本发明属于硅基微电极表面改性技术领域，具体涉及一种基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法。
背景技术：
在体神经电信号采集为神经科学家研究神经系统的基本原理提供了一种有力的工具，而脑深部电刺激在治疗帕金森等神经类疾病中显现出巨大的优势和潜力。不论是神经电信号的采集还是对脑核团进行电刺激，微脑电极往往是这其中最为重要的一部分，而微脑电极的表面特性很大程度上决定了其电刺激性能和神经电信号采集性能。由于微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems，简称mems)技术可以精确定义电极尺寸、形状，可以将多个记录位点/刺激位点制备在单个硅基微电极杆上以及可实现微电极的批量生产，因此，近些年来各种各样的mems硅基微电极被研发出来并被应用于神经科学领域。
对于mems硅基微电极来说，往往在单个微电极杆上集成多个电刺激/电信号采集位点，并且微电极芯片的整体尺寸较小以降低植入过程中对脑组织的损伤，而减小微电极尺寸的一个不可避免的结果是电极位点界面阻抗会大幅度增高。界面阻抗的增大往往会在神经电信号采集过程中引入较高的热噪声，对于微弱的神经电信号来说，这无疑会降低信号采集的质量。此外，电极位点阻抗的增大不利于电刺激过程中电荷的注入，降低微脑电极的电刺激性能。因此研究对mems硅基微电极进行表面改性以提高其性能，具有较高的实际应用价值。
目前常用的硅基微电极表面改性工艺主要有物理和化学气相沉积法、等离子刻蚀法、自组装单层膜法和溶胶-凝胶法，这些工艺都能基本满足硅基微电极表面改性的需求，但是这些工艺存在设备昂贵，工艺步骤复杂，处理时间长等问题。近些年来，电化学沉积法由于设备便宜、对制备环境要求较低、工艺简单、方便快捷和沉积层形貌可控等优点成为硅基微电极表面改性广泛使用的方法。相关的研究者已经采用电化学沉积法，在硅基微电极表面沉积铂黑(mártong，bakosi，feketez，etal.durabilityofhighsurfaceareaplatinumdepositsonmicroelectrodearraysforacuteneuralrecordings[j].journalofmaterialsscience:materialsinmedicine,2014，25(3)：931-940)、氧化铱(kangx，liuj，tianh，etal.optimizationandelectrochemicalcharacterizationofrf-sputterediridiumoxidemicroelectrodesforelectricalstimulation[j].journalofmicromechanicsµengineering,2014,24(2):153-163)、金纳米颗粒(zhangh,shihj，zhuj，etal.layerednanocompositesfromgoldnanoparticlesforneuralprostheticdevices[j].nanoletters,2012，12(7)：3391-3398)来对微电极进行表面改性。但是这些微电极表面改性材料存在表面改性效果一般、机械稳定性较差等缺点。
根据申请人作进行的资料检索，目前，现有的微电极表面改性技术专利中没有涉及基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法，采用该方法制备的硅基微电极，可大幅降低微电极位点界面阻抗，提高其神经电信采集/电刺激性能。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1，依次用乙醇溶液、硝酸溶液和超纯水对硅基微电极各超声清洗5分钟，超声清洗后的硅基微电极放置在空气中自然干燥；
步骤2：将预处理过的硅基微电极浸入到氯金酸、氯铂酸和硫酸铜混合溶液中；采用三电极体系，待修饰的硅基微电极上面的电极位点为工作电极，大面积铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，然后施加-0.2v或-0.3v的沉积电压，沉积时间为500s-600s，从而得到金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极；
步骤3：把金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极浸入铜刻蚀液中，通过电化学选择性刻蚀掉合金纳米颗粒中的铜成分，得到多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的硅基微电极。
根据本发明，步骤1中所述的乙醇溶液是按照无水乙醇与超纯水以体积比1:1配制而成；步骤1中所述的硝酸溶液是按照纯硝酸溶液与超纯水以体积比1:1配制而成。
进一步地，步骤2中所述的氯金酸、氯铂酸和硫酸铜混合溶液采用0.5mol/l的硫酸溶液配制而成，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜溶液的总浓度为1-2mmol/l，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜的浓度比为2:2:1或1:1:1。
步骤3所述的铜刻蚀液是浓度为50％-70％的硝酸溶液，刻蚀液的温度保持60℃-80℃之间，刻蚀时间为0.5-1小时。
本发明的基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法，通过电化学沉积法和化学刻蚀法将多孔金-铂合金纳米颗粒修饰在硅基微电极位点上，所用设备价格便宜，操作步骤简单、适用性强、处理效果好、稳定可靠，可广泛用于各种类型硅基微电极的表面改性。
