一种枝晶铂修饰的微电极阵列及其制备方法与流程

本发明涉及微电极表面修饰技术领域，特别是涉及一种枝晶铂修饰的微电极阵列及其制备方法。

背景技术：

神经刺激/记录电极作为最重要的植入式微器件之一，用以刺激神经组织或者记录神经电信号(心电、脑电、皮层电信号等等)，广泛用在脑机接口、神经生理、脑科学研究等生命科学领域，是非常重要的研究和诊疗工具。

为了减小植入创伤，同时给临床提供更多的刺激模式以及提高电刺激或记录的分辨率，神经刺激电极/记录正在朝着微型化以及阵列化方向发展—微电极阵列。然而，电极尺寸减小随着则带来电极阻抗增加的问题，并最终影响电极的刺激效率。目前，在不增加电极的几何尺寸的情况下，主要是通过表面修饰的方式增加电极的实际表面积，并改善电极的电化学性能。

具体地，目前微电极阵列表面修饰的方法大致有以下几种：1、在电极表面修饰一层铂黑(anal.chem.1987,59,217-218)，这种方式能使电极的电化学阻抗减小至少一个数量级，但其机械稳定性非常差，同时其修饰层中含有铅等有毒物质，使其不适用于生物医学领域的应用；2、在电极表面修饰一层铂灰(uspatent6974533,2005)，这种涂层具有很好的机械稳定性且无毒，但其表面粗糙度不够大，使其在超高分辨率电极的表面修饰受到一定的限制；3、经氧化铱(eng.med.biol.soc.2004,4153-4156)或者导电聚合物(j.biomed.mater.res.2001,56,261-272)修饰的微电极具有极好的电化学性能(如高的电荷注入能力)，但这些材料的粘附力较差，在刺激过程中，很容易从电极表面脱落下来。

技术实现要素：

鉴于此，本发明旨在提供一种以枝晶铂修饰层为表面修饰层的微电极阵列，该修饰层与微电极基底的结合力好，微电极表面积大，表面粗糙度大，性能稳定性好，且绿色无毒。

具体地，本发明第一方面提供了一种枝晶铂修饰的微电极阵列，所述微电极阵列的电极表面设置有枝晶铂修饰层。

本发明中，所述枝晶铂修饰层的厚度为500nm～10μm。不同的厚度会使微电极具有不同大小的表面积。

本发明中，所述枝晶铂修饰层中的枝晶铂的长度为200nm～10μm，宽度为50nm～2μm，厚度为5nm～500nm。

本发明中，所述枝晶铂修饰层通过电沉积的方式设置。通过电沉积方式设置在电极表面的修饰层与电极表面的结合力强，不易脱落，性能非常稳定。

本发明第一方面提供的枝晶铂修饰的微电极阵列，以枝晶铂为表面修饰层，该修饰层与微电极基底的结合力较好，不容易脱落导致电极失效，并且修饰后的微电极表面积极大地增加，其电化学阻抗明显降低，电极电荷注入容量和电荷存储能力大大增加，这有利于降低植入的系统功耗，改善电刺激效果，同时该修饰层具有良好的生物相容性以及机械稳定性，使其在生物医学领域的应用大大增加。

第二方面，本发明提供了一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供铂盐溶液，在所述铂盐溶液中加入适量的弱还原剂，混合混匀后，得到电沉积溶液；

(2)以铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，待修饰的微电极为工作电极，与上述电沉积溶液形成三电极体系，并与电化学工作站相连接；

(3)在35℃～60℃条件下，电沉积3000s～6000s，所述微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

本发明中，所述电沉积的方式为恒电位沉积、恒电流沉积或脉冲电沉积。

本发明中，所述恒电位沉积的电压为-0.3v～-0.8v，恒电流沉积的电流为-0.5μa～-1.5μa，脉冲电沉积的峰值电流密度为0.8a/cm²～2.5a/cm²。

本发明中，所述恒电位沉积的电压为-0.7v～-0.8v，恒电流沉积的电流为-0.8μa～-1.5μa，脉冲电沉积的峰值电流密度为1.5a/cm²～2.5a/cm²。

本发明中，所述铂盐溶液包括硝酸铂、氯化铂、氯铂酸、六氯铂酸铵、氯铂酸钠、六氯铂酸钾和氯亚铂酸钾中的一种或多种；所述电沉积溶液中，所述铂盐的浓度为1mmol/l～20mmol/l。

