CN111982988B - 用于多巴胺释放的检测的微电极阵列芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种微电极阵列芯片及制备方法，用于神经细胞多巴胺释放的检测，芯片包括：绝缘基底(1)，其上形成有微电极阵列(2)，其中，微电极阵列(2)包括的微电极被均分为至少一组，每组微电极设有与之对应的参比电极(3)；微电极阵列(2)表面修饰有用于神经细胞多巴胺释放电化学信号检测的聚3，4‑乙撑二氧噻吩(PEDOT)和还原氧化石墨烯(rGO)组成的纳米复合材料(7)；触点(5)，其分布在绝缘基底(1)的四周，微电极阵列(2)及参比电极(3)均通过引线(4)连接至触点(5)；其中，所有引线(4)表面均覆盖有绝缘层(6)。该芯片具有线性范围宽，灵敏度高，检测限低，检测速度快的优点，并且可以同步实时地检测多组神经细胞在不同实验条件下多巴胺神经递质的电化学信号。

Description

用于多巴胺释放的检测的微电极阵列芯片及制备方法

技术领域

本公开涉及及生物传感器的微加工领域和纳米修饰领域，特别是涉及一种用于多巴胺释放检测的微电极阵列芯片及制备方法。

背景技术

神经细胞之间的信号传递是由神经递质来实现的。多巴胺作为大脑中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质，在调控中枢神经系统的多种生理功能中发挥着重要的作用。因此，检测不同实验条件下神经细胞的多巴胺释放情况对脑疾病的研究很有帮助。研究神经细胞多巴胺递质释放的平台主要有四种：荧光显微镜，膜片钳，碳纤维电极和微电极阵列。微电极阵列结合电化学方法因其较高的时空分辨率、敏感性和特异性，成为研究神经细胞多巴胺释放的重要手段，但目前。微电极阵列检测多巴胺的灵敏度有待提高。本公开在微电极阵列检测方式的基础上进一步研究，致力于提高多巴胺的检测灵敏度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于上述技术问题，本公开提出一种用于多巴胺释放检测的微电极阵列芯片及制备方法，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本公开第一方面，提供一种微电极阵列芯片，用于神经细胞多巴胺释放的检测，包括：绝缘基底1，其上形成有微电极阵列2，其中，微电极阵列2包括的微电极被均分为至少一组，每组微电极设有与之对应的参比电极3；微电极阵列2表面修饰有用于神经细胞多巴胺释放电化学信号检测的纳米复合材料7；触点5，其分布在绝缘基底1的四周，微电极阵列2及参比电极3均通过引线4连接至触点5；其中，所有引线4表面均覆盖有绝缘层6。

可选地，纳米复合材料7包括聚3，4-乙撑二氧噻吩和还原氧化石墨烯。

可选地，微电极阵列2、参比电极3、引线4及触点5的材料均为导电薄膜材料。

可选地，微电极阵列2、引线4及触点5为同种导电薄膜材料。

可选地，导电薄膜材料包括金、铂、氮化钛、氧化铟锡中的其中之一。

可选地，微电极阵列2中的微电极为圆形微电极，直径为5μm-50μm，微电极之间间距为50-300μm。

可选地，绝缘层6的材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的其中之一。

可选地，引线4及触点5的厚度为150-400nm。

根据本公开第二方面，提供一种微电极阵列芯片，包括：对表面清洗过的绝缘衬底1进行光刻、溅射及剥离，形成微电极阵列2、参比电极3、引线4及触点5的导电薄膜层；在导电薄膜层上沉积绝缘层6，对绝缘层进行刻蚀，暴露微电极阵列2、参比电极3、及触点5，保留引线4表面的绝缘层6；利用纳米复合材料7修饰微电极阵列2的表面。

可选地，利用纳米复合材料7修饰微电极阵列2的表面，包括：制备聚苯乙烯磺酸钠与还原氧化石墨烯的悬浊液，对悬浊液进行第一次超声分散；将聚3，4-乙撑二氧噻吩加入第一次超声分散后的悬浊液，并进行第二次超声分散；将第二次超声分散后的悬浊液滴入活化后的微电极，以微电极作为工作电极，向微电极施加电压或者电流波形，使其发生聚合反应。

