基于垂直石墨烯的信号记录芯片及其制备方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片及其制备方法和系统，其中芯片包括：玻璃基底；垂直石墨烯微电极阵列，设置在所述玻璃基底上；所述垂直石墨烯微电极阵列包括n个石墨烯电极，每个石墨烯电极对应一个电极通道，所述石墨烯电极用于与待测心肌细胞发生电学耦合，以采集待测心肌细胞的电位信号。本发明专利技术通过垂直石墨烯电极与待测心肌细胞发生电学耦合，能够实现非侵入式的高通量、长时间稳定测量心肌细胞电信号记录，为进一步监测细胞内动作电位的潜质做贡献。本发明专利技术可广泛应用于细胞信号监测技术领域。细胞信号监测技术领域。细胞信号监测技术领域。

【技术实现步骤摘要】
基于垂直石墨烯的信号记录芯片及其制备方法和系统


[0001]本专利技术涉及细胞信号监测
，尤其涉及一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片及其制备方法和系统。

技术介绍

[0002]心血管疾病(Cardio Vascular Disease,CVD)为心脏和其相关血管的疾病的总称，常见的心血管疾病包括冠心病、中风和周围血管疾病等。现有的心肌细胞信号监测技术主要有膜片钳技术、晶体管生物传感技术和微电极阵列技术三类。
[0003]传统的微电极阵列技术的电极表面形貌为平面型，虽然能够实现心肌细胞电生理信号的无创、长期、无标签、高通量的记录，但由于平面型电极同细胞发生的耦合较为疏松，得到信号的信噪比和精度往往比较低，同膜片钳测得的信号质量有较大差距。而提高微电极阵列技术信号测量质量的一项重要改进，是电极表面的微纳结构化。通过改进微纳加工技术，在阵列化电极表面构建不同的三维微纳结构，增强细胞膜表面和电极耦合程度，从而获得更高的封接电阻，提高信号质量并降低穿孔电压。设计并加工同心肌细胞具有更高程度耦合的微结构，并基于此结构研发非侵入式高通量、长时间稳定的信号监测系统，进而开发实现细胞信号测量精度和高通量之间理想平衡的平台，为研究人员更深入地研究心肌细胞电生理特性提供更灵活、低成本、高效率的解决方案，成为了现今微电极阵列技术的重点研究方向。
[0004]石墨烯(Graphene)是一种以sp杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的材料。意大利理工学院大学和卡耐基梅隆大学的Michele Dipalo等人，曾制备了基于三维模糊石墨烯(three
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dimensional fuzzy graphene，3DFG)的细胞电生理测量芯片，用于细胞的外场电位记录，同时结合超快激光脉冲穿孔，捕捉细胞内动作电位的主要特征。3DFG是一种高比表面积石墨烯，通过以三维硅纳米线(Silicon nanowire，SiNW)网格作为模板，可精确控制其单层到多层的合成。研究证明，经过适当的条件控制，光照石墨烯基的材料可产生热载流子，进而诱发细胞膜的局部穿孔。激光诱发细胞膜穿孔可以避免传统电穿孔中，施加电压刺激对细胞生理状态的影响，导致实验结果不准确。然而，3DFG的生长以SiNW网格作为模板，而SiNW的三维拓扑结构形貌具有一定随机性，因此难以形成电极同细胞之间的紧密耦合，进而限制了石墨烯微电极在体外电生理中的应用。

