一种石墨烯三维微电极阵列芯片、方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨烯三维微电极阵列芯片、制备方法以及应用，本发明提供的石墨烯三维微电极阵列芯片可应用于生物大分子、细胞或组织检测领域，尤其是应用于细胞、组织的电生理检测。
【背景技术】
[0002]微电极阵列芯片是利用微加工工艺将多个微米级别的电极集成在一块芯片上用于生物信号检测的一种传感器。微电极阵列芯片可以同时检测溶液中生物大分子的电学信号，可以检测细胞和组织的生物电信号，或用来对细胞和组织进行电刺激。
[0003]目前，微电极阵列芯片的电极材料多般为金、铂等金属，但它们不透明的性质不能兼容细胞生物学中广泛使用的倒置显微镜。利用这样的微电极阵列芯片进行细胞或组织片的电生理活性检测时，需要使用配有水浸式物镜的正置显微镜，存在操作不便而且检测过后的样品不能继续培养只能丢弃等问题。目前基于良好的导电性和透明度，掺锡氧化铟(ΙΤ0)成为最主要的透明导电材料，可以用来制作微电极阵列芯片。然而与金、铂金属微电极相比，ΙΤ0微电极存在电化学阻抗高，在溶液中的电化学稳定性差等缺点。开发高性能的透明的微电极阵列芯片是当前亟待解决的一个问题。新兴的热点材料石墨烯拥有高导电性、高透光性、高机械强度、良好的电化学稳定性和很好的生物相容性等优异性质，开始被用来制作微电极阵列，并且能检测到神经元的动作电位(Xiaowei Du,Lei Wu，Ji Cheng,Shanluo Huang，Qi Cai，Qinghui Jin，Jianlong Zhao，Graphene microelectrode arraysfor neural activity detect1n ,J B1l Phys(2015)41:339-347)。当前，平面的石墨稀微电极阵列其电极位点不能与柔软的细胞和组织形成紧密接触，影响了电生理检测的灵敏度。最近的理论研究表明:单层石墨烯在基体上的形态不受基体硬度及基体波幅变化的影响，表现为完全贴合基体表面的形态特性(LitingX1ng, YuanwenGa0.Surface roughnessand size effects on the morphology of graphene on a substrate.Physica E:Low-dimens1nal System Systems and Nanostructures.2013，172( 1-2): 154-161)。基于此，本申请拟提出一种制作石墨烯三维微电极阵列芯片、方法及应用，以期进一步提高微电极阵列的性能。
【发明内容】
[0004]为了克服现有石墨烯微电极阵列芯片平面的电极位点不能和柔性的细胞或组织形成紧密接触的缺点，并增大电极位点的比表面积，本发明的目的在于提供石墨烯三维微电极阵列芯片、方法及其应用，具体可应用于细胞和组织的电生理信号检测。
[0005]本发明的目的通过以下措施来达到:所述的芯片包括透明的石墨烯三维微电极阵列区域和外围金电极引线引脚区域两部分(图1);所述的芯片以硅、石英或硼硅玻璃为基底，在微电极阵列区域外利用lift-off工艺制作金电极引线和引脚(图2.a);微电极阵列区域内制作SU-8或PI微柱阵列(图2.b，柱高和直径之比约为0.3)，再将石墨烯/聚甲基酸甲酯薄膜转移至微电极阵列区域，与基底上预先制作的金电极引线形成良好的欧姆接触(图
2.c)，然后以AZ4620光刻胶作为石墨稀图形化的掩模层，用氧等离子体(Oxygen Plasma)对石墨烯进行刻蚀(图2.d)，刻蚀出的石墨烯包括弯曲成三维丘型的微电极位点和二维电极引线两部分;最后利用PI光刻胶在图形化的石墨烯表面和金电极引线表面制作绝缘层，暴露出三维丘型的石墨烯微电极位点和金电极引脚(图2.e)。
