CN103630583A - 多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片及其制备方法，所述芯片包括：绝缘基底，多个触点，多条引线和多个微电极阵列。本发明还提出一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的制备方法。本发明既可以在经过修饰的电极表面培养神经细胞，用于同步实时地检测四组神经细胞在不同的实验参数下电生理信号和乙酰胆碱等神经递质的电化学信号；又可以在四个功能区分别修饰不同的敏感材料培养神经细胞实时检测神经电生理信号，比较不同修饰物的特性。本发明芯片将多种功能集成化，工艺制作简单，使用方便，适合实验室开展神经细胞培养及其多参数神经双模信号检测的相关研究。

Description

多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器的微机电加工技术领域，尤其是一种多分区多功能式神经双模(电生理信号和电化学信号两种模式信号)检测微电极阵列芯片及其制备方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)加工技术是在微电子、微机械基础上发展起来的，在各个领域中发挥着越来越重要的作用。近年来，微电极阵列(microelectrode，MEA)提供了一种长期、多位点检测细胞的方法，解决了人们利用传统方式如膜片钳、玻璃微电极等，对在体或离体条件下检测神经细胞电生理信号时仅能获得少量几个通道的数据，以及电极定位困难、操作繁琐的问题。

目前，国外实验室培养神经细胞用的MEA，能实现多通道、微电极半径能达到0.5～1.0um的水平，但在实验记录过程中存在着如下问题：一方面，仅有少数通道能获取信噪比高的神经电信号，且无法集成神经递质检测的功能；另一方面，开展对培养的神经细胞进行电生理和电化学实验时，无法同时检测不同实验参数对神经细胞的影响以及无法同时检测不同的修饰材料对神经细胞的影响。

神经细胞即神经元，是构成神经系统的结构和功能的基本单位，而神经元之间又以突触的方式相互联系，从而完成神经系统的总体功能。神经元的活动主要表现在生物电信号和神经递质的产生、变化和传播上，因而研究神经细胞的相互作用机制、神经信息的编码解码过程、神经精神性疾病的发病机理、以及药物反应等，具有重要的科学意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片及其制备方法。本发明应用MEMS技术制作微电极芯片，并在电极上修饰生物相容性好的敏感材料，能够在电极上培养神经细胞。该阵列芯片功能集成化具有两大优势，其一，能够同步实时检测四组神经细胞在不同的试验参数下的神经电生理信号和神经递质的电化学信号，且兼有对细胞施加电刺激的功能；其二，每个功能区修饰不同的敏感材料，能够在相同的实验环境下检测修饰材料的特异性。

为实现这一目的，根据本发明的一方面，提出一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片，该芯片包括：绝缘基底1，多个触点2，多条引线3和多个微电极阵列5、7、9、11，其中：

所述绝缘基底1为整个芯片的载体；

所述多个触点2等间距地分布在所述绝缘基底1的周边；

整个所述绝缘基底1分为四个功能区，所述四个功能区对称分布，其中，每个功能区中分布有多条引线3和多个微电极阵列5、7、9、11，所述微电极阵列5、7、9、11相应地位于每个功能区的中心位置处，每个微电极阵列中均匀分布有多个以矩阵形式排布的圆形微电极，其中一个为参比电极4、6、8、10，剩余的为工作电极，所述工作电极中的任意一个为对电极；

所述工作电极由敏感膜材料修饰，所述参比电极呈多边形，对称地分布在所述绝缘基底1的四周，所述参比电极的尺寸至少比所述工作电极大一个数量级；

所有的电极均分别通过引线3延伸至所述绝缘基底1的四周边缘，且所述引线3的末端与相应的触点2连接；所述电极的数量、所述引线3的数量与所述触点2的数量均相同；所述引线3的表面覆盖有绝缘层材料。

根据本发明的另一方面，还提出一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，清洗绝缘基底的表面；

步骤2，在表面经过清洗的绝缘基底上旋涂一层正性光刻胶，厚度约1μm，并在70-90度的烘箱前烘40-20分钟；

步骤3，光刻显影后形成触点、引线、微电极阵列的光刻胶图案，在70-90度的烘箱后烘40-20分钟；

步骤4，在所述光刻胶图案的表面溅射一层厚度为30-50nm的Ti种子层，以增加Pt导电薄膜层与绝缘基底的粘附性；

步骤5，在所述Ti种子层表面溅射一层厚度为250nm-350nm的微电极导电薄膜层；

步骤6，采用剥离工艺去除多余的Ti种子层和导电薄膜层，留下所需的微电极阵列、引线及触点；

步骤7，通过等离子体增强化学气相沉积二氧化硅、氮化硅或氮氧硅，或旋涂SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯的方法，在制备好导电薄膜层的基底表面覆盖绝缘层，厚度为800nm；

