用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片及制备方法，涉及传感器技术，该芯片由绝缘基底、微电极阵列、对电极、参比电极、电极引线及触点、表面绝缘层和修饰材料七个部分构成。电极本身采用微机电系统(MEMS)工艺加工制备，并在其表面定点修饰特定的纳米复合材料和酶。在经过修饰的工作电极表面培养神经细胞，结合对电极与参比电极，可用于同时实时的检测神经细胞电生理信号和多巴胺、乙酰胆碱等神经递质的电化学信号，并兼有对神经细胞施加电刺激的功能。本发明专利技术芯片功能集成化，材料修饰定点，使用方便，适合实验室开展神经细胞培养及其多种参数检测的相关研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物传感器的微加工技术及纳米修饰领域，是ー种用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片及制备方法。
技术介绍
传统检测神经细胞电生理信号的方法基本为膜片钳、电压钳等，通常仅能获得少量几个通道的数据，而且电极定位困难、操作繁琐，同时对细胞会造成不同程度的损伤，并导致细胞在很短时间内死亡，很大程度上限制了对细胞电生理和电化学方面的检测；胞外信号检测方法由于可以实现无损，长时间的测量，随着微机电系统(MEMS)加工技术的发展，胞外微电极阵列(miCToelectrode，MEA)提供了ー种长期无损监测细胞电生理活动的方法，通过高通量通道，将几十甚至上百个细胞的电活性数据传输出来，并且可以定位到单个细胞，实现实时检测外界电刺激和药物作用下的膜电位的改变。国内外出现了ー些采用各种材料和エ艺制备而成的微电极阵列芯片，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，其原因主要是裸电极无法检测到生物组织内神经递质的浓度，再者目前还没有在微电极表面修饰酶的可靠方法，因此更无法专ー的检测某种神经递质的方法。目前检测神经递质多采用大电极或是体外微透析的方法，检测实时性差，且灵敏度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片及制备方法，以克服现有技术的不足，应用MEMS技术制作微电极芯片，并在电极上定点修饰膜敏感材料，纳米材料具有很好的生物相容性，能够在电极上培养神经细胞。该阵列芯片功能集成化，能够同时实时的检测神经细胞的电生理信号和多巴胺、こ酰胆碱、谷氨酸神经递质的电化学信号，并兼有对细胞施加电刺激的功能。在微电极阵列表面进行神经细胞培养，即可开展对神经细胞多參数检测的相关研究。为实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术解决方案一种用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其包括绝缘基底1、微电极阵列2、对电极3、參比电极4、引线5、触点6及敏感膜材料7 ;绝缘基底I是整个芯片的载体，微电极阵列2在绝缘基底I表面的中心位置，微电极阵列2中分布了多个以矩阵形式排布的、由导电薄膜材料制成的圆形微电极；微电极阵列2表面修饰有分别用于检测电生理信号和电化学信号的敏感膜材料7 ;微电极阵列2外周圆设有对电极3，及參比电极4，对电极3、參比电极4均呈多边形，对称分布；圆形微电极、对电极3及參比电极4均通过多个导电薄膜引线5延伸至基底I四周边缘，基底I四周边缘内侧有多个方形触点6，呈内外两层设置，每ー引线5外端与一方形触点6电连接，以方便与外部电路连接；所有引线5表面覆盖有绝缘层。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述绝缘基底1，以硬质透明绝缘材料制作，基底I边长25mm 80mm,厚度Imm 2mm。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述硬质透明绝缘材料，是石英玻璃、聚氯こ烯或聚碳酸酯其中之一。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述微电极阵列2，所用的导电薄膜材料为生物相容性好的金属或金属化合物；微电极阵列2包含9 64个微电扱，其中用于神经电生理信号检测的微电极直径10 y m 30 y m，用于神经递质电化学信号检测以及施加电刺激的微电极直径30 ii m 50 ii m,微电极间距50 y m 400 V- m ；引线5及触点6的导电薄膜材料与微电极相同，厚度为200 300nm，保证其机械強度能够承受标准电子元器件中弾性金属探针所造成的压力。