微加工工藝，在硅片或玻璃基底上沉積Au,Pt等金屬制成的,廣泛應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域。金屬材料最大不足是透明性差，不兼容生物學(xué)中使用的倒置顯微鏡，在研究一些光基礎(chǔ)的電生理學(xué)方面也存在很大的局限性，因此,透明微電極生物傳感器需求越來越大。目前，已發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料摻錫氧化銦(indium tin oxides,ITO)在透明性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是制作透明微電極的主要材料。但是ITO存在易被腐蝕，阻抗高，價(jià)格昂貴等不足，因此,亟需開發(fā)一種透明性和導(dǎo)電性良好的生物傳感器。

2004年，單層石墨烯首次被制備出來，由單層碳原子以sp2雜化形成的σ鍵和π鍵共價(jià)鍵結(jié)合而成[2]，每個(gè)碳原子與其他3個(gè)碳原子以作用力極強(qiáng)的σ鍵相連接，剩余一個(gè)未成鍵的π電子形成π軌道,使其具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)剛性和導(dǎo)電性[3,4]。結(jié)合其高透光性[5]、高機(jī)械強(qiáng)度[6,7]、較好的生物相容性[8]以及與傳統(tǒng)工藝良好兼容等優(yōu)點(diǎn)，石墨烯成為制備透明、高性能傳感器的理想材料。研究者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，如Park D W等人研究了植入鋸齒類動(dòng)物大腦皮層進(jìn)行神經(jīng)生理學(xué)記錄的石墨烯微電極陣列。石墨烯平面微電極陣列的研究結(jié)果表明石墨烯電極透明性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金微電極，然而較之金電極的阻抗還有待提高。有報(bào)道稱增加電極位點(diǎn)面積能有效降低電極交流阻抗，在平面電極基礎(chǔ)上已提出了金字塔形[8]、丘形[9]、凸點(diǎn)[10]、柱形[11]等三維結(jié)構(gòu)的微電極來降低電極阻抗。

基于石墨烯平面微電極陣列的研究基礎(chǔ)，通過增大電極位點(diǎn)的表面積來降低電極阻抗提高電極性能，提出了石墨烯三維微電極生物傳感器的制作思路。

1 方法和材料

1.1 材料和試劑

基底為4 in雙拋玻璃片(Pyrex7740(φ100×0.5t)；石墨烯材料為銅基底上的預(yù)制薄膜(南京吉倉納米科技有限公司，產(chǎn)品型號(hào)JCVPG—90—5/5—Cu)；微電極基質(zhì)材料為光敏性聚酰亞胺Durimide 7510(Arch chemicals,Norwalk,CT，USA)；絕緣層材料為Su—8 3005(香港電子器材有限公司)；光刻膠為AZ4620P(安智電子材料有限公司)；所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 生物傳感器的制造

1.2.1 微電極陣列的設(shè)計(jì)

對(duì)微電極陣列的設(shè)計(jì)要兼顧工藝條件、空間分辨率和電極間干擾。電極表面積越小其阻抗值越大[12]，根據(jù)已有的研究成果：Breckenridge L J等人利用仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)到單一電極刺激后，間距128 μm電極間信號(hào)衰減90 %[13]； Reserbat-Plantey A等人發(fā)現(xiàn)合適的陣列間距比能保證石墨烯完整緊密貼合在基底上[14]。電極間距設(shè)為300 μm以保證電極間的干擾較低，電極開窗面積為50 μm×50 μm，三維微柱直徑為20 μm、柱高為7～8 μm。為更好地控制變量，在同一基底上設(shè)計(jì)了相同面積和間距的金微電極(Au)、石墨烯平面微電極(G—2d)和石墨烯三維微電極(G—3d)。如圖1(a)所示，1區(qū)域?yàn)锳u，2區(qū)域?yàn)镚—3d，3區(qū)域?yàn)镚—2d。