步骤8，通过光刻和等离子刻蚀的方法，暴露出所述微电极阵列及触点，但保留所有引线表面覆盖的绝缘层；

步骤9，将制得的芯片置于电解液中，电镀纳米铂黑。

本发明提供的多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片，既可以同步进行四组神经细胞的电生理检测和电化学检测，又可以在相同实验环境下同时进行四组修饰材料的特性检测。将这些功能集成于一体，使用方便，极大地提高了实验效率，和对比试验的可靠性。突破了以往技术对神经双模检测只能分时分步检测，操作复杂，效率较低的限制，为研究神经信息编码、传递的内在机制，以及一些神经精神性疾病的发病机理提供了新的实验手段。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的四个对称分布功能区的局部放大示意图；

图3为根据本发明一实施例的多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的工艺过程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为根据本发明一实施例的多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的结构示意图，如图1所示，所述多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片包括绝缘基底1，多个触点2，多条引线3和多个微电极阵列5、7、9、11，其中：

所述绝缘基底1为整个芯片的载体，所述绝缘基底1的材料选用硬质透明绝缘材料，比如石英玻璃、聚氯乙烯或聚碳酸酯，所述绝缘基底1的形状为正四边形，边长为50mm～80mm，厚度为1mm～2mm；在本发明一实施例中，所述绝缘基底1为玻璃基底，厚度为1.5mm，边长为60mm；

所述多个触点2等间距地分布在所述绝缘基底1的周边，在本发明一实施例中，所述触点2为边长为0.25mm的正四边形；

整个所述绝缘基底1分为四个功能区，所述四个功能区对称分布，其中，每个功能区中分布有多条引线3和多个微电极阵列5、7、9、11，其中：

所述微电极阵列5、7、9、11相应地位于每个功能区的中心位置处，每个微电极阵列中均匀分布有多个(比如9～16个)以矩阵形式排布的圆形微电极，其中一个为参比电极4、6、8、10，剩余的为工作电极，进一步地，所述工作电极中的任意一个为对电极；所述圆形微电极的直径为10um～40um；所述参比电极呈多边形，对称地分布在所述绝缘基底1的四周，所述参比电极的尺寸至少比所述工作电极大一个数量级，用于提供参考电位并保持电位稳定。在本发明一实施例中，所述参比电极为Ag/AgCl复合薄膜电极，所述工作电极的直径为20um，所述微电极阵列包括15个微电极，也就是说，每个功能区包括15个微电极：一个Ag/AgCl复合薄膜参比电极和14个工作电极。

每个功能区的电极间距不同，所述电极间距为两两电极的中心之间的距离，从小到大依次为200um、600um、1000um、1500um。根据本发明一实施例的四个对称分布功能区的局部放大示意图如图2所示，其中，图2(a)为第一功能区，其微电极直径均为20μm；电极间距为200um；图2(b)为第二功能区，其微电极直径均为20μm；电极间距600um；图2(c)为第三功能区，其微电极直径均为20μm；电极间距1000um；图2(d)为第四功能区，其微电极直径均为20μm；电极间距1500um；

上述所有的电极均分别通过引线3延伸至所述绝缘基底1的四周边缘，且所述引线3的末端与相应的触点2连接，以方便与外部电路连接；所述电极的数量、所述引线3的数量与所述触点2的数量均相同。

所述微电极阵列5、7、9、11中的电极、引线3、触点2的材料均为导电薄膜材料，所述导电薄膜材料为生物相容性好的金属或金属化合物，其厚度大于300nm，以保证其机械强度能够承受标准电子元器件中弹性金属探针所造成的压力；所述微电极阵列5、7、9、11中的工作电极还由敏感膜材料修饰，所述敏感膜材料可以选自金、铂、氮化钛、纳米铂黑或铟锡氧化物，所述修饰方式可以为电镀；在本发明一实施例中，所述导电薄膜材料为高分子导电材料或钛铂金属薄膜；所述引线3的表面还覆盖有绝缘层材料，所述绝缘层材料为生物相容性好的有机或无机绝缘材料，比如可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯。

所述芯片的每个功能区既可以在经过修饰敏感材料的工作电极表面上培养神经细胞，结合对电极与参比电极，用于同时实时的检测四组神经细胞在不同的实验参数下神经双模信号；又可以在四个功能区修饰不同的敏感材料培养神经细胞实时检测神经电生理信号，比较不同修饰物的特性。所述芯片在使用时，将培养的神经细胞，与所述微电极阵列5、7、9、11紧密接触，再结合配套的检测系统，即可开展动物神经细胞的双模检测以及不同修饰物的特性检测的相关研究。

根据本发明的另一方面，还提供一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的制备方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1，清洗绝缘基底的表面(如图3(a)所示)；

步骤2，在表面经过清洗的绝缘基底上旋涂一层正性光刻胶，比如AZ1500，AZ4620，厚度约1μm，并在70-90度的烘箱前烘40-20分钟(如图3(b)所示)；