(三)有益效果

本公开提出一种用于多巴胺释放的检测的微电极阵列芯片及制备方法，有益效果为：

该芯片通过采用纳米复合材料对微电极阵列表面进行修饰，使得微电极具有更强的多巴胺检测能力，进而使得该微电极阵列芯片具有线性范围宽，灵敏度高，检测限低，检测速度快的优点，促进神经细胞体外检测的相关研究工作。并且，通过对微电极阵列位点的分组排布，可以同步实时地检测多组神经细胞在不同实验条件下多巴胺神经递质的电化学信号。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片的结构图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片制备方法的流程图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片表面定点修饰方法的流程图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的修饰有纳米复合材料的微电极阵列位点在PBS溶液和多巴胺溶液中的循环伏安图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的修饰有纳米复合材料的微电极阵列位点对不同浓度多巴胺溶液的电流响应图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

图1示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片的结构图。

本公开实施例一方面提供一种微电极阵列芯片，如图1所示，该微电极阵列芯片例如可以包括：

绝缘基底1、微电极阵列2、参比电极3、引线4、触点5、绝缘层6和纳米复合材料7。

在本公开实施例中，绝缘基底1作为整个微电极阵列芯片的载体，微电极阵列2形成在绝缘基底1上。其中，微电极阵列2可以包括多个微电极，该些多个微电极可以被均分为至少一组，每一组微电极设有与之对应的参比电极3，该参比电极3用于在检测过程中与其对应的微电极形成电流回路。由于微电极被均分为多组，因此芯片可以同时检测多组神经细胞的多巴胺电化学信号。

在本公开实施例中，微电极阵列2的表面修饰有用于神经细胞多巴胺释放电化学信号检测的纳米复合材料7，可以使微电极具有更强的多巴胺检测能力。本公开通过研究发现聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)作为一种导电聚合物具有良好的生物相容性以及机械稳定性，PEDOT修饰在微电极上可以提高电极的电子传递能力，并且，PEDOT结合石墨烯可以使微电极表面拥有更大的比表面积、更强的吸附能力和更多的催化位点等，从而降低多巴胺的反应能垒，提高了微电极对多巴胺的检测能力。因此，本公开实施例中的纳米复合材料7例如可以包括聚3，4-乙撑二氧噻吩和还原氧化石墨烯(rGO)。

在本公开实施例中，绝缘基底1例如可以选用石英玻璃材料、聚氯乙烯、聚碳酸酯中的其中之一，尺寸可以根据实际情况设定，例如可以设定边长为50-80mm，厚度为1-3mm，具体本公开不做限制，在本实施例一具体实验中，绝缘衬底的边长设定为50mm，厚度设为1mm。微电极阵列2中的微电极可以为由导电薄膜材料制成的圆形微电极，该导电薄膜可以选择生物兼容性好的金属或者金属氧化物。微电极直径例如可以为5μm-30μm，微电极之间的间距为50-500μm，数量例如可以为20-56个。参比电极3的材料也可以选择导电薄膜材料。

在本公开实施例中，触点5分布在绝缘基底1的四周，微电极阵列2及参比电极3均通过引线4连接至触点5。所有引线4表面均覆盖有绝缘层6。

引线4及触点5也可由导电薄膜材料制成，微电极阵列2、引线4及触点5可以为同种导电薄膜材料。引线4及触点5的厚度可以为150-400nm，以保证其机械强度可以承受弹性金属探针的压力。触点5例如可以为方形触点。其中，上述导电薄膜材料例如可以包括金、铂、氮化钛、氧化铟锡中的其中之一。

绝缘层6的材料例如可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的其中之一，具体材料类型根据实际需求设定。

在本公开实施例以具体实例中，微电极阵列2微电极被均分为四组，分布在芯片的四个角上(如图1所示)，此时参比电极的数量为4。微电极阵列2位点表面可以分别培养四组不同实验条件下生长的神经细胞，并分别检测其多巴胺释放电化学信号。具体的分组数本公开不做限制。

综上所述，本公开提供的芯片通过采用纳米复合材料对微电极阵列表面进行修饰，使得微电极具有更强的多巴胺检测能力，进而使得该微电极阵列芯片具有线性范围宽，灵敏度高，检测限低，检测速度快的优点，并且，通过对微电极阵列位点的分组排布，可以同步实时地检测多组神经细胞在不同实验条件下多巴胺神经递质的电化学信号。

图2示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片制备方法的流程图。

如图2所示，该制备方法包括：

S21，对绝缘衬底进行清洗。

在操作S1中，采用煮沸的浓硫酸溶液清洗玻璃片15-20分钟，利用其强氧化性去除基底上残留的有机杂质或无机杂质。

S22，在清洗后的绝缘衬底1上旋涂光刻胶，并进行曝光及显影，形成溅射掩膜。

在操作S2中，选用的光刻胶例如可以为正性光刻胶AZ1500，曝光及显影后的结构如图2中a所示。

S23，采用光刻工艺对微电极，参比电极，引线和触点进行图案化。

图案化的结构如图2中b所示。

S24，在图案化后的芯片上进行光刻、溅射及剥离，形成微电极阵列2、参比电极3、引线4及触点5的导电薄膜层。

本实施例中，具体在光刻胶图形表面先溅射10-50nm的Cr或Ti种子层，以增加导电薄膜层与绝缘基底1的粘附性，再溅射一层250-500nm的Pt层，溅射后的结构如图2中c所示。再采用剥离工艺去除多余Pt层，留下所需的微电极2，参比电极3，引线4和触点5，剥离后的结构如图2中d所示。