申请人根据上述方法得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的硅基微电极的界面阻抗和在体神经电信号采集性能进行实验评估，结果表明，与未改性的微电极位点、金纳米颗粒改性的微电极位点相比，其微电极位点界面阻抗大幅降低，神经电信号的采集性能即信号的信噪比大幅提升。
附图说明
图1为实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点(图1c)，以及作为对照的未处理微电极位点(图1a)、金纳米颗粒修饰的位点(图1b)的扫描电子显微镜图片；
图2为实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点，以及作为对照的未处理微电极位点、金纳米颗粒修饰的位点的界面阻抗曲线；
图3为实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点(图3b)，以及作为对照的金纳米颗粒修饰的位点(图3a)在大鼠脑内采集到的神经电信号；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
申请人研究发现，多孔金-铂合金纳米颗粒具有两种单金属纳米颗粒的协同效应，与相应的单金属纳米颗粒(金或铂纳米颗粒)相比，具有更大的表面积，更快的电子传递速率，更强的机械稳定性及更高的电催化活性等众多优势。此外，多孔纳米材料具有较大的表面积，可以极大地增大电极-电解液接触面积且具有良好的电荷存储能力，因此，申请人选用多孔金-铂合金纳米颗粒作为硅基微电极表面改性新材料，并进行了进一步试验研究，得到了一种基于多孔金-铂合金纳米颗粒的硅基微电极表面改性方法。
下述实施例中所采用的硅基微电极，其上面的微电极位点为圆形的金位点，直径20微米。
实施例1：
步骤1：对硅基微电极进行表面预处理：
依次用浓度为50％的乙醇溶液(无水乙醇与超纯水体积比1:1)、浓度为50％的硝酸溶液(纯硝酸溶液与超纯水体积比1:1)和超纯水对硅基微电极各超声清洗5分钟，并将清洗后的硅基微电极放置在空气中自然干燥；
步骤2：将预处理过的硅基微电极浸入到氯金酸、氯铂酸和硫酸铜混合溶液中，混合溶液采用0.5mol/l的硫酸溶液配制而成，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜溶液的总浓度为1mmol/l，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜的浓度比为2:2:1；采用三电极体系，待修饰的硅基微电极上面的电极位点为工作电极，大面积铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，然后施加-0.2v的沉积电压，沉积时间为600s，从而得到金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极；
步骤3：把所得的金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极浸入铜刻蚀液(浓度为60％的硝酸溶液)中1小时，刻蚀液的温度保持在60℃，通过电化学选择性刻蚀掉合金纳米颗粒中的铜成分，最终得到多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的硅基微电极。
实施例2：
步骤1：对硅基微电极进行表面预处理：
依次用浓度为50％乙醇溶液(无水乙醇与超纯水体积比1:1)、浓度为50％硝酸溶液(纯硝酸溶液与超纯水体积比1:1)和超纯水对硅基微电极各超声清洗5分钟，并将清洗后的硅基微电极放置在空气中自然干燥；
步骤2：将预处理过的硅基微电极浸入到氯金酸、氯铂酸和硫酸铜混合溶液中，混合溶液采用0.5mol/l的硫酸溶液配制而成，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜溶液的总浓度为1mmol/l，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜的浓度比为1:1:1；采用三电极体系，待修饰的硅基微电极上面的电极位点为工作电极，大面积铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，然后施加-0.2v的沉积电压，沉积时间为600s，从而得到金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极；
步骤3：把所得的金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极浸入铜刻蚀液(浓度为60％的硝酸溶液)中0.5小时，刻蚀液的温度保持在80℃，通过电化学选择性刻蚀掉合金纳米颗粒中的铜成分，最终得到多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的硅基微电极。
实施例3：
步骤1：对硅基微电极进行表面预处理：
依次用浓度为50％的乙醇溶液(无水乙醇与超纯水体积比1:1)、浓度为50％的硝酸溶液(纯硝酸溶液与超纯水体积比1:1)和超纯水对硅基微电极各超声清洗5分钟，并将清洗后的硅基微电极放置在空气中自然干燥；