技术实现思路

[0005]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片及其制备方法和系统。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片，包括：
[0008]玻璃基底；
[0009]垂直石墨烯微电极阵列，设置在所述玻璃基底上；
[0010]所述垂直石墨烯微电极阵列包括n个石墨烯电极，每个石墨烯电极对应一个电极通道，所述石墨烯电极用于与待测心肌细胞发生电学耦合，以采集待测心肌细胞的电位信号。
[0011]进一步地，所述信号记录芯片呈正方形，所述垂直石墨烯微电极阵列为4
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8的电极阵列。
[0012]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0013]一种基于垂直石墨烯的信号记录系统，包括
[0014]垂直石墨烯微电极阵列传感器，包括PCB基板、细胞玻璃培养腔、参考电极、n个排针以及如上所述的信号记录芯片；所述信号记录芯片固定在PCB基板上；所述细胞玻璃培养腔固定在信号记录芯片的玻璃基底上，形成一个密闭空间；参考电极的一端置于细胞玻璃培养腔内，另一端接地；信号记录芯片的n个石墨烯电极与n个排针对应连接；
[0015]电信号调理模块，与排针连接，用于对采集到的电位信号进行放大和滤波处理；
[0016]信号采集模块，与电信号调理模块连接，用于记录处理后的电位信号；
[0017]电穿孔模块，与垂直石墨烯微电极阵列传感器连接，用于控制电穿孔信号的开启关闭，以实现对石墨烯电极施加不同的电穿孔信号；
[0018]处理器，用于控制信号采集模块和电穿孔模块的工作状态。
[0019]进一步地，所述信号记录系统还包括金属屏蔽箱，所述金属屏蔽箱用于屏蔽工频噪声及高频噪声。
[0020]进一步地，所述电信号调理模块包括一级放大器、高通滤波器、低通滤波器以及二级放大器；所述电信号调理模块包括32个通道，每个32通道对应一个石墨烯电极。
[0021]进一步地，所述电穿孔模块包括电穿孔电路模块排针、电穿孔电路输出端子、数据采集卡输出端、电穿孔电路模块电源输入端、电穿孔电路PCB基板以及电穿孔电路；
[0022]所述电穿孔模块通过所述电穿孔电路模块排针与垂直石墨烯微电极阵列传感器连接；
[0023]所述电穿孔电路包括压放大器和电压跟随器，输入的脉冲信号依次通过电压放大器和电压跟随器后，同步输出脉冲信号。
[0024]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0025]一种用于制作如上所述的基于垂直石墨烯的信号记录芯片的方法，包括以下步骤：
[0026]获取平面玻璃；
[0027]在平面玻璃上生长一层垂直石墨烯；
[0028]通过激光切割机雕刻技术，实现石墨烯电极的图案化；其中，图案为包含6
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6的电极芯片阵列，单个芯片含有32个电极通道；
[0029]切割获取单个垂直石墨烯电极芯片，为垂直石墨烯电极芯片覆盖绝缘层。
[0030]进一步地，所述在平面玻璃上生长一层垂直石墨烯，包括：
[0031]采用感应耦合等离子体化学气相沉积技术完成石墨烯的生长。
[0032]进一步地，所述为垂直石墨烯电极芯片覆盖绝缘层，包括：
[0033]获取大分子聚二甲基硅氧烷端活性基团与固化剂，将聚二甲基硅氧烷与固化剂以预设的比例进行混合，发生耦合反应，获得PDMS材料；在需要绝缘的部分涂抹一层PDMS，并
加热固化；或，
[0034]获取预设的光刻胶，将光刻胶涂在垂直石墨烯电极芯片上；利用绝缘掩模版对涂了光刻胶的垂直石墨烯电极芯片进行处理。
[0035]进一步地，还包括封装步骤：
[0036]获取聚二甲基硅氧烷端活性基团与固化剂，将聚二甲基硅氧烷与固化剂以预设的比例进行混合，发生耦合反应，获得PDMS材料；
[0037]在PCB基板的预设位置上涂上一层PDMS材料，将芯片粘贴固定在PCB基板上，使芯片的电极末端与PCB基板的金属接口对齐；
[0038]通过PDMS材料将玻璃培养腔固定在芯片的玻璃基底上，并加热使PDMS固化。
[0039]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过垂直石墨烯电极与待测心肌细胞发生电学耦合，能够实现非侵入式的高通量、长时间稳定测量心肌细胞电信号记录，为进一步监测细胞内动作电位的潜质做贡献。
附图说明
[0040]为了更清楚地说明本专利技术实施例或者现有技术中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片，其特征在于，包括：玻璃基底；垂直石墨烯微电极阵列，设置在所述玻璃基底上；所述垂直石墨烯微电极阵列包括n个石墨烯电极，每个石墨烯电极对应一个电极通道，所述石墨烯电极用于与待测心肌细胞发生电学耦合，以采集待测心肌细胞的电位信号。2.根据权利要求1所述的一种基于垂直石墨烯的信号记录芯片，其特征在于，所述信号记录芯片呈正方形，所述垂直石墨烯微电极阵列为4
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8的电极阵列。3.一种基于垂直石墨烯的信号记录系统，其特征在于，包括垂直石墨烯微电极阵列传感器，包括PCB基板、细胞玻璃培养腔、参考电极、n个排针以及如权利要求1所述的信号记录芯片；所述信号记录芯片固定在PCB基板上；所述细胞玻璃培养腔固定在信号记录芯片的玻璃基底上；参考电极的一端置于细胞玻璃培养腔内，另一端接地；信号记录芯片的n个石墨烯电极与n个排针对应连接；电信号调理模块，与排针连接，用于对采集到的电位信号进行放大和滤波处理；信号采集模块，与电信号调理模块连接，用于记录处理后的电位信号；电穿孔模块，与垂直石墨烯微电极阵列传感器连接，用于控制电穿孔信号的开启关闭，以实现对石墨烯电极施加不同的电穿孔信号；处理器，用于控制信号采集模块和电穿孔模块的工作状态。4.根据权利要求3所述的一种基于垂直石墨烯的信号记录系统，其特征在于，所述信号记录系统还包括金属屏蔽箱，所述金属屏蔽箱用于屏蔽工频噪声及高频噪声。5.根据权利要求3所述的一种基于垂直石墨烯的信号记录系统，其特征在于，所述电信号调理模块包括一级放大器、高通滤波器、低通滤波器以及二级放大器；所述电信号调理模块包括32个通道，每个32通道对应一个石墨烯电极。6.根据权利要求3所述的一种基于垂直石墨烯的信号记录系统，其特征在于，所述电穿孔模块包括电穿孔电路模块排针、电穿孔电路输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈惠琄，孙天成，谢曦，詹昌源，刘铮杰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：