本发明中，所述弱还原剂包括甲酸、盐酸羟胺、柠檬酸、柠檬酸盐、抗坏血酸、抗坏血酸盐、对苯二酚、邻苯三酚和1,2,4苯三酚中的一种或多种；所述电沉积溶液中，所述弱还原剂的浓度为1mmol/l～20mmol/l。

本发明第二方面提供的制备方法，该方法在含有铂盐及弱还原剂的电沉积溶液中，以电化学沉积的方式，将微电极阵列的表面修饰了一层枝晶铂修饰层，该方法溶液配制简单，且无其他有毒物质(如铅等添加剂)，条件温和、简单易行，能够快速在微电极阵列表面修饰枝晶铂，且修饰层与微电极基底的结合力较好，能快速的增加微电极的表面粗糙度，极大地增加微电极表面积，使其具有非常优越的电化学性能，因而大大地拓展了微电极阵列在神经刺激领域的应用。

本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

图1-图4为本发明不同尺寸枝晶铂修饰层的扫描电子显微镜(sem)图；

图5为本发明实施例1制备的枝晶铂修饰的微电极阵列与未修饰的微电极的循环伏安(cv)对比图；

图6为本发明实施例1制备的枝晶铂修饰的微电极阵列与未修饰的微电极的电化学阻抗(eis)对比图；

图7为本发明实施例1制备的枝晶铂修饰的微电极阵列电化学稳定测试结果。

具体实施方式

以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。

具体地，本发明第一方面提供了一种枝晶铂修饰的微电极阵列，所述微电极阵列的电极表面设置有枝晶铂修饰层。

本发明实施方式提供的枝晶铂修饰层中含有枝晶铂，枝晶铂包括主干和沿着主干有序地生长的侧枝，枝晶铂可以为三维枝状结构也可以是二维枝状结构，当枝晶铂为三维枝状结构的时候，侧枝围绕主干在三维方向生长长度不等的侧枝。当枝晶铂为二维枝状结构的时候，枝晶铂为片状结构。本发明可以通过调整制备工艺得到不同大小和不同具体形状的枝晶铂。具体地，所述枝晶铂修饰层中的枝晶铂的长度为200nm～10μm，宽度为50nm～2μm，厚度为5nm～500nm。

本发明枝晶铂中含有大量的分枝结构，枝晶铂修饰层的比表面积大大增加，且所述枝晶铂修饰层的性能较稳定。

本发明中，所述枝晶铂修饰层的厚度为500nm-10μm。不同的枝晶铂修饰层厚度会使微电极具有不同大小的表面积。

本发明中，所述枝晶铂修饰层具有三维纳米多孔结构。三维纳米多孔结构可极大地增大微电极的表面积。

本发明中，所述枝晶铂修饰层通过电沉积的方式设置。通过电沉积方式设置在电极表面的修饰层与电极表面的结合力强，不易脱落，性能非常稳定。

本发明第一方面提供的枝晶铂修饰的微电极阵列，以枝晶铂为表面修饰层，该修饰层与微电极基底的结合力较好，不容易脱落导致电极失效，并且修饰后的微电极表面积极大地增加，其电化学阻抗明显降低，电极电荷注入容量和电荷存储能力大大增加，这有利于降低植入的系统功耗，改善电刺激效果，同时该修饰层具有良好的生物相容性以及机械稳定性，使其在生物医学领域的应用大大增加。

第二方面，本发明提供了一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供铂盐溶液，在所述铂盐溶液中加入弱还原剂，混合混匀后，得到电沉积溶液；

(2)以铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，待修饰的微电极为工作电极，与上述电沉积溶液形成三电极体系，并与电化学工作站相连接；

(3)在35℃～60℃条件下，电沉积3000s～6000s，所述微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

本发明中，步骤(1)中，对电沉积溶液通入氩气30min-1h以去除溶液中的空气，防止镀层发生氧化，有助于产生枝晶的结构。

本发明中，在步骤(2)之前，对电极进行表面活化，所述表面活化的操作如下：

以铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，待修饰的微电极为工作电极，形成三电极体系，并与电化学工作站相连接，在稀硫酸溶液中，以cv循环(循环伏安法)的方式，在-0.2v～1.2v范围内，循环扫描30～100圈。对电极进行表面活化以去除电极表面的杂质，有助于后续电沉积操作，提高镀层的稳定性。