[0006]本发明的优点在于可同时制作出几个到数十个石墨烯三维微电极阵列位点;光刻胶微柱具有光滑的边缘，能够顶起石墨烯薄膜而不损坏石墨烯薄膜;细胞和组织能够包裹住丘形状(或称为丘陵状，下同)的石墨烯微电极位点，提高微电极检测微弱电信号的能力；利用石墨烯优异的电学性质、高透光性、优良的电化学稳定性和生物相容性制作的透明微电极阵列芯片方便与倒置显微镜结合使用，使得许多生物成像手段如高分辨率荧光成像能和电生理检测联用。
[0007]综上所述，本发明涉及一种石墨烯三维微电极阵列芯片、方法及其应用。其特征在于所述的利用负性光刻胶制作微柱阵列，在微柱阵列上覆盖单层石墨烯薄膜制作出微电极阵列;所述的微电极芯片包括透明的石墨烯三维电极阵列区域和外围金电极引线引脚两部分。微电极位点为三维凸起。三维的微电极丘形状微电极结构利于刚性的微电极位点与柔软的细胞或组织形成紧密的电学耦合，加上石墨烯优异的电学特性，能够提高微电极阵列的电生理检测灵敏度。另外，制作在透明基底上的石墨烯三维微电极阵列便于用倒置显微镜进行观察，便于多种细胞显微成像方法的应用以及结合微流控芯片使用。
【附图说明】
[0008]图1为本发明石墨烯三维微电极阵列芯片示意图，a)为芯片实物图，b)为石墨烯三维微电极阵列区域。
[0009]图2为本发明石墨烯三维微电极阵列芯片制作工艺流程图，(a)用lift-off工艺制作金电极引线和引脚，(b)用SU8或PI制作微柱阵列，(c)石墨烯转移，(d)石墨烯图形化，(e)SU8或PI制作绝缘层。
[0010]图3为本发明丘形状石墨烯微电极位点电化学阻抗谱(选取了三个微电极位点)。
[0011]图4为本发明丘形状石墨烯微电极位点循环伏安扫描曲线(选取了三个微电极位点)。
[0012]图5为本发明用倒置显微镜观察培养于石墨烯三维微电极阵列芯片上的人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)，并用多通道信号检测系统检测细胞的自发动作电位。
【具体实施方式】
[0013]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0014]实施例1
[0015]石墨烯三维微电极芯片制作工艺流程如图2所示，具体如下:
[0016](1)清洗基片:使用Phiranha溶液清洗硅片或石英片或硼硅玻璃片(如Prex7740)，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，氧等离子体处理5分钟；
[0017](2)Lift_off工艺制作外微电极阵列区域外电极引线和引脚:在基片上旋涂AZ4620，光刻工艺进行图形化，然后溅射金属层(钛/金)，用丙酮去除光刻胶，留下金属图层。(图2.a)
[0018](3)三维微柱阵列制作:旋涂负性光刻胶(硅片用SU83005，石英片和Prex7740硼硅玻璃用PI 7510),控制转速300r/min，光刻显影后，经过固化，形成微柱阵列。(图2.b)
[0019](4)石墨烯转移:使用化学气相沉积制备的单层石墨烯薄膜，实际为“铜/石墨烯/聚甲基酸甲酯”复合膜;该复合薄膜用过硫酸铵浸泡腐蚀铜箔，待铜被完全腐蚀后，留下支撑层”石墨烯/聚甲基酸甲酯”薄膜;用去离子水漂洗薄膜，再将完整的薄膜转移到三维微柱阵列上，覆盖阵列并与金电极引线接触;静置一段时间后，用85°C烘箱烘30分钟，然后在丙酮溶液中浸泡去除聚甲基酸甲酯;最后用乙醇、去离子水依次清洗基底。(图2.c)
[0020](5)制作石墨烯微电极:旋涂AZ4620P光刻胶，通过光刻和氧等离子体刻蚀制作石墨烯图形，然后用丙酮去除光刻胶，依次用乙醇、去离子水对基底进行清洗。(图2.d)
[0021](6)制作电极绝缘层:旋涂SU83005，进行光刻、显影，暴露出石墨烯微电极位点和金电极引脚。(图2.e)
[0022]实施例2
[0023]石墨烯三维微电极性能检测方法
[0024]电化学阻抗和