[發明專利]一種石墨烯三維微電極陣列芯片、方法及其應用

有效

• 申請號: 201510885266.3
• 申請日: 2015-12-04
• 公開（公告）號: CN105460882B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 吳蕾;唐琳;金慶輝;趙建龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B1/00
• 分類號: B81B1/00;B81C1/00;G01N27/00;G01N33/483;G01N33/487
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種石墨烯三維微電極陣列芯片、制備方法以及應用，本發明提供的石墨烯三維微電極陣列芯片可應用于生物大分子、細胞或組織檢測領域，尤其是應用于細胞、組織的電生理檢測。

背景技術

微電極陣列芯片是利用微加工工藝將多個微米級別的電極集成在一塊芯片上用于生物信號檢測的一種傳感器。微電極陣列芯片可以同時檢測溶液中生物大分子的電學信號，可以檢測細胞和組織的生物電信號，或用來對細胞和組織進行電刺激。

目前，微電極陣列芯片的電極材料多般為金、鉑等金屬，但它們不透明的性質不能兼容細胞生物學中廣泛使用的倒置顯微鏡。利用這樣的微電極陣列芯片進行細胞或組織片的電生理活性檢測時，需要使用配有水浸式物鏡的正置顯微鏡，存在操作不便而且檢測過后的樣品不能繼續培養只能丟棄等問題。目前基于良好的導電性和透明度，摻錫氧化銦(ITO)成為最主要的透明導電材料，可以用來制作微電極陣列芯片。然而與金、鉑金屬微電極相比，ITO微電極存在電化學阻抗高，在溶液中的電化學穩定性差等缺點。開發高性能的透明的微電極陣列芯片是當前亟待解決的一個問題。新興的熱點材料石墨烯擁有高導電性、高透光性、高機械強度、良好的電化學穩定性和很好的生物相容性等優異性質，開始被用來制作微電極陣列，并且能檢測到神經元的動作電位(Xiaowei Du，Lei Wu，Ji Cheng，Shanluo Huang，Qi Cai，Qinghui Jin，Jianlong Zhao，Graphene microelectrode arrays for neural activity detection，J Biol Phys(2015)41:339–347)。當前，平面的石墨烯微電極陣列其電極位點不能與柔軟的細胞和組織形成緊密接觸，影響了電生理檢測的靈敏度。最近的理論研究表明：單層石墨烯在基體上的形態不受基體硬度及基體波幅變化的影響，表現為完全貼合基體表面的形態特性(LitingXiong,YuanwenGao.Surface roughness and size effects on the morphology of graphene on a substrate.Physica E:Low-dimensional System Systems and Nanostructures.2013,172(1-2):154-161)。基于此，本申請擬提出一種制作石墨烯三維微電極陣列芯片、方法及應用，以期進一步提高微電極陣列的性能。

發明內容

為了克服現有石墨烯微電極陣列芯片平面的電極位點不能和柔性的細胞或組織形成緊密接觸的缺點，并增大電極位點的比表面積，本發明的目的在于提供石墨烯三維微電極陣列芯片、方法及其應用，具體可應用于細胞和組織的電生理信號檢測。

本發明的目的通過以下措施來達到：所述的芯片包括透明的石墨烯三維微電極陣列區域和外圍金電極引線引腳區域兩部分(圖1)；所述的芯片以硅、石英或硼硅玻璃為基底，在微電極陣列區域外利用lift-off工藝制作金電極引線和引腳(圖2.a)；微電極陣列區域內制作SU-8或PI微柱陣列(圖2.b，柱高和直徑之比約為0.3)，再將石墨烯/聚甲基酸甲酯薄膜轉移至微電極陣列區域，與基底上預先制作的金電極引線形成良好的歐姆接觸(圖2.c)，然后以AZ4620光刻膠作為石墨烯圖形化的掩模層，用氧等離子體(Oxygen Plasma)對石墨烯進行刻蝕(圖2.d)，刻蝕出的石墨烯包括彎曲成三維丘型的微電極位點和二維電極引線兩部分；最后利用PI光刻膠在圖形化的石墨烯表面和金電極引線表面制作絕緣層，暴露出三維丘型的石墨烯微電極位點和金電極引腳(圖2.e)。

本發明的優點在于可同時制作出幾個到數十個石墨烯三維微電極陣列位點；光刻膠微柱具有光滑的邊緣，能夠頂起石墨烯薄膜而不損壞石墨烯薄膜；細胞和組織能夠包裹住丘形狀(或稱為丘陵狀，下同)的石墨烯微電極位點，提高微電極檢測微弱電信號的能力；利用石墨烯優異的電學性質、高透光性、優良的電化學穩定性和生物相容性制作的透明微電極陣列芯片方便與倒置顯微鏡結合使用，使得許多生物成像手段如高分辨率熒光成像能和電生理檢測聯用。