1.2.2 傳感器制作的工藝流程

在干凈基底上(圖1(b1))旋涂AZ4620P，曝光顯影后形成金屬層圖形(圖1(b2))，濺射金屬層(圖1 (b3))后，完成lift-off工藝留下金屬線(圖1(b4))。旋涂聚酰亞胺PI7510(圖1(b5))，控制轉(zhuǎn)速3 000 r/min，光刻顯影后，固化形成微柱陣列(圖1(b6))。用過硫酸銨浸泡、去離子水漂洗石墨烯薄膜后轉(zhuǎn)移到微電極陣列區(qū)域上(圖1(b7))。將基底靜置，薄膜與基底貼合后經(jīng)過烘箱85 ℃/30 min烘干水分。石墨烯清洗干燥后，旋涂AZ4620P光刻膠(圖1(b8))，完成光刻工藝和 plasma刻蝕后得到石墨烯連線和電極位點(diǎn)(圖1(b9))。微電極的絕緣層制作，旋涂Su—8，進(jìn)行曝光、顯影，暴露出石墨烯電極和外接電極 (圖1(b10),(b11))。

2 電極的表征

石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后，并不能用肉眼清晰辨別，光學(xué)顯微鏡下能觀察到刻蝕后的石墨烯條帶痕跡 (圖1(a)2,3區(qū)域)。在倒置顯微鏡下(圖2(a)，(b))，與金屬連線的對(duì)比，石墨烯在透明性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，電極上方視野完全不受遮擋。掃描電子顯微鏡下三維結(jié)構(gòu)的形貌如圖2(c)所示，三維結(jié)構(gòu)是一個(gè)直徑約為20 μm、高度約為8 μm圓柱凸起形狀(圖2(d))。平面電極面積約為2 500 μm2，三維電極面積為約為3 000 μm2。

圖2 形貌表征圖

圖3是石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后的玻璃基底拉曼圖、石墨烯拉曼光譜圖。石墨烯的特征峰幾乎沒有D峰，G峰在1 580 cm-1附近，2D峰在2 700 cm-1附近，說明石墨烯轉(zhuǎn)移到基底上后完整性較好，微工藝沒有對(duì)石墨烯的性能產(chǎn)生太大的影響。

圖3 拉曼圖

2.1 傳感器的測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試是全面了解電極的界面電化學(xué)特性有效方法，電極的電化學(xué)表征使用電化學(xué)工作站Gamry reference 600，采用三電極體系(圖4(a))，分別是：工作電極石墨烯微電極或金微電極、參比電極Ag/AgCl、對(duì)電極Pt。以PBS溶液注入用聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定的環(huán)形腔體內(nèi)作為電極溶液(圖4(b))。

圖4 結(jié)構(gòu)圖

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 交流阻抗譜測(cè)試

電化學(xué)阻抗測(cè)試是以小振幅的正弦波電勢(shì)(或電流)為擾動(dòng)信號(hào)，使電極系統(tǒng)產(chǎn)生近似線性關(guān)系的響應(yīng)，測(cè)量電極系統(tǒng)在很寬頻率范圍內(nèi)的阻抗變化，在不同頻率段相位角的變化代表著電極不同的電阻、電容特性。本實(shí)驗(yàn)電化學(xué)工作站輸出峰值為50 mV的正弦交流信號(hào)，頻率從0.01 Hz至100 000 Hz。

2.2.2 循環(huán)伏安法測(cè)試

循環(huán)伏安法是利用控制電極電勢(shì)測(cè)量通過電極的響應(yīng)電流，分析響應(yīng)曲線來判斷其電子轉(zhuǎn)移能力。本實(shí)驗(yàn)電化學(xué)工作站提供的掃描電勢(shì)范圍是-0.5～0.5 V，掃描速度是0.1 V/s。