S25，在导电薄膜层上沉积绝缘层6，对绝缘层进行刻蚀，暴露微电极阵列2、参比电极3、及触点5，保留引线4表面的绝缘层6。

本实施例中，采用等离子体化学气相沉积(PECVD，300℃)沉积SiO₂(100nm)/Si₃N₄(200nm)/SiO₂(200nm)绝缘层，处理后的结构如图2中e所示。再次用光刻工艺暴露出微电极和触点5上方的绝缘层6，通过CHF₃反应离子刻蚀(RIE)选择性地去除微电极和触点5上的绝缘层6，处理后的结构如图2中f所示。最后使用丙酮去除微电极阵列芯片上残留的光刻胶，并用去离子水冲洗干净，处理后的结构如图2中g所示。

S26，利用纳米复合材料7修饰微电极阵列2的表面。

本实施例中，选择3，4-乙撑二氧噻吩和还原氧化石墨烯作为纳米复合材料进行修饰。

图3示意性示出了根据本公开实施例的微电极阵列芯片中微电极阵列表面修饰的流程图。

如图3所示，该修饰方法包括：

制备聚苯乙烯磺酸钠与还原氧化石墨烯的悬浊液，对所述悬浊液进行第一次超声分散

S31，制备聚苯乙烯磺酸钠与还原氧化石墨烯的悬浊液，对悬浊液进行第一次超声分散。

本实施例中，PSS例如可以为0.1-1M，rGO例如可以为1-10mg/ml。本实施例中制备悬浊液的工艺参数具体选择制备0.1M PSS和2mg/ml rGO悬浊液4ml，超声分散30分钟。

S32，将EDOT加入第一次超声分散后的悬浊液，并进行第二次超声分散。

本实施例中，EDOT单体的浓度例如可以为10-100mM，超声分散的时间例如可以为30-60分钟。本实施例中量取20mM的EDOT滴入4ml的分散液中，并继续超声分散30分钟

S304，将第二次超声分散后的悬浊液滴入活化后的微电极，以微电极作为工作电极，向微电极施加电压或者电流波形，使其发生聚合反应。

本实施例将超声后的分散液抽取2ml滴入微电极阵列中，电沉积采用的循环伏安法在三电极体系中进行，其中，参比电极为铂丝，参比电极为Ag/AgCl。电压范围为0-0.95V，扫描速率为100mV/s，扫描圈数为3-5圈。聚合反应完成后，将微电极中的电解液倒出并用去离子水冲洗干净，然后在室温下晾干，得到修饰在微电极上的纳米复合材料MWCNTs/PEDOT：PSS。

至此，完成图1所示的微电极芯片的制备。本实施例未尽细节之处请参见上述结构实施例部分。

本公开实施例另一方面提供了采用上述微电极芯片对多巴胺释放进行检测方法。

实施例1

将上述修饰后的微电极阵列与对电极和参比电极组成三电极体系(铂电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极)，得到检测多巴胺的传感器。

微电极阵列在室温下进行电化学试验，分别在磷酸缓冲溶液和50μM的多巴胺溶液中进行。测试过程采用循环伏安法，电压范围为0-0.8V，扫描速率为100mV/s，扫描圈数为10圈，图4为10圈扫描电流的平均值。

本实例中，在多巴胺浓度为50μM时，测试的氧化峰电压为160mV，电流为200nA；在PBS溶液中，没有出现氧化峰(如图4)。

实施例2

将上述修饰后的微电极阵列与参比电极和参比电极组成三电极体系(铂电极为参比电极，Ag/AgCl为参比电极)，得到检测多巴胺的传感器。

微电极阵列在室温下进行电化学试验，测试过程采用计时电流法，氧化电压为160mV。其中空白对照未滴加多巴胺溶液，测试稳定后依次滴加多巴胺溶液浓度从100nM-50μM。