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述对电极3为Pt薄膜对电极，參比电极4为Ag/AgCl复合薄膜參比电极；对电极3、參比电极4的数量为I 8个，用于提供參考电位并保持电位稳定；当对电极3、參比电极4的数量为4或8个时 ，I或2对电极3、1或2參比电极4组成ー组，共四组，位于对角线上，对称分布。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述敏感膜材料7是能够提高对多巴胺检测选择性的纳米复合材料，或特异性检测こ酰胆碱或谷氨酸神经递质的酶复合材料。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述敏感膜材料7是纳米钼黑，氧化铱，碳纳米管/nafion复合薄膜,石墨烯纳米片/nafion复合薄膜，电子媒介体和酶复合材料其中之一，或它们的有机组合。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述酶复合材料中的酶，是谷氨酸氧化酶，こ酰胆碱脂酶，胆碱氧化酶其中之一。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述微电极阵列2选用的导电薄膜材料，是金、钼、氮化钛或铟锡氧化物其中之一。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述引线5表面覆盖的绝缘层材料，为有机或无机绝缘材料。所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片，其所述有机或无机绝缘材料，是ニ氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对ニ甲苯其中之一。一种所述的用于神经细胞多參数检测的微电极阵列芯片的制备方法，其包括如下步骤a)在经过表面清洗的绝缘基底I上旋涂ー层光刻胶，厚度大于拟溅射导电薄膜层的三倍，光刻显影后形成微电极阵列2、对电极3、參比电极4、引线5及触点6的图案；b)在光刻胶图案表面派射一层厚度250nm 500nm的微电极导电薄膜层；c)采用剥离エ艺去除多余导电薄膜层，留下所需电极、引线5及触点6 ;d)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD) ニ氧化硅、氮化硅、氮氧硅，或旋涂SU8、聚酰亚胺、聚对ニ甲苯的方法，在制备好导电薄膜层的基底I表面覆盖绝缘层，通过光亥IJ和等离子刻蚀的方法，暴露出微电极阵列2、对电极3、參比电极4及触点6，保留所有引线表面覆盖的绝缘层；e)在对电极3的表面，采用光刻、溅射、剥离的エ艺，制备厚度250nm 500nm的Pt金属薄膜层；f)在參比电极4的表面，采用光亥IJ、溅射、剥离的エ艺，制备厚度500nm 800nm的Ag金属薄膜层，并通过化学或电化学方法进行氯化，或在參比电极4的表面丝印涂覆Ag/AgCl浆料并烘干，最終形成Ag/AgCl复合薄膜參比电扱。所述的制备方法，其所述步骤b)之前,预先派射IOnm 50nm的Cr或Ti种子层，以增加导电薄膜层与基底I的粘附性。所述的制备方法，其所述步骤b)中，派射一层厚度250nm 500nm的微电极导电薄膜层时，若微电极导电薄膜选用Pt材料，则可省略步骤e)。所述的制备方法,其还包括微电极阵列2表面定点修饰碳纳米材料/nafion/纳米钼黑复合薄膜的方法，包括如下步骤a)将nafion加入到无水こ醇中，使nafion的质量体积百分数为0. 05% 5%,将碳纳米材料加入到nafion和无水こ醇混合物中，使碳纳米材料的质量体积百分数为0. 05% 10%,然后超声30 60min形成黑色均一的碳纳米材料/nafion混合液,其中碳纳米材料可以是碳纳 米管或石墨烯纳米片；b)将微电极分别用丙酮、こ醇和去离子水清洗，然后等离子刻蚀两分钟； c)将含有碳纳米材料和nafion的こ醇混合溶液手工滴加在电极阵列2上，自然干燥；d)将光刻胶旋涂在芯片表面，热板100°C烘5min，光刻显影将电极部分的碳纳米材料和nafion的混合物薄膜保护起来,其他部分显影掉；e)等离子刻蚀Imin 3min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于：包括绝缘基底(1)、微电极阵列(2)、对电极(3)、参比电极(4)、引线(5)、触点(6)及敏感膜材料(7)；绝缘基底(1)是整个芯片的载体，微电极阵列(2)在绝缘基底(1)表面的中心位置，微电极阵列(2)中分布了多个以矩阵形式排布的、由导电薄膜材料制成的圆形微电极；微电极阵列(2)表面修饰有分别用于检测电生理信号和电化学信号的敏感膜材料(7)；微电极阵列(2)外周圆设有对电极(3)，及参比电极(4)，对电极(3)、参比电极(4)均呈多边形，对称分布；圆形微电极、对电极(3)及参比电极(4)均通过多个导电薄膜引线(5)延伸至基底(1)四周边缘，基底(1)四周边缘内侧有多个方形触点(6)，呈内外两层设置，每一引线(5)外端与一方形触点(6)电连接，以方便与外部电路连接；所有引线(5)表面覆盖有绝缘层。

