利用电化学方法，在多通道神经微电极阵列芯片上制备聚吡咯氧化石墨烯薄膜材料，并对该材料的电化学行为进行了分析。对神经微电极阵列芯片采用计时电压法探究，确定了定向修饰聚吡咯氧化石墨烯薄膜的最佳电沉积条件。微电极阵列芯片为多通道实时检测神经细胞的电生理和电化学信号提供了一种新的器件，但其检测灵敏度、信噪比需进一步的提高。将聚吡咯氧化石墨烯的平面微电极阻抗值降低了92.1%，且提高了对多巴胺循环伏安响应的灵敏度，对神经电生理信号和电化学信号的检测具有重要意义。


神经系统是由神经组织构成的器官系统，是人体中最为复杂也最为重要的系统之一，其包括了数十亿的神经元和多种感官信息传递机制。单个神经元的信息传递是由电信号和递质信号共同完成的，这两类信号在神经系统中起着重要的作用。因此研究神经电生理信号和递质电化学信号的同步检测，对于神经系统的进一步研究具有重要的意义。


碳纤维电极、玻璃微电极等是人们检测神经细胞电生理信号的常用器件，但使用这些工具电极定位困难，操作繁琐，且容易造成细胞损伤，使得无法长期监测。近年来，随着微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)加工技术的发展，微电极阵列芯片使得在体或离体条件下对神经细胞的长期无损监测提供了可能，如德国Multichannel公司开发的MEA芯片，密歇根大学研发的密歇根电极等。这些电极可实现群体神经细胞电生理活动的同步检测，然而之前使用的微电极阵列没有集成电化学检测神经递质的功能，且获得信号的信噪比较低，这是因为裸电极或者修饰的材料灵敏度不高，检测限低，与离体组织不易接触。


石墨烯目前是世界上电阻率最小的材料，电阻率只约为10−6Ω⋅cm，还兼有高热导性和高机械强度的优良性质，但石墨烯的强疏水、易团聚的特性限制了其应用，而氧化石墨烯(graphene oxide，GO)因含有大量的含氧官能团能解决了以上不足，因而GO能在电子、材料、信息等领域有广阔的应用前景。吡咯单体在氧化剂的存在下能较迅速地氧化成聚吡咯(polypyrrole,PPy)，PPy与其他高分子相比具有电导率高、易成膜、柔软、生物相容性好的优点，且吡咯易于和其他材料复合，所以PPy在电极修饰、离子检测方面广泛地被应用。


1材料与方法


1.1仪器与试剂


氧化石墨烯(纯度>99%，南京先丰纳米材料科技有限公司)；吡咯单体(纯度>99%，sigma)实验用水为去离子水；电化学工作站CHI660D(上海辰华仪器有限公司)；S4800型扫描电镜(日本日立公司)；超声分散仪(上海新苗医疗器械制造有限公司)。


1.2神经微电极阵列芯片的制备


利用微机电系统加工工艺(MEMS)，实验室自制了60通道的神经微电极阵列芯片。芯片在玻璃基底上集成了便于神经检测的绝缘基底、焊盘、引线、微电极阵列、参考电极、对电极、复合敏感膜材料以及绝缘层，其中微电极的直径为20μm，电极间距150μm，线宽10μm；包括两次光刻过程。在光刻之前对玻璃基底依次经过丙酮、乙醇、去离子水的清洗以确保基底表面洁净，第一次光刻步骤为：旋涂一层AZ1500正性光刻胶，随后进行前烘、曝光、显影、后烘的操作；随后，溅射一层厚度约为250 nm的钛、铂(Pt/Ti)金属层；剥离多余的金属，仅剩下焊盘、引线、微电极阵列、参考电极、对电极；并利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积厚度约为400 nm的Si3N4。第二次光刻即为套刻，操作步骤与初次光刻一致。操作完成后，对芯片进行深刻蚀，本芯片制作采用干法刻蚀。干法刻蚀就是通过气体和等离子体能量对光刻胶暴露区域进行化学反应，使微电极暴露出来。


1.3聚吡咯氧化石墨烯(PPy/GO)的电化学聚合


计时电压法和计时电流法是常用的电化学电镀方法。本文采用计时电压法探究PPy/GO合成的条件。电化学聚合分如下步骤：1)取1 mL的GO悬浊液(1 mg/mL)超声分散25 min，期间不停通入N2；2)量取3.47μL的吡咯滴入GO中，并继续超声分散15 min；3)将此混合液在磁力搅拌器中搅拌2 min；4)电镀实验采用计时电压法在三电极体系中进行，对不同的微电极点选择不同的电量密度，分别为0.08、0.2、0.3、0.5、0.8 C/cm2。


1.4 PPy/GO电化学行为


完成上述电聚合实验后，首先，将神经微电极阵列浸入已配制好的50μM多巴胺溶液(DA)中，采用三电极体系在−0.3～0.7 V的电位范围内进行循环伏安扫描10次，其中扫描速度为0.05 V/s。其次，将微电极浸入1 mL 0.9%NaCl溶液中，测试最佳电聚合沉积的微电极和裸Pt电极的阻抗谱图，其中电压设置为0.5 V，扫描频率范围为0.1 Hz～100 kHz。