本实施例中，微电极阵列在多巴胺溶液中的灵敏度为206763.92[μAmM^-1cm^-2]，线性度R＝0.99(如图5)。

实施例3

采用上述微电极阵列芯片检测定向分化培养的神经干细胞多巴胺释放：

芯片上神经干细胞定向分化培养步骤如下：

a、将微电极阵列芯片无菌化处理，鼠尾胶原包被芯片。

b、复苏神经干细胞，培养一代后进行铺板，培养基为定向分化培养基。

c、分化5天后换神经元维持培养基继续培养7-14天，当细胞出现长突触后进行免疫荧光检测，若TH阳性表达，则说明定向分化后的神经元细胞释放多巴胺递质。

微电极阵列芯片检测神经细胞多巴胺释放

a、将微电极阵列芯片与接口电路相连并连接到电化学工作站中。

b、采用三电极体系(铂电极为参比电极，Ag/AgCl为参比电极)进行检测，整个检测系统需要做好屏蔽和接地。

c、先用100uML-dopa刺激神经细胞半个小时，再用35mM KCl刺激3分钟，促使神经细胞释放多巴胺。

d、采用计时电流法检测神经细胞多巴胺释放，氧化电压设置为0.2V。

至此，采用上述微电极阵列芯片完成多巴胺释放的检测。

本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种微电极阵列芯片，其特征在于，用于神经细胞多巴胺释放的检测，包括：

绝缘基底(1)，其上形成有微电极阵列(2)，其中，所述微电极阵列(2)包括的微电极被均分为四组，四组微电极分布于绝缘基底(1)的四角处，每组微电极设有与之对应的参比电极(3)；所述微电极阵列(2)表面修饰有用于神经细胞多巴胺释放电化学信号检测的纳米复合材料(7)；其中，所述纳米复合材料(7)包括聚3，4-乙撑二氧噻吩和还原氧化石墨烯，利用纳米复合材料(7)修饰所述微电极阵列(2)的表面，包括：制备聚苯乙烯磺酸钠与还原氧化石墨烯的悬浊液，对所述悬浊液进行第一次超声分散；将3，4-乙撑二氧噻吩单体加入第一次超声分散后的悬浊液，并进行第二次超声分散；将第二次超声分散后的悬浊液滴入活化后的微电极，以所述微电极作为工作电极，向所述微电极施加电压或者电流波形，使其发生聚合反应；聚合反应采用循环伏安法在三电极体系中进行，电压范围为0-0.95V，扫描速率为100mV/s；

触点(5)，其分布在所述绝缘基底(1)的四周，所述微电极阵列(2)及所述参比电极(3)均通过引线(4)连接至所述触点(5)；其中，所有所述引线(4)表面均覆盖有绝缘层(6)。

2.根据权利要求1所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述微电极阵列(2)、参比电极(3)、所述引线(4)及所述触点(5)的材料均为导电薄膜材料。

3.根据权利要求2所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述微电极阵列(2)、所述引线(4)及所述触点(5)为同种导电薄膜材料。

4.根据权利要求2或3所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述导电薄膜材料包括金、铂、氮化钛、氧化铟锡中的其中之一。

5.根据权利要求1所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述微电极阵列(2)中的微电极为圆形微电极，直径为5μm-50μm，微电极之间间距为50-300μm。

6.根据权利要求1所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述绝缘层(6)的材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的其中之一。

7.根据权利要求1所述的微电极阵列芯片，其特征在于，所述引线(4)及所述触点(5)的厚度为150-400nm。

8.一种微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，包括：

对表面清洗过的绝缘基底(1)进行光刻、溅射及剥离，形成微电极阵列(2)、参比电极(3)、引线(4)及触点(5)的导电薄膜层；

在所述导电薄膜层上沉积绝缘层(6)，对所述绝缘层进行刻蚀，暴露所述微电极阵列(2)、参比电极(3)、及触点(5)，保留所述引线(4)表面的绝缘层(6)；

利用纳米复合材料(7)修饰所述微电极阵列(2)的表面；

其中，所述微电极阵列(2)包括的微电极被均分为四组，四组微电极分布于绝缘基底(1)的四角处；

所述纳米复合材料(7)包括聚3，4-乙撑二氧噻吩和还原氧化石墨烯；所述利用纳米复合材料(7)修饰所述微电极阵列(2)的表面，包括：

制备聚苯乙烯磺酸钠与还原氧化石墨烯的悬浊液，对所述悬浊液进行第一次超声分散；

将3，4-乙撑二氧噻吩单体加入第一次超声分散后的悬浊液，并进行第二次超声分散；

将第二次超声分散后的悬浊液滴入活化后的微电极，以所述微电极作为工作电极，向所述微电极施加电压或者电流波形，使其发生聚合反应；聚合反应采用循环伏安法在三电极体系中进行，电压范围为0-0.95V，扫描速率为100mV/s。

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