步骤2：将预处理过的硅基微电极浸入到氯金酸、氯铂酸和硫酸铜混合溶液中，混合溶液采用0.5mol/l的硫酸溶液配制而成，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜溶液的总浓度为2mmol/l，氯金酸、氯铂酸和硫酸铜的浓度比为2:2:1；采用三电极体系，待修饰的硅基微电极上面的电极位点为工作电极，大面积铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，然后施加-0.2v的沉积电压，沉积时间为600s，从而得到金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极；
步骤3：把所得的金-铂-铜三金属合金纳米颗粒修饰的硅基微电极浸入铜刻蚀液(浓度为60％的硝酸溶液)中1小时，刻蚀液的温度保持在60℃，通过电化学选择性刻蚀掉合金纳米颗粒中的铜成分，最终得到多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的硅基微电极。
对照例：金纳米颗粒修饰的微电极位点的制备:
步骤1：对硅基微电极进行表面预处理，即依次用浓度为50％的乙醇溶液(无水乙醇与超纯水体积比1:1)、浓度为50％的硝酸溶液(纯硝酸溶液与超纯水体积比1:1)和超纯水对硅基微电极各超声清洗5分钟，并将清洗后的硅基微电极放置在空气中自然干燥；
步骤2：将预处理过的硅基微电极浸入到0.5mol/l的硫酸溶液配制的氯金酸溶液中，氯金酸溶液的浓度为1-2mmol/l；采用三电极体系，待修饰的硅基微电极上面的电极位点为工作电极，大面积铂丝电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，然后施加-0.2v或-0.3v的沉积电压，沉积时间为500s-600s，从而得到金纳米颗粒修饰的硅基微电极；
形貌表征及性能测试
1、将实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的微电极位点，对照例制备的金纳米颗粒修饰的微电极位点以及未修饰的微电极位点进行扫描电子显微镜实验，得到的结果如图1所示。从图1a可以看出，未经修饰的裸金电极位点表面光滑；在其上面沉积金纳米颗粒之后(图1b)，可以看到很多形状不规则的纳米颗粒，密集地分布在金电极位点表面；而图1c的电子显微镜照片表明，所制备的金-铂纳米颗粒直径大概为200nm，具有菜花状的形状，均匀密集地分布于金电极位点的表面。从放大倍数更高的电子显微镜图片可以看到(图1c的内嵌图)，所制备的金-铂纳米颗粒具有非常粗糙的表面，并且纳米颗粒上有很多不同大小的孔，这主要是由于通过电化学选择性刻蚀掉金-铂-铜合金纳米颗粒中的铜成分而导致的。这样的纳米结构将会极大地降低微电极位点的阻抗，增大位点的表面粗糙度，提高电子转移速率以及增强微电极的神经电信号采集/电刺激性能。
2、将实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的微电极位点，对照例中制备的金纳米颗粒修饰的微电极位点以及未修饰的微电极位点进行阻抗测试实验，得到的结果如图2所示。图2为三种微电极位点在1khz-100khz频率范围内的平均阻抗变化曲线。可以看出，随着频率的增大，三种微电极位点的阻抗均出现单调递减的趋势；未修饰的微电极位点在整个频率范围内表现出最大的界面阻抗，而多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的微电极位点在整个频率范围内的阻抗几乎最小。这说明，相对于金纳米颗粒，多孔金-铂合金纳米颗粒可以明显降低微电极位点的界面阻抗。
3、硅基微电极的一个最主要功能是实现在体神经电信号的采集。为了验证根据本发明方法改性过的微电极可以明显提高在体神经电信号采集性能，将实施例1得到的多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点，以及作为对照的金纳米颗粒修饰的位点在大鼠脑内进行神经电信号采集实验，结果如图3所示。图3a和3b分别为金纳米颗粒修饰的位点、多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点采集到的典型spike动作电位信号序列。可以看出，两种微电极位点采集到的动作电位的幅度相差不大，但是多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的位点采集到的spike信号，其背景噪声较小。为了定量对比两种微电极位点的spike动作电位信号采集的质量，对两种微电极位点采集到的spike动作电位信号的平均幅值、平均信号比(snr)进行统计分析。结果表明，尽管多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的微电极位点所检测到的平均spike幅值(273.7±25.2)与金纳米颗粒修饰的位点的平均spike幅值(281.2±39.7)之间并无统计学差异(p＞0.05)，但是前者的平均snr达到4.8±0.3，后者的平均snr为3.4±0.4，前者在统计学上明显高于后者，这主要是由于多孔金-铂合金纳米颗粒修饰的微电极位点在体检测背景噪声的大幅降低。
应当理解，上述实施例的描述仅用以解释本发明，是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用，对本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明不限于这些实施例，熟悉本领域技术的人员根据本发明所得到的技术启示，显然可以容易的对这些实施例做出各种添加或替换，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而无需进行创造性劳动。因此，本领域技术人员在不脱离本发明范畴所做出的添加或替换都应视为本发明的保护范围之内。