本发明中，所述铂盐溶液为硝酸铂、氯化铂、氯铂酸、六氯铂酸铵、氯铂酸钠、六氯铂酸钾和氯亚铂酸钾中的一种或多种；所述电沉积溶液中，铂盐的浓度为1mmol/l～20mmol/l。

本发明中，所述弱还原剂包括甲酸、盐酸羟胺、柠檬酸、柠檬酸盐、抗坏血酸、抗坏血酸盐、对苯二酚、邻苯三酚和1,2,4苯三酚中的一种或多种；所述电沉积溶液中，所述弱还原剂的浓度为1mmol/l～20mmol/l。

本发明中加入的弱还原剂如甲酸(hcooh)可与铂盐发生反应，过程中hcooh会被氧化而产生二氧化碳(co2)，并形成多孔的铂结构，而本发明高温以及高电位(或者高电流)则可以促进反应发生，使铂离子还原速度加快，并在微电极表面形成更为多孔的铂结构。

本发明中，步骤(3)中沉积温度为50℃～60℃。

本发明中，所述电沉积的方式为恒电位沉积、恒电流沉积或脉冲电沉积。可选地，所述恒电位沉积的电压为-0.3v～-0.8v，恒电流沉积的电流为-0.5μa～-1.5μa，脉冲电沉积的峰值电流密度为0.8a/cm²～2.5a/cm²。可选地，所述恒电位沉积的电压为-0.7v～-0.8v，恒电流沉积的电流为-0.8μa～-1.5μa，脉冲电沉积的峰值电流密度为1.5a/cm²～2.5a/cm²。

本发明中，所述枝晶铂修饰层的厚度为500nm～10μm。

本发明中，所述枝晶铂修饰层具有三维纳米多孔结构。

本发明中，待修饰的微电极可以是平面微电极、针式微电极等。

本发明第二方面提供的枝晶铂修饰的微电极阵列制备方法，该方法在含有铂盐及弱还原剂的电沉积溶液中，以电化学沉积的方式，将微电极阵列的表面修饰了一层枝晶铂修饰层，该方法溶液配制简单，且无其他有毒物质(如铅等添加剂)，条件温和、简单易行，能够快速在微电极阵列表面修饰三维的枝晶铂修饰层，且修饰层与微电极基底的结合力较好，能快速的增加微电极的表面粗糙度，极大地增加微电极表面积，使其具有非常优越的电化学性能，因而大大地拓展了微电极阵列在神经刺激领域的应用。

实施例1

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、1mmol的氯化铂(ptcl4)和5mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在35℃条件下，以恒电位的沉积方式，在-0.3v(vsag/agcl)条件下，电沉积3000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到不同尺寸的枝晶铂修饰的微电极阵列。

图1为本实施例中枝晶铂修饰层的扫描电子显微镜(sem)图，从图中可以看出，经修饰后，微电极表面形成了具有枝晶结构的枝晶铂。图2-图4为不同尺寸枝晶铂修饰层的扫描电子显微镜(sem)图，通过调整沉积时间和沉积温度等参数可以得到不同尺寸的枝晶铂。图2-图4中的枝晶铂的电沉积时间分别是4000s，5000s以及6000s，电沉积温度分别是40℃，50℃以及60℃。图5为本实施例枝晶铂修饰的微电极阵列与未修饰的微电极的循环伏安(cv)对比图，图中，曲线1为未修饰的微电极的循环伏安曲线，曲线2为本实施例枝晶铂修饰的微电极阵列的循环伏安曲线，从图4中可以看出，相比未修饰的微电极，枝晶铂修饰层的cv增加约44倍(从3.7mc/cm²增值162.4mc/cm²)，表明其具有更为优越的电荷存储能力。图6为本实施例枝晶铂修饰的微电极阵列与未修饰的微电极的电化学阻抗(eis)对比图，图中，曲线1为未修饰的微电极的电化学阻抗曲线，曲线2为本实施例枝晶铂修饰的微电极阵列的电化学阻抗曲线，从图6中可以看出，相比未修饰的微电极，枝晶铂修饰层具有更低的电化学阻抗，其在1khz时的电化学阻抗能低至1.3kω。图7为本实施例枝晶铂修饰的微电极阵列的电化学稳定测试结果，对修饰有枝晶铂的微电极进行长期高频率脉冲实验，并测试脉冲前后的电荷存储能力(计算cv闭合曲线中，阴极部分的积分面积所得)的变化，图中曲线1为没有进行脉冲实验的枝晶铂修饰层的cv曲线图，曲线2为对枝晶铂修饰层不间断高频脉冲48h后的cv曲线图，曲线3为对枝晶铂修饰层不间断高频脉冲96h后的cv曲线图，从图7可以看出，经长时间高频脉冲(超过2×10⁶次)，枝晶铂修饰层的电荷存储能力仅有很小的损失(小于2％)，表明本发明实施例所制备的枝晶铂修饰层具有极好的长期稳定性。