步骤3，光刻显影后形成触点、引线、微电极阵列的光刻胶图案，在70-90度的烘箱后烘40-20分钟(如图3(c)所示)；

步骤4，在所述光刻胶图案的表面溅射一层厚度为30-50nm的Ti种子层，以增加Pt导电薄膜层与绝缘基底的粘附性(如图3(d)所示)；

步骤5，在所述Ti种子层表面溅射一层厚度为250nm-350nm的微电极导电薄膜层，比如Pt薄膜层(如图3(e)所示)；

步骤6，采用剥离工艺去除多余的Ti种子层和导电薄膜层，留下所需的微电极阵列5、7、9、11、引线3及触点2(如图3(f)所示)；

步骤7，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)二氧化硅、氮化硅或氮氧硅，或旋涂SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯的方法，在制备好导电薄膜层的基底表面覆盖绝缘层，比如氮化硅(Si₃N₄)绝缘层，厚度为800nm(如图3(g)所示)；

步骤8，通过光刻和等离子刻蚀(比如SF₆等离子刻蚀)的方法，暴露出所述微电极阵列及触点，但保留所有引线表面覆盖的绝缘层(如图3(h)所示)；

步骤9，将制得的芯片置于电解液中，电镀纳米铂黑，所述电解液可以为20mmol/L的氯铂酸(H₂PtCl₆)和2mol/L的盐酸(HCl)混合液。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片，其特征在于，该芯片包括：绝缘基底(1)，多个触点(2)，多条引线(3)和多个微电极阵列(5、7、9、11)，其中：

所述绝缘基底(1)为整个芯片的载体；

所述多个触点(2)等间距地分布在所述绝缘基底(1)的周边；

整个所述绝缘基底(1)分为四个功能区，所述四个功能区对称分布，其中，每个功能区中分布有多条引线(3)和多个微电极阵列(5、7、9、11)，所述微电极阵列(5、7、9、11)相应地位于每个功能区的中心位置处，每个微电极阵列中均匀分布有多个以矩阵形式排布的圆形微电极，其中一个为参比电极(4、6、8、10)，剩余的为工作电极，所述工作电极中的任意一个为对电极；

所述工作电极由敏感膜材料修饰，所述参比电极呈多边形，对称地分布在所述绝缘基底(1)的四周，所述参比电极的尺寸至少比所述工作电极大一个数量级；

所有的电极均分别通过引线(3)延伸至所述绝缘基底(1)的四周边缘，且所述引线(3)的末端与相应的触点(2)连接；所述电极的数量、所述引线(3)的数量与所述触点(2)的数量均相同；所述引线(3)的表面覆盖有绝缘层材料。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述绝缘基底(1)的材料为硬质透明绝缘材料，形状为正四边形，边长为50mm～80mm，厚度为1mm～2mm。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述触点(2)为边长为0.25mm的正四边形。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述圆形微电极的直径为10um～40um，所述工作电极的直径为20um。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述参比电极为Ag/AgCl复合薄膜电极。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述微电极阵列(5、7、9、11)中的电极、引线(3)、触点(2)的材料均为导电薄膜材料，所述导电薄膜材料为生物相容性好的金属或金属化合物，其厚度大于300nm。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，每个功能区的电极间距不同，从小到大依次为200um、600um、1000um、1500um。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述敏感膜材料为金、铂、氮化钛、纳米铂黑或铟锡氧化物，修饰方式为电镀。

9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述绝缘层材料为生物相容性好的有机或无机绝缘材料。

10.一种多分区多功能式神经双模检测微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，清洗绝缘基底的表面；

步骤2，在表面经过清洗的绝缘基底上旋涂一层正性光刻胶，厚度约1μm，并在70-90度的烘箱前烘40-20分钟；

步骤3，光刻显影后形成触点、引线、微电极阵列的光刻胶图案，在70-90度的烘箱后烘40-20分钟；

步骤4，在所述光刻胶图案的表面溅射一层厚度为30-50nm的Ti种子层，以增加Pt导电薄膜层与绝缘基底的粘附性；

步骤5，在所述Ti种子层表面溅射一层厚度为250nm-350nm的微电极导电薄膜层；

步骤6，采用剥离工艺去除多余的Ti种子层和导电薄膜层，留下所需的微电极阵列、引线及触点；

步骤7，通过等离子体增强化学气相沉积二氧化硅、氮化硅或氮氧硅，或旋涂SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯的方法，在制备好导电薄膜层的基底表面覆盖绝缘层，厚度为800nm；

步骤8，通过光刻和等离子刻蚀的方法，暴露出所述微电极阵列及触点，但保留所有引线表面覆盖的绝缘层；

步骤9，将制得的芯片置于电解液中，电镀纳米铂黑。

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