【技术特征摘要】
1.一种用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于包括绝缘基底(I)、微电极阵列⑵、对电极(3)、参比电极(4)、引线(5)、触点(6)及敏感膜材料(7);绝缘基底(I)是整个芯片的载体，微电极阵列(2)在绝缘基底(I)表面的中心位置，微电极阵列(2)中分布了多个以矩阵形式排布的、由导电薄膜材料制成的圆形微电极；微电极阵列(2)表面修饰有分别用于检测电生理信号和电化学信号的敏感膜材料(7);微电极阵列(2)外周圆设有对电极⑶，及参比电极(4)，对电极(3)、参比电极(4)均呈多边形，对称分布；圆形微电极、对电极⑶及参比电极⑷均通过多个导电薄膜引线(5)延伸至基底⑴四周边缘，基底(I)四周边缘内侧有多个方形触点(6)，呈内外两层设置，每一引线(5)外端与一方形触点(6)电连接，以方便与外部电路连接；所有引线(5)表面覆盖有绝缘层。2.根据权利要求1所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述绝缘基底(I)，以硬质透明绝缘材料制作，基底(I)边长25mm 80mm,厚度Imm 2mm。3.根据权利要求2所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述硬质透明绝缘材料，是石英玻璃、聚氯乙烯或聚碳酸酯其中之一。4.根据权利要求1所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述微电极阵列(2)，所用的导电薄膜材料为生物相容性好的金属或金属化合物；微电极阵列(2)包含9 64个微电极，其中用于神经电生理信号检测的微电极直径10 μ m 30 μ m,用于神经递质电化学信号检测以及施加电刺激的微电极直径30 μ m 50 μ m,微电丰及|、司足巨50 μ m ~ 400 μ m ； 引线(5)及触点(6)的导电薄膜材料与微电极相同，厚度为200 300nm，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。5.根据权利要求1所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述对电极⑶为Pt薄膜对电极，参比电极⑷为Ag/AgCl复合薄膜参比电极；对电极(3)、参比电极(4)的数量为I 8个，用于提供参考电位并保持电位稳定； 当对电极(3)、参比电极⑷的数量为4或8个时，I或2对电极(3)、1或2参比电极(4)组成一组，共四组，位于对角线上，对称分布。6.根据权利要求1所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述敏感膜材料(7)是能够提高对多巴胺检测选择性的纳米复合材料，或特异性检测乙酰胆碱或谷氨酸神经递质的酶复合材料。7.根据权利要求6所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述敏感膜材料(X)是纳米钼黑，氧化铱，碳纳米管/nafion复合薄膜,石墨烯纳米片/nafion复合薄膜，电子媒介体和酶复合材料其中之一，或它们的有机组合。8.根据权利要求6或7所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述酶复合材料中的酶，是谷氨酸氧化酶，乙酰胆碱脂酶，胆碱氧化酶其中之一。9.根据权利要求1或4所述的用于神经细胞多参数检测的微电极阵列芯片，其特征在于所述微电极阵列(2)选用的导电薄膜材料，是金、钼、氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：周帅，蔡新霞，宋轶琳，刘春秀，林楠森，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：