本实施例中所使用的微电极是通过一系列微加工工艺制备完成，如光刻(evg610紫外曝光机，奥地利)、溅射、刻蚀等。

实施例2

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、1mmol的硝酸铂(pt(no3)4)和10mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在50℃条件下，以恒电位的沉积方式，在-0.5v(vsag/agcl)条件下，电沉积5000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例3

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、1mmol的氯铂酸(h2ptcl6)和8mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在60℃条件下，以恒电流的沉积方式，以-1.0μa(vsag/agcl)的电流，电沉积3000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例4

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、5mmol的氯铂酸(h2ptcl6)和1mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在55℃环境中，以脉冲电沉积的方式，以占空比为5μs：500μs、峰值电流密度为2.5a/cm²的脉冲电流，电沉积3000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例5

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、5mmol的六氯铂酸铵((nh4)2ptcl6)和5mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在60℃条件下，以脉冲电沉积的方式，以占空比为5μs：500μs、峰值电流密度为1.5a/cm²的脉冲电流，电沉积5000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例6

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、5mmol的氯铂酸钠(na2ptcl6)和10mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在45℃条件下，以恒电位的沉积方式，以-0.8v(vsag/agcl)的电位，电沉积3000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例7

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、5mmol的氯铂酸钾(k2ptcl6)和20mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在45℃条件下，以恒电位的沉积方式，以-0.6v(vsag/agcl)的电位，电沉积4000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例8

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、10mmol的氯铂酸钾(k2ptcl6)和5mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在50℃条件下，以恒电流的沉积方式，以-0.5μa(vsag/agcl)的电流，电沉积6000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例9

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、10mmol的氯亚酸钾(k2ptcl4)和20mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在40℃条件下，以恒电流的沉积方式，以-1.5μa(vsag/agcl)的电流，电沉积5000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例10

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、20mmol的氯亚酸钾(k2ptcl4)和5mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在60℃条件下，以脉冲电沉积的方式，以占空比为5μs：500μs、峰值电流密度为0.8a/cm²的脉冲电流，电沉积6000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例11

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、20mmol的氯亚酸钾(k2ptcl4)和10mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在40℃条件下，以脉冲电沉积的方式，以占空比为5μs：500μs、峰值电流密度为2.5a/cm²的脉冲电流，电沉积5000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例12

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、20mmol的氯铂酸(h2ptcl6)和20mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在50℃条件下，以恒电位的沉积方式，在-0.3v(vsag/agcl)条件下，电沉积6000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

实施例13

一种枝晶铂修饰的微电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温环境下，在容器中加入1l水、20mmol的氯铂酸(h2ptcl6)和1mmol甲酸(hcooh)，轻轻摇晃混匀，并通入氩气30min后，形成电沉积溶液；

(2)在上述电沉积溶液中，置入铂片、ag/agcl参比电极以及微电极，并与电化学工作站相连接，在40℃条件下，以恒电位的沉积方式，在-0.8v(vsag/agcl)条件下，电沉积3000s，在微电极表面形成枝晶铂修饰层，即得到枝晶铂修饰的微电极阵列。

采用与实施例1中相同的测试方法对上述实施例2-13制备获得的枝晶铂修饰的微电极阵列进行测试，测试结果表明所制得的修饰层与微电极基底的结合力较好，电化学阻抗低，电荷注入及存储能力大、生物相容性好，在神经刺激领域具有很好的发展潜力。

当然，本发明还可有其他实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。