硅阵列探针上基于IrOx的pH传感器和电生理信号传感器*

王 琛, 刘景全

(上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米/纳米加工技术国家重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200240)

0 引 言

密歇根探针是一种经典的植入式平面探针,可以测量大脑区域中的神经元信号,并广泛用于脑科学研究领域。随着脑科学的不断发展,研究人员不满足于仅仅采集大脑区域的神经元信号,还希望同时观察某些物质的浓度和环境参数(例如pH值[1],温度[2],压力[3])。这主要是因为许多神经系统疾病或大脑区域的特定功能是和多种因素相关的。为了研究这些疾病或功能,研究人员需要观察尽可能多的大脑区域参数。因此,开发可以测量环境参数或者物质浓度并同时记录神经元信号的多功能探针是必然的发展趋势。例如,硅基可植入微电极阵列(MEA)可以在测量脑电(electroencephalogram,EEG)信号的同时,测量大脑区域中谷氨酸的浓度[4]。

密歇根探针是平面型结构,易于进行电极修饰,因此适用于多功能探针的制备。众所周知,大脑区域是一个非常复杂的液体环境,其中pH值是重要的参数。在大脑区域中,pH值不仅可以反映酸碱水平,而且可以表征大脑区域液体环境的状态。同时,pH值变化可以作为检测神经探针植入后脑组织恢复的指标[5]。此外,pH值与某些疾病有很强的相关性。例如,阿尔茨海默氏病与脑区pH值密切相关[6]。与健康的人进行对照,精神分裂症和双相情感障碍患者的脑区pH值较低[7]。因此，检测大脑区域的pH值是非常有意义的。

金属/金属氧化物由于具有高稳定性和强度,因此其是多功能密歇根探针非常合适的改性材料。在之前的研究中,用于制造pH电极的金属氧化物包括IrOx[8,9],PbO2[10]和RuO2[10]等。由于IrOx具有pH值响应范围宽,响应速度快,耐高温和耐高压的特性,因此，其被认为是最适合作为pH电极改性的金属氧化物材料。

在本文中,制备了一种多功能密歇根探针。

1 探针结构

探针由图1(a)中的电化学电极点(矩形50 μm×150 μm)和电生理电极点(圆直径= 20 μm)组成,可以测量脑区pH值并记录大脑区域中的神经元信号。其插入脑区的模型图如图1(b)所示。

图1 实验流行中的模型

2 加工工艺

选择绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)硅晶片作为基底,并通过微机电系统((micro-electro-mechanical system,MEMS)工艺制备了16个电极点的密歇根探针,具体流程如图2所示。主要工艺是进行了4次光刻和2次刻蚀,完成对导线焊盘的图形化,电极点的开窗,探针轮廓的定义以及探针的释放。

图2 多功能密歇根探针的工艺流程

这样,制备出了经典的密歇根探针,之后对探针上的电化学电极点进行修饰以获得响应pH值的能力。

通过电镀对电极点进行材料修饰：为了电镀不同的电极点,设计了与之相匹配的印刷电路板(PCB)。通过引线键合的方式将PCB的焊盘和电极的焊盘相对应地连接起来,如图1(c)所示。之后使用环氧树脂覆盖导线接合部分,使导线彼此之间绝缘。

使用Yamanaka[11]方法进行IrOx的电镀。将0.15 g IrCl4·H2O溶解在100 mL蒸馏水中。然后在室温下磁力搅拌30 min。接下来,加入1 mL的H2O2(35重量%),并磁力搅拌10 min。之后,加入0.15 g的草酸,并磁力搅拌10 min。最后,添加K2CO3将pH值调节至10.5,以获得金黄色沉淀物。应当注意,新配置的沉积溶液需要在干燥和黑暗的地方放置至少2天,等待沉积溶液变成蓝黑色才可使用。

电镀时,将使用标准甘汞电极作为参考电极,先将电极点在-1 V下极化5 min,之后进行恒流电镀。电流密度为1 mA/cm2,电镀时间为1 800 s。电镀装置原理图如图1(d)所示。

铂黑(Pt-black)用于修饰电生理电极点以改善其电化学性能。电镀铂黑功能层是在氯铂酸溶液(3 %氯铂酸和0.01 %乙酸铅)中进行的[12],使用重复的电流脉冲(占空比5 ms：500 ms,峰值电流密度4.5 A/cm2,480个周期)进行电镀铂黑功能层。

3 实验结果与讨论

3.1 电化学电极点的性能表征

在电化学电极点进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和EDS(energy dispersive spectrometer)测试。如图3所示,可以看到在电化学感应电极点上的IrOx具有疏松的孔状结构,这有利于对pH值的响应。通过其元素分散能谱可以看出,其主要元素是Ir元素和O元素,证明了电镀IrOx的成功。

图3 电化学感应电极点的特性

在电化学电极点上进行了循环伏安(cyclic voltammetry,CV)法测试和EIS(阻抗分析)测试,结果如图4所示。

图4 与裸金相比电化学电极点的电化学特性

电镀IrOx后,与裸金相比,电极点的存储电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(图4(b)),这有利于电化学信号的传递。 从图4(a)中右上角区域的凹入位置可以看出,其发生了氧化还原反应,这与IrOx对pH值的响应机理一致。

对于金属氧化物电极,通常认为其对pH值响应机制是电极点表面上的金属氧化物发生氧化还原反应,并带有电子的得失,而H+参与其中。根据能斯特方程,电极点的平衡电位与pH值成正比,即E-pH校准曲线理论上是一条直线。IrOx修饰后的电化学电极点对pH值的能斯特响应曲线在图5中为47 mV/pH。可以看出,电化学电极点在pH值为1～13的测试溶液中的电势与pH值具有良好的线性相关性,相关系数R2超过0.99。其中能斯特响应曲线的斜率通常也称为电极的灵敏度。

图5 电化学电极点的电位随缓冲溶液pH值的变化

3.2 电生理电极点的性能表征

图6显示了电镀在电生理记录电极上的铂黑的测试特性。 图6(a)是电子显微镜下相应电极上的铂黑形态。 从图6(b)中可以看出,主要元素是Pt,并且分布均匀。 因此,图6证明了薄膜的质量较好,分布均匀并且致密。

图6 电化学电极点的特性

从图7(a)和(c)可以看出电镀铂黑后,电生理电极点的性能有了显着改善,阻抗在1 000 Hz处已大大降低,降低至10 kΩ。这些改进大大提高了电极点的EEG信号采集能力。 从图7(b)和(d)的实验结果可以看出,经过1 000次CV循环测试后,CV特性和阻抗特性没有明显降低,表明电镀铂黑后电生理电极点的性能稳定性非常好。

图7 与裸金相比电生理电极点的电化学特性

4 结 论

介绍了一种基于传统密歇根探针改进的多功能密歇根探针,该多功能探针可以记录神经元信号并同时检测大脑区域的pH值。多功能密歇根探针是通过MEMS工艺结合电化学方法制备实现的,电化学电极点由IrOx修饰,电生理电极点由铂黑修饰。多功能密歇根探针在脑科学和神经医学研究中具巨大的应用前景。此外,该多功能密歇根探针的多功能特性是通过电化学方法添加到电极点上的,这意味着可以使用检测其他物质浓度或环境参数的多种材料来修改不同的电极点,以实现测量多个环境参数和物质浓度的能力,同时还能够记录神经元信号。 这代表了神经探针在多功能方向上的发展潜力,并对密歇根探针的进一步发展具有重要影响。