3 結(jié)果分析與討論

電化學(xué)測(cè)試可獲得每個(gè)電極的EIS曲線和CV曲線，1 kHz頻率下的電極阻抗值是判斷該電極位點(diǎn)是否能作為電生理實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[15,16]。阻抗—頻率關(guān)系如圖5(a)所示，在1 kHz的頻率下，金微電極阻抗約為40 kΩ ，G—2d阻抗約為42 kΩ，G—3d阻抗約為25 kΩ。相位—頻率關(guān)系(圖5(b))得出電極在低頻區(qū)相位角接近-90°，電極表現(xiàn)為電容特性，在高頻區(qū)相位角靠近0°，電極由電容性向電阻性轉(zhuǎn)變。為更好理解電極界面情況，利用等效電路模型模擬電化學(xué)過程來進(jìn)行分析(圖5(d))。當(dāng)微電極與溶液接觸時(shí)，外加電壓的變化，兩相之間會(huì)發(fā)生電荷傳遞并達(dá)到電化學(xué)平衡，這個(gè)過程包括電子轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，是電極界面反應(yīng)最重要的兩個(gè)過程，相位的變化引入常相位元件，用CPE表示其值用Q代替，參數(shù)中，n為一個(gè)隨相位變化的指數(shù)值，Rct表示轉(zhuǎn)移阻抗，Zw表示擴(kuò)散阻抗，Rs為溶液阻抗。等效電路模型擬合結(jié)果(表1)表明石墨烯三維微電極具有較小的電子轉(zhuǎn)移阻抗，其大的常相位元件值即界面具有較大的電容性特征，在應(yīng)用于電生理測(cè)試上具有很大的優(yōu)勢(shì)。圖5(c)經(jīng)過曲線面積積分得到各電極的帶電情況，金電極是8.57×10-8C，石墨烯平面電極是2.97×10-8C，石墨烯三維電極是1.07×10-7C，石墨烯三維微電極具有最優(yōu)異的電荷轉(zhuǎn)移能力。

圖5 電化學(xué)測(cè)試圖

參數(shù)CPE(S×sn)/10-9QnRct/ΩAu2．3790．98627．36×10-3G-2d17．800．78517．8×10-3G-3d217．10．621360．8

在同樣的條件下使用過透明石墨烯生物傳感器的電極位點(diǎn)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，對(duì)比使用前后阻抗—頻率圖可發(fā)現(xiàn)其變化并不大(圖6)，并且未曾有漏液和光刻膠脫落情況，證明了石墨烯微電極的穩(wěn)定性以及可重復(fù)使用性。

圖6 電極使用前后阻抗—頻率圖

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)生物傳感器微電極材料透明性不足之處，提出了用石墨烯取代金屬電極的思路，來提高生物傳感器的透明性；同時(shí)結(jié)合三維結(jié)構(gòu)增大電極表面積來降低電極界面阻抗的方法，研究了石墨烯三維微電極生物傳感器。利用石墨烯良好的透明性、導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度等特性，以光敏性聚酰亞胺(PI)為三維結(jié)構(gòu)材料，通過光刻工藝形成三維結(jié)構(gòu)，將石墨烯轉(zhuǎn)移至三維結(jié)構(gòu)上結(jié)合微加工工藝制備三維透明的生物傳感器。研究發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)增加了電極位點(diǎn)的比表面積，在同樣的電化學(xué)條件下，具有較低的電極界面電阻，測(cè)試結(jié)果表明：石墨烯三維傳感器的電極優(yōu)于傳統(tǒng)生物傳感器電極的電化學(xué)性能，對(duì)電生理信號(hào)檢測(cè)具有重要的意義，在透明性方面為生物傳感器的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。

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Study of graphene three-dimensional microelectrodes biosensor*)

TANG Lin1,2, WU Lei1, ZHOU Lin1, DU Xiao-wei1, WU Chun-yan1, ZHAO Jian-long1,2)

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;
2.Shanghai Technology University,Shanghai 200120,China)

Based on excellent electrical conductivity and transparency characteristics,three-dimensional micro electrodes sensor of graphene is designed to improve the transparency of biosensor.Scanning electron microscope(SEM)and Raman spectra are used to characterize the morphology of graphene three-dimensional electrodes.Electrochemical measurements are performed on electrodes.The results show that the performance of transparency and electrochemical of graphene three-dimensional microelectrodes are prior to that of the traditional micro electrodes biosensor.It provides a new idea for fabrication of biosensors.

micro-electrode arrays； graphene； three-dimensional electrodes； planar electrodes； electrochemical

2016—03—18

中國(guó)科學(xué)院科研裝備研究項(xiàng)目(YZ201337)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)02—0004—04

唐 琳(1990-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)樯飩鞲衅鳌?/p>