硅陣列探針上基于IrOx的pH傳感器和電生理信號傳感器*

王 琛, 劉景全

(上海交通大學 微納科學技術(shù)研究院 微米/納米加工技術(shù)國家重點實驗室 薄膜與微細技術(shù)教育部重點實驗室,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,可以測量大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號,并廣泛用于腦科學研究領(lǐng)域。隨著腦科學的不斷發(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,還希望同時觀察某些物質(zhì)的濃度和環(huán)境參數(shù)(例如pH值[1],溫度[2],壓力[3])。這主要是因為許多神經(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)可以測量環(huán)境參數(shù)或者物質(zhì)濃度并同時記錄神經(jīng)元信號的多功能探針是必然的發(fā)展趨勢。例如,硅基可植入微電極陣列(MEA)可以在測量腦電(electroencephalogram,EEG)信號的同時,測量大腦區(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)域是一個非常復雜的液體環(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,pH值變化可以作為檢測神經(jīng)探針植入后腦組織恢復的指標[5]。此外,pH值與某些疾病有很強的相關(guān)性。例如,阿爾茨海默氏病與腦區(qū)pH值密切相關(guān)[6]。與健康的人進行對照,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)定性和強度,因此其是多功能密歇根探針非常合適的改性材料。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值響應范圍寬,響應速度快,耐高溫和耐高壓的特性,因此，其被認為是最適合作為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)中的電化學電極點(矩形50 μm×150 μm)和電生理電極點(圓直徑= 20 μm)組成,可以測量腦區(qū)pH值并記錄大腦區(qū)域中的神經(jīng)元信號。其插入腦區(qū)的模型圖如圖1(b)所示。

圖1 實驗流行中的模型

2 加工工藝

選擇絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)硅晶片作為基底,并通過微機電系統(tǒng)((micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制備了16個電極點的密歇根探針,具體流程如圖2所示。主要工藝是進行了4次光刻和2次刻蝕,完成對導線焊盤的圖形化,電極點的開窗,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,之后對探針上的電化學電極點進行修飾以獲得響應pH值的能力。

通過電鍍對電極點進行材料修飾：為了電鍍不同的電極點,設計了與之相匹配的印刷電路板(PCB)。通過引線鍵合的方式將PCB的焊盤和電極的焊盤相對應地連接起來,如圖1(c)所示。之后使用環(huán)氧樹脂覆蓋導線接合部分,使導線彼此之間絕緣。

使用Yamanaka[11]方法進行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,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。應當注意,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黑色才可使用。

電鍍時,將使用標準甘汞電極作為參考電極,先將電極點在-1 V下極化5 min,之后進行恒流電鍍。電流密度為1 mA/cm2,電鍍時間為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以改善其電化學性能。電鍍鉑黑功能層是在氯鉑酸溶液(3 %氯鉑酸和0.01 %乙酸鉛)中進行的[12],使用重復的電流脈沖(占空比5 ms：500 ms,峰值電流密度4.5 A/cm2,480個周期)進行電鍍鉑黑功能層。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 電化學電極點的性能表征

在電化學電極點進行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和EDS(energy dispersive spectrometer)測試。如圖3所示,可以看到在電化學感應電極點上的IrOx具有疏松的孔狀結(jié)構(gòu),這有利于對pH值的響應。通過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 電化學感應電極點的特性

在電化學電極點上進行了循環(huán)伏安(cyclic voltammetry,CV)法測試和EIS(阻抗分析)測試,結(jié)果如圖4所示。

圖4 與裸金相比電化學電極點的電化學特性

電鍍IrOx后,與裸金相比,電極點的存儲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)),這有利于電化學信號的傳遞。 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,這與IrOx對pH值的響應機理一致。

對于金屬氧化物電極,通常認為其對pH值響應機制是電極點表面上的金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應,并帶有電子的得失,而H+參與其中。根據(jù)能斯特方程,電極點的平衡電位與pH值成正比,即E-pH校準曲線理論上是一條直線。IrOx修飾后的電化學電極點對pH值的能斯特響應曲線在圖5中為47 mV/pH。可以看出,電化學電極點在pH值為1～13的測試溶液中的電勢與pH值具有良好的線性相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2超過0.99。其中能斯特響應曲線的斜率通常也稱為電極的靈敏度。

圖5 電化學電極點的電位隨緩沖溶液pH值的變化

3.2 電生理電極點的性能表征

圖6顯示了電鍍在電生理記錄電極上的鉑黑的測試特性。 圖6(a)是電子顯微鏡下相應電極上的鉑黑形態(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 電化學電極點的特性

從圖7(a)和(c)可以看出電鍍鉑黑后,電生理電極點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。這些改進大大提高了電極點的EEG信號采集能力。 從圖7(b)和(d)的實驗結(jié)果可以看出,經(jīng)過1 000次CV循環(huán)測試后,CV特性和阻抗特性沒有明顯降低,表明電鍍鉑黑后電生理電極點的性能穩(wěn)定性非常好。

圖7 與裸金相比電生理電極點的電化學特性

4 結(jié) 論

介紹了一種基于傳統(tǒng)密歇根探針改進的多功能密歇根探針,該多功能探針可以記錄神經(jīng)元信號并同時檢測大腦區(qū)域的pH值。多功能密歇根探針是通過MEMS工藝結(jié)合電化學方法制備實現(xiàn)的,電化學電極點由IrOx修飾,電生理電極點由鉑黑修飾。多功能密歇根探針在腦科學和神經(jīng)醫(yī)學研究中具巨大的應用前景。此外,該多功能密歇根探針的多功能特性是通過電化學方法添加到電極點上的,這意味著可以使用檢測其他物質(zhì)濃度或環(huán)境參數(shù)的多種材料來修改不同的電極點,以實現(xiàn)測量多個環(huán)境參數(shù)和物質(zhì)濃度的能力,同時還能夠記錄神經(jīng)元信號。 這代表了神經(jīng)探針在多功能方向上的發(fā)展?jié)摿?并對密歇根探針的進一步發(fā)